機(jī)器人技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用探索

韓 濤

（海裝沈陽(yáng)局駐長(zhǎng)春地區(qū)軍事代表室，吉林 吉林 132102）

機(jī)器人在航空維修中的應(yīng)用并不是一個(gè)新概念。目前，機(jī)器人參與航空檢測(cè)、測(cè)試和維修任務(wù)，在航空維修技術(shù)中，機(jī)器人的發(fā)展最重要的一點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人維修的絕對(duì)精度，達(dá)到與人工維修相同的標(biāo)準(zhǔn)，從而保證飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全要求。否則，會(huì)有很大的安全隱患。機(jī)器人的發(fā)展前景廣闊，因?yàn)闄C(jī)器人領(lǐng)域的探索只是其中的一部分，而未來(lái)的發(fā)展前景讓我們?yōu)榭謶炙_。人們希望人工智能能完全取代人類，但他們擔(dān)心機(jī)器人會(huì)有自己的想法[1]。

1 機(jī)器人技術(shù)概述

機(jī)器人可以分為半自助或自助工作機(jī)。它們是結(jié)合現(xiàn)代制造技術(shù)、硬件技術(shù)和信息技術(shù)的智能制造產(chǎn)品。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人可以分為基于制造環(huán)境的工業(yè)機(jī)器人和基于非制造環(huán)境的服務(wù)機(jī)器人。對(duì)于服務(wù)機(jī)器人，視應(yīng)用環(huán)境而定，可分為家庭或個(gè)人服務(wù)機(jī)器人和專業(yè)服務(wù)機(jī)器人在特殊環(huán)境下。航空中使用的機(jī)器人屬于后者，盡管機(jī)器人的好奇心和想象力很強(qiáng)，但不可否認(rèn)的是，實(shí)際機(jī)器人和人們的預(yù)期狀態(tài)之間有很大的差別。第一，機(jī)器人被納入多學(xué)科系統(tǒng)，不僅需要硬件和軟件知識(shí)的整合，而且還需要大規(guī)模的研究、開(kāi)發(fā)，花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力。其次，現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境主要是結(jié)構(gòu)化的對(duì)于服務(wù)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，他們只能執(zhí)行困難的任務(wù)，而特殊機(jī)器人的特殊項(xiàng)目通常是遠(yuǎn)程完成的。

2 航空維修特點(diǎn)

與航制造不同，本分析在航空維修過(guò)程中具有以下特點(diǎn)：

（1）大部分工作量是零件外觀缺損、表面缺陷檢查和測(cè)量幾何尺寸。目前，大部分這類工作仍然是人工，自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)率低，迫切需要機(jī)械視覺(jué)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。

（2）維修備件數(shù)量多、體積小、分類困難。批量修理不能采用單一方法或固定方法。個(gè)別零件的個(gè)性化維修更為普遍，這對(duì)機(jī)器人的靈活性提出了更高的要求。

（3）在航空維修中，要進(jìn)行大量的拆卸作業(yè)，其工作方法和特點(diǎn)與普通飛機(jī)制造有很大不同，很難為機(jī)器人技術(shù)找到借鑒。

（4）由于行業(yè)利益的競(jìng)爭(zhēng)，下游航空維修企業(yè)很難獲得大量維修產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的原始信息，如產(chǎn)品數(shù)值建模信息等。這可能會(huì)影響機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用[2]。

3 機(jī)器人技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用

（1）航空維修技術(shù)中機(jī)器人與工業(yè)制造技術(shù)的關(guān)系。盡管機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于汽車工業(yè)，但許多航空公司仍然認(rèn)為，汽車工業(yè)和航空工業(yè)之間存在著較大的差距，其規(guī)模和精確度都有所提高。航空飛行在制造過(guò)程中必須符合安全標(biāo)準(zhǔn)，而汽車行業(yè)則不然。但是，圖像識(shí)別技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展水平逐步提高，使得機(jī)器人在某些功能操作中完全比人類好。許多飛機(jī)制造商已經(jīng)在考慮把機(jī)器人投入生產(chǎn)許多人在工業(yè)生產(chǎn)中給機(jī)器人帶來(lái)了好處，例如使車間更清潔，增加自動(dòng)化工作站的數(shù)量，優(yōu)化空間利用，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，減少與人的安全有關(guān)的事故。因此，今后在航空維修領(lǐng)域使用機(jī)器人的發(fā)展包括:、測(cè)試和修理機(jī)器，確立與人類相同的高安全標(biāo)準(zhǔn)，比人類行動(dòng)更靈活，以及開(kāi)發(fā)和解決特殊任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)被使用了幾十年。隨著幾十年的發(fā)展，價(jià)格相應(yīng)下降。但是，不同機(jī)器人的制造語(yǔ)言和編程過(guò)程不同。因此，發(fā)展適合航空維修的機(jī)器人需要更多的技術(shù)機(jī)器人必須使用所有傳感器來(lái)執(zhí)行維護(hù)工作，否則它將不會(huì)像預(yù)期的那樣有效[3-5]。

（2）工業(yè)機(jī)器人在飛機(jī)機(jī)械零件特殊維修過(guò)程中的應(yīng)用。在維修方面，激光熔覆和熱噴涂技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)低熱輸入焊接焊接和飛機(jī)零部件表面尺寸恢復(fù)等維修目標(biāo)。但是由于零件的形狀不同，損壞的部分也不同等等，很難使用這種方法。充分利用工業(yè)機(jī)器人的高度柔性化可以有效地解決這些問(wèn)題。

（3）零件外觀尺寸檢測(cè)中機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用。在某型飛機(jī)進(jìn)氣道防護(hù)柵進(jìn)行維修工作時(shí)，需裂紋檢測(cè)有近10萬(wàn)個(gè)小孔，檢測(cè)過(guò)程必須輔之以目視檢測(cè)。這不僅是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，而且在檢測(cè)過(guò)程中也受到外部因素的影響，維修質(zhì)量得不到保證，而且不時(shí)出現(xiàn)裂縫檢測(cè)和漏修，對(duì)飛機(jī)維修質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。為了全面有效地解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以將機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法應(yīng)用到檢測(cè)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺(jué)的前一目標(biāo)到圖像信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的圖像信號(hào)提交到圖像處理系統(tǒng)，使圖像處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防護(hù)柵裂紋識(shí)別在檢測(cè)橡膠零件時(shí)，由于橡膠本身的彈性和執(zhí)行效率相對(duì)較低，很難測(cè)量其幾何尺寸。因此，OGP影響測(cè)量系統(tǒng)可以應(yīng)用于這一應(yīng)用。該系統(tǒng)將精密光學(xué)和先進(jìn)電子等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，為零件帶來(lái)清晰和準(zhǔn)確的影響，為進(jìn)一步的行動(dòng)提供準(zhǔn)確的參考，并確保測(cè)量的有效性。該系統(tǒng)主要采用機(jī)械可視化和圖像處理技術(shù)相結(jié)合的方式測(cè)量非接觸式橡膠零件。不僅零件數(shù)據(jù)比單點(diǎn)接觸系統(tǒng)更詳細(xì)，而且還解決了小型橡膠零件過(guò)去無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題。

（4）飛機(jī)大部分運(yùn)輸和裝配中全向移動(dòng)技術(shù)在的應(yīng)用。飛機(jī)主要部件的運(yùn)輸和組裝是航空維修過(guò)程中的一個(gè)問(wèn)題，需要有足夠的時(shí)間在運(yùn)輸和組裝過(guò)程中更好地調(diào)整和對(duì)接相關(guān)的、部件。在這方面，主要以全向移動(dòng)麥克拉姆輪技術(shù)為基礎(chǔ)，研究開(kāi)發(fā)了運(yùn)輸裝配全向車。它不僅使用速度伺服技術(shù)，還使用諸如精確控制多軸運(yùn)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)，以確?；谄秸麪顟B(tài)的三個(gè)自由度在任意方向上的精確運(yùn)動(dòng)。為飛機(jī)修理車間運(yùn)輸和裝配發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備和武器系統(tǒng)提供了大量技術(shù)支助，取得了顯著成果。

4 航空維修中的機(jī)器人關(guān)鍵性技術(shù)發(fā)展

（1）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。是機(jī)器人和照相測(cè)量學(xué)的有機(jī)結(jié)合。在航空維修領(lǐng)域，由于大量的視覺(jué)維修，對(duì)計(jì)算機(jī)輔助視覺(jué)技術(shù)的需求更加迫切。自動(dòng)可視化可以完成任何需要目視檢查，提高工作效率和質(zhì)量。特別是相對(duì)較高的生產(chǎn)力水平可以大大提高生產(chǎn)率。圖像處理、軟件開(kāi)發(fā)和定制是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的關(guān)鍵組成部分。

（2）快速反向測(cè)量技術(shù)。在工業(yè)機(jī)器人大多數(shù)操作中，機(jī)器人路徑的詳細(xì)計(jì)算只能根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的形狀數(shù)據(jù)進(jìn)行。然而，在航空維修領(lǐng)域，由于上游企業(yè)技術(shù)封鎖，許多目標(biāo)產(chǎn)品的原始設(shè)計(jì)和數(shù)字幾何模型存在雙層的缺陷。為了獲得數(shù)字幾何數(shù)據(jù)，只有專用的測(cè)量設(shè)備才能快速測(cè)量目標(biāo)產(chǎn)品的形狀?？茖W(xué)地獲取合格的三維幾何數(shù)學(xué)模型是關(guān)鍵技術(shù)。高效的基于數(shù)據(jù)的快速處理和編輯。

（3）離線編程和仿真。機(jī)器人的最終運(yùn)行是基于程序的。傳統(tǒng)的示教方法不準(zhǔn)確、效率低。它不能成功地銜接到目標(biāo)產(chǎn)品的數(shù)字幾何模型，在定制維護(hù)中的應(yīng)用受到復(fù)雜的航空產(chǎn)品限制，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確靈活控制，更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，避免碰撞和編程效率，對(duì)其進(jìn)行了深化離線編程。

（4）種高精度測(cè)量定位技術(shù)。在航空維修的具體過(guò)程中，飛機(jī)的噴漆與除漆和大工作面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通工業(yè)機(jī)器人的工作范圍，但精度要求很高。現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度低，難以滿足要求。目前，除了傳統(tǒng)的激光跟蹤儀器外，室內(nèi)GPS技術(shù)更適合大規(guī)模測(cè)量。它可以在整個(gè)任務(wù)區(qū)建立一個(gè)測(cè)量場(chǎng)，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要添加機(jī)器人，無(wú)需額外費(fèi)用，從而有效降低固定工裝的資本成本。

5 機(jī)器人技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用現(xiàn)狀與探索方向

雖然航空維修企業(yè)開(kāi)始研究機(jī)器人技術(shù)，投資少，但它們?nèi)匀痪哂幸欢ǖ膽?yīng)用效果。以我國(guó)航空維修基地為例，從典型實(shí)例和今后的應(yīng)用兩方面描述了機(jī)器人技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和探索方向。

5.1 典型應(yīng)用示例

（1）工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械零件特殊修理過(guò)程中的使用。激光熔覆技術(shù)與熱噴涂技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空維修，以實(shí)現(xiàn)低熱輸入焊接、表面尺寸恢復(fù)目標(biāo)。由于各種零件的形狀差異很大，零件之間受損的部分，修復(fù)過(guò)程中很難迅速準(zhǔn)確地定位激光熔覆頭或噴槍。工業(yè)機(jī)器人的高度靈活性很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

（2）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在零件外觀尺寸檢測(cè)中的應(yīng)用。某類型飛機(jī)進(jìn)氣道的防護(hù)柵欄必須在維修過(guò)程中直觀地探測(cè)近10萬(wàn)個(gè)小孔中的檢測(cè)裂紋。其工作量是不言而喻的，其過(guò)程容易受到人為干擾，使維修質(zhì)量難以控制，造成裂紋漏檢漏修，從而造成飛機(jī)最終維修質(zhì)量的不確定性。為解決這一問(wèn)題，現(xiàn)已將視覺(jué)檢測(cè)改為人眼檢測(cè)，以檢測(cè)防護(hù)柵的裂縫。捕獲的目標(biāo)被機(jī)器直觀地轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，并傳輸?shù)綄Ｓ玫膱D像處理系統(tǒng)。利用多種圖像處理技術(shù)自動(dòng)識(shí)別、標(biāo)注和存儲(chǔ)閉合裂縫。在檢測(cè)橡膠零件時(shí)，很難準(zhǔn)確測(cè)量橡膠的幾何尺寸，即使由于其靈活性和實(shí)施效率較低。例如，采用了一種OGP圖像測(cè)量系統(tǒng)，將精密光學(xué)技術(shù)、先進(jìn)的電子技術(shù)、強(qiáng)大的軟件功能和精密機(jī)器結(jié)合起來(lái)?？梢苑浅＞_地顯示任何零件的圖像，以獲得精確的測(cè)量結(jié)果。該系統(tǒng)利用機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)成功地測(cè)量了非接觸式橡膠部件，提供了比單接觸式系統(tǒng)更詳細(xì)的部件數(shù)據(jù)，并有效地解決了無(wú)法快速準(zhǔn)確測(cè)量的小型橡膠部件的問(wèn)題。

（3）在飛機(jī)大部分部件的運(yùn)輸裝配中應(yīng)用完整的全向移動(dòng)技術(shù)。運(yùn)輸和組裝某些大型部件一直是航空維修方面的一個(gè)難題。在此過(guò)程中，調(diào)整和配套工裝需要很長(zhǎng)時(shí)間。因此，在全向移動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上研制出了裝配全向車。車輛采用多種先進(jìn)技術(shù)，如速度伺服、多軸精確運(yùn)動(dòng)控制和被動(dòng)無(wú)線，實(shí)現(xiàn)車輛在平面上三個(gè)自由度的任意方向上的精確運(yùn)動(dòng)。在航空維修車間運(yùn)行期間，該系統(tǒng)已成功地用于發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載式配件以及武器和設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)輸和組裝，并取得了良好的應(yīng)用效果。

5.2 基于機(jī)器人智能升降的未來(lái)應(yīng)用探索方向

（1）搬運(yùn)和裝配。作為航空維修的一部分，有許多短距離運(yùn)輸和重荷吊裝。傳統(tǒng)的起重方法是使用車間起重機(jī)進(jìn)行起重作業(yè)，其控制精度和靈活性較低，難以滿足實(shí)際的工作需要。為此，可以使用機(jī)器人智能升降系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。一方面，它可以大大降低一線工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面，它可以提高大型零件運(yùn)輸和裝配過(guò)程的靈活性和準(zhǔn)確性[6-8]。

（2）基于機(jī)器人技術(shù)的除漆、噴漆。隨著我軍新型戰(zhàn)機(jī)，特別是新一代隱形戰(zhàn)斗機(jī)的服役，由于其隱形外殼的特殊性，對(duì)除漆、噴漆有許多嚴(yán)格的要求。目前的手工方法和操作方法將難以應(yīng)用，這將對(duì)今后的油漆工作構(gòu)成重大挑戰(zhàn)，而采用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)油漆的引進(jìn)和消化將不可避免地成為一種趨勢(shì)。

航空維修與航空制造有本質(zhì)區(qū)別。在機(jī)器人技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用過(guò)程中，需要改變以往的復(fù)制品，盲目尋求新的態(tài)度。要把現(xiàn)有的成熟機(jī)器人技術(shù)放在首位，把它們推向最佳應(yīng)用，這是拓展機(jī)器人技術(shù)在航空維修領(lǐng)域應(yīng)用深度的有效途徑。雖然機(jī)器人在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用需要進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，但近年來(lái)機(jī)器人在航空領(lǐng)域的良好性能顯示出廣闊的發(fā)展前景?；谙冗M(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，航空維修市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將越來(lái)越激烈。提高企業(yè)綜合實(shí)力是航空維修業(yè)發(fā)展的重要方向。