航天復(fù)雜產(chǎn)品智能化裝配技術(shù)應(yīng)用研究

劉 煒，劉 峰，倪陽詠，白 雪，李 霏

(北京電子工程總體研究所 復(fù)雜產(chǎn)品智能制造系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌),北京 100854)

0 引言

航天復(fù)雜產(chǎn)品具有品種多、小批量生產(chǎn)及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配空間狹小、零件繁多等特點(diǎn)，導(dǎo)致其裝配與調(diào)整的工作量很大，通常占制造過程總勞動(dòng)量的50%～80%[1-3]。航天產(chǎn)品普遍采用以手工和經(jīng)驗(yàn)為主的離散化裝配模式，工藝裝備的自動(dòng)化和柔性化程度不高，生產(chǎn)過程管理的信息化和柔性化不夠，容易導(dǎo)致產(chǎn)品裝配的效率不高，裝配的質(zhì)量一致性難以保證，工人勞動(dòng)強(qiáng)度很大，裝配過程柔性化管控和規(guī)模化裝配能力不足等問題，現(xiàn)有生產(chǎn)條件很難滿足當(dāng)前的裝配需求[4]。

航天復(fù)雜產(chǎn)品智能制造是解決上述問題的重要途徑。現(xiàn)階段，美德日等國已經(jīng)將智能制造技術(shù)作為國家戰(zhàn)略，力圖通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通、設(shè)備的自我運(yùn)行控制和系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)等，形成設(shè)備、產(chǎn)品、人和管理協(xié)調(diào)互動(dòng)的新制造模式，提升制造業(yè)核心競爭力，贏得競爭優(yōu)勢。智能裝配技術(shù)及系統(tǒng)已在國外大型航空航天企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，極大提高了航空航天裝備的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。例如，波音成功建立了具有13個(gè)站位的衛(wèi)星精益脈動(dòng)生產(chǎn)線，整個(gè)生產(chǎn)線按照衛(wèi)星的本體裝配、初始測試、熱-真空測試、最終測試4個(gè)制造過程布置，可同時(shí)容納4顆衛(wèi)星在線生產(chǎn)，該裝配生產(chǎn)線具有年產(chǎn)6顆衛(wèi)星的能力，創(chuàng)造了波音歷史上衛(wèi)星生產(chǎn)效率的最高記錄[5]。近年來，智能制造技術(shù)在國內(nèi)航空工業(yè)的企業(yè)也得到局部應(yīng)用，取得了一定的成效。例如，中航工業(yè)西飛建成了飛機(jī)總裝脈動(dòng)式生產(chǎn)線[6]；沈陽和成都飛機(jī)制造公司在其最新型號(hào)飛機(jī)的總裝制造中，均建成了融合先進(jìn)數(shù)字化和自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)字化總裝生產(chǎn)線，保證了新型號(hào)產(chǎn)品的總裝質(zhì)量，縮短了總裝周期，降低了制造成本[7-8]。而在航天領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用則未見報(bào)道。

本文依托復(fù)雜產(chǎn)品智能制造系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，借助實(shí)驗(yàn)室智能集成裝配生產(chǎn)示范線軟硬件條件，開展航天復(fù)雜產(chǎn)品的智能裝配技術(shù)探究。為滿足航天產(chǎn)品多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)，提出一種基于搬運(yùn)機(jī)器人與柔性功能點(diǎn)的智能化裝配生產(chǎn)模式。該生產(chǎn)模式的優(yōu)勢在于：通過硬件設(shè)備的動(dòng)態(tài)重用，在不改變生產(chǎn)線狀態(tài)的前提下可滿足不同產(chǎn)品的裝配需求，降低生產(chǎn)線的硬件成本與建設(shè)周期。在此生產(chǎn)模式下，進(jìn)一步研究了利用多軸工業(yè)機(jī)器人、柔性工裝及末端執(zhí)行器相互配合，實(shí)現(xiàn)空氣舵裝配所需的復(fù)雜裝配路徑，并在裝配過程中利用視覺識(shí)別技術(shù)進(jìn)行裝配補(bǔ)償，保證高精度裝配工藝和結(jié)果確認(rèn)，確保裝配質(zhì)量。研究表明，基于機(jī)器人和先進(jìn)傳感器的智能裝配技術(shù)能夠有效提升產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，為航天復(fù)雜產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)提供了新型解決方案。

1 航天產(chǎn)品智能裝配生產(chǎn)模式

航天產(chǎn)品品種多、批量小，且生產(chǎn)批量變化大，為某一型產(chǎn)品建立專用生產(chǎn)線成本高，周期長，因此要求生產(chǎn)線能夠生產(chǎn)多種不同的產(chǎn)品。本文提出一種基于搬運(yùn)機(jī)器人與柔性功能點(diǎn)組成的裝配生產(chǎn)功能網(wǎng)絡(luò)模式，如圖1所示。柔性功能點(diǎn)由具備特定功能的軟硬件設(shè)備組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多種工藝路線的能力。柔性功能點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)工位即插即用。柔性功能點(diǎn)布置在搬運(yùn)機(jī)器人兩側(cè)，搬運(yùn)機(jī)器人沿軌道前后運(yùn)動(dòng)，在各柔性功能點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)物理流串接。其工作模式如圖1所示。

圖1 智能裝配生產(chǎn)模式Fig.1 Production mode of intelligent assembly

裝配生產(chǎn)功能網(wǎng)絡(luò)有兩種配置方式，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。第一種配置方式為：搬運(yùn)機(jī)器人軌道兩側(cè)布置不同類型的柔性功能點(diǎn)，形成綜合功能網(wǎng)絡(luò)，具備綜合工藝能力，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)完成主要裝配生產(chǎn)內(nèi)容，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，利用多個(gè)綜合功能網(wǎng)組成生產(chǎn)系統(tǒng)，功能網(wǎng)絡(luò)間相對獨(dú)立。第二種配置方式為：在搬運(yùn)機(jī)器人軌道兩側(cè)布置同一類柔性的功能點(diǎn)，組成專一功能網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)完成一類裝配工藝，如圖3所示。利用多個(gè)不同的專一功能網(wǎng)絡(luò)形成生產(chǎn)系統(tǒng)，功能網(wǎng)絡(luò)間相互協(xié)作。

圖2 綜合功能網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Integrated functional network

為實(shí)現(xiàn)典型航天產(chǎn)品的智能化裝配過程，在復(fù)雜產(chǎn)品智能制造系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)內(nèi)建設(shè)了一個(gè)綜合功能網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)示范單元，其組成如圖4所示。該生產(chǎn)示范單元內(nèi)，布置了智能裝配中心、人機(jī)協(xié)作裝配中心、電性能檢測中心、尺寸精度檢測中心、在線模態(tài)檢測中心、線邊倉和噴碼機(jī)等設(shè)備，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品的混流、柔性生產(chǎn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)室的綜合功能網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)示范單元布局圖Fig.4 Layout of production demonstration unit with integrated functional network in the lab

2 空氣舵智能裝配技術(shù)研究

針對空氣舵這種典型航天復(fù)雜產(chǎn)品，開展基于多軸工業(yè)機(jī)器人、柔性工裝、末端執(zhí)行器及視覺相機(jī)的智能裝配技術(shù)研究，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的可行性。

2.1 裝配工藝規(guī)劃

空氣舵共由9個(gè)零件組成，主要為結(jié)構(gòu)件,如圖5所示。考慮到現(xiàn)有機(jī)器人及傳感器技術(shù)，在智能裝配中心上實(shí)施完成空氣舵的全部裝配工作。為保證空氣舵能夠順利裝配，利用軟件進(jìn)行虛擬裝配工藝仿真，進(jìn)行抓取姿態(tài)設(shè)定、裝配路徑規(guī)劃以及機(jī)器人可達(dá)性分析，如圖6所示。

圖5 空氣舵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成Fig.5 Constitute of air ruder

圖6 零件裝配工藝仿真(零件1、2、5和6裝配仿真場景)Fig.6 Simulation of assembly process for part 1,2,5,6

通過仿真得出空氣舵裝配工藝如下：

(1)零件1和零件2裝配

機(jī)器人A抓取零件1放置到柔性工裝上固定；機(jī)器人A使用相機(jī)1對零件1的孔進(jìn)行視覺定位，機(jī)器人B抓取零件2至下視覺處進(jìn)行孔視覺定位；機(jī)器人B抓取零件2移動(dòng)運(yùn)動(dòng)路徑上從上往下，再往右，完成零件1和零件2的裝配。

(2)零件5和零件6裝配

利用機(jī)器人A上相機(jī)1對零件2軸孔進(jìn)行拍攝(獲取中心點(diǎn)位置信息)，利用機(jī)器人A抓取零件5，并利用機(jī)器人B上相機(jī)2對零件5端面拍照，然后將零件5插入零件2中的孔中。采用類似的方式安裝零件6。

(3)零件7裝配

利用機(jī)器人A抓取零件7，利用相機(jī)2獲取零件的中心位置和方槽角度，然后將其插入零件5軸孔中，并與零件6上方形凸臺(tái)套合，機(jī)器人A將零件7旋轉(zhuǎn)一定角度之后由機(jī)器人B安裝固定螺釘，記錄并反饋力矩。

(4)零件3和零件4裝配

機(jī)器人A和機(jī)器人B分別抓取零件3(彈簧)和零件4進(jìn)行裝配，形成組件5。安裝零件3時(shí)，零件4圓軸端朝上，防止零件3脫落。機(jī)器人B完成組件5裝配后，將組件5從左側(cè)面插入零件1，并壓縮彈簧至預(yù)定值。機(jī)器人A使用自動(dòng)鎖螺釘工裝，對組件5進(jìn)行固定，并施加擰緊力矩。

(5)零件8和零件9裝配

機(jī)器人A抓取零件8和零件2進(jìn)行裝配，機(jī)器人B使用自動(dòng)鎖螺釘工裝，進(jìn)行固定，并施加擰緊力矩。機(jī)器人A抓取零件9和零件8進(jìn)行裝配，機(jī)器人B使用自動(dòng)鎖螺釘工裝進(jìn)行固定，并施加擰緊力矩。

2.2 基于圖像識(shí)別處理的裝配精度補(bǔ)償技術(shù)

空氣舵裝配過程中，依靠機(jī)器人的重復(fù)定位精度能夠?qū)崿F(xiàn)大部分裝配工序，然而對于長軸精密裝配，例如零件5裝入零件2中，只依靠機(jī)器人重復(fù)定位精度則無法實(shí)現(xiàn)。因此需要引入基于高分辨率視覺系統(tǒng)的圖像識(shí)別處理技術(shù)進(jìn)行裝配精度補(bǔ)償，以擴(kuò)展機(jī)器人的使用性能和應(yīng)用范圍，使機(jī)器人在完成指定任務(wù)的過程中，具有更大的適應(yīng)性。

高分辨率視覺系統(tǒng)(包括百萬級(jí)像素相機(jī)及光源)安裝在機(jī)器人手臂上，如圖7所示。工作過程中，機(jī)器人手臂帶動(dòng)視覺系統(tǒng)至指定位置進(jìn)行拍照，對圖像進(jìn)行識(shí)別和處理后得出目標(biāo)位置信息，例如軸中心位置，根據(jù)該信息計(jì)算位置偏移量，進(jìn)行機(jī)器人末端執(zhí)行器位置微調(diào)，引導(dǎo)機(jī)器人完成裝配動(dòng)作，如圖7所示。視覺系統(tǒng)的引入提高了裝配操作的智能化、柔性化程度，并且系統(tǒng)構(gòu)成簡單，開發(fā)成本低，具有很好的應(yīng)用前景。

(a)位置信息獲取 (b)機(jī)器人位姿微調(diào) 圖7 基于圖像識(shí)別處理的裝配精度補(bǔ)償過程Fig.7 Process of assembling precision compensation based on image recognition processing

除用作裝配精度補(bǔ)償外，還可利用視覺系統(tǒng)對關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)進(jìn)行裝配結(jié)果確認(rèn)，保證零件裝配效果，提升產(chǎn)品裝配質(zhì)量。例如，對螺釘安裝進(jìn)行拍照識(shí)別確認(rèn)，避免漏裝；對零件配合面進(jìn)行拍照確認(rèn)，避免裝配不到位。裝配確認(rèn)結(jié)果可通過生產(chǎn)線現(xiàn)場管理系統(tǒng)進(jìn)行上傳，與產(chǎn)品編碼綁定，用作產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量追溯。

3 結(jié)論

針對航天復(fù)雜產(chǎn)品多品種、小批量的特點(diǎn)，本文提出了一種由搬運(yùn)機(jī)器人與柔性功能點(diǎn)組成的智能化裝配生產(chǎn)模式，即通過柔性功能集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備動(dòng)態(tài)重用，并能夠?qū)崿F(xiàn)裝配工藝柔性。在空氣舵裝配中，通過工業(yè)機(jī)器人、柔性工裝及末端執(zhí)行器協(xié)作完成空氣舵裝配所需的復(fù)雜裝配路徑，并針對關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)利用視覺識(shí)別技術(shù)進(jìn)行精度補(bǔ)償，提升產(chǎn)品的裝配效率與設(shè)備靈活度。本文描述的生產(chǎn)模式和相關(guān)技術(shù)為航天復(fù)雜產(chǎn)品智能裝配生產(chǎn)提供了可行的解決方案。

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