大型復雜構件機器人制孔技術研究進展

董松，鄭侃，孟丹，廖文和，孫連軍

南京理工大學 機械工程學院，南京 210094

近年來，隨著新一代航空裝備的井噴式發展，飛行器的空間構型日趨復雜化與多樣化，其大尺度、構型復雜、制造周期短等特點對中國航空航天先進制造水平提出了新的挑戰。在大型復雜構件的機械連接中，連接孔是應力集中部位，連接孔的質量極大地影響連接件的疲勞壽命。連接結構的疲勞破壞是造成飛機失事的主要因素，據統計超過70%的飛機機體疲勞失效事故發生在結構連接部位，其中超過80%的疲勞裂紋產生于連接孔處。同時，一架大型飛行器需要在主體結構材料上鉆出上百萬個鉚接孔或螺栓孔。所以提高制孔效率和加工質量是保證飛行器使用性能和可靠性的關鍵。

相比采用傳統剛性型架的人工制孔方式，搭載末端執行器的機器人制孔系統具有柔性化程度高、工作空間大、容易實現自動化等優點。采用工業機器人取代人工對飛機部件進行鉆孔逐漸成為研究熱點。2015年中國發布了《中國制造2025》戰略規劃，將機器人制造特別是面向航空航天裝備或大部件裝配技術提升到戰略層面。然而，機器人的弱剛度特性導致其在疊層結構的制孔中極易受鉆削阻力的影響產生明顯的顫振，不穩定的鉆削狀態加劇了CFRP孔壁撕裂、分層及鋁合金毛刺等加工損傷，嚴重制約了機器人加工技術在航空制造企業的進一步應用和推廣。因此，要實現工業機器人在大型復雜構件加工領域的高精、高效、高質量加工必須解決機器人加工顫振和鉆削質量控制等問題。

從機器人制孔末端執行器設計技術、機器人制孔定位精度控制技術、機器人制孔工藝過程控制技術以及機器人制孔裝備研制方面對機器人制孔技術現有研究成果進行歸納和總結，并提出了大型復雜構件機器人制孔技術的研究展望。

1 末端執行器設計技術

隨著集成技術的快速發展和機器人仿真技術的逐漸成熟，工業機器人位置精度、負載能力和可控性能得到了較大提升。其中，機器人制孔系統是一種典型的機器人自動化加工設備，因其具有柔性好、集成化程度高、空間利用充分等優勢，被廣泛應用于機翼、尾翼等構件中空間狹小部位的制孔，主要包括鉆孔、鏜孔、锪孔、銑孔等，并取得了一系列的研究成果。國內外典型的工業機器人包括ABB公司的IRB系列機器人；KUKA公司的KR系列機器人；FANUC公司的ARC、R、M系列機器人；YSKAWA公司的MC、MPL、SIA系列機器人；埃斯頓公司的ER系列機器人；新松公司的SR、T系列機器人；埃夫特公司的ER系列機器人；新時達公司的SR系列機器人等。末端執行器的研制是機器人加工系統開發的首要任務。因此本節將對制孔末端執行器設計技術研究現狀進行梳理。末端執行器設計的核心技術主要包括多功能模塊集成技術、多傳感器信息融合技術及基于在線監測的反饋調節技術。

美國Electroimpact公司與空客公司聯合設計的ONCE機器人自動鉆削系統的末端執行器，如圖1所示，其功能模塊布局緊湊，包括主軸進給單元、外框架單元、壓緊單元、以及各類連接件等。同時，該設備集成了多種傳感器以及壓力角等輔助模塊，采用同步相機實現對設備基準的檢測，利用光電傳感器對多深度復合孔進行分析，利用壓力腳對工件施加壓緊力避免加工過程的末端振動。該系統搭載于KUKA350-2工業機器人，完成了波音F/A-18E/F翼面類部件的緊固孔加工任務，對鋁、鈦和復合材料板料上直徑1～6 mm的孔進行鉆锪加工，基于該設備波音公司的襟翼月產量高達8個。Novator公司在其軌道鉆削專利技術的基礎上研發了Orbital E-D100自動鉆削系統，如圖2所示，該設備功能全面，集成了壓緊、鉆削、真空吸屑等功能模塊，重量為130 kg，經使用證明，具備較高的加工可靠性。加工復合材料和鈦合金時具有較高的加工效率，入口和出口處的毛刺、分層等缺陷也得到有效控制，該裝置方便安裝至多自由度機器人對飛機上大型構件連接孔進行加工。可以發現，目前國外末端執行器的設計技術已較為成熟，基本掌握了多功能模塊集成設計、多傳感器融合信息處理以及基于在線監測的反饋調節等關鍵技術，可在航空制造企業中落地使用。

圖1 ONCE末端執行器[16]Fig.1 ONCE end-effector[16]

圖2 Novator公司螺旋銑孔系統[18]Fig.2 Spiral hole-milling system of Novator[18]

目前，面對國外末端執行器等機器人加工核心部件的技術封鎖，各大高校開展了自主研發的探索。浙江大學柯映林教授團隊研發了自動鉆鉚末端執行器，基于多傳感器在線檢測技術可智能識別并檢測定位特征、快速更換鉆頭和鉚釘。同時，該系統基本實現了多功能模塊的集成，可以完成制孔、锪窩、除塵、插釘等操作，是目前國內較為完備的自動鉆鉚解決方案。在在線檢測的反饋調節技術方面，采用了一種基于激光跟蹤儀的閉環反饋控制方法，補償了由于機器人的動、靜態誤差以及坐標系標定和坐標系轉換過程中的累計誤差，為提高制孔和鉚接的定位精度提供了技術支撐。此外，該團隊還研發了一種螺旋銑孔末端執行器用于制孔，利用齒輪圓弧齒條傳動能實現主軸的左右擺動并結合自轉、公轉完成锪橢圓窩的加工方式，設計了帶有閉環反饋的運動機構實現5 mm以內偏心量的精確自動調節，如圖3所示。

圖3 浙江大學螺旋銑孔末端執行器[21]Fig.3 End-effector of spiral hole-milling of Zhejiang University[21]

試驗結果表明，孔的位置精度達到±0.5 mm，法向偏差優于0.5°，锪窩深度精度達到0.02 mm。南京航空航天大學廖文和教授團隊針對機器人自動鉆鉚系統的特點和實際需求，研究開發了一套搭載在線檢測功能的機器人自動鉆鉚系統，實現了對鉆鉚過程加工質量的在線檢測，保證了航空零部件鉆鉚加工的質量要求，實現了末端執行器設計核心技術的突破。

針對末端執行器的多功能模塊集成設計技術，國內學者也開展了大量研究。大連交通大學設計了一種新型可用于機器人制孔系統的螺旋銑孔末端執行器，該末端執行器通過直線調偏方式調整偏心量，并采用雙螺母結構消隙保證了調節精度。包絡直徑與孔理論直徑誤差值不超過1 μm 低于直徑10～20 mm孔的 IT8等級公差。自轉速度與公轉速度對包絡直徑影響非常小，滿足孔的尺寸精度要求。沈陽航空航天大學楊浩然設計了一種新的機器人鉆鉚末端執行器并使用五自由度運動補償和柔性壓緊機構分別提高位置精度和法向精度。在、方向上使用雙直線電機布局，并對雙直線電機采用同步控制，提升了位置精度。金潔等設計了用于自動鉆鉚復合加工系統的末端執行器，如圖4所示，搭建加工試驗平臺測試了末端執行器關鍵零部件的性能，提出了減重優化方法，并進行了一系列的制孔鉚接試驗。試驗結果表明，該末端執行器可實現自動鉆鉚加工功能，保證制孔鉚接加工質量，滿足自動鉆鉚加工要求。

圖4 自動鉆鉚末端執行器[25]Fig.4 Automatic drilling and riveting end effector[25]

綜上所述，國外對于機器人制孔技術及末端執行器的研究較早，有關技術已經比較成熟，可以投入實際生產使用，關鍵技術目前處于封鎖狀態。

而國內的研究起步較晚，目前還沒有形成成熟的末端執行器設計技術，雖然進展較快，但大多仍處于理論研究和實驗測試階段，相比國外還是存在很大的不足。末端執行器的研究和應用仍是一項長期且艱巨的任務。

2 定位精度控制

近年來，機器人以其高度柔性化和低成本等優勢在飛機數字化裝配領域引起了大量關注。機器人制孔取代傳統手工操作將極大地提高制孔質量、效率，并能將工人從單調、惡劣的工作環境中解放出來。但是機器人自身的結構因素導致它的加工精度不高，機器人制孔的精度一方面受到機械加工精度、裝配誤差、傳動誤差、磨損、構型等幾何誤差因素的影響，另一方面也受到機械臂的柔性、負載變化、振動等非幾何因素的影響。因此，諸多學者提出了提高機器人制孔系統精度的方法。重復定位精度和絕對定位精度是機器人的重要指標。機器人的重復精度普遍較高可滿足制孔需求，如KUKA-KR210工業機器人重復精度可達±0.06 mm。機器人絕對定位精度較低，一般只有1～3 mm，而加工過程對于絕對定位精度的要求較高，尤其在航空航天領域，要求達到±0.5 mm 以內。

2.1 國外研究現狀

國外對于機器人制孔的研究較早，基于工業機器人的自動鉆鉚技術已經在飛機零部件上實現了應用。美國的EI公司和德國的寶捷公司是工業機器人制造的代表公司，他們的產品實用性較高。美國的EI公司于2002年已經研發出了一款帶有多功能末端執行器的自動鉆孔系統。其在2014年設計出了如圖5所示的自動鉆孔系統，通過安裝在機器人外部六個軸上的光柵尺，采用二級反饋的精度補償方法，使得機器人最終的絕對定位精度達到±0.25 mm。德國寶捷公司針對單通道飛機貨艙門高精度制孔需求，設計了一款集制孔和鉆鉚于一體的全自動新型智能系統RACE自動鉆鉚系統，末端執行系統通過PLC控制，同時整個系統集成了精度補償算法，絕對定位精度達±0. 3 mm。

圖5 EI高精度自動鉆孔系統[28]Fig.5 High precision automatic drilling system of EI[28]

美國克里斯托弗新港大學Wang等提出了一種基于神經網絡和攝像機測量系統的機器人機械手標定方法。利用神經網絡算法來估計機器人機械手標定過程中的位置誤差，首先通過安裝在待校準機器人末端執行器上的攝像機獲取校準空間內各個網格點的位置誤差，然后通過訓練神經網絡模型得到的位置誤差對目標姿態進行補償，與傳統的雙線性分析法相比，精度大大提高。Pervaiz等針對機器人鉆孔的位置精度問題，設計了一種用于機械鉆削參考校準和正交校準的多傳感器測量系統。它使機器人能夠準確測量工件的位置和姿態，并建立鉆孔的參考框架。由于標定精度和測量分辨率，多傳感器測量系統引入的誤差可以忽略不計，鉆孔過程的精度僅由機器人的6D位姿精度決定。提高了機器人6D位姿精度，避免了鉗口滑移，可以實現位置偏差小于0.1 mm，垂直偏差小于 0.2°，可以大大提高鉆削過程中的機器人位置精度，為實現機器人鉆孔過程的最高精度提供了條件。Ochoa和Cortes?o利用優化鉆孔的過程穩定性提高鉆孔的精度，設計了一種阻抗控制結構。使用直徑為0.6、0.5、0.4 mm的鉆頭已成功地在垂直和非垂直插入的多個模具上開孔，利用計算轉矩技術對刀架進行了位姿優化和阻抗控制設計。

2.2 國內研究現狀

國內對于機器人自動鉆鉚系統的研究起步較晚，目前國內大部分的研究主要依靠具有航空航天類背景的部分高校和制造企業。其中北京航空航天大學、浙江大學、南京航空航天大學等高校研究比較深入，有些成果已經投入了實際加工使用。南京航空航天大學田威教授團隊為航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司研發的一款機器人自動制孔系統較為成熟，已經能夠在實際生產加工中應用，如圖6所示。該系統采用倍福(Beckoff)公司EtherCAT通信協議，通過軟PLC將硬件與工控系統連接起來，實現信息的傳輸。以KUKA機器人為載體，通過在機器人末端集成執行器，使用精度補償算法提高機器人的絕對定位精度，利用激光位移傳感器進行機器人法向位姿的調整。該系統的絕對定位精度為±0.3 mm，法向偏差為0.3°，制孔效率可達到3～4個/min。此外他們又提出一種工業機器人作業誤差分級補償策略，將工業機器人分為空載狀態與負載狀態，通過分析不同的誤差來源提出相應的誤差補償方法，試驗結果表明，負載狀態下的機器人定位誤差從0.959 mm 降低到0.217 mm。

圖6 南京航空航天大學自動制孔系統[36]Fig.6 Automatic drilling system of NUAA [36]

浙江大學基于KUKA機器人使用多功能末端執行器來執行制孔、鉚接等裝配任務，如圖7所示。采用激光跟蹤儀作為跟蹤和反饋設備，使用VC++編寫了一套控制軟件，對中央處理器、機器人、末端執行器和激光跟蹤儀組成的全閉環系統實現實時控制，使得末端的定位精度更高。但是激光跟蹤儀必須時刻配備在現場，導致整套系統更加復雜，造價更高。此外，他們研發了一種螺旋銑孔末端執行器用于制孔，試驗結果表明，孔的位置精度達到±0.5 mm，法相偏差優于0.5°，锪窩深度精度達到0.02 mm。而北京航空航天大學所研究的集成控制系統主要完成制孔鉚接功能，集成控制系統基于主從架構，利用RS232的通信方式實現功能，結構較為簡單。

圖7 浙江大學研制的自動鉆鉚設備[39]Fig.7 Automatic drilling and riveting equipment developed by Zhejiang University[39]

上海大學Shen等則是采用加工前機器人鉆削系統剛度優化和加工過程中孔位誤差補償相結合的方法。首先，通過優化電機主軸與機器人端面法蘭的安裝角度，獲得機器人鉆孔系統在某一加工任務中的最大工作剛度，為孔位的高精度加工奠定了基礎。然后，根據待鉆孔的位置，考慮機器人末端受力變形和機器人絕對定位誤差進行誤差補償。結果表明，在所有機器人鉆孔試驗中，孔位誤差均顯著降低，平均降幅達84.45%，證明該方法是提高機器人鉆孔定位精度的一種實用有效的方法。

3 工藝過程控制技術

3.1 穩定性

機器人制孔穩定性研究主要包括穩定性線下預測與參數優化、局部剛度強化及顫振在線監測與反饋調節3個方面。在機器人制孔穩定性預測方面，南京航空航天大學沈孝棟針對普通麻花鉆結構，給定幾組機器人姿態，在保持鉆頭高度位置和進給方向一致的情況下進行實驗，實驗結果如圖8所示，結果顯示在不同參數組合情況下，主軸轉速越高，穩定性越好。在 Matlab/Simulink 中建立積分反饋模型，并編制相應的運行程序，分析鉆孔過程中的機器人系統的各種變化，如關節變形、末端顫動等，這些變化影響了制孔的軸線精度、引起鉆削力的波動，鉆削力波動同樣又作用于機器人末端，如此形成閉環系統，分析系統的穩定性，并計算機器人鉆削系統的振動頻率。南京理工大學廖文和教授團隊通過在機器人鉆削過程中施加超聲場能實現了橫向顫振的抑制和鋁板出口毛刺的降低，如圖9所示。實驗結果表明超聲場能攝入后機器人鉆削穩定性提高了67%，鋁板出口毛刺降幅超過40%。

圖8 不同參數組合時系統的穩定性狀態[43]Fig.8 Stability state of system for different parameters combination[43]

圖9 機器人旋轉超聲鉆削CFRP/Al疊層構件[44]Fig.9 Robotic rotary ultrasonic drilling of CFRP/Al laminated components[44]

通過局部剛度強化提升鉆削系統穩定性的研究方面，浙江大學方強等針對壓腳對鏜孔穩定性的影響進行研究，分別繪制了壓腳壓力處于0.3、0.1、0 MPa 三種情況下系統的穩定性葉瓣圖，結果如圖10所示。機器人鏜孔系統的穩定鏜削深度隨著氣動壓腳的引入和壓腳壓力的增大而進一步拓展，系統的加工穩定性增強。在實際機器人鏜孔應用中，考慮到過大的壓腳壓力使機器人產生過大的靜態變形對機器人鏜孔精度的影響，實際加工過程中一般設定壓腳壓力為0.3 MPa，可滿足加工穩定要求。von Drigalski等設計了一款如圖11所示的具有高摩擦減振腳的末端執行器，在鉆削過程中減震腳壓在工件上，以增加穩定性，單獨的線性執行器，用以推進鉆頭。此結構減輕了機器人手臂推進和穩定鉆頭的任務，機器人的任務僅是定位和握住末端執行器。但由于減振裝置過于復雜，容易限制末端的自由度、增加額外負載，且成本過高。浙江大學柯映林教授團隊研究發現在機器人鏜孔加工過程中，產生的振動是來自機器人本身的帶位移反饋的受迫振動，而不是傳統數控機床中鏜桿的振動。據此提出了一種利用壓力角抑制機器人在鏜孔過程中的振動的方法。機器人剛度模型為橢圓，如圖12所示，在和方向上，剛度的最大值為，最小值為。以和為坐標軸時，機器人剛度矩陣為對角線，可以消除耦合問題。利用壓力腳抑制機器人在鏜孔過程中的振動。結果表明，當壓腳與工件之間的摩擦力足夠大時，可以完全抑制機器人的振動。

圖10 壓腳作用下機器人鏜孔穩定性分析[45]Fig.10 Stability analysis of robotic boring under presser foot action[45]

圖11 具有高摩擦減振腳的末端執行器[46]Fig.11 End-effector with high-friction vibration-damping feet[46]

圖12 機器人鏜孔剛度分析[20]Fig.12 Stiffness analysis of robotic Boring[20]

在機器人制孔顫振監測與反饋調節方面，上海交通大學劉成良教授團隊提出了一種基于同步提取變換的早期顫振識別方法，首先通過同步提取變換(SET)獲得振動信號的高分辨率時頻表示。然后，將振動信號分成有限個頻帶，保留SET的最大系數，得到相應的子信號。在此基礎上，利用統計能量熵捕獲顫振躍遷過程中能量分布的不均勻變化，能夠有效地檢測出顫振的早期狀態。同時，如圖13所示，在= 0.205 s左右出現了較為明顯的顫振頻率，基于同步擠壓的方法檢測到= 0.183 s時刻的顫振。浙江大學董輝躍等針對機器人精鏜飛機交點孔時容易出現顫振，影響加工表面質量的問題，通過分析顫振發生時的壓腳位移信號，提出了一種經驗模態分模態分解和HHT方法的識別和預測機器人鏜孔系統顫振的新方法，通過兩次正交實驗比較各IMF的Hilbert-Huang譜發現：當出現顫振時第一個IMF的變化最明顯。從能量的角度來看，這種變化是由刀具與工件之間的自激振動產生的。因此，可以將第一個IMF作為識別能量最大的機器人鏜削顫振的主體。穩定鏜孔過程中，瞬時頻率基本隨時間保持不變，而在顫振發生時，瞬時頻率由低到高變化。隨著時間推移，顫振頻率主要集中在500 Hz，系統逐漸達到動態平衡。基于該方法可實現最多0.6 s的顫振信號提前獲取。此外，機器人位姿的變化對機器人工作空間及刀尖處動力學特性有重要的影響，從而加劇了穩定性解析的復雜程度，在線調整機器人切削參數時應同時改變機器人位姿參數以避免加工顫振。

圖13 振動信號的檢測結果及相應的譜圖[48]Fig.13 Detection results of vibration signals and the corresponding spectra[48]

3.2 鉆削質量控制

目前，針對機器人鉆削定位精度的研究已相對成熟，但航空制造企業更關注的目標為機器人鉆削的孔精度及加工質量，如孔徑偏差、圓度、表面粗糙度及出口毛刺高度等技術指標。部分學者從提高機器人制孔系統剛度從而保證鉆削質量的角度進行了研究。Tian等從機器人的弱剛度特性出發建立了預壓力作用下的等效剛度模型，基于剛度提升系數定量評價了預壓力作用下的等效剛度。提出了機器人鉆削姿態與鉆削力的匹配準則，并在穩定加工條件下預測了壓力的最優值。Dong等針對機器人鉆削疊層構件的出口毛刺問題，提出采用超聲振動加工與機器人鉆削相結合的方法來提升鉆削穩定性并抑制毛刺尺寸。同時，結合毛刺形成理論、薄板變形理論及能量守恒定律，構建了包含機器人鉆削參數、超聲加工參數及材料屬性等因素的毛刺高度理論預測模型，揭示了超聲振動對疊層結構出口毛刺的抑制作用。出口毛刺實驗結果表明，超聲振動加工的引入有效降低了毛刺高度，毛刺高度最大降幅達到了41.2%，如圖14所示。費少華等針對解決機器人自動制孔過程中由于飛機壁板變形和振動引起的锪孔深度控制問題，提出將末端執行器壓腳位移作為實時補償信號的制孔進給量全閉環控制系統設計方法，該系統可將加工孔的锪孔深度誤差控制在0.02 mm以內，表面粗糙度達到0.8 μm。

圖14 機器人超聲鉆削毛刺高度研究[52]Fig.14 Burr height study of robotic ultrasonic drilling[52]

4 裝備研制

4.1 工業機器人制孔裝備

美國Electroimpact公司與空客公司合作研制了一套機器人自動鉆削系統(ONCE)，用于波音超級大黃蜂機翼后緣襟翼的鉆孔及锪窩工作，在厚度為25.4 mm的鈦合金飛機部件上加工直徑為9.5 mm孔時，將锪窩深度誤差控制在0.064 mm以內。ONCE系統以KUKA機器人為基礎，由機械臂末端攜帶多功能末端執行器組成加工主體，并配合視覺檢測單元提升制孔精度，如圖15所示，在其可達空間內能完成鉆孔、锪孔等工作，其對鈦合金、鋁合金和CFRP等航空材料進行制孔的精度能夠達到H8，加工孔徑范圍為3.73 mm至9.525 mm，孔的位置偏差小于±1.5 mm。

圖15 ONCE系統[54]Fig.15 ONCE system[54]

德國寶捷為歐洲直升機公司研發了RACE系統，如圖16所示。該系統由機器人攜帶多功能末端執行器構成，其定位精度比ONCE更高，定位誤差小于±0.3 mm，并將其用于應用于B737內側襟翼2150多個孔的加工，實現了自動制孔、循環鉚接以及涂膠密封等功能。瑞典Novator公司最早開始螺旋銑孔專用加工設備的設計，針對飛機裝配中疊層結構的制孔需求，開發了一款E-D100型螺旋銑孔末端執行器，以工業機器人為搭載平臺，并通過HSK32刀柄裝夾刀具，偏心調節范圍0～5 mm，最大制孔直徑25 mm，重量約130 kg。Novator公司將其使用于鈦合金和復合材料上進行制孔測試。巴西航空理工學院的Eguti和Trabasso在工業機器人的基礎上研制了一種螺旋銑孔多功能末端執行器，如圖17所示。該機器人銑孔系統搭配了壓腳、視覺相機和法向檢測裝置，用啟動馬達來作為主軸驅動力。制孔直徑由銑刀直徑和偏心量決定，偏心量則通過固定螺釘調整襯墊位置調節。機器人螺旋銑孔驗證實驗結果表明，在進給速度為50 mm/min時孔徑偏差最小，孔徑精度能夠達到±13 μm。Frommknecht等將多傳感器測量系統應用于工業機器人，如圖18所示。傳感器系統可以測量出機器人相對于工件的六維姿態并建立起機器人的參考坐標系。利用多傳感器輔助測量系統，通過使機器人接近鉆孔點并與工件進行正交對準實現機器人末端較高的定位精度和較小的垂直度偏差，機器人鉆孔精度得到較大程度地提高。國外的機器人制孔設備主要形式為以KUKA等專業機器人為載體，并搭載專用執行末端和算法來搭建。多數的主控系統能將孔的定位誤差控制在±0.3 mm，且制孔效率較高。

圖16 RACE系統[56]Fig.16 RACE system[56]

圖17 Eguti和Trabasso研制的螺旋銑孔系統[58]Fig.17 Spiral hole-milling system developed by Eguti and Trabasso[58]

圖18 Frommknecht研制的鉆鉚系統[59]Fig.18 Drilling and riveting system developed by Frommknecht[59]

近年來，國內的各大飛機制造廠商紛紛與研究院所和高校合作研發機器人制孔系統。北京航空航天大學與航空工業沈飛股份有限公司共同研制了一套制孔末端執行器用于飛機部件的加工，初步具備了各項基本功能，搭建機器人自動制孔系統，并研究了末端執行器的安裝方式對機器人可達性、操作性和關節使用度等性能的影響，用于鋁合金、鈦合金及疊層材料的制孔。通過切削力反饋優化主軸轉速和進給速度等參數，在7075-T6鋁合金板上加工6 mm孔時，可將孔徑誤差控制在0.04 mm以內，孔定位精度達0.3 mm，并且每分鐘制孔數量能達到4個每分鐘。南京航空航天大學田威教授團隊與航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司合作研發了機器人自動制孔系統。該系統以KUKA機器人為載體，在機器人末端集成鉆削執行器。該系統的絕對定位精度為±0.3 mm，法向偏差為0.3°，制孔效率可達到3～4個/min。浙江大學在交點孔的精鏜加工方式上，設計了一種配合安裝在工業機器人上的專用制孔執行器，如圖19和圖20所示，并且對機器人的弱剛性、定位差、鏜孔顫振等問題進行了研究；應用了位姿優化、顫振抑制和誤差補償等關鍵技術來應對機器人加工的問題。

圖19 浙江大學機器人鏜孔系統[63]Fig.19 Robot boring system of Zhejiang University[63]

圖20 鏜孔執行器[63]Fig.20 Boring end-effector[63]

北京航空制造工程研究所研制了機器人數字化鉆鉚系統，可實現制孔和鉚接等功能，如圖21 所示。東北大學設計制造了五自由度機器人，如圖22所示，機器人手腕由俯仰和傾斜兩個自由度組成。機器人手臂采用平行四邊形框架，由直線電動氣缸沿對角線方向驅動。滾珠絲杠采用帶預緊力的雙絲杠螺母，以消除反向側隙。此外，腰部和手腕各自由度采用雙電機驅動，采用抗側隙控制方法消除齒輪側隙。鉆削加工實驗表明，該機器人可以提供比工業機器人更好的剛度，有利于提高機器人鉆孔質量。湖北工業大學夏自祥等將機器人激光制孔與視覺技術結合，設計了基于視覺引導的機器人激光制孔控制系統，相對傳統制孔系統，此系統不需要夾具，且精度滿足要求。

圖21 北京航空制造工程研究所研制的機器人鉆鉚系統[64]Fig.21 Robot drilling and riveting system developed by AVIC Manufacturing Institute[64]

圖22 五自由度機器人與工業機器人剛度對比[65]Fig.22 Stiffness comparison between 5-DOF robot and industrial robot[65]

目前國內的機器人制孔設備大多是高等院校研制的，受制于工業機器人的來源，廣泛使用了國外的工業機器人平臺。形成了國內僅研究末端執行器和控制算法的局面，幾乎無法從機器人載體和關鍵核心部件(如減速器、伺服系統和控制器)上進行新方法和新技術的突破，且制孔精度較國外先進水平仍有差距。另外，整體制孔設備的自動化程度也相對較低，通常需要伴隨著人員的跟隨操作，高自動化制孔設備亟待深入開發和研究。

4.2 柔性導軌及爬行機器人制孔裝備

柔性導軌自動鉆孔設備主要在飛機機身、機翼等大型零件的裝配中使用。柔性導軌利用真空吸盤附著于機身、機翼等平緩大曲面上并進行自動鉆鉚，制孔執行器相對于導軌運動并完成制孔作業，具有效率高、方便靈活等優點。當導軌完成固定后，需要借助定位手段來保證制孔的精度，且在完成一次導軌的鋪設之后就完成覆蓋范圍內的所有制孔任務；重新鋪設導軌和完成精度定位后，就可進行下一工作區域的制孔任務。

美國的AIT(Advanced Integration Technology)和EI為國外較為領先的柔性導軌設備的主要生產公司。AIT公司開發的柔性軌鉆鉚設備，在波音F/A-18E/F機翼及空客A340平尾壁板的鉆鉚作業中被大量使用，其包含3個移動軸和一個轉動軸，如圖23所示。EI公司和波音聯合開發的柔性軌道制孔系統，如圖24所示，用于機身段對接孔位的制孔，能進行法向檢測及校準和壓力腳壓緊，具有真空吸附組合式柔性導軌以及五軸制孔執行器。國內的北京航空制造工程研究所研發了一臺型號為BAA300的柔性導軌制孔設備，如圖25所示，在經過設備的調試后制孔合格率為97.7%，且制孔精度為H9，能應用于ARJ21和C919機身段對接區的自動制孔。上海交通大學研制了一臺柔性導軌制孔機器人，如圖26所示，研究了柔性導軌變形而帶來的間隙誤差。并開展了工藝試驗，分析了疊層板鉆孔時鉆削參數對毛刺的影響，為切削工藝優化提供了基礎。湖北工業大學馮康瑞針對大曲率、表面情況復雜的汽車車身覆蓋件機器人激光切割運動控制難度高、生產效率低以及機器人激光切割不能滿足小孔加工精度要求的問題，設計了高精度運動控制器和十字滑臺組成數控切割微系統，可切割直徑為0.5 mm的小圓，精度達到0.03 mm，運行速度可達18 m/min，極大提高了生產效率。

圖23 AIT公司柔性導軌系統[67]Fig.23 Flexible rail system of AIT[67]

圖24 EI公司柔性導軌系統[67]Fig.24 Flexible rail system of EI[67]

圖25 BAA300柔性導軌自動制孔設備[68]Fig.25 BAA300 flexible track automatic drilling equipment[68]

圖26 上海交通大學柔性導軌系統[69]Fig.26 Flexible rail system of Shanghai Jiao Tong University[69]

爬行機器人自動制孔系統類似于柔性導軌制孔系統的自動化裝配設備。制孔執行器被安裝于一臺爬行機器人上，這類爬行機器人具有多組真空吸盤，可以吸附并固定于待加工工件表面。爬行機器人自身具有一定的位置尋找和校準的功能，對于小范圍的加工速度要快于導軌制孔，在進行局部區域和鋪設軌道不方便等的零件表面鉆鉚作業時，爬行機器人自動制孔系統具有靈活性強、便攜度高的優點。法國的Alema Automation公司的爬行機器人約150 kg，其進行爬行和定位制孔依靠多組小吸盤吸于零件表面，如圖27 所示。由于爬行機器人經過爬行之后產生的定位誤差較大，因此在鉆孔之前進行了第二次視覺檢測、方向的誤差，在離線編程軟件中進行誤差補償，計算出待加工孔在當前設備坐標系中的坐標，從而提高制孔的精度。西班牙的M.Torres公司的爬行機器人制孔系統，如圖28 所示，采用八個真空吸盤的內外組合方式吸附于飛機表面，移動時交替移動，且移動的時候至少有四個吸盤處于吸附狀態，提高了整體的可靠性，同時，其編程系統可以自動獲取加工基準和定位到代加工區域進行制孔作業。國內南京航空航天大學廖文和教授團隊與中航商飛上海飛機制造有限公司合作研制了一臺爬行自動制孔機器人系統，如圖29所示，該系統由內外兩個框架固定八個真空吸盤吸附行走。控制系統采用的是軟數控系統，利用PC平臺對系統進行控制，具有結構緊湊、組件簡單、穩定性好等特點，且系統響應速度快，計算精度高，便于維護和軟硬件升級。

圖27 Alema Automation爬行制孔機器人[73]Fig.27 Crawling hole-making robot of Alema Automation[73]

圖28 M.Torres爬行機器人系統[74]Fig.28 Crawling robot system of M.Torres[74]

圖29 南京航空航天大學爬行機器人系統[75]Fig.29 Crawling robot system of NUAA[75]

相比于國外先進的飛機自動化生產設備，國內大多仍以傳統的人工加工為主，設備較為落后，且加工效率不高、精度低，難以滿足當下新飛機的加工需求，所以研發具有自主知識產權的高質量自動化裝配設備刻不容緩。在自主移動機器人制孔系統方面，國內的研究成果還不具備在大飛機表面環向與航向任意位置穩定吸附行走和精確加工的能力，大多仍處于理論研究和實驗室測試階段，在任意斜面穩定吸附行走技術、基準檢測與法向找正技術、模塊化集成控制技術等方面還有待深入研究，還有大量的技術瓶頸和工程難題需要被打破與攻克。

5 總結與展望

對國內外關于機器人制孔技術的研究工作進行了總結，主要包括機器人制孔末端執行器設計技術、機器人制孔定位精度控制技術、機器人制孔工藝過程控制技術以及機器人制孔裝備研制4個方面。隨著航空航天裝備的快速發展，大型復雜構件制孔需求逐步增加，機器人鉆削技術研究成為了國內外學者關注的焦點。與數控機床相比，機器人加工環境更加復雜多變，盡管機器人制孔裝備以及機器人靜態定位精度的研究工作取得了很多成果，但對機器人加工過程受動態載荷的加工穩定性及鉆削質量控制技術仍有較大的研究空間。針對航空航天領域制孔工藝高精、高質、高效加工需求，提出了未來機器人制孔技術的研究包括以下4個方面：

1) 多能場復合機器人制孔技術研究。多能場(如超聲振動、激光等)復合機器人加工工藝在材料去除機理、制孔效率及質量改善等方面具有潛在優勢。然而，多能場耦合作用對弱剛度機器人鉆削穩定性、材料去除機理、溫度場及應力場的影響規律仍需深入研究。同時，多能場引入對機器人鉆削大型復雜構件服役性能的影響值得進一步探討。

2) 大孔徑多疊層構件的機器人制孔技術研究。大孔徑多疊層構件制孔存在鉆削軸向力大、鉆削力突變等嚴重問題，對機器人鉆削系統的承載能力及系統靜態剛性提出了更高的要求。同時，鉆削力的多次突變也對機器人鉆削過程穩定性解析提出了巨大挑戰。因此，多疊層臨界面的動力學表征與穩定域的時變特性是研究大孔徑多疊層構件機器人制孔的難點。

3) 大型復雜構件多機器人協同鉆削研究。大型復雜構件的加工與裝配過程中，采用多機器人協同作業可以進一步提高加工效率。然而多機器人同時對構件開展鉆削，必然在加工動力學模型中引入多個動態載荷。因此，多激勵源的振動能量場傳遞模式與機理、多激勵源的振動耦合影響機制是多機器人協同鉆削研究領域的重點和難點問題。

4) 基于深度學習算法的機器人鉆削自適應技術研究。采用人工智能算法開展多元異構數據融合研究，實現鉆削顫振的精準識別。同時，基于機器人鉆削動力學分析與穩定域范圍實現切削參數的智能調節，有效避免持續顫振造成的制孔損傷。該研究方向中多傳感器信息感知融合、基于人工智能技術的數據實時處理與反饋等問題必將成為未來研究的熱點。