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机器人在欧美航空领域的迅猛发展

目前,航空制造商正在越来越多地采用机器人来替代以往由人类和笨重设备来承担的单调工作和复杂任务,绝大部分机器人本质上与汽车装配流水线上的冲压机械手一样。然而近年来,空客、波音、洛马等制造商正在研究将新概念机器人引入装配线,从事更加有挑战性的工作。未来,航空制造中的工业机器人将向新构型灵巧机器人和自主式协作机器人等新概念机器人发展。

一、新构型灵巧机器人

面向航空制造的新构型灵巧机器人主要包括柔性关节机器人和并联运动机器人,它们最大的特征就在于不同于传统工业机器人的构型,以获得更大的运动自由度。

1.柔性关节也被称为“蛇形臂”,一般可以驱动30倍于直径的臂长,其挑战在于如何输送能量,以及在紧凑的结构中实现高动力输出。就像胳膊中筋把肌肉连接到骨关节一样,蛇形臂采用不锈钢线缆连接机器人的各个关节,将机器人基座内多达50个无刷换向直流电机的机械动力输送进蛇形臂,在产生足够扭矩的同时让每个关节可以独立旋转90度角。英国OC机器人公司2001年就开发出了蛇形臂机器人原型,根据任务需求不同,臂的直径可从12.5mm到150mm不等,长度可从1m到10m,直径越大负载能力越高。操作员通过“头部跟随”原理控制机器人蜿蜒行进,当指令传递到蛇形臂尖端后,其余关节将按特定路径跟踪尖端行进。2006年公司与空客英国和库卡合作开发了用于狭小空间装配的蛇形臂机器人,其柔性足以将所需工具输送到机翼翼盒内部执行密封和墩粗等装配任务,让传统工业机器人无法达到的地方实现了自动化。

2.并联运动机器人是一项专利技术,突破了以往机器人自由度只能以串联方式得到的限制,也解决了以往并联构型无效自由度多、关节结构复杂、制造困难、刚性要求高、无间隙以及成本高等挑战。并联运动机器人实际上构成了一个金字塔形移动的三脚架,通过3个并联执行器依次连接2个串联执行器和1个末端执行器,以6个节点形成10个自由度,更好地了实现了柔性与刚性的结合。2016年,在英国航宇技术研究院支持下,英国谢菲尔德大学波音先进制造研究中心(AMRC)通过“未来飞行器工厂”项目,联合空客和艾克斯康开发了一个轻量化和模块化版本的机器人,具有3个g的加速度,以及10μm的定位精度。新型机器人使用复合材料制造,包括5个模块,可以由2个人轻松拆卸和移动,并且工厂温度变化对执行器精度的影响更小。2017年,由洛克希德·马丁公司等合资成立的阿联酋艾克斯康有限公司将这款机器人定名为XMini并正式推出,机器人可以被分开并在机翼翼盒内部等狭小空间内重新组装,已经交付空客直升机公司,并可能用于F-35战斗机制造。

二、自主式协作机器人

美国国防部认为下一代机器人就是自主式协作机器人,主要包括固定位置协作机器人和自由移动协作机器人,它们的重要特征就是能像工友一样与其它机器人或人类在一起工作,无需围栏的防护。具备更高级功能的自主式协作机器人还可以通过观察操作演示来学习并调整其功能,敏捷地变换用途,任务适应性的提升将使航空制造商以高生产率的柔性机器人系统,应对多品种、小批量生产。

固定位置协作机器人分为三种:

1.执行简单协作任务的双机器人系统,两台机器人在固定位置或在轨道上有限移动,共同完成夹持、定位、钻孔等任务。空客A340机身D-Nose钻孔采用了基于尼康测量公司自适应机器人控制概念的定位系统,在光学坐标测量机的控制下,两台机器人合力将工件搬运至精确的钻孔位置。美国空军研究实验室组织联合开发了F-35战斗机进气道机器人钻孔单元并于2010年投入使用,一台带有视景导引功能的机器人执行钻孔任务,另一台加装激光跟踪系统的机器人测量钻头位置帮助钻孔机器人定位,使钻孔定位精度达到14μm。


2.执行复杂协作的多机器人系统,集成在固定位置或空间多轨道上的多台机器人共同完成更多样的任务,包括与人的协作。

2015年,达索系统公司与美国威奇托州立大学国家航空研究院共同建立了3D体验中心,在一个长方体空间内设置了由9台ABB机器人组成的多机器人先进制造协作示范线,可谓世界之最。

3.执行人机协作的类人机器人,一般采用基于人类手臂设计的7轴结构,在每段结构内都集成了防撞功能和关节力矩传感器,在接触到人时会自动远离,具有很高的柔性、精度、灵敏度和安全性。此类机器人首推库卡公司的智能工业作业辅助轻量化机器人(LBR iiwa),它由德国航空航天中心(DLR)机器人与机电一体化研究所于1995年开发并用于人机协作研究,之后联合库卡于2004年将其推向市场,并且获得2016年红点设计奖,目前DLR正将其用于A350热塑性复合材料构件的制造研究。

自由移动协作机器人分为两种:

1.基于大型移动平台的传统机器人系统,全向平台具备高刚度、高定位精度和动态稳定性,其上安装高精度机器人和可互换的多功能末端执行器,不同系统之间可以协作并且具备持续工艺监测功能,防止错误和碰撞发生。

2013年起,弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所通过“大型复合材料结构高效高生产率精密加工”(ProsihP II)项目开发了一个模块化、自适应、可移动机器人智能铣削系统,并且2016年成功地在空客A320垂尾整体壁板上进行了试验,多个系统同时操作可以加工30m的机翼和机身主结构。2016年,波音787后机身47和48段装配开始使用与Electroimpact公司合作开发的Quadbots多机器人协同装配系统,系统由4台装配机器人组成并且采用防撞功能支撑协作,每个机器人都可以钻孔、锪孔、检测孔质量、涂覆密封剂和安装紧固件,可将装配效率提升30%,波音正考虑引入第5台机器人以便执行测试和预先维修不会影响生产。

2.基于灵巧移动平台的类人机器人系统,类人机器人直接集成在一个小体积全向平台上,提供至少10个自由度,与人类一起从事各种复杂任务,可以说代表了协作机器人的最高水平。库卡公司自2008年起开始推广其omniRob移动机器人,机器人在类似AVG的灵巧平台上集成了LBR iiwa,DLR的自主工业移动机械手(AIMM)对omniRob进行了优化,安装了集成立体摄像头的倾转盘单元和图案投影仪、基于FPGA的立体视觉处理器,能够在未知地形工作并且响应多种任务,实现自主化运行。2016年,英国GKN航宇旗下福克航空结构和起落架业务部分别基于omniRob开展了人机协作研究,航空结构部针对A350外襟翼,让机器人拾起自动钻孔单元并将其插入钻孔夹具,从这类简单任务中解放老员工去从事更加复杂的任务;起落架部利用机器人在套管上均匀涂覆无泡沫的密封剂滴,减少操作时间并提升可重复性。


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