1月17日，天舟七號(hào)貨運(yùn)飛船發(fā)射升空，為正在中國(guó)空間站忙碌的神舟十七號(hào)航天員乘組送去新的貨物。天舟七號(hào)貨運(yùn)飛船是世界現(xiàn)役貨物運(yùn)輸能力最大、貨運(yùn)效率最高、在軌支持能力最全的貨運(yùn)飛船。像天舟貨運(yùn)飛船這樣一個(gè)大型艙體的加工制造，涉及成型、加工、焊接、裝配等多個(gè)工序，工藝要求很高。隨著天舟貨運(yùn)飛船從標(biāo)準(zhǔn)型升級(jí)為改進(jìn)型，航天科技集團(tuán)五院529廠制造團(tuán)隊(duì)勇于攀登，持續(xù)探索升級(jí)優(yōu)化工藝方法。
近年來，“小設(shè)備加工大產(chǎn)品”“設(shè)備動(dòng)代替產(chǎn)品動(dòng)”的加工模式受到青睞。航天大型艙體結(jié)構(gòu)的超大尺寸超出現(xiàn)有機(jī)床加工行程，因此無法整體加工。而大型專用數(shù)控加工中心建造困難且造價(jià)高昂，超大型構(gòu)件也存在轉(zhuǎn)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)大、研制周期長(zhǎng)的難點(diǎn)。
為解決以上問題，529廠將移動(dòng)機(jī)器人設(shè)備作為“智能制造”與“航天器制造”相結(jié)合的創(chuàng)新點(diǎn)，采用移動(dòng)機(jī)器人加工單元原位作業(yè)的模式，減少艙體在不同車間之間往返轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)從壁板零部件到整艙環(huán)焊原位加工，進(jìn)一步提高天舟貨運(yùn)飛船生產(chǎn)效率和制造智能化水平。
鐵打的工件，流水的機(jī)床
走進(jìn)廠房，可以看到一臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人正在天舟貨運(yùn)飛船的艙體上“排兵布陣”。憑借一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)、一個(gè)機(jī)械臂和一個(gè)5自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的功能單元，移動(dòng)機(jī)器人靈巧地“行走”在天舟貨運(yùn)飛船的艙體邊緣，進(jìn)行銑削加工。
“傳統(tǒng)的加工方式是‘鐵打的機(jī)床，流水的工件’，而現(xiàn)在是‘鐵打的工件，流水的機(jī)床’。”529廠移動(dòng)機(jī)器人研制團(tuán)隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人打了個(gè)比方。
事實(shí)上，與大規(guī)模使用機(jī)器人的汽車行業(yè)不同，航天產(chǎn)品的特點(diǎn)決定了其加工不需要很多的機(jī)器人，而是需要具備柔性和智能性的機(jī)器人去完成一件件獨(dú)立且不完全重復(fù)的任務(wù)。
換言之，研制這樣的移動(dòng)機(jī)器人需要多學(xué)科交叉融合，進(jìn)行不同學(xué)科專業(yè)知識(shí)和技術(shù)的集成與協(xié)作，以滿足3個(gè)基本要求，即“站得穩(wěn)”“看得準(zhǔn)”“干得精”。
大范圍移動(dòng)定位、局部精細(xì)化作業(yè)
那么移動(dòng)機(jī)器人設(shè)備應(yīng)該長(zhǎng)什么樣子？新的制造模式需要解決哪些新的問題？起初，研制團(tuán)隊(duì)帶著這些問題在自然界中找靈感——
長(zhǎng)頸象鼻蟲具有長(zhǎng)長(zhǎng)的頸部，特殊的頸部結(jié)構(gòu)可以提升它們頭部可觸及的范圍并有力地支撐頭部進(jìn)行精細(xì)啃食，有利于撕咬樹葉、構(gòu)建巢穴；
啄木鳥在敲擊樹木的時(shí)候，會(huì)先攀緣在直立的樹干上，利用兩爪緊抓樹干、楔形尾部支撐身體，依靠頸部發(fā)達(dá)而強(qiáng)有力的肌肉高速精細(xì)地啄木；
一些手工藝師在雕刻作品時(shí)，會(huì)通過腕部的靈巧定位，借由手指的精細(xì)動(dòng)作完成精雕細(xì)琢的工作；
……
這些例子中都存在共同的特征，即大范圍移動(dòng)定位、局部精細(xì)化作業(yè)。
受這些自然界中生命體作業(yè)特征的啟發(fā)，研制團(tuán)隊(duì)提出了一種移動(dòng)式加工機(jī)器人的概念，由底部的移動(dòng)平臺(tái)、中間的機(jī)械臂和末端的執(zhí)行器構(gòu)成。末端執(zhí)行器具有5軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的功能，可以將其想象為一個(gè)類似于人手的功能模塊，代替人工進(jìn)行加工作業(yè)。
兼具靈活性、效率和精度
“這種新設(shè)備與新模式的提出，給大型復(fù)雜構(gòu)件的制造模式帶來了很大變化?！?29廠移動(dòng)機(jī)器人研制團(tuán)隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人表示，這是一種介于機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人之間的機(jī)器人化設(shè)備，兼具靈活性、效率和精度的優(yōu)勢(shì)。
移動(dòng)機(jī)器人“底盤”具有很好的剛性，可以保證加工過程不變形。研制團(tuán)隊(duì)通過對(duì)移動(dòng)機(jī)器人誤差補(bǔ)償與剛度優(yōu)化，提升了機(jī)器人加工的軌跡精度與加工剛度。為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的精確定位，設(shè)備還擁有一套跨尺度原位測(cè)量系統(tǒng)，并能通過研究移動(dòng)機(jī)器人視覺定位，提高移動(dòng)機(jī)器人找正定位的精度。
錨定航天智能制造，后續(xù)五院529廠將以低成本、輕量化、高柔性、高可靠性為目標(biāo)，繼續(xù)開展移動(dòng)式機(jī)器人設(shè)備產(chǎn)品化設(shè)計(jì)，并針對(duì)制造能力薄弱環(huán)節(jié)開展能力建設(shè)，改進(jìn)工藝設(shè)備，建設(shè)不同規(guī)模的生產(chǎn)單元或生產(chǎn)線，整體提升航天產(chǎn)品的加工制造能力。
