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1、附录1燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：飞机表面清洗机器人结构设计与分析 学院（系）：机械工程系 年级专业：08级机电2班 学生姓名： 指导教师： 完成日期：2012年3月18日 附录1飞机表面清洗机器人结构设计与分析一、 课题研究背景世界经济的繁荣，促进了航空运输事业的飞速发展，飞机作为交通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。飞机在日常使用中经常接触到各种各样的污染物，如飞行时空气中的风沙、灰尘，海上飞行时空气中的盐雾、酸雾等，不仅影响飞机外观整洁，而且会造成机身腐蚀。因此飞机表面清洗作业己成为飞机保养过程中的一个重要环节，它不但使飞机表面清洁美观、有效地缓解和减轻腐蚀，
2、而且可以清除蒙皮表面粘着的污染物对气动特性带来的不良影响，同时能保证起落架收放机构、舵轴颈部位和活动翼结合部位机构的正常运动，对提高机上电子设备的感应灵敏度也有一定好处。随着城市现代化程度的提高，对飞机外观质量和清洁度要求愈来愈高。国外民用飞机一般每隔l0日至15日必须定期清洗一次，我国军用飞机推荐的清洗周期一般为较好地区90天、中等地区45天、恶劣地区15天、沿海地区7天。由于世界各国都在不断装备最新的客货运输飞机及军用飞机，飞机数量不断增加，这就使得飞机表面清洗成为一项繁重、耗时、耗资的工作。此外飞机表面的常规清洗看起来好象颇为简单，实际却是一个很重要、很复杂、技术性很强的工作，不当的清洗
3、方法会对飞机造成新的腐蚀隐患。随着科学技术的发展及社会的进步，飞机表面清洗的机械化、自动化问题越来越被人们所重视，飞机表面清洗设备已成为现代化机场不可或缺的机械设备。其原因是常规的手工刷洗方法不仅效率低，且难以满足清洗质量要求。利用机械化飞机表面清洗设备不但可以节省劳动力，减轻工人劳动强度，提高清洗质量，而且节约了飞机地面停留时间，提高了经济效益。正因如此，许多大中城市的飞机场开始陆续引进飞机表面清洗设备，对飞机表面清洗设备的需求呈现出不断增长的趋势。虽然目前飞机表面清洗设备是机场中的重要配套设备，然而自动化、智能化的飞机表面清洗设备一直没有受到足够的重视，这在很大范围内制约了飞机表面清洗设备
4、优势的发挥，使得飞机表面清洗工人的劳动强度和危险性仍然很大，清洗效率也满足不了时代发展的要求。实现飞机表面清洗作业的自动化，用机器人来替代人工清洗操作，将会大大节约劳动力，降低工作人员的劳动强度，提高清洗效率，同时也降低飞机的非营运时间。所以开展机器人飞机表面清洗作业、提高飞机表面清洗作业的自动化水平，是目前急需解决的问题。基于这种现状，国外学者提出了飞机表面清洗设备机器人化的设想。其主体思想就是将机器人技术引入飞机表面清洗设备的自动控制中，使其具有机器人的功能，即在清洗飞机表面时，清洗设备能够按照程序设定的轨迹和位置自动完成飞机表面清洗工作。目前德国、美国、日本等国家已开展了飞机表面清洗机器
5、人的研究工作，并做了一些有益的尝试，国外实践表明，采用机器人清洗飞机表面一般可提高劳动生产率一倍以上，节约水资源50以上，降低工程成本50左右。目前国内对此项技术的研究尚处于空白状态。近儿年来我国航空事业发展很快，国内几大航空公司已经接近或达到发达国家的水平。伴随着航空事业的迅速发展，飞机表面清洗机器人在我国将会有很大的应用市场。二、 国内外发展状况和研究成果飞机表面清洗技术的发展可以分为三个阶段。第一阶段为手工操作阶段，由工人进行清刷工作。第二阶段为机械辅助人工操作阶段，利用专用的清洗机械辅助人工完成大型飞机的清洗任务，工作效率有所提高。第三阶段为自动化清洗作业阶段，自动化机械为飞机表面清洗
6、工作提供了良好的条件和保障。1、手工操作飞机表面清洗技术最早的飞机表面清洗是由工人手持单刷进行清洗作业的，如图1所示。图1 人工清洗飞机表面清洗大型飞机时主要是借助于高空作业车（如图2、图3所示）等设备进行人工清洗，工人劳动强度大、效率低。清洗一架大型飞机，一个20人的清洗班组要耗时5h，人均挥刷近10000次以上。另外，由于飞机地面停留时间长，经济效益有所降低。图2 高空作业车 图3 高空作业平台2、机械化飞机表面清洗技术随着大型飞机的出现以及飞机数量迅速增加，纯粹手工清洗操作已经满足不了时代对飞机清洗的高效率、高质量的要求，从而出现了专门用于飞机表面清洗的专用飞机表面清洗车。目前各飞机场站
7、应用的飞机表面清洗车，如图2、3所示，多数为利用升降平台或举高车改装而成。清洗时靠升降平台或举高车承载清洁工首先利用喷枪喷洗涤剂，然后用高压水枪冲洗，冲不掉的地方或飞机的关键部位用刷子擦去尘土及污物。清洗作业基本还属于手工作业，方法虽简便易行，但劳动强度大，并且清洗时存在着很大的危险隐患。首先，站在升降平台或举高车上的清洁工在高处作业具有一定危险性，另外飞机每一块蒙皮对水压的要求都不同，水枪喷射出的高压水，容易导致飞机电子仪器设备损坏。可见，常规清洗不仅效率低，且难以满足清洗质量，对飞机设备的安全性能也带来了一定的危害。随着飞机数最的增加，清洗作业也不断增加，为了减少劳动力、削减经费，开发全自
8、动飞机表面清洗车显得越来越重要了。90年代初人们开始寻求自动化和机器人技术在飞机表面清洗这一行业上的应用，并取得了很大的进步，日本、美国，德国在90年代后期相继开发出了飞机表面清洗机器人。3、机器人飞机表面清洗技术(1)龙门式飞规表面清洗机器人1-3日本成田的新东京国际航空机场装备了计算机控制的龙门式飞机表面清洗机器人。装置在对应于飞机头部、机身前部、机身下部、机身后部、主翼、水平尾翼、垂直尾翼等位置处共安装了16台机器人，每台机器人手臂上安装了清洗刷，并在各个刷子的前端和清洗机器人各处安装了喷射水和清洗剂的喷嘴。清洗时飞机由牵引车拉入装置内，然后利用仪器将测得的飞机准确位置传给计算机，同时利
9、用此数据微调清洗装置的方位开始按一定顺序自动清洗机体，机器人手臂达不到的地方或用机器人不易清洗的地方再由人工利用长刷进行清洗。利用该自动清洗机器人清洗一架巨型客机只需5名机务人员约100分钟就能完成。这种机器人由于采用了龙门式框架结构，装置近百米宽，对宽体大型客机的清洗非常适合，但对于一般的中小型客机的清洗就显得不太适合了。(2)立架式移动清洗机器人美国开发的SAAMS飞机表面清洗机器人主要由运输平台、竖直立架、带有6个自由度的可编程机器人三部分组成。(3)长臂式移动清洗机器人4-12德国汉萨航空公司委托普茨迈斯特公司经过近5年的开发，研制出了长臂式飞机表面清洗机器人，如图4所示。目前已在德国
10、法兰克福机场上岗工作。该清洗机器人的主要组成部分有机械系统、计算机、组合传感器、机器人控制器及液压系统，其核心部件是AEG公司的IRC250机器人控制器和道尼尔公司的激光器。首先利用微机对航空公司的整个机队的飞机外形进行编程，并将飞机的机型数据输入计算机。工作时，机器人位于飞机的两侧，利用专用激光摄像机确定出机器人的精确工作位置，利用传感器得到飞机的三维轮廓，并将此信息送往计算机进行处理。计算机将机器人当前的位置与所存储的飞机的数图4 长臂式飞机表面清洗机器人据模型进行比较并由当前的位置计算出机器人的坐标。机器人开始清洗时，由装在车后部的AEG的IRC250机器人控制器控制清洗滚刷，按照预定程
11、序沿着飞机表面做清洗运动。清洗机器人的机械操作臂有9个自由度，它的机械臂向上可伸33米高，向外可伸27米远，且清洗机器人可以走近飞机，所以它可以清洗任何类型的飞机。由于机器人的臂很长，它能覆盖所有类型飞机表面的85只有机身下面等少数机器入达不到的部位或用机器人清洗不经济的部位需要用手工补擦。为了提高效率，手工擦洗可与机器人擦洗同时进行。通过使用机器人不仅减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率，而且可以节省一半以上的水资源。例如，人工清洗一架波音747飞机需要100个工时，飞机在地面须停留10h，而机器人清洗仅需12个工时，飞机在地面停留23h。这样大大缩短了飞机的地面停留时间，增加了飞行营运时间
12、，提高了经济效益。4、我国飞机清洗技术的发展方向目前我国飞机表面清洗技术，基本处于手工清洗操作阶段和利用专用的清洗机械辅助人工完成清洗工作阶段，在智能化清洗技术方面还处于空白阶段。根据我们对国内各民用、军用机场的调查表明，各机场都存在飞机品种繁多的特点，长臂式飞机表面清洗机器人是我国飞机表面清洗车的发展方向。同时，我国在壁面清洗机器人、船体表面清洗机器人研究方面以及高空作业长臂类机器人化机械研究方面取得的进展，为我国飞机表面清洗机器人化研究提供了有益的经验。(1)我国清洗机器人研究概况目前，我国清洗机器人研究主要集中在用于建筑物的外墙壁、玻璃幕墙清洗的爬壁机器人，如图5、6所示。哈尔滨工业大学
13、13、上海大学14-15、上海交通大学16、北京航空航天大学17-18等单位在这方面的研究较多，并有产品研制成功。此类机器人起源于20世纪70年代的日本19-20，机器人主要依靠吸附力吸附在工作面上并移动。机器人按吸附功能分真空吸附、磁吸附和推力吸附三类。真空吸附机器人是通过真空泵装置，使吸盘内腔产生负压或由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出，使周围形成真空，使机器人吸附在壁面上。它不受壁面材料的限制，但当壁面凹凸不平时。吸盘容易漏气，降低了吸附力和承载力，它产生的吸附力远小于磁吸附。磁吸附要求壁面必须是导磁材料，对壁面的凹凸适应性强，不存在漏气问题且结构简单。推力吸附是依靠螺旋桨或涵道风扇产生合适的
14、推力，使机器人稳定可靠地吸附在壁面上。图5 壁面清洗机器人 图6 擦窗机器人(2)我国长臂类机器人化机械研究概况所谓机器人化机器是指在传统机械中引入机器人技术，使其具有机器人的功能。这一概念最早是由蒋新松院士提出来的。机器人化工程机械是工程机械的发展方向，工程机械的机器人化研究，不仅方便了工程机械作业装置的设计、分析、校核，而且也将成熟的机器人技术应用到工程机械中，对实现工程机械的自动化、提升工程机械技术水平和产品档次以及对扩展机器人应用领域无疑也具有十分重要的意义21-22。国外在工程机械机器人化方面开展了大量的研究和开发工作。如沥青路面铺设全自动施工系统、地下共同沟全自动施工系统、机器人化
15、建筑机械等已成为当今国际自动化技术发展的一个重要方向。1994年日本在清除长崎火山爆发区火山土石流采取了无人化施工，施工所用的机械(挖掘机、推土机、装载机和自卸汽车等)都是在几千米外安全地带操纵的。欧洲由产、学、研组成的联合研究团体在政府资助下，在深入开展单体智能化技术研究的基础上，开始了机群智能化技术研究和开发，标志着工程机械智能化的研究又向前迈出了一大步。我国在工程机械智能化方面的研究还处于起步阶段。国家863计划先进制造与自动化技术领域专家委员会，关于机器人技术主题重点支持了工程机械机群智能化和单机智能化。对个别机种的机器人化机器的研究已经初步得到实际应用，这些成果极大地提高了我国工程机械在国内的竞争力，有的甚至已经走向了国际市场，下面仅就长臂类机器人化机械研究作以简单介绍。喷浆机器人23-29喷浆支护是现代建设施工中广泛采用的支护方法，施工中也存在一些待解决的问题，如人工喷浆时回弹造成的飞沙走石使工人不敢抬头睁眼，致使无法保持喷枪与受喷面的垂直度和最佳距离。这样不仅浪费材料，而且混凝土结构疏密不一，不能保证喷层的质量
