能拼才会赢

陈培儒

从航空业百年的发展历程来看，一个时代成就一种工业模式，而一种工业模式又会影响相关产业的兴衰。如今，工业机器人在航空制造业转型升级的过程中发挥着越来越重要的作用，它不仅可以将工人从简单、重复、繁琐、单调的体力劳动中解放出来，还能完成人类无法完成的精密操作任务。如此一来，不仅可以降低企业的劳动力成本，还能明显提高生产效率和产品质量。因此，提升工业机器人技术已经成为全球航空制造企业广泛认同的转型升级方向。

但随着工业机器人在航空制造领域的应用逐渐深入，一些问题也开始显现。例如，对作业柔性和可拓展性考虑不足导致设备利用率不高、航空产品单件小批生产模式下无法体现成本优势等。因此，未来如何更好地发挥工业机器人的优点和特长，还需要业界进一步摸索。

重要的“工作伙伴”

柔性装配的概念早已融入航空制造业中，工业机器人是柔性装配的主要设备之一。随着越来越多的航空制造企业采用柔性装配技术，越来越多的智能机器人被引入到生产线中。与此同时，生产线上的机器人与工人之间的协同工作也变得日益普遍。

空客在其“未来工厂”的规划中明确提出，在2020年之前，将完成7条装配生产线的优化，其中主要的工作就是持续增加机器人的应用，包括用于处理特殊工作任务的轻量化机器人、小型加工系统等。

早前，空客在位于西班牙加迪斯的Puerto Real工厂就开展了一个名为“飞机组装的未来探索”（FUTURASSY）项目，其目的在于寻找一种统一的飞机组装机器人解决方案，提高飞机组装的自动化程度。这个统一的机器人解决方案可以应用于分布在不同地区的空客工厂。

FUTURASSY项目由空客主导，一些西班牙当地企业参与其中。该项目主要包括两个子项目：一个是“空客机器人技术标准单元”。该子项目的主要目标是为航空组装领域提供标准化的机器人解决方案，该解决方案同时要兼顾节约成本、高灵活性、多功能性以及独立性等特点。另一个子项目为“协作机器人”，其目标是将拥有双臂的人形机器人应用于和人类一样的工作环境，它们将和人类共享工具和生产资源，协同工作。

目前，空客已经开始使用轻量化的单臂机器人，它们能够自主地沿着飞机机身内部移动，实现结构支架的流水线安装。此外，空客还尝试在A380的方向舵装配线上使用双臂机器人。未来，空客计划使用具有多自由度的协作机器人，以便完成更加复杂的工作。空客的研發团队指出，机器人将主要从事一些附加值较低的高重复性工作，并不会替代所有工人。

制造机翼显身手

波音在研的777X给人印象最深的就是翼展达到72米的复合材料机翼。如此大尺寸的机翼，无论是设计、制造，还是试验，对于波音来说也是不小的挑战。在777X项目中，波音联合美国因帕克电子公司，为777X量身定制了自动纤维敷设（AFP）机器人，将高速机器人引入机翼制造领域。

近年来，复合材料在民用飞机上的使用量不断增加。尽管复合材料有诸多优点，但碳纤维复合材料的生产过程却十分复杂，其中的编织、缝合、铺放、胶粘剂及密封剂涂层等工序非常适合采用机器人技术。此前，英国国家复合材料中心与GKN公司合作开发了双机械臂式自动纤维铺放系统，采用该系统不仅比手工作业节约材料，同时也替代了龙门式工装，降低了生产成本。

波音此次针对777X研发的这台机翼蒙皮自动纤维敷设机，重达1.7吨，它优雅地悬挂在12.8米宽的门架上，在曲线形的水平表面上往返运动，敷设着一条条碳纤维带，每运动一次可完成一层材料铺放。每当机器头轻轻地接触到复合材料表面时，在其尖端灼热的加热元件就会使基质发黏，从而使下一层很容易被粘住。随着这种“催眠舞式”动作的展开，机器头同时从20个像电影胶带盘一样的大型卷轴中拉出带子，每次敷设一条76.2厘米宽的带子。机器工作时唯一的声响是气压制动器发出的轻轻的嘀嗒声，只有在机器头改变角度敷设另一层碳纤维带时，或在一趟敷设结束后切断带子时，才会产生少量的噪音。

目前，该机器可在10分钟内沿翼梁完成一层的全长敷设，转一个角度的另一层敷设可在25分钟内完成。AFP一旦启动，开始生产机翼部件，就可以“不知疲倦”地连续作业。

在敷设过程中，AFP还会进行各种测量。如果任何一部分碳纤维条有缺失或没有对齐，机器就会发出警告信息。在上方的激光探头就会在需要注意的瑕疵周围照射出绿光，从而使操作者可以快速决定是否需要将瑕疵层取下重做。

为了提高效率，因帕克公司还在机器旁新增了一个更换机头的工作台。当某个碳纤维条的卷轴不能完整地放出纤维条时，一个提前准备好的机头便可在两分钟内将其换下。如今，这台AFP机器人已经在波音新的复合材料机翼中心投入使用，未来随着777X产能的提升，还会有更多的AFP机器人投入生产。

新时代的“铆工罗茜”

二战期间，由于大量男性应征入伍，产业工人缺乏，美国政府为了动员女性到工厂做工，就创造出“铆工罗茜”这个戴着头巾、体态强健的女工形象。

在飞机装配线上，往往需要大量的铆工，他们很像流水线上的一颗颗螺丝钉。在大型客机装配线上，工人往往需要使用1 100多种不同的工具，来安装40万颗螺栓和螺丝钉，工作繁重且安装质量难以统一。如今，机器人的投入使用将改变这一现象。

利用钻铆机器人可以改善工人的工作环境，减轻劳动强度，提高生产效率。其典型结构为“工业机械臂+钻铆末端执行器+检测及标定系统”。准确定位是影响机器人钻铆的关键，通常辅以精确的视觉识别系统，在500mm的直线范围内可以实现定位精度±0.1mm和重复定位±0.1mm。波音787在机翼壁板、前机身和客舱门等装配过程中都使用了该技术。空客A320、A330和A380也在机翼、前机身、舱门装配和众多流水线上使用了机器人钻铆技术。

此外，飞机制造商还在努力将更多的机器人技术应用到飞机涂装环节。表面喷涂是现代飞机制造过程中最耗时的环节之一，一架A380飞机的待喷涂面积达到3 150m2，机身表面仅白色涂层的重量就接近500公斤，需要约30名涂装人员工作超过10天才能完成一個架次的喷涂。另外，人工喷涂作业不但质量不稳定，还会对从业人员的身体健康造成一定的伤害。

相比之下，采用机器人进行自动化喷涂在喷涂效率、喷涂一致性、安全环保等方面具有独到的优势。然而，由于航空产品尺寸大，远超常见工业机器人的工作空间，故需要经过专门研制，因此目前应用还不广泛。迄今为止，最具代表性的成果是洛克希德·马丁公司为F-35战机研制的机器人飞机精整系统，该系统由飞机定位系统、涂料输送系统、三坐标导轨、3个六轴喷涂机器人以及离线编程系统等组成，可完成F-35整个机身外表的自动化喷涂。

中国近年来借C919大型客机研发的东风，开展了自动化喷涂设备方面的研究工作。例如，清华大学机器人与自动化技术及装备研究室先后研制了一系列具有自主知识产权的超长特种喷涂机器人和大型多机器人喷涂系统，在喷涂机器人的结构、控制、测量、软件、工艺和系统集成方面形成了一定的研究特色和技术优势，并已经实现了工程应用。

仿生机器人涌现

蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人，与传统的轮式或两足步行式机器人不同的是，它能够像生物一样实现“无肢运动”，在工业界被称为“最富于现实感的机器人”。

在航空制造领域，对于一些结构复杂、布局紧凑的飞机零部件，其装配、检测以及清理的工作空间非常有限，人工操作难度高、劳动强度大、效率低。常规工业机器人系统由于关节尺寸的限制，无法在狭小空间内完成这类作业。而蛇形机器人具有长径比大、自由度多、运动灵活以及环境适应能力强等多项优点，因此在航空制造领域具有十分广泛的应用前景。

目前，蛇形机器人可用于完成飞机部件内腔的检测、密封以及飞机表面喷涂等任务。它是一种非破坏性操作技术，为维修人员解决了拆卸和重新装配飞机零件的麻烦。另外，通过安装不同的末端执行器，蛇形机器人还可以完成标准件紧固、制孔、去毛刺、异物（铆钉）清除、清理金属屑或废液等较为复杂的工作。

在实际应用中，蛇形机器人系统有两种控制方式：一种是由操纵杆进行控制，另外一种是在末端安装智能导航系统（如工业相机），实现自主运动。根据操作任务的不同，可以选择不同的控制方式。

GE公司2017年收购了业界知名的机器人制造商OC Robotics公司，并计划研制可用于发动机维修的蛇形机器人。OC Robotics公司是目前对蛇形机器人研究最为深入、工程化较为成功的企业，公司面向安检、航空制造、核设施检测等领域研发了一系列蛇形机器人。该公司还曾为空客英国公司开发了一种蛇形机器人，能够钻入机翼内部进行检测、紧固和密封。

GE公司希望能够研制一款伸展超过2.7米、弯曲超过180度的蛇形机器人。这一想法主要源于发动机维修的现实需求。GE公司认为，携带紫外线激光器的蛇形机器人能够很快进入航空发动机，找到潜在的损坏，甚至进行修复。尽管目前发动机制造商们都希望借助大数据来实时监测发动机的运行情况，但一旦需要维修时，尽快找到发动机故障并进行快速维护，才能最大限度地帮助客户减少飞机停场的损失。

目前，发动机进场维修最常见的快速检修手段是使用工业内窥镜。它可以插入发动机上的端口，帮助工程师确认风扇或压气机叶片是否损坏。但这种检修手段不仅需要维修人员具备相应的专业技能，还需要有一定数量的工业内窥镜。如今，全球GE发动机的在役数量超过35 000台，工业内窥镜的数量显然难成正比。与GE有同样问题的还有罗罗公司，但与GE公司直接收购下游企业不同，罗罗公司投资了400万欧元进行蛇形机器人研发。

不难预见，作为机器人领域的热点，蛇形机器人未来在航空领域将大有作为。