陳培儒

從航空業(yè)百年的發(fā)展歷程來看，一個(gè)時(shí)代成就一種工業(yè)模式，而一種工業(yè)模式又會(huì)影響相關(guān)產(chǎn)業(yè)的興衰。如今，工業(yè)機(jī)器人在航空制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的過程中發(fā)揮著越來越重要的作用，它不僅可以將工人從簡單、重復(fù)、繁瑣、單調(diào)的體力勞動(dòng)中解放出來，還能完成人類無法完成的精密操作任務(wù)。如此一來，不僅可以降低企業(yè)的勞動(dòng)力成本，還能明顯提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，提升工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為全球航空制造企業(yè)廣泛認(rèn)同的轉(zhuǎn)型升級(jí)方向。

但隨著工業(yè)機(jī)器人在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸深入，一些問題也開始顯現(xiàn)。例如，對(duì)作業(yè)柔性和可拓展性考慮不足導(dǎo)致設(shè)備利用率不高、航空產(chǎn)品單件小批生產(chǎn)模式下無法體現(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)等。因此，未來如何更好地發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)和特長，還需要業(yè)界進(jìn)一步摸索。

重要的“工作伙伴”

柔性裝配的概念早已融入航空制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人是柔性裝配的主要設(shè)備之一。隨著越來越多的航空制造企業(yè)采用柔性裝配技術(shù)，越來越多的智能機(jī)器人被引入到生產(chǎn)線中。與此同時(shí)，生產(chǎn)線上的機(jī)器人與工人之間的協(xié)同工作也變得日益普遍。

空客在其“未來工廠”的規(guī)劃中明確提出，在2020年之前，將完成7條裝配生產(chǎn)線的優(yōu)化，其中主要的工作就是持續(xù)增加機(jī)器人的應(yīng)用，包括用于處理特殊工作任務(wù)的輕量化機(jī)器人、小型加工系統(tǒng)等。

早前，空客在位于西班牙加迪斯的Puerto Real工廠就開展了一個(gè)名為“飛機(jī)組裝的未來探索”（FUTURASSY）項(xiàng)目，其目的在于尋找一種統(tǒng)一的飛機(jī)組裝機(jī)器人解決方案，提高飛機(jī)組裝的自動(dòng)化程度。這個(gè)統(tǒng)一的機(jī)器人解決方案可以應(yīng)用于分布在不同地區(qū)的空客工廠。

FUTURASSY項(xiàng)目由空客主導(dǎo)，一些西班牙當(dāng)?shù)仄髽I(yè)參與其中。該項(xiàng)目主要包括兩個(gè)子項(xiàng)目：一個(gè)是“空客機(jī)器人技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)單元”。該子項(xiàng)目的主要目標(biāo)是為航空組裝領(lǐng)域提供標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)器人解決方案，該解決方案同時(shí)要兼顧節(jié)約成本、高靈活性、多功能性以及獨(dú)立性等特點(diǎn)。另一個(gè)子項(xiàng)目為“協(xié)作機(jī)器人”，其目標(biāo)是將擁有雙臂的人形機(jī)器人應(yīng)用于和人類一樣的工作環(huán)境，它們將和人類共享工具和生產(chǎn)資源，協(xié)同工作。

目前，空客已經(jīng)開始使用輕量化的單臂機(jī)器人，它們能夠自主地沿著飛機(jī)機(jī)身內(nèi)部移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)支架的流水線安裝。此外，空客還嘗試在A380的方向舵裝配線上使用雙臂機(jī)器人。未來，空客計(jì)劃使用具有多自由度的協(xié)作機(jī)器人，以便完成更加復(fù)雜的工作?？湛偷难邪l(fā)團(tuán)隊(duì)指出，機(jī)器人將主要從事一些附加值較低的高重復(fù)性工作，并不會(huì)替代所有工人。

制造機(jī)翼顯身手

波音在研的777X給人印象最深的就是翼展達(dá)到72米的復(fù)合材料機(jī)翼。如此大尺寸的機(jī)翼，無論是設(shè)計(jì)、制造，還是試驗(yàn)，對(duì)于波音來說也是不小的挑戰(zhàn)。在777X項(xiàng)目中，波音聯(lián)合美國因帕克電子公司，為777X量身定制了自動(dòng)纖維敷設(shè)（AFP）機(jī)器人，將高速機(jī)器人引入機(jī)翼制造領(lǐng)域。

近年來，復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的使用量不斷增加。盡管復(fù)合材料有諸多優(yōu)點(diǎn)，但碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)過程卻十分復(fù)雜，其中的編織、縫合、鋪放、膠粘劑及密封劑涂層等工序非常適合采用機(jī)器人技術(shù)。此前，英國國家復(fù)合材料中心與GKN公司合作開發(fā)了雙機(jī)械臂式自動(dòng)纖維鋪放系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)不僅比手工作業(yè)節(jié)約材料，同時(shí)也替代了龍門式工裝，降低了生產(chǎn)成本。

波音此次針對(duì)777X研發(fā)的這臺(tái)機(jī)翼蒙皮自動(dòng)纖維敷設(shè)機(jī)，重達(dá)1.7噸，它優(yōu)雅地懸掛在12.8米寬的門架上，在曲線形的水平表面上往返運(yùn)動(dòng)，敷設(shè)著一條條碳纖維帶，每運(yùn)動(dòng)一次可完成一層材料鋪放。每當(dāng)機(jī)器頭輕輕地接觸到復(fù)合材料表面時(shí)，在其尖端灼熱的加熱元件就會(huì)使基質(zhì)發(fā)黏，從而使下一層很容易被粘住。隨著這種“催眠舞式”動(dòng)作的展開，機(jī)器頭同時(shí)從20個(gè)像電影膠帶盤一樣的大型卷軸中拉出帶子，每次敷設(shè)一條76.2厘米寬的帶子。機(jī)器工作時(shí)唯一的聲響是氣壓制動(dòng)器發(fā)出的輕輕的嘀嗒聲，只有在機(jī)器頭改變角度敷設(shè)另一層碳纖維帶時(shí)，或在一趟敷設(shè)結(jié)束后切斷帶子時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生少量的噪音。

目前，該機(jī)器可在10分鐘內(nèi)沿翼梁完成一層的全長敷設(shè)，轉(zhuǎn)一個(gè)角度的另一層敷設(shè)可在25分鐘內(nèi)完成。AFP一旦啟動(dòng)，開始生產(chǎn)機(jī)翼部件，就可以“不知疲倦”地連續(xù)作業(yè)。

在敷設(shè)過程中，AFP還會(huì)進(jìn)行各種測(cè)量。如果任何一部分碳纖維條有缺失或沒有對(duì)齊，機(jī)器就會(huì)發(fā)出警告信息。在上方的激光探頭就會(huì)在需要注意的瑕疵周圍照射出綠光，從而使操作者可以快速?zèng)Q定是否需要將瑕疵層取下重做。

為了提高效率，因帕克公司還在機(jī)器旁新增了一個(gè)更換機(jī)頭的工作臺(tái)。當(dāng)某個(gè)碳纖維條的卷軸不能完整地放出纖維條時(shí)，一個(gè)提前準(zhǔn)備好的機(jī)頭便可在兩分鐘內(nèi)將其換下。如今，這臺(tái)AFP機(jī)器人已經(jīng)在波音新的復(fù)合材料機(jī)翼中心投入使用，未來隨著777X產(chǎn)能的提升，還會(huì)有更多的AFP機(jī)器人投入生產(chǎn)。

新時(shí)代的“鉚工羅茜”

二戰(zhàn)期間，由于大量男性應(yīng)征入伍，產(chǎn)業(yè)工人缺乏，美國政府為了動(dòng)員女性到工廠做工，就創(chuàng)造出“鉚工羅茜”這個(gè)戴著頭巾、體態(tài)強(qiáng)健的女工形象。

在飛機(jī)裝配線上，往往需要大量的鉚工，他們很像流水線上的一顆顆螺絲釘。在大型客機(jī)裝配線上，工人往往需要使用1 100多種不同的工具，來安裝40萬顆螺栓和螺絲釘，工作繁重且安裝質(zhì)量難以統(tǒng)一。如今，機(jī)器人的投入使用將改變這一現(xiàn)象。

利用鉆鉚機(jī)器人可以改善工人的工作環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。其典型結(jié)構(gòu)為“工業(yè)機(jī)械臂+鉆鉚末端執(zhí)行器+檢測(cè)及標(biāo)定系統(tǒng)”。準(zhǔn)確定位是影響機(jī)器人鉆鉚的關(guān)鍵，通常輔以精確的視覺識(shí)別系統(tǒng)，在500mm的直線范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)定位精度±0.1mm和重復(fù)定位±0.1mm。波音787在機(jī)翼壁板、前機(jī)身和客艙門等裝配過程中都使用了該技術(shù)。空客A320、A330和A380也在機(jī)翼、前機(jī)身、艙門裝配和眾多流水線上使用了機(jī)器人鉆鉚技術(shù)。

此外，飛機(jī)制造商還在努力將更多的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)涂裝環(huán)節(jié)。表面噴涂是現(xiàn)代飛機(jī)制造過程中最耗時(shí)的環(huán)節(jié)之一，一架A380飛機(jī)的待噴涂面積達(dá)到3 150m2，機(jī)身表面僅白色涂層的重量就接近500公斤，需要約30名涂裝人員工作超過10天才能完成一個(gè)架次的噴涂。另外，人工噴涂作業(yè)不但質(zhì)量不穩(wěn)定，還會(huì)對(duì)從業(yè)人員的身體健康造成一定的傷害。

相比之下，采用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化噴涂在噴涂效率、噴涂一致性、安全環(huán)保等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。然而，由于航空產(chǎn)品尺寸大，遠(yuǎn)超常見工業(yè)機(jī)器人的工作空間，故需要經(jīng)過專門研制，因此目前應(yīng)用還不廣泛。迄今為止，最具代表性的成果是洛克希德·馬丁公司為F-35戰(zhàn)機(jī)研制的機(jī)器人飛機(jī)精整系統(tǒng)，該系統(tǒng)由飛機(jī)定位系統(tǒng)、涂料輸送系統(tǒng)、三坐標(biāo)導(dǎo)軌、3個(gè)六軸噴涂機(jī)器人以及離線編程系統(tǒng)等組成，可完成F-35整個(gè)機(jī)身外表的自動(dòng)化噴涂。

中國近年來借C919大型客機(jī)研發(fā)的東風(fēng)，開展了自動(dòng)化噴涂設(shè)備方面的研究工作。例如，清華大學(xué)機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)及裝備研究室先后研制了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超長特種噴涂機(jī)器人和大型多機(jī)器人噴涂系統(tǒng)，在噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、控制、測(cè)量、軟件、工藝和系統(tǒng)集成方面形成了一定的研究特色和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

仿生機(jī)器人涌現(xiàn)

蛇形機(jī)器人是一種能夠模仿生物蛇運(yùn)動(dòng)的新型仿生機(jī)器人，與傳統(tǒng)的輪式或兩足步行式機(jī)器人不同的是，它能夠像生物一樣實(shí)現(xiàn)“無肢運(yùn)動(dòng)”，在工業(yè)界被稱為“最富于現(xiàn)實(shí)感的機(jī)器人”。

在航空制造領(lǐng)域，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布局緊湊的飛機(jī)零部件，其裝配、檢測(cè)以及清理的工作空間非常有限，人工操作難度高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。常規(guī)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由于關(guān)節(jié)尺寸的限制，無法在狹小空間內(nèi)完成這類作業(yè)。而蛇形機(jī)器人具有長徑比大、自由度多、運(yùn)動(dòng)靈活以及環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此在航空制造領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

目前，蛇形機(jī)器人可用于完成飛機(jī)部件內(nèi)腔的檢測(cè)、密封以及飛機(jī)表面噴涂等任務(wù)。它是一種非破壞性操作技術(shù)，為維修人員解決了拆卸和重新裝配飛機(jī)零件的麻煩。另外，通過安裝不同的末端執(zhí)行器，蛇形機(jī)器人還可以完成標(biāo)準(zhǔn)件緊固、制孔、去毛刺、異物（鉚釘）清除、清理金屬屑或廢液等較為復(fù)雜的工作。

在實(shí)際應(yīng)用中，蛇形機(jī)器人系統(tǒng)有兩種控制方式：一種是由操縱桿進(jìn)行控制，另外一種是在末端安裝智能導(dǎo)航系統(tǒng)（如工業(yè)相機(jī)），實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。根據(jù)操作任務(wù)的不同，可以選擇不同的控制方式。

GE公司2017年收購了業(yè)界知名的機(jī)器人制造商OC Robotics公司，并計(jì)劃研制可用于發(fā)動(dòng)機(jī)維修的蛇形機(jī)器人。OC Robotics公司是目前對(duì)蛇形機(jī)器人研究最為深入、工程化較為成功的企業(yè)，公司面向安檢、航空制造、核設(shè)施檢測(cè)等領(lǐng)域研發(fā)了一系列蛇形機(jī)器人。該公司還曾為空客英國公司開發(fā)了一種蛇形機(jī)器人，能夠鉆入機(jī)翼內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)、緊固和密封。

GE公司希望能夠研制一款伸展超過2.7米、彎曲超過180度的蛇形機(jī)器人。這一想法主要源于發(fā)動(dòng)機(jī)維修的現(xiàn)實(shí)需求。GE公司認(rèn)為，攜帶紫外線激光器的蛇形機(jī)器人能夠很快進(jìn)入航空發(fā)動(dòng)機(jī)，找到潛在的損壞，甚至進(jìn)行修復(fù)。盡管目前發(fā)動(dòng)機(jī)制造商們都希望借助大數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，但一旦需要維修時(shí)，盡快找到發(fā)動(dòng)機(jī)故障并進(jìn)行快速維護(hù)，才能最大限度地幫助客戶減少飛機(jī)停場(chǎng)的損失。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)場(chǎng)維修最常見的快速檢修手段是使用工業(yè)內(nèi)窺鏡。它可以插入發(fā)動(dòng)機(jī)上的端口，幫助工程師確認(rèn)風(fēng)扇或壓氣機(jī)葉片是否損壞。但這種檢修手段不僅需要維修人員具備相應(yīng)的專業(yè)技能，還需要有一定數(shù)量的工業(yè)內(nèi)窺鏡。如今，全球GE發(fā)動(dòng)機(jī)的在役數(shù)量超過35 000臺(tái)，工業(yè)內(nèi)窺鏡的數(shù)量顯然難成正比。與GE有同樣問題的還有羅羅公司，但與GE公司直接收購下游企業(yè)不同，羅羅公司投資了400萬歐元進(jìn)行蛇形機(jī)器人研發(fā)。

不難預(yù)見，作為機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)，蛇形機(jī)器人未來在航空領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?/p>