李汝鵬 薛雷 張增煥 馬繼宸

智能制造是“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的主攻方向，是信息技術(shù)、智能技術(shù)與工業(yè)裝備的深度融合與集成。在飛機(jī)制造領(lǐng)域，隨著機(jī)器人運(yùn)動精度提升、與人交互協(xié)作更智慧、柔性協(xié)作更靈活，越來越多的機(jī)器人被應(yīng)用到零件制造、裝配和物流的各個環(huán)節(jié)。

20世紀(jì)70年代我們開始研制運(yùn)10之時，無論是零部件制造還是部裝、總裝，中國航空制造的機(jī)械化水平都不高。2008年中國商飛公司成立之后，中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司逐漸推進(jìn)智能制造，不斷研發(fā)和引進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，并將其廣泛應(yīng)用到復(fù)合材料零件制造、金屬零件焊接、零部件和整機(jī)噴涂、部件裝配等工作中。

目前，以中國商飛上飛公司為代表的上海航空制造業(yè)，正在實(shí)現(xiàn)從機(jī)械化到智能化的跨越。未來，機(jī)器人將替代更多的人工操作，進(jìn)一步提升飛機(jī)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

玩轉(zhuǎn)碳纖維的“裁縫”

對于航空工業(yè)來說，無論是在設(shè)計還是制造領(lǐng)域，減重都是永恒的主題。正是出于減重的需要，復(fù)合材料尤其是碳纖維復(fù)合材料成為近年來航空制造界的“明星”，像波音787、空客A350等機(jī)型，復(fù)合材料的占比已經(jīng)接近50%。

如此先進(jìn)的材料，其加工自然也不簡單。一個復(fù)材零件的成型，一般需要經(jīng)過預(yù)浸料鋪貼、預(yù)成型、固化、機(jī)械加工、無損檢測等工序。在業(yè)內(nèi)很多企業(yè)還以手工為主進(jìn)行各項(xiàng)工序操作的時候，中國商飛上飛公司已經(jīng)在鋪貼工序應(yīng)用了基于工業(yè)機(jī)器人的自動化鋪絲設(shè)備，在預(yù)成型工序應(yīng)用了3D自動縫合機(jī)，在無損檢測工序應(yīng)用了基于雙機(jī)器人的噴水C掃設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料零件成型工藝的自動化，并局部具備智能特征。

先看基于工業(yè)機(jī)器人的自動化鋪絲設(shè)備。自動鋪絲設(shè)備是在自動鋪帶和纖維纏繞基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，能將預(yù)浸絲束或窄預(yù)浸帶在幾乎沒有張力的情況下，按工裝形狀鋪放纖維束。這種設(shè)備能充分利用材料，無邊角廢料，從而達(dá)到節(jié)省原材料的效果。

基于工業(yè)機(jī)器人的自動化鋪絲設(shè)備相比傳統(tǒng)大型龍門式鋪絲設(shè)備，更加靈活和輕巧。該設(shè)備共有6個運(yùn)動軸，其機(jī)械頭上多個軸都可以在±350°內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可滿足大部分復(fù)雜外形曲面（如C型梁、機(jī)身筒段等）的鋪層和加強(qiáng)層的鋪放。

目前，中國商飛上飛公司利用此設(shè)備制造復(fù)材機(jī)翼全尺寸前梁內(nèi)段、C919后機(jī)身壁板等大型部件。未來，CR929寬體客機(jī)機(jī)身的蒙皮制造也將采用自動鋪絲技術(shù)，中國商飛上飛公司正在應(yīng)用這臺設(shè)備制造各類試驗(yàn)件。

再看3D自動縫合機(jī)。該機(jī)器人主要用于C919平尾升降舵液體成型工藝的研發(fā)。液體成型技術(shù)是一種新的復(fù)合材料成型技術(shù)，近年來在航空制造領(lǐng)域受到廣泛重視。該技術(shù)是在真空狀態(tài)下，利用樹脂的流動、滲透，實(shí)現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在真空下固化的成型方法，這種預(yù)成型體的制造采用了縫合技術(shù)。

3D自動縫合機(jī)采用頂裝式6軸工業(yè)機(jī)器人，共配置臨縫頭、雙針頭兩種縫合頭。相較于傳統(tǒng)的2D自動縫合機(jī)，3D自動縫合機(jī)在保證縫合速度、縫合規(guī)模以及縫合質(zhì)量的同時，不僅可以滿足平面內(nèi)的2D縫合，而且能夠?qū)崿F(xiàn)單曲面乃至各種復(fù)雜曲面預(yù)成形體的縫合，對于提高生產(chǎn)效率以及復(fù)雜曲面預(yù)成形體制造技術(shù)研發(fā)探索都有極大的幫助。

雙機(jī)器人噴水C掃設(shè)備是中國商飛上飛公司復(fù)材中心的另一位“大?！?。它采用14軸雙機(jī)械臂，通過穿透法對復(fù)合材料零件進(jìn)行超聲檢測。該設(shè)備的有效行程為6 000mm，定位精度為±0.2mm，主要承擔(dān)C919大型客機(jī)平尾、CR929寬體客機(jī)機(jī)身、波音747飛機(jī)的復(fù)材零件的超聲檢測。雙機(jī)器人噴水C掃設(shè)備的機(jī)械臂可對復(fù)雜外形零件進(jìn)行采點(diǎn)，形成零件數(shù)模，然后形成合理可行的掃描軌跡，實(shí)現(xiàn)對零件的超聲檢測。

綠色制造的好幫手

如今，綠色、環(huán)保已經(jīng)深入人心，生態(tài)文明也已提到與精神文明、物質(zhì)文明并立的高度。保護(hù)環(huán)境、綠色制造成為整個工業(yè)界孜孜以求的目標(biāo)。在航空制造領(lǐng)域，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)就是要推動零部件的綠色制造技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。

近年來，中國商飛上飛公司創(chuàng)造性地應(yīng)用“機(jī)器人+綠色工藝”，研發(fā)了金屬零件和工裝零件自動化焊接、零部件智能噴漆和整機(jī)噴涂系統(tǒng)，正在進(jìn)行各種工藝試驗(yàn)和測試，積極推動工程化應(yīng)用。

空客于2000年首次將雙光束激光焊接技術(shù)應(yīng)用于A318機(jī)身壁板的制造，取代了傳統(tǒng)的機(jī)身壁板鉚接工藝。該技術(shù)可使制造成本降低10%～15%，機(jī)身重量降低5%～10%，同時保證整體結(jié)構(gòu)良好的密封性。

中國商飛上飛公司從2011年起開始研制國內(nèi)首套雙光束激光焊接裝備，經(jīng)過艱苦攻關(guān)，最終獲得成功。雙光束激光焊接系統(tǒng)的核心在龍門架下的3臺機(jī)器人系統(tǒng)中。在它的兩側(cè)，兩臺機(jī)器人各自承載一套激光焊接工作頭、送絲送氣系統(tǒng)、焊縫跟蹤傳感器，中間的機(jī)器人下裝長桁定位裝夾，各機(jī)器人可單獨(dú)調(diào)整位姿，實(shí)現(xiàn)蒙皮-長桁結(jié)構(gòu)的定位和焊接功能，為未來飛機(jī)整體機(jī)身壁板的自動化、智能化焊接制造提供支持與保障。

2017年，中國商飛上飛公司又成功研發(fā)了一套自動焊接機(jī)器人系統(tǒng)——自動化弧焊機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)器人代替焊工，將電弧焊由傳統(tǒng)手工操作轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自動化操作，不僅焊接效率提高了4倍，還能將焊縫精確控制在設(shè)定的軌跡上，焊接穩(wěn)定性及重復(fù)性也得以保證。

噴涂是飛機(jī)總裝過程中一項(xiàng)較為繁重的工作，而且油漆會對工人的身體健康造成一定的影響。為了提升噴涂工作的效率，中國商飛上飛公司研制了面向零部件的機(jī)器人噴涂系統(tǒng)和面向整機(jī)的機(jī)器人涂裝系統(tǒng)。

面向零部件的機(jī)器人噴涂系統(tǒng)采用自動化噴涂，通過精確控制施工工藝參數(shù)、優(yōu)化施工環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)涂層厚度的精確控制，使外觀質(zhì)量明顯提升，既可以解決飛機(jī)噴涂效率低、涂層厚度控制及相關(guān)質(zhì)量穩(wěn)定性差的問題，也可以防止人工涂裝工藝危害勞動者健康的問題。

中國商飛上飛公司在面向零部件的自動化噴涂技術(shù)方面開展了大量研究工作，自主研制了機(jī)器人噴涂系統(tǒng)原型樣機(jī)，使該噴涂系統(tǒng)能夠滿足平尾等大部件的噴涂要求，在所研制的原型樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)樣件的自動噴涂。

2015年，在國家有關(guān)部門的支持下，中國商飛上飛公司開始了面向整機(jī)的機(jī)器人涂裝系統(tǒng)研制。該系統(tǒng)以C919飛機(jī)為應(yīng)用對象，研究開發(fā)自動化整機(jī)噴涂工藝方法和裝備。目前，該系統(tǒng)已完成基于機(jī)器人的飛機(jī)整機(jī)噴涂自動化系統(tǒng)研制，設(shè)備已完成安裝，正在進(jìn)行調(diào)試和工藝試驗(yàn)。

本領(lǐng)超強(qiáng)的“裝配工”

在飛機(jī)總裝過程中，鉆孔和鉚接的工作量占裝配總工作量的50%，占制造總成本的40%。與此同時，新型鋁鋰合金、碳纖維復(fù)材等輕量化材料在飛機(jī)機(jī)體中的應(yīng)用越來越廣泛，為制孔和鉚接提出了新的要求。因此，要想提升裝配工作的效率和精度，就必須應(yīng)用自動化技術(shù)和手段。

自2009年開始，中國商飛上飛公司以C919飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建設(shè)和ARJ21飛機(jī)批產(chǎn)提速生產(chǎn)線建設(shè)為契機(jī)，對基于機(jī)器人的自動化制孔、鉚接技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研發(fā)和引進(jìn)了多臺套設(shè)備，在型號研制中發(fā)揮了重要作用。

目前，中國商飛上飛公司的機(jī)器人自動化制孔和鉚接系統(tǒng)主要有三種形式：柔性軌道自動制孔系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)械臂自動制孔和鉚接系統(tǒng)、爬行機(jī)器人制孔系統(tǒng)。這三種系統(tǒng)在波音、空客等先進(jìn)飛機(jī)制造企業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，但在中國商飛上飛公司開始研制前，其在國內(nèi)的工程化應(yīng)用幾乎為零，經(jīng)驗(yàn)缺乏。中國商飛上飛公司經(jīng)過多年攻關(guān)，終于研制出成熟可靠的系統(tǒng)。

柔性軌道自動制孔系統(tǒng)的設(shè)備自身經(jīng)由真空吸盤吸附在工件上，柔性軌道貼合工件的外形，完全附著在工件上進(jìn)行制孔。軌道具有適應(yīng)不同曲率型面的柔性，可以用同一設(shè)備加工不同直徑的機(jī)身或不同形式的部件，如機(jī)身和機(jī)翼。

針對ARJ21及C919飛機(jī)機(jī)身筒段對接環(huán)向制孔需求，中國商飛上飛公司先后進(jìn)行了制孔質(zhì)量工藝性驗(yàn)證、工藝應(yīng)用分析及自動制孔軌跡離線編程、對接工藝模擬件驗(yàn)證等試驗(yàn)。目前，該系統(tǒng)在C919飛機(jī)36框上半筒段對接實(shí)現(xiàn)了自動制初孔的應(yīng)用，不到1個小時完成了400多個孔的鉆制，相比手工制孔提升效率近3倍。而后，又在24框上半筒段對接實(shí)現(xiàn)了自動制終孔的應(yīng)用，節(jié)省了人工畫線、制初孔、擴(kuò)孔等工序，進(jìn)一步提升了制孔工作效率。

工業(yè)機(jī)械臂自動制孔和鉚接系統(tǒng)是中國商飛上飛公司研制的又一神器。工業(yè)機(jī)械臂自動制孔系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)的一種輕型自動制孔系統(tǒng)，其工作空間大、靈活性高、柔性高，配合各種功能的末端執(zhí)行器，可以實(shí)現(xiàn)裝配過程的多功能需求。

中國商飛上飛公司在機(jī)器人大空間范圍位置標(biāo)定與運(yùn)動控制技術(shù)、雙機(jī)器人協(xié)同高精度定位技術(shù)、機(jī)器人鉆鉚裝配工藝技術(shù)等方面開展了深入研究，分別與北航、大連理工、上海拓璞公司聯(lián)合研發(fā)了工業(yè)機(jī)械臂自動制孔系統(tǒng)、螺旋銑孔系統(tǒng)、雙機(jī)器人自動鉚接系統(tǒng)。目前，一些新設(shè)備已經(jīng)在飛機(jī)裝配中得到應(yīng)用。

此外，中國商飛上飛公司還有一種爬行機(jī)器人制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完全依靠自身足部的真空吸盤，自主在機(jī)身上實(shí)現(xiàn)行走和吸附定位功能。這種柔性制孔系統(tǒng)簡化了安裝工作及安裝系統(tǒng)所用的工裝，對飛機(jī)表面形狀的適應(yīng)性更好，應(yīng)用靈活性更高。