發(fā)展大型飛機整機自動化涂裝面臨的機遇與挑戰(zhàn)

王豐超 汪順利 趙景山 宋袁曾 毛景

(1.上海飛機制造有限公司,上海 200436;2.清華大學(xué)機械工程系,北京 100084)

發(fā)展大型飛機整機自動化涂裝面臨的機遇與挑戰(zhàn)

王豐超1汪順利1趙景山2宋袁曾1毛景1

(1.上海飛機制造有限公司,上海 200436;2.清華大學(xué)機械工程系,北京 100084)

航空工業(yè)被譽為“工業(yè)科技之花”,是一個國家工業(yè)集成水平和科技實力的體現(xiàn)。大型飛機整機自動化涂裝對提高涂裝質(zhì)量、效率和綠色制造水平,延長服役周期,提升安全性意義重大。波音、空客等行業(yè)巨頭在該領(lǐng)域均沒有取得重大技術(shù)突破。我國攻克該技術(shù)難題有一定優(yōu)勢和機遇,目前的技術(shù)挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在“適用于空間復(fù)雜曲面的噴涂機器人機構(gòu)設(shè)計及軌跡規(guī)劃”、“基于空間位姿檢測及補償?shù)膰娡咳后w機器人協(xié)調(diào)控制”、“輸調(diào)漆系統(tǒng)研制”等方面。

大型飛機 國家戰(zhàn)略 自動化 涂裝

1 概述

航空工業(yè)被譽為“工業(yè)科技之花”，是一個國家工業(yè)能力的集大成者，能夠反映一個國家的科技實力和水平。大型飛機指起飛總重量超過100噸的運輸機，也包括150座以上的干線客機。未來20年，僅中國市場就需要新增5000余架各型民用飛機，價值達5600多億美元[1]。中國商用飛機公司發(fā)布的年報預(yù)測也表明，全球客機機隊的年均增長率為3.6%，到2032年，全球機隊規(guī)模將是現(xiàn)有機隊的2倍多，達到37896架[2]。

涂層是飛機結(jié)構(gòu)腐蝕的第一道也是最重要的防線，輕微的點腐蝕都有可能因累積腐蝕而引發(fā)飛機結(jié)構(gòu)件的功能降低甚至失效，因此對于民用飛機而言，涂層質(zhì)量至關(guān)重要。民用飛機服役周期長且經(jīng)常面臨雨雪、砂石沖擊，因而對飛機整機表面涂裝質(zhì)量提出了極高要求。目前，即使是波音和空客經(jīng)過近60年的噴涂實踐試驗和經(jīng)驗積累的情況下，飛機表面脫漆現(xiàn)象仍屢有發(fā)生，飛機整機涂裝的質(zhì)量穩(wěn)定性亟待提高。

圖1 F-35的自動化涂裝

圖2 大型民機的手工涂裝

2 整機自動化涂裝的必要性

大型飛機的自動化涂裝可以顯著提高其環(huán)保性、生產(chǎn)效率和噴涂質(zhì)量，是飛機制造和維護的重要內(nèi)容。大型飛機項目的實施，必將對整機的自動化涂裝提出更高要求，展開整機自動化噴涂研究具有重大意義：

(1)整機自動化涂裝極大提高飛機外觀質(zhì)量和效率。自動化涂裝得到的涂層均勻度和穩(wěn)定性高，提高了飛機外表光潔度和外觀質(zhì)量。F-35飛機使用RCFS和RAFS兩套自動化噴涂系統(tǒng)，能保證噴涂流量的誤差控制在±3%的范圍內(nèi)，95%以上的涂層測量點厚度滿足公差要求[3]。此外，自動化涂裝可提高噴涂效率。例如，F(xiàn)-22采用手工噴涂預(yù)計需要1萬小時，而用機器人噴涂只需要1000小時[4]。

(2)整機自動化涂裝是提高環(huán)保制造水平和實現(xiàn)以人為本發(fā)展的有力技術(shù)保障。飛機涂裝的過程中，一般會產(chǎn)生大量的有機溶劑、六價鉻酸鹽、粉塵、胺類污染環(huán)境并嚴(yán)重?fù)p害人員健康的有害物質(zhì)和氣體，影響到工人的身體健康。自動化涂裝消除了勞動者之間的技能差異，避免出現(xiàn)二次涂裝或打磨，又保障了勞動者的身體健康。

(3)整機自動化涂裝對提升我國民機市場競爭力有重要意義。我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ARJ21新型支線飛機和C919大型飛機已經(jīng)達成數(shù)百架的訂單，后續(xù)將有大量整機噴涂需求，自動化噴涂技術(shù)難題的解決將在飛機的外觀、耐腐蝕噴涂、環(huán)保等方面形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，提高國產(chǎn)民用飛機的國際競爭力。

3 飛機整機自動化涂裝的現(xiàn)狀

汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動了噴涂機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，在發(fā)達國家，汽車自動化噴涂已經(jīng)是一項成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。近年來，自動化噴涂逐步進入航空航天領(lǐng)域。在已公開的英文文獻中，飛機自動化噴涂技術(shù)還主要處于理論研究階段，國外對小型飛機機器人噴涂理論研究的熱點主要包括兩個方面：(1)飛機表面復(fù)雜形貌的重構(gòu)；(2)機器人噴涂路徑的規(guī)劃。2009年Dirk Bausen等人研究了飛機外表面的預(yù)噴涂問題，初步設(shè)計完成了機器人自動噴涂方案[5]。2010年，Gyorfi等人針對噴槍路徑規(guī)劃中的約束問題，采用遺傳算法和圖搜索方法，建立了軌跡規(guī)劃的優(yōu)化方案[6]。2012年，F(xiàn)erreira等人針對飛機表面復(fù)雜形貌的建模和表面重構(gòu)問題，研究了采用低成本激光進行復(fù)雜表面掃掠的方法[7]。Chai等人對噴涂機器人應(yīng)用TOF相機實現(xiàn)三維模型表面的快速重構(gòu)方法進行了研究[8]。Rossi等人通過設(shè)定位置及切向速度研究了機器人路徑規(guī)劃問題[9]。2014年，Mukherjee等人以噴槍操作路徑規(guī)劃為目標(biāo)，進行了帶電微粒噴射系統(tǒng)的電磁控制研究[10]。

目前，國外小型軍用飛機自動化噴涂系統(tǒng)已經(jīng)進入實驗研究階段，例如洛克希德馬丁公司在2011年建立了針對F-35戰(zhàn)機的自動化噴涂實驗系統(tǒng)(見圖1)[11，12]。對大型民用客機而言，即使是波音和空客公司這樣的巨無霸，仍不得不依靠手工完成涂裝(見圖2)。

國內(nèi)自動化噴涂起步較晚，但是發(fā)展迅速，目前已經(jīng)徹底解決了汽車噴涂機器人的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)障礙。2012年，清華大學(xué)和江蘇長虹智能裝備集團有限公司合作，成功研發(fā)出我國首臺具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車噴涂混聯(lián)機器人系統(tǒng)[13]。

國內(nèi)對于自動涂裝的研究主要集中在以下兩點：(1)噴涂機器人的構(gòu)形、運動學(xué)和動力學(xué)分析；(2)噴涂機器人的運動軌跡規(guī)劃。江蘇大學(xué)研究了復(fù)雜曲面的噴涂機器人噴槍軌跡優(yōu)化方法[14]，東南大學(xué)研究了基于高斯模型的噴涂機器人涂層生長率建模問題[15]，清華大學(xué)進行了機器人勻速噴涂涂層均勻性分析研究[16]。此外，部分高校和研究院所已經(jīng)開始進行戰(zhàn)斗機機器人噴涂的理論和初步實驗研究。中國航天科工集團公司三院239廠與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的殲-20隱形戰(zhàn)斗機進氣道噴涂機器人成功交付成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司。雖然未涉及大尺寸和整機的噴涂，但該項目是飛機機器人噴涂的首次成功嘗試，為后續(xù)整機和大尺度自動化噴涂系統(tǒng)的實現(xiàn)積累了寶貴的工程實踐經(jīng)驗。

由此可見，自動化噴涂方面，國內(nèi)緊跟隨國外發(fā)展的步伐，在飛機的自動化噴涂研究方面，國內(nèi)與國外基本處于相同的起跑線上，國內(nèi)通過技術(shù)攻關(guān)完全可先于國外形成世界航空業(yè)首批滿足民用飛機自動化噴涂技術(shù)成果，在此領(lǐng)域達到領(lǐng)先水平。

4 發(fā)展大型飛機整機自動化涂裝的優(yōu)勢與機遇

目前，雖然像波音、空客這樣的龍頭企業(yè)在實現(xiàn)整機自動化噴涂方面仍然存在技術(shù)障礙，但眾多資料顯示在自動化噴涂的路徑規(guī)劃、飛機表面復(fù)雜形貌重構(gòu)方面做了大量研究。近年來，隨著人才的不斷聚集，技術(shù)的不斷革新，中國在實現(xiàn)整機自動化噴涂具有以下優(yōu)勢：

4.1 機器人研制水平不斷提高

在全球自動化發(fā)展的潮流之下，我國的機器人普及水平不斷提高，未來我國的機器人擁有量會迅速增加。機器人在生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用必將帶來研發(fā)水平的提高，目前國內(nèi)的機器人研究在機構(gòu)創(chuàng)新理論、先進控制理論、新型傳感技術(shù)方面有重大突破，為自動化噴涂技術(shù)跨越式發(fā)展提供可靠的技術(shù)支撐。

4.2 已有經(jīng)驗的積累

自動化噴涂技術(shù)在汽車領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為其移植到其他領(lǐng)域的應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗，并且作為C919大型飛機的總裝制造公司上海飛機制造有限公司已經(jīng)開展了飛機水平尾翼等大部件的自動噴涂技術(shù)研究，后期將推進實現(xiàn)對機身筒段的自動噴涂研究，此項目對自動噴涂技術(shù)進行的研究將為整機的自動化噴涂提供可供參考的數(shù)據(jù)積累。

4.3 國家支持

大型飛機項目于2006年正式立項，說明發(fā)展大型飛機已經(jīng)上升為國家意志。對于研制具有自主產(chǎn)權(quán)的大飛機，轉(zhuǎn)變過去“造不如買，買不如租”的態(tài)度，國家對大型飛機制造持續(xù)高強度的投入表明了國家研制大型飛機的決心。自動化噴涂作為發(fā)展大飛機項目的一道重要工序，在國家的大力支持下必將取得重大成果。

4.4 民機產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的推動作用

我國自主研發(fā)的ARJ21新型支線飛機和在研的C919大型飛機也已獲得數(shù)百架的訂單，后續(xù)生產(chǎn)中將涉及大批量、多類型涂層的整機噴涂需求；人工噴涂將很難保證質(zhì)量的穩(wěn)定，而整機涂裝直接關(guān)系民機的產(chǎn)品形象和競爭力。巨大的市場需求勢必會推進大型飛機自動化噴涂的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為飛機的整機自動化涂裝技術(shù)的發(fā)展插上騰飛的翅膀。

5 重大技術(shù)挑戰(zhàn)與可能的對策

以國產(chǎn)C919為例，飛機整機自動化涂裝首先需要解決由于整機表面的多材料、變曲率、噴涂區(qū)域的自動過渡、設(shè)備自動清洗、工藝參數(shù)調(diào)整等自動化噴涂工藝的巨大挑戰(zhàn)。其次，要想實現(xiàn)36m×38m×11m這樣超大空間內(nèi)飛機的自動化噴涂，不得不依賴移動臺架或?qū)к壣踔炼叩膹?fù)合。雖然國內(nèi)在汽車領(lǐng)域成功實施了自動化的涂裝，有非常好的技術(shù)經(jīng)驗積累，對于大型飛機來說，技術(shù)的可移植性只能解決部分問題，最終整機自動化涂裝仍面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

5.1 多基體材料機身自適應(yīng)噴涂工藝

整機噴涂是飛機涂裝中技術(shù)含量最高、難度最大的工藝，涉及的飛機表面材質(zhì)、涂料和工具種類繁多，對噴涂速度、運動軌跡、漆料流量和噴涂角度要求嚴(yán)格，不同材質(zhì)表面的噴涂工藝參數(shù)變化較大，難以實現(xiàn)自動化噴涂。因此，需要針對整機涂裝的技術(shù)要求，開展面向復(fù)合材料、鋁鋰合金等新材料表面以及突變曲面組成的復(fù)雜基體材料的自動化噴涂工藝技術(shù)研究，獲得相關(guān)的工藝技術(shù)參數(shù)，提出適用于大型飛機復(fù)雜表面的自動化噴涂工藝方法，實現(xiàn)多基體材料表面自適應(yīng)調(diào)節(jié)噴涂規(guī)劃，實現(xiàn)噴漆工藝的計算機輔助決策和智能化噴漆工藝規(guī)劃。

5.2 適用于空間復(fù)雜曲面的噴涂機器人機構(gòu)設(shè)計及軌跡規(guī)劃

大型飛機的形體龐大，涉及到的機身噴涂面積達到740多平方米，機翼、尾翼、背鰭、輪艙、機頭等非規(guī)則部位表面曲率變化劇烈，需要研究超大工作空間中待涂裝表面突變部位多、防撞設(shè)計要求高、軌道設(shè)計要求特殊、噴涂軌跡規(guī)劃困難等條件下噴涂機器人機械系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)和幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時需要研究飛機噴涂表面的包絡(luò)重構(gòu)問題，最終建立群體機器人的運動協(xié)同和避碰技術(shù)、大曲率表面曲面族重構(gòu)方法及片區(qū)劃分策略，實現(xiàn)機器人噴槍高精度法向隨動軌跡規(guī)劃，提出全局路徑優(yōu)化和局部快速定位相結(jié)合的噴涂路徑優(yōu)化方法。

5.3 基于空間位姿檢測及補償?shù)膰娡咳后w機器人協(xié)調(diào)控制

要實現(xiàn)機器人在超大空間內(nèi)按照預(yù)定路徑噴涂需保證其定位精度，首先需解決其空間位姿檢測及噴涂軌跡糾偏技術(shù)難題以及群體機器人協(xié)調(diào)控制問題。動態(tài)環(huán)境下的群集機器人任務(wù)規(guī)劃是其中的一個研究難點，需要通過傳感器的精確定位，避免機器人之間的碰撞；同時還要通過算法的優(yōu)化，保證片區(qū)分布的合理性和控制算法的穩(wěn)定性。而飛機姿態(tài)識別和位姿檢測主要是獲取飛機的初始位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，為離線編制的飛機噴涂軌跡進行糾偏。可通過建立基于激光智能檢測的飛機姿態(tài)快速檢測及噴涂軌跡糾偏系統(tǒng)，以及通過離線編程實現(xiàn)對噴涂機器人作業(yè)過程中震蕩的主被動控制補償解決上述難題。

5.4 適用于大型飛機噴涂的輸調(diào)漆系統(tǒng)研制

針對飛機噴涂以及涂料性能的要求，研究實現(xiàn)超大空間噴涂作業(yè)油漆輸送。油漆管線的空間布置及油漆的混合、輸送、管路及噴槍的自動清洗，直接影響噴涂質(zhì)量、效率和提高油漆利用率。為此，需要研究輸漆管線在三維空間的布置及在機器人方位上的防干涉方案，保證不影響機器人的運行。研究特種涂料的輸送，管路及噴槍的自動清洗，保證噴涂質(zhì)量、效率和油漆利用率。同時需要研究降低輸調(diào)漆的自身重量，實現(xiàn)輸調(diào)漆系統(tǒng)與機器人隨動操作。

可見，大型飛機的自動化噴涂是由超大作業(yè)空間和其本身涂裝特點提出的重大技術(shù)問題而非理論難題。在飛機整機自動化噴涂研究中，通過采用產(chǎn)學(xué)研用的組織模式以及大量的試驗實施與研究，完全有可能在民機領(lǐng)域率先實現(xiàn)整機的自動化涂裝。

6 結(jié)語

雖然國內(nèi)外對飛機整機自動化噴涂技術(shù)的研究已經(jīng)有一些進展，但對于民用飛機整機噴涂工藝要求來說還遠遠不夠。目前大型飛機制造已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，國家對大飛機制造持續(xù)高強度投入，民眾對大飛機項目高度關(guān)注，整機噴涂作為大型飛機制造中重要的一環(huán)，其自動化目標(biāo)的實現(xiàn)正面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)，如能在國產(chǎn)民用飛機上率先實現(xiàn)，將極大增強大飛機項目研制的信心。發(fā)展大型飛機自動化涂裝技術(shù)既符合國家發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)發(fā)展趨勢，也能緊跟國外最新技術(shù)動態(tài)，因此，現(xiàn)階段大力發(fā)展大型飛機整機自動化噴涂技術(shù)是我國在這一領(lǐng)域搶得先機，引領(lǐng)民機自動噴涂技術(shù)潮流的最佳契機。

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Be praised as the essence of industry science and technology, aviation industry represents the highest level of the industrial integration and technical development. Automation coating for the whole large aircraft will take effect in improving quality of the coating and spraying efficiency, extending service time and enhancing safety of the aircraft. Both the Boeing and Airbus company haven’t achieved major breakthrough in this field. China has some opportunities and advantages in solving the problem. At present, the configuration design and trajectory planning of the spraying robot which is appropriate for complex curved surface of the large aircraft, the coordinate control between the swarm robotics which is based on the pose measurement and compensation and the development of the paint mixing system are the primary technology challenges.

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王豐超(1969-),男,河南鄭州人,管理科學(xué)與工程博士,機械工程博士后,副研究員,中國商飛上海飛機制造有限公司航研所副所長。研究方向:飛機制造系統(tǒng)工程、工業(yè)系統(tǒng)分析方法與優(yōu)化技術(shù)、科技管理。