航空先進制造技術與制造裝備的發展與思考

北京航空制造工程研究所 （100024） 張 媛 王彥蕾

北京航空制造工程研究所研究員、中航工業裝備中心辦公室主任 張媛

目前，美國的工業互聯網，德國的工業4.0，法國的未來智能工廠計劃，歐盟的智能制造系統，英國的智能制造計劃、高價值制造計劃以及《中國制造2025》等概念鋪天蓋地，世界工業革命到了發生重大變革的轉折點，而航空制造業將是這次工業變革中的領頭羊。

航空強國十分重視航空專用工藝設備的發展，美國采取了包括“MANTECH”計劃等一系列措施發展先進制造技術和裝備，歐洲委員會在《歐洲航空：2020年前景》報告及多個《五年框架計劃》研究開發計劃中，極重視基礎裝備技術研究。F－22、波音787和A380等均是先進航空工藝裝備打造出來的典范。

航空領域制造技術及裝備發展趨勢

1. 基礎制造裝備定義

目前關于“基礎制造裝備”的定義并不是很明晰，但主要方面描述的是用于航空、航天、船舶及能源等產品加工、檢測、裝配、試驗以及包裝運輸過程中所需的專門設計制造的具有獨立運行功能的設備和工裝，具有適用于零件精度高、材料加工難度大、加工工藝復雜的航空產品制造的特點，是集成較多先進制造技術、承載制造工藝的中高端裝備和重大技術裝備。

“基礎制造裝備”包括高檔數控加工、表面工程、特種加工、焊接、塑性加工、裝配、復合材料構件制造及精密/超精密加工等先進制造技術領域的設備以及相關產品的試驗、測試、計量、檢測設備，同時還包括針對高端制造業產品零部件研制生產而專門設計制造的型架、夾具、刀具、模具、量具、檢具及鉗工工具等工藝裝備。

用于航空制造領域的“基礎制造裝備”代表了先進國家的基礎工業的水平，包括：航空裝備（飛機、發動機、機載）研制和生產急需的關鍵設備；航空制造中技術先進、研制難度很大、需自行研制的設備。具體指：用于航空產品生產的數控切削加工設備、精密及超精密加工設備、高能束流加工（特種加工）設備、熱加工及精密成形設備、先進連接設備、先進裝配設備及復合材料構件制造設備等。

產品的零部件大多數需要經過加工、成形和連接等工藝過程?？梢哉f航空基礎制造裝備是先進制造工藝技術的載體，已成為航空產品制造中的主要需求。

2. 航空領域制造技術及裝備發展趨勢

（1）數控加工工藝轉向智能加工工藝的實現。傳統數字化加工過程是根據設計模型和工藝要求確定加工工藝及程序，基于空間和時間的確定性關系來完成產品制造，加工狀態是依靠人員監控、事后檢測來確認的，難以實時掌握加工過程中工況變化并及時調整，導致航空產品零部件質量一致性不穩定、表面質量狀態波動大。智能加工工藝將形成一種實時優化調整模式，制造過程中增加對加工過程、時變工況的在線監測，利用智能化技術對獲取的加工過程狀態信息進行實時分析、評估和決策，實現對加工過程的自主學習和決策控制；通過自主學習形成工藝知識庫，支持工藝設計與程序設計過程，實現工件加工工藝的自主決策設計和優化。

（2）傳統數控裝備向智能裝備及智能制造單元轉變。傳統數控裝備是按確定的空間關系和程序邏輯運轉的，隨著數控系統計算處理能力的不斷提升和功能部件不斷發展完善，數控裝備的加工效率、穩定性、靈活性及信息處理能力有了極大的提高，基于工況的自主處理能力日趨增強。

航空制造領域的智能裝備及智能制造單元主要包括智能機床、智能機器人、智能控制裝置與系統、傳感識別與信息采集裝置和智能物流系統等，能夠對制造過程中運動、功率、轉矩、能量和信息等狀態進行實時監測，并實現基于規則的自主決策與自適應控制。

（3）智能制造系統將是航空先進制造技術的具體體現。航空產品制造包含一系列工藝過程和工序過程，原材料進入由工藝裝備、經過不同的工序或工藝處理等集成控制系統、物流系統和工作人員等組成的全價值鏈制造系統，形成符合設計要求的產品。

以數字化技術為基礎，以集成控制技術為核心，引入智能處理決策功能，構建出基于智能化裝備、智能化工藝、傳感網絡、智能決策處理系統及人機互聯的智能化制造系統，使制造智能由個體智能跨越到整體智能，提升大數據量、高自動化環境下人們對制造數據、加工狀態和調整決策的掌控能力

依據航空產品類型和主體制造工藝不同，智能制造系統范疇而有所差異，可分為切削加工、鈑金成形、復合材料構件制造和整機裝配等不同類型，但他們均應具備智能化工藝設計與優化、工藝裝備功能數據、制造數據、產品測量數據的采集與知識庫的建立、數據分析與信息流的配置、傳感網絡與實時處理、智能化運行管控與在線學習和工藝流程優化等基本能力。

航空領域先進制造技術應用案例

1. 數字化制造技術

數字化是基于數字模型定義的協調技術，由數字化制造理念、方法和技術生產航空產品?；跀底只Q協調過程的3個階段（設計階段、加工階段和裝配階段）， 數字化制造技術的內容包括：定義數字化生產線和數字化車間；擴大數控機加范圍，增加大件、高效數控加工；對飯金、復材構件、焊接和檢測等采用數字化技術手段和工藝；減少零部件工裝，發展柔性工裝和數字化裝配定位技術，取消原用裝配精加工臺。要求制造時間縮短66%，工裝減少90%，制造成本降低50%。

2. 復合材料制造技術的應用

復合材料構件自動鋪放技術經過20世紀90年代的蓬勃發展，在成形設備、軟件開發、鋪放工藝和原材料標準化等方面得以深入發展。自動鋪帶技術及設備已成為大型機身機翼壁板鋪層的解決途徑，如機翼板、副翼、垂尾及平尾蒙皮等，絲束鋪放技術及設備已成為飛機大曲率、異面體復材鋪放的解決途徑，如機身部分及其他全曲面結構 ，用于復合材料構件制造的多軸自動鋪帶技術、絲束鋪放技術及設備正在通過飛機制造業的自動化改變著全球航空業的未來。

目前復合材料構件自動鋪放技術及自動鋪帶設備發展到第五代產品。帶有雙超聲波切刀切割系統和在線檢測系統的10軸鋪帶機已經成為自動鋪帶系統的標準配置，鋪帶成形質量顯著提高，鋪帶效率已是手工鋪疊的數10倍。目前，歐美將自動鋪帶技術應用于Boeing 787（中央翼盒、主翼蒙皮、尾翼和機翼）、A400M（機翼、翼梁）、A350 XWB（機翼、蒙皮和中央翼盒）等型號飛機。MTorres公司兩臺TORRESFIBERLAYUP AFP鋪放設備用于于生產787機翼和尾翼、A350前翼梁和后翼梁等全復合材料構建，鋪帶速度高達60m/min。

美國的C I N C I N N AT I、INGERSOLL和Electro Impact，法國的FOREST～LINE，西班牙的M.TORRES等，這些公司研制了很多種型號的纖維帶鋪放機和纖維絲束鋪放機分散在世界各地的工廠，用于為大型客機生產各種型面的復合材料構件的整體化制造。

復合材料構件固化技術與超聲檢測技術應用趨于成熟。當纖維鋪放設備完成零件鋪放以后，需要將零件放在高溫高壓的熱壓灌中，固化8～10h，對于這些超大型的復合材料構件就需要巨大的熱壓灌。三菱重工用于生產787機翼的熱壓罐（見圖1）為131ft（1ft=0.304 8m）長，直徑26ft。三菱的翼盒是在一個長102ft心軸上加工的。該心軸距離地板很高，以致于不能完全看到翼盒的外形，目前國內也都處于空白狀態，這為我國將來大飛機的生產提出了挑戰。

圖1 世界上最大的熱壓灌之一（TEC公司生產，用于787機翼）

當完成固化后，復合材料構件還要進行超聲檢測等，來發現是否存在鋪層缺陷，保證構件的質量，這時就需要大型的超聲檢測設備。

3. 數字化柔性裝配技術的應用

數字化裝配技術的發展歷程始于波音公司，波音公司最先嘗試并探討了改變傳統裝配方法的途徑：首先在工裝設計中采用基于裝配孔的骨架定位裝配技術簡化工裝，之后應用柔性工裝實現柔性化裝配，然后在柔性工裝基礎上增加自動化設備集成為自動化裝配系統，最終形成移動生產線，使飛機的裝配技術發生了革命性的變化。

裝配系統一般由加工設備、鉆鉚設備、執行機構、柔性工裝、測量設備及搬運設備等構成，由供應商進行系統集成，形成集成化的柔性裝配系統，通過“交鑰匙”的方式提供給制造商，提升了航空專用裝備供給的層級。

（1）數字化制孔單元與對接設備。在國外飛機柔性裝配系統中的裝配單元主要包括制孔單元、鉚接單元、螺栓安裝單元、緊固件插入單元、密封膠注膠器、孔強化單元、鉚釘銑平單元及自動送料單元等，檢測單元包括孔探針、同步照相機、法線傳感器、夾層厚度檢測單元、激光視覺單元和激光跟蹤定位單元等。

（2）自動化裝配系統。世界航空發達國家的飛機自動化裝配技術，已從由單臺數控自動鉆鉚機和數控托架組成的自動鉆鉚系統（見圖2）向由數控裝配工裝、模塊化加工單元、數控定位系統(包括機器人)、自動送料系統和數字化檢測系統、離線編程與仿真系統等組成的的自動化裝配系統發展，大部分基于CATIA平臺進行設計，保證了裝配系統與飛機產品的數字化協調。當自動化裝配系統集成了柔性裝配工裝，能適應多規格、多種類飛機產品的裝配時，就發展成了更高一級的柔性裝配系統，包括機翼壁板柔性裝配系統、翼梁柔性裝配系統、復合材料尾翼柔性裝配系統、機身壁板集成單元、機器人自動裝配系統及機身環鉚自動裝配系統等。

圖2 自動鉆鉚設備（正在裝配47段、48段）

4. 自動化輔助運輸設備

波音、空客等航空公司在飛機部件對接過程中大量采用氣墊運輸技術，該技術與先進的測量定位技術、數控技術相結合，實現了大型飛機部件在對接過程中的平穩運輸，大大提高了飛機裝配的工作效率和質量。

5. 自動化柔性裝配生產線

飛機柔性裝配生產線最早出現在民機產品的裝配中，波音公司借鑒汽車工業中的洗車概念，建立了第一條脈動式飛機裝配生產線（見圖3）。脈動式生產線主要優勢是高精度、高效率，并通過合理的生產線布局和節拍控制滿足不同產品在同一生產線上不同產量的變化需求，提高高端裝備設備利用率，降低生產成本。

世界各國為制造業發展所做的準備

由美國GE等企業提出在工業領域實現數據流、硬件和軟件的智能交互，實現系統、設施、資本運營的優化，工業互聯網概念應運而生， 具體表現在將互聯網作為當前信息化的核心，推動移動互聯網、云計算、大數據和物聯網等與現代制造業結合，推動兩化融合深度發展，通過3個步驟實現其效能：工業數據的獲取、工業數據的分析和調度執行，分別對應于物聯網、云計算與大數據和專網通信，這是工業互聯網的關鍵元素。

2012年3月，作為“振興制造業”戰略的重要一環，美國政府宣布啟動“國家制造創新網絡”計劃，該計劃由先進制造國家項目辦公室協同國防部、能源部、航空航天局、商務部以及國家科學基金等聯邦政府部門共同負責實施，以公私合營的方式，建設15～45家“制造創新機構”，形成覆蓋全美的制造創新網絡。

2014年9月，數字設計與制造創新機構提出先進制造企業 、智能機器、先進分析及賽博物理系統安全等四大技術領域推進全數字化與智能化，并且給出了當前研究重點。

2014年12月，美國國家制造創新網絡啟動了第8個創新機構即“智能制造創新機構”的競標，該機構將由能源部牽頭組織建設，并為智能制造下了一個嶄新的定義：智能制造是先進傳感、儀器、監測、控制和過程優化的技術和實踐的組合，它們將信息和通信技術與制造環境融合在一起，實現工廠和企業中能量、生產率和成本的實時管理。

以西門子為代表基于德國雄厚的制造業為基礎，寄希望以此定義第四次工業革命，將CPS（虛擬網絡—實體網絡系統技術）一體化應用于制造業和物流業，目的是保持本國的制造業競爭力，提高資源利用率，提出工業4.0 ，打造智能化工廠。

2015年中國政府提出《中國制造2025》，將信息技術與制造技術深度融合的數字化、智能化制造作為發展主線，以未來十年為發展周期，目標是驅動制造業的轉型升級，推動中國由制造業大國向制造業強國轉型。

美國依靠強大的信息技術，將大數據采集分析、云計算等計算機互聯網技術應用到工業制造領域，打造“工業互聯網”，以此戰略保持其工業強國的地位。德國憑借雄厚的工業制造、工業自動化基礎，與計算機互聯網融合向智能化制造進軍，提出工業4.0的概念。那么，中國以什么為依托，實現《中國制造2025》的宏偉藍圖呢？

結語

國外先進的航空專用裝備的工程應用滿足了飛機制造的高效和無縫連接的高質量要求。全自動化集成控制技術的研發代替人工工藝流程已走上應用舞臺，并取得了重要進展。

伴隨著中國大飛機項目不斷擴大，對生產質量的要求越來越高。中國在先進制造技術和裝備上的需求會越來越多，中國的飛機制造商的需求尤為突出。

國外先進航空制造廠商已經就中國航空市場做好準備，一方面將通過提供其先進的技術和設備來滿足中國客戶的需求；另一方面也將廣泛尋求多層面的合作，將其先進技術與中國富有競爭力的生產成本緊密結合起來，從而獲得更大的利益，并占據了90%以上的國內航空重要市場。各國的目的相同，但基礎不同，我們做好準備了嗎？