從機械化到智能化的跨越

李汝鵬 薛雷 張增煥 馬繼宸

智能制造是“中國制造2025”國家戰略的主攻方向，是信息技術、智能技術與工業裝備的深度融合與集成。在飛機制造領域，隨著機器人運動精度提升、與人交互協作更智慧、柔性協作更靈活，越來越多的機器人被應用到零件制造、裝配和物流的各個環節。

20世紀70年代我們開始研制運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，中國商飛上海飛機制造有限公司逐漸推進智能制造，不斷研發和引進機器人系統，并將其廣泛應用到復合材料零件制造、金屬零件焊接、零部件和整機噴涂、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，正在實現從機械化到智能化的跨越。未來，機器人將替代更多的人工操作，進一步提升飛機生產的效率和質量。

玩轉碳纖維的“裁縫”

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

如此先進的材料，其加工自然也不簡單。一個復材零件的成型，一般需要經過預浸料鋪貼、預成型、固化、機械加工、無損檢測等工序。在業內很多企業還以手工為主進行各項工序操作的時候，中國商飛上飛公司已經在鋪貼工序應用了基于工業機器人的自動化鋪絲設備，在預成型工序應用了3D自動縫合機，在無損檢測工序應用了基于雙機器人的噴水C掃設備，實現了復合材料零件成型工藝的自動化，并局部具備智能特征。

先看基于工業機器人的自動化鋪絲設備。自動鋪絲設備是在自動鋪帶和纖維纏繞基礎上發展而來的，能將預浸絲束或窄預浸帶在幾乎沒有張力的情況下，按工裝形狀鋪放纖維束。這種設備能充分利用材料，無邊角廢料，從而達到節省原材料的效果。

基于工業機器人的自動化鋪絲設備相比傳統大型龍門式鋪絲設備，更加靈活和輕巧。該設備共有6個運動軸，其機械頭上多個軸都可以在±350°內進行旋轉，可滿足大部分復雜外形曲面（如C型梁、機身筒段等）的鋪層和加強層的鋪放。

目前，中國商飛上飛公司利用此設備制造復材機翼全尺寸前梁內段、C919后機身壁板等大型部件。未來，CR929寬體客機機身的蒙皮制造也將采用自動鋪絲技術，中國商飛上飛公司正在應用這臺設備制造各類試驗件。

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

3D自動縫合機采用頂裝式6軸工業機器人，共配置臨縫頭、雙針頭兩種縫合頭。相較于傳統的2D自動縫合機，3D自動縫合機在保證縫合速度、縫合規模以及縫合質量的同時，不僅可以滿足平面內的2D縫合，而且能夠實現單曲面乃至各種復雜曲面預成形體的縫合，對于提高生產效率以及復雜曲面預成形體制造技術研發探索都有極大的幫助。

雙機器人噴水C掃設備是中國商飛上飛公司復材中心的另一位“大?！?。它采用14軸雙機械臂，通過穿透法對復合材料零件進行超聲檢測。該設備的有效行程為6 000mm，定位精度為±0.2mm，主要承擔C919大型客機平尾、CR929寬體客機機身、波音747飛機的復材零件的超聲檢測。雙機器人噴水C掃設備的機械臂可對復雜外形零件進行采點，形成零件數模，然后形成合理可行的掃描軌跡，實現對零件的超聲檢測。

綠色制造的好幫手

如今，綠色、環保已經深入人心，生態文明也已提到與精神文明、物質文明并立的高度。保護環境、綠色制造成為整個工業界孜孜以求的目標。在航空制造領域，這一目標的實現就是要推動零部件的綠色制造技術研發和應用。

近年來，中國商飛上飛公司創造性地應用“機器人+綠色工藝”，研發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噴涂系統，正在進行各種工藝試驗和測試，積極推動工程化應用。

空客于2000年首次將雙光束激光焊接技術應用于A318機身壁板的制造，取代了傳統的機身壁板鉚接工藝。該技術可使制造成本降低10%～15%，機身重量降低5%～10%，同時保證整體結構良好的密封性。

中國商飛上飛公司從2011年起開始研制國內首套雙光束激光焊接裝備，經過艱苦攻關，最終獲得成功。雙光束激光焊接系統的核心在龍門架下的3臺機器人系統中。在它的兩側，兩臺機器人各自承載一套激光焊接工作頭、送絲送氣系統、焊縫跟蹤傳感器，中間的機器人下裝長桁定位裝夾，各機器人可單獨調整位姿，實現蒙皮-長桁結構的定位和焊接功能，為未來飛機整體機身壁板的自動化、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了一套自動焊接機器人系統——自動化弧焊機器人系統。該系統由機器人代替焊工，將電弧焊由傳統手工操作轉變為機器人自動化操作，不僅焊接效率提高了4倍，還能將焊縫精確控制在設定的軌跡上，焊接穩定性及重復性也得以保證。

噴涂是飛機總裝過程中一項較為繁重的工作，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器人噴涂系統和面向整機的機器人涂裝系統。

面向零部件的機器人噴涂系統采用自動化噴涂，通過精確控制施工工藝參數、優化施工環境，可實現涂層厚度的精確控制，使外觀質量明顯提升，既可以解決飛機噴涂效率低、涂層厚度控制及相關質量穩定性差的問題，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方面開展了大量研究工作，自主研制了機器人噴涂系統原型樣機，使該噴涂系統能夠滿足平尾等大部件的噴涂要求，在所研制的原型樣機上實現了相應樣件的自動噴涂。

2015年，在國家有關部門的支持下，中國商飛上飛公司開始了面向整機的機器人涂裝系統研制。該系統以C919飛機為應用對象，研究開發自動化整機噴涂工藝方法和裝備。目前，該系統已完成基于機器人的飛機整機噴涂自動化系統研制，設備已完成安裝，正在進行調試和工藝試驗。

本領超強的“裝配工”

在飛機總裝過程中，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、碳纖維復材等輕量化材料在飛機機體中的應用越來越廣泛，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，就必須應用自動化技術和手段。

自2009年開始，中國商飛上飛公司以C919飛機裝配生產線建設和ARJ21飛機批產提速生產線建設為契機，對基于機器人的自動化制孔、鉚接技術進行了深入研究，研發和引進了多臺套設備，在型號研制中發揮了重要作用。

目前，中國商飛上飛公司的機器人自動化制孔和鉚接系統主要有三種形式：柔性軌道自動制孔系統、工業機械臂自動制孔和鉚接系統、爬行機器人制孔系統。這三種系統在波音、空客等先進飛機制造企業已得到廣泛應用，但在中國商飛上飛公司開始研制前，其在國內的工程化應用幾乎為零，經驗缺乏。中國商飛上飛公司經過多年攻關，終于研制出成熟可靠的系統。

柔性軌道自動制孔系統的設備自身經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行制孔。軌道具有適應不同曲率型面的柔性，可以用同一設備加工不同直徑的機身或不同形式的部件，如機身和機翼。

針對ARJ21及C919飛機機身筒段對接環向制孔需求，中國商飛上飛公司先后進行了制孔質量工藝性驗證、工藝應用分析及自動制孔軌跡離線編程、對接工藝模擬件驗證等試驗。目前，該系統在C919飛機36框上半筒段對接實現了自動制初孔的應用，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框上半筒段對接實現了自動制終孔的應用，節省了人工畫線、制初孔、擴孔等工序，進一步提升了制孔工作效率。

工業機械臂自動制孔和鉚接系統是中國商飛上飛公司研制的又一神器。工業機械臂自動制孔系統是廣泛應用于航空制造業的一種輕型自動制孔系統，其工作空間大、靈活性高、柔性高，配合各種功能的末端執行器，可以實現裝配過程的多功能需求。

中國商飛上飛公司在機器人大空間范圍位置標定與運動控制技術、雙機器人協同高精度定位技術、機器人鉆鉚裝配工藝技術等方面開展了深入研究，分別與北航、大連理工、上海拓璞公司聯合研發了工業機械臂自動制孔系統、螺旋銑孔系統、雙機器人自動鉚接系統。目前，一些新設備已經在飛機裝配中得到應用。

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