新概念機(jī)器人：航空制造業(yè)的下一個“風(fēng)口”

董幗雄

在航空業(yè)百年發(fā)展歷程中，每一個時代都會成就一種工業(yè)模式，而一種新的工業(yè)模式又會對產(chǎn)業(yè)興衰產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。時至今日，在民用飛機(jī)智能制造的發(fā)展藍(lán)圖中，機(jī)器人與人類的深度協(xié)作已經(jīng)成為了一種新趨勢，讓機(jī)器人從事更多富有挑戰(zhàn)性的工作已逐漸成為行業(yè)共識。

過去，傳統(tǒng)機(jī)器人最主要的工作是將工人從簡單、重復(fù)、繁瑣、單調(diào)的體力勞動中解放出來，如此不僅可以降低企業(yè)的勞動力成本，還可以顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)在，通過十幾年的快速發(fā)展，航空領(lǐng)域的制造商們已經(jīng)不再滿足于機(jī)器人只是從事簡單的重復(fù)工作，以空客、波音、龐巴迪為代表的企業(yè)，正在聯(lián)手知名工業(yè)機(jī)器人制造商，將新概念機(jī)器人引入飛機(jī)裝配生產(chǎn)線。

“甜蜜的負(fù)擔(dān)”

如今，堆積成山的飛機(jī)訂單已經(jīng)成為飛機(jī)制造商“甜蜜的負(fù)擔(dān)”。過去5年，主流飛機(jī)制造商的訂單數(shù)量急劇增長。根據(jù)波音公司預(yù)測，到2023年，全球新飛機(jī)交付數(shù)量將達(dá)到3萬多架。因此，從2015年開始，波音、空客就將提高生產(chǎn)速率作為重中之重。

以全球最暢銷的單通道飛機(jī)空客A320系列為例，2019年，其月產(chǎn)量為60架左右，為了實(shí)現(xiàn)如此“激進(jìn)”的產(chǎn)能提升，大范圍應(yīng)用機(jī)器人成為制造商的必然選擇。如今，在飛機(jī)機(jī)身、大型機(jī)翼結(jié)構(gòu)件、短艙、塔架、風(fēng)扇罩、推力反向器等飛機(jī)核心構(gòu)件生產(chǎn)中，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在此過程中，飛機(jī)制造商與機(jī)器人制造商的合作也變得越來越緊密。

目前，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，全球知名的生產(chǎn)商主要集中在日本和歐洲一些國家。其中，發(fā)那科、安川電機(jī)、卡庫、ABB等廠商生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。

以波音為例，作為全球最早使用噴涂機(jī)器人的飛機(jī)制造商，公司長期與庫卡、川崎重工等企業(yè)合作開展專項(xiàng)研發(fā)。在777飛機(jī)的噴涂工作中，波音采用了川崎重工生產(chǎn)的KJ314噴涂機(jī)器人。該機(jī)器人被安裝在高架基座或線軌上，能夠?qū)崿F(xiàn)180度旋轉(zhuǎn)，使其在連續(xù)運(yùn)動過程中一直處于工作區(qū)域范圍內(nèi)。相比普通噴涂機(jī)器人，KJ314的工作區(qū)域擴(kuò)大了1倍，噴涂效率也提升了1倍。

變得更靈巧

除了效率之外，精度對于航空制造業(yè)來說也十分重要。體型笨重、不夠靈活是傳統(tǒng)機(jī)器人最大的缺點(diǎn)。在工業(yè)機(jī)器人制造商與飛機(jī)制造商的共同努力下，新的靈巧機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。這類機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，最大的區(qū)別在于獨(dú)特的構(gòu)型使其能夠擁有更大的運(yùn)動自由度。

柔性關(guān)節(jié)，又被稱為“蛇形臂”，是這類新型機(jī)器人中的代表。簡單來說，蛇形臂采用不銹鋼線纜連接機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)，將機(jī)器人基座內(nèi)多達(dá)50個無刷換向直流電機(jī)的機(jī)械動力輸送進(jìn)蛇形臂，在產(chǎn)生足夠扭矩的同時讓每個關(guān)節(jié)可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)90度，使得其靈活性大大提升。

英國工業(yè)機(jī)器人制造商OC公司是最早研發(fā)蛇形臂機(jī)器人的企業(yè)之一，其研制的機(jī)器人臂直徑從12.5mm到150mm不等，長度從1m到10m，直徑越大，負(fù)載能力越高。操作員通過“頭部跟隨”原理控制機(jī)器人蜿蜒行進(jìn)，當(dāng)指令傳遞到蛇形臂尖端后，其余關(guān)節(jié)將按特定路徑跟蹤尖端行進(jìn)。

受此啟發(fā)，空客與卡庫公司合作研發(fā)了用于狹小空間裝配的蛇形臂機(jī)器人，其柔性足以將所需工具運(yùn)送到機(jī)翼翼盒內(nèi)部執(zhí)行密封等裝配任務(wù)，讓傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人無法達(dá)到的地方實(shí)現(xiàn)了自動化。

此外，德國弗勞恩霍夫機(jī)床與成形技術(shù)研究所還研發(fā)了一種專門用于機(jī)翼翼盒內(nèi)部裝配的蛇形臂機(jī)器人。這種機(jī)器人重60公斤，包括總長2.5m、重15公斤的8個關(guān)節(jié)段以及最多重達(dá)15公斤的末端執(zhí)行器或檢測攝像頭。它可以安裝在移動平臺或固定軌道上，在工作時沿著機(jī)翼移動，高效地完成每個翼盒約3000次的鉆鉚和密封操作等工作。

更加智能化

除了更加靈巧、便捷之外，智能化也是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的一個新趨勢。

2017年，波音與庫卡公司聯(lián)合研發(fā)了一款機(jī)身自動直立裝置系統(tǒng)（FAUB），并將其應(yīng)用于波音777X的生產(chǎn)中。這一系統(tǒng)可以讓機(jī)器人在前后機(jī)身內(nèi)外部進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，不僅可以顯著提高生產(chǎn)效率，而且進(jìn)一步提升了產(chǎn)品質(zhì)量。此外，波音還與Electroimpact公司合作，針對787飛機(jī)機(jī)身裝配開發(fā)了一個更為先進(jìn)的多機(jī)器人協(xié)作單元Quadbots，使緊固件的安裝效率提高了30%。

空客目前已經(jīng)開始使用能夠自主沿著飛機(jī)機(jī)身內(nèi)部移動的輕量化單臂機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)支架的流水線安裝。根據(jù)有關(guān)資料，在空客的“未來裝配計(jì)劃”中，人機(jī)協(xié)作機(jī)器人受到了高度重視。

所謂人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，簡單來說，就是基于靈巧移動平臺的類人機(jī)器人系統(tǒng)。這種類人機(jī)器人直接集成在一個全向平臺上，能提供至少10個自由度，可以與人類一起從事較為復(fù)雜的工作。

2008年，庫卡公司開始推廣一款名為omniRob的移動機(jī)器人。2016年，英國GKN宇航旗下的福克航空結(jié)構(gòu)與起落架業(yè)務(wù)部門開始基于omniRob移動機(jī)器人進(jìn)行人機(jī)協(xié)作研究。隨后，空客也參與了這一項(xiàng)目，希望在A350的制造中引入這種人機(jī)協(xié)作機(jī)器人。

新材料和新工藝

如今，復(fù)合材料在民機(jī)制造領(lǐng)域的使用越來越廣泛。在復(fù)合材料生產(chǎn)中，機(jī)器人具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它不僅可以實(shí)現(xiàn)更高的自動化水平和更低的生產(chǎn)成本，同時還能制造更加復(fù)雜的零部件。

波音在777X和787項(xiàng)目的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造中，都采用了Electroimpact公司生產(chǎn)的機(jī)器人。例如，波音為777X項(xiàng)目研發(fā)的機(jī)翼蒙皮自動纖維敷設(shè)機(jī)（AFP）機(jī)器人，重達(dá)1.7噸的機(jī)器頭懸掛在12.8米寬的門架上，在曲線形的水平表面上往返運(yùn)動，敷設(shè)著一條條碳纖維帶，每一次運(yùn)動都可完成一層材料的鋪放。

與波音一樣，其他飛機(jī)制造商近年來也將更多的機(jī)器人投入到復(fù)合材料部件的生產(chǎn)中。其中，空客在A350飛機(jī)復(fù)合材料縱梁和機(jī)架制造中采用了纖維鋪放機(jī)器人。龐巴迪在C系列飛機(jī)生產(chǎn)中采用了Coriolis復(fù)合材料公司開發(fā)的自動鋪絲系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造。

在增材制造領(lǐng)域，機(jī)器人也得到了廣泛使用。美國Arevo Labs公司研制了世界上首臺機(jī)器人增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用熔融沉積成形技術(shù)，由六軸機(jī)器人快速3D打印超強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料部件，用于制造飛機(jī)支架、支撐結(jié)構(gòu)以及無人機(jī)機(jī)身和機(jī)翼等復(fù)合材料零部件。

洛克希德？馬丁公司則與機(jī)器人制造商Wolf Robotics公司聯(lián)合研制了世界上首臺多機(jī)器人增減材混合設(shè)備。該設(shè)備由兩個機(jī)器人串行工作，一個機(jī)器人主要完成增材制造功能，擠壓頭逐層連續(xù)沉積聚酯纖維，從而實(shí)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)成形。另一個機(jī)器人則具有多功能，采用一種工具快換裝置，在不同的加工頭之間轉(zhuǎn)換，以去除多余材料。這種機(jī)器人具備增材制造、減材加工和工藝過程監(jiān)測等多種功能，未來有望在民機(jī)制造領(lǐng)域被廣泛使用。