从机械化到智能化的跨越

李汝鹏 薛雷 张增焕 马继宸

智能制造是“中国制造2025”国家战略的主攻方向，是信息技术、智能技术与工业装备的深度融合与集成。在飞机制造领域，随着机器人运动精度提升、与人交互协作更智慧、柔性协作更灵活，越来越多的机器人被应用到零件制造、装配和物流的各个环节。

20世纪70年代我们开始研制运10之时，无论是零部件制造还是部装、总装，中国航空制造的机械化水平都不高。2008年中国商飞公司成立之后，中国商飞上海飞机制造有限公司逐渐推进智能制造，不断研发和引进机器人系统，并将其广泛应用到复合材料零件制造、金属零件焊接、零部件和整机喷涂、部件装配等工作中。

目前，以中国商飞上飞公司为代表的上海航空制造业，正在实现从机械化到智能化的跨越。未来，机器人将替代更多的人工操作，进一步提升飞机生产的效率和质量。

玩转碳纤维的“裁缝”

对于航空工业来说，无论是在设计还是制造领域，减重都是永恒的主题。正是出于减重的需要，复合材料尤其是碳纤维复合材料成为近年来航空制造界的“明星”，像波音787、空客A350等机型，复合材料的占比已经接近50%。

如此先进的材料，其加工自然也不简单。一个复材零件的成型，一般需要经过预浸料铺贴、预成型、固化、机械加工、无损检测等工序。在业内很多企业还以手工为主进行各项工序操作的时候，中国商飞上飞公司已经在铺贴工序应用了基于工业机器人的自动化铺丝设备，在预成型工序应用了3D自动缝合机，在无损检测工序应用了基于双机器人的喷水C扫设备，实现了复合材料零件成型工艺的自动化，并局部具备智能特征。

先看基于工业机器人的自动化铺丝设备。自动铺丝设备是在自动铺带和纤维缠绕基础上发展而来的，能将预浸丝束或窄预浸带在几乎没有张力的情况下，按工装形状铺放纤维束。这种设备能充分利用材料，无边角废料，从而达到节省原材料的效果。

基于工业机器人的自动化铺丝设备相比传统大型龙门式铺丝设备，更加灵活和轻巧。该设备共有6个运动轴，其机械头上多个轴都可以在±350°内进行旋转，可满足大部分复杂外形曲面（如C型梁、机身筒段等）的铺层和加强层的铺放。

目前，中国商飞上飞公司利用此设备制造复材机翼全尺寸前梁内段、C919后机身壁板等大型部件。未来，CR929宽体客机机身的蒙皮制造也将采用自动铺丝技术，中国商飞上飞公司正在应用这台设备制造各类试验件。

再看3D自动缝合机。该机器人主要用于C919平尾升降舵液体成型工艺的研发。液体成型技术是一种新的复合材料成型技术，近年来在航空制造领域受到广泛重视。该技术是在真空状态下，利用树脂的流动、渗透，实现对纤维及其织物的浸渍，并在真空下固化的成型方法，这种预成型体的制造采用了缝合技术。

3D自动缝合机采用顶装式6轴工业机器人，共配置临缝头、双针头两种缝合头。相较于传统的2D自动缝合机，3D自动缝合机在保证缝合速度、缝合规模以及缝合质量的同时，不仅可以满足平面内的2D缝合，而且能够实现单曲面乃至各种复杂曲面预成形体的缝合，对于提高生产效率以及复杂曲面预成形体制造技术研发探索都有极大的帮助。

双机器人喷水C扫设备是中国商飞上飞公司复材中心的另一位“大牛”。它采用14轴双机械臂，通过穿透法对复合材料零件进行超声检测。该设备的有效行程为6 000mm，定位精度为±0.2mm，主要承担C919大型客机平尾、CR929宽体客机机身、波音747飞机的复材零件的超声检测。双机器人喷水C扫设备的机械臂可对复杂外形零件进行采点，形成零件数模，然后形成合理可行的扫描轨迹，实现对零件的超声检测。

绿色制造的好帮手

如今，绿色、环保已经深入人心，生态文明也已提到与精神文明、物质文明并立的高度。保护环境、绿色制造成为整个工业界孜孜以求的目标。在航空制造领域，这一目标的实现就是要推动零部件的绿色制造技术研发和应用。

近年来，中国商飞上飞公司创造性地应用“机器人+绿色工艺”，研发了金属零件和工装零件自动化焊接、零部件智能喷漆和整机喷涂系统，正在进行各种工艺试验和测试，积极推动工程化应用。

空客于2000年首次将双光束激光焊接技术应用于A318机身壁板的制造，取代了传统的机身壁板铆接工艺。该技术可使制造成本降低10%～15%，机身重量降低5%～10%，同时保证整体结构良好的密封性。

中国商飞上飞公司从2011年起开始研制国内首套双光束激光焊接装备，经过艰苦攻关，最终获得成功。双光束激光焊接系统的核心在龙门架下的3台机器人系统中。在它的两侧，两台机器人各自承载一套激光焊接工作头、送丝送气系统、焊缝跟踪传感器，中间的机器人下装长桁定位装夹，各机器人可单独调整位姿，实现蒙皮-长桁结构的定位和焊接功能，为未来飞机整体机身壁板的自动化、智能化焊接制造提供支持与保障。

2017年，中国商飞上飞公司又成功研发了一套自动焊接机器人系统——自动化弧焊机器人系统。该系统由机器人代替焊工，将电弧焊由传统手工操作转变为机器人自动化操作，不仅焊接效率提高了4倍，还能将焊缝精確控制在设定的轨迹上，焊接稳定性及重复性也得以保证。

喷涂是飞机总装过程中一项较为繁重的工作，而且油漆会对工人的身体健康造成一定的影响。为了提升喷涂工作的效率，中国商飞上飞公司研制了面向零部件的机器人喷涂系统和面向整机的机器人涂装系统。

面向零部件的机器人喷涂系统采用自动化喷涂，通过精确控制施工工艺参数、优化施工环境，可实现涂层厚度的精确控制，使外观质量明显提升，既可以解决飞机喷涂效率低、涂层厚度控制及相关质量稳定性差的问题，也可以防止人工涂装工艺危害劳动者健康的问题。

中国商飞上飞公司在面向零部件的自动化喷涂技术方面开展了大量研究工作，自主研制了机器人喷涂系统原型样机，使该喷涂系统能够满足平尾等大部件的喷涂要求，在所研制的原型样机上实现了相应样件的自动喷涂。

2015年，在国家有关部门的支持下，中国商飞上飞公司开始了面向整机的机器人涂装系统研制。该系统以C919飞机为应用对象，研究开发自动化整机喷涂工艺方法和装备。目前，该系统已完成基于机器人的飞机整机喷涂自动化系统研制，设备已完成安装，正在进行调试和工艺试验。

本领超强的“装配工”

在飞机总装过程中，钻孔和铆接的工作量占装配总工作量的50%，占制造总成本的40%。与此同时，新型铝锂合金、碳纤维复材等轻量化材料在飞机机体中的应用越来越广泛，为制孔和铆接提出了新的要求。因此，要想提升装配工作的效率和精度，就必须应用自动化技术和手段。

自2009年开始，中国商飞上飞公司以C919飞机装配生产线建设和ARJ21飞机批产提速生产线建设为契机，对基于机器人的自动化制孔、铆接技术进行了深入研究，研发和引进了多台套设备，在型号研制中发挥了重要作用。

目前，中国商飞上飞公司的机器人自动化制孔和铆接系统主要有三种形式：柔性轨道自动制孔系统、工业机械臂自动制孔和铆接系统、爬行机器人制孔系统。这三种系统在波音、空客等先进飞机制造企业已得到广泛应用，但在中国商飞上飞公司开始研制前，其在国内的工程化应用几乎为零，经验缺乏。中国商飞上飞公司经过多年攻关，终于研制出成熟可靠的系统。

柔性轨道自动制孔系统的设备自身经由真空吸盘吸附在工件上，柔性轨道贴合工件的外形，完全附著在工件上进行制孔。轨道具有适应不同曲率型面的柔性，可以用同一设备加工不同直径的机身或不同形式的部件，如机身和机翼。

针对ARJ21及C919飞机机身筒段对接环向制孔需求，中国商飞上飞公司先后进行了制孔质量工艺性验证、工艺应用分析及自动制孔轨迹离线编程、对接工艺模拟件验证等试验。目前，该系统在C919飞机36框上半筒段对接实现了自动制初孔的应用，不到1个小时完成了400多个孔的钻制，相比手工制孔提升效率近3倍。而后，又在24框上半筒段对接实现了自动制终孔的应用，节省了人工画线、制初孔、扩孔等工序，进一步提升了制孔工作效率。

工业机械臂自动制孔和铆接系统是中国商飞上飞公司研制的又一神器。工业机械臂自动制孔系统是广泛应用于航空制造业的一种轻型自动制孔系统，其工作空间大、灵活性高、柔性高，配合各种功能的末端执行器，可以实现装配过程的多功能需求。

中国商飞上飞公司在机器人大空间范围位置标定与运动控制技术、双机器人协同高精度定位技术、机器人钻铆装配工艺技术等方面开展了深入研究，分别与北航、大连理工、上海拓璞公司联合研发了工业机械臂自动制孔系统、螺旋铣孔系统、双机器人自动铆接系统。目前，一些新设备已经在飞机装配中得到应用。

此外，中国商飞上飞公司还有一种爬行机器人制孔系统。该系统可以完全依靠自身足部的真空吸盘，自主在机身上实现行走和吸附定位功能。这种柔性制孔系统简化了安装工作及安装系统所用的工装，对飞机表面形状的适应性更好，应用灵活性更高。