新概念機器人：航空制造業的下一個“風口”

董幗雄

在航空業百年發展歷程中，每一個時代都會成就一種工業模式，而一種新的工業模式又會對產業興衰產生至關重要的影響。時至今日，在民用飛機智能制造的發展藍圖中，機器人與人類的深度協作已經成為了一種新趨勢，讓機器人從事更多富有挑戰性的工作已逐漸成為行業共識。

過去，傳統機器人最主要的工作是將工人從簡單、重復、繁瑣、單調的體力勞動中解放出來，如此不僅可以降低企業的勞動力成本，還可以顯著提高生產效率和產品質量。現在，通過十幾年的快速發展，航空領域的制造商們已經不再滿足于機器人只是從事簡單的重復工作，以空客、波音、龐巴迪為代表的企業，正在聯手知名工業機器人制造商，將新概念機器人引入飛機裝配生產線。

“甜蜜的負擔”

如今，堆積成山的飛機訂單已經成為飛機制造商“甜蜜的負擔”。過去5年，主流飛機制造商的訂單數量急劇增長。根據波音公司預測，到2023年，全球新飛機交付數量將達到3萬多架。因此，從2015年開始，波音、空客就將提高生產速率作為重中之重。

以全球最暢銷的單通道飛機空客A320系列為例，2019年，其月產量為60架左右，為了實現如此“激進”的產能提升，大范圍應用機器人成為制造商的必然選擇。如今，在飛機機身、大型機翼結構件、短艙、塔架、風扇罩、推力反向器等飛機核心構件生產中，機器人技術已經得到了廣泛應用。在此過程中，飛機制造商與機器人制造商的合作也變得越來越緊密。

目前，在工業機器人領域，全球知名的生產商主要集中在日本和歐洲一些國家。其中，發那科、安川電機、卡庫、ABB等廠商生產的工業機器人已經在全球范圍內被廣泛應用。

以波音為例，作為全球最早使用噴涂機器人的飛機制造商，公司長期與庫卡、川崎重工等企業合作開展專項研發。在777飛機的噴涂工作中，波音采用了川崎重工生產的KJ314噴涂機器人。該機器人被安裝在高架基座或線軌上，能夠實現180度旋轉，使其在連續運動過程中一直處于工作區域范圍內。相比普通噴涂機器人，KJ314的工作區域擴大了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來說也十分重要。體型笨重、不夠靈活是傳統機器人最大的缺點。在工業機器人制造商與飛機制造商的共同努力下，新的靈巧機器人應運而生。這類機器人與傳統機器人相比，最大的區別在于獨特的構型使其能夠擁有更大的運動自由度。

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

英國工業機器人制造商OC公司是最早研發蛇形臂機器人的企業之一，其研制的機器人臂直徑從12.5mm到150mm不等，長度從1m到10m，直徑越大，負載能力越高。操作員通過“頭部跟隨”原理控制機器人蜿蜒行進，當指令傳遞到蛇形臂尖端后，其余關節將按特定路徑跟蹤尖端行進。

受此啟發，空客與卡庫公司合作研發了用于狹小空間裝配的蛇形臂機器人，其柔性足以將所需工具運送到機翼翼盒內部執行密封等裝配任務，讓傳統工業機器人無法達到的地方實現了自動化。

此外，德國弗勞恩霍夫機床與成形技術研究所還研發了一種專門用于機翼翼盒內部裝配的蛇形臂機器人。這種機器人重60公斤，包括總長2.5m、重15公斤的8個關節段以及最多重達15公斤的末端執行器或檢測攝像頭。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，智能化也是工業機器人發展的一個新趨勢。

2017年，波音與庫卡公司聯合研發了一款機身自動直立裝置系統（FAUB），并將其應用于波音777X的生產中。這一系統可以讓機器人在前后機身內外部進行協同作業，不僅可以顯著提高生產效率，而且進一步提升了產品質量。此外，波音還與Electroimpact公司合作，針對787飛機機身裝配開發了一個更為先進的多機器人協作單元Quadbots，使緊固件的安裝效率提高了30%。

空客目前已經開始使用能夠自主沿著飛機機身內部移動的輕量化單臂機器人，以實現結構支架的流水線安裝。根據有關資料，在空客的“未來裝配計劃”中，人機協作機器人受到了高度重視。

所謂人機協作機器人，簡單來說，就是基于靈巧移動平臺的類人機器人系統。這種類人機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雜的工作。

2008年，庫卡公司開始推廣一款名為omniRob的移動機器人。2016年，英國GKN宇航旗下的福克航空結構與起落架業務部門開始基于omniRob移動機器人進行人機協作研究。隨后，空客也參與了這一項目，希望在A350的制造中引入這種人機協作機器人。

新材料和新工藝

如今，復合材料在民機制造領域的使用越來越廣泛。在復合材料生產中，機器人具有獨特的優勢，它不僅可以實現更高的自動化水平和更低的生產成本，同時還能制造更加復雜的零部件。

波音在777X和787項目的飛機結構件制造中，都采用了Electroimpact公司生產的機器人。例如，波音為777X項目研發的機翼蒙皮自動纖維敷設機（AFP）機器人，重達1.7噸的機器頭懸掛在12.8米寬的門架上，在曲線形的水平表面上往返運動，敷設著一條條碳纖維帶，每一次運動都可完成一層材料的鋪放。

與波音一樣，其他飛機制造商近年來也將更多的機器人投入到復合材料部件的生產中。其中，空客在A350飛機復合材料縱梁和機架制造中采用了纖維鋪放機器人。龐巴迪在C系列飛機生產中采用了Coriolis復合材料公司開發的自動鋪絲系統進行復合材料結構件的制造。

在增材制造領域，機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器人增材制造系統，該系統采用熔融沉積成形技術，由六軸機器人快速3D打印超強熱塑性復合材料部件，用于制造飛機支架、支撐結構以及無人機機身和機翼等復合材料零部件。

洛克希德？馬丁公司則與機器人制造商Wolf Robotics公司聯合研制了世界上首臺多機器人增減材混合設備。該設備由兩個機器人串行工作，一個機器人主要完成增材制造功能，擠壓頭逐層連續沉積聚酯纖維，從而實現零部件結構成形。另一個機器人則具有多功能，采用一種工具快換裝置，在不同的加工頭之間轉換，以去除多余材料。這種機器人具備增材制造、減材加工和工藝過程監測等多種功能，未來有望在民機制造領域被廣泛使用。