数字工厂和机器人：空客的自动化未来

    据美国《航空周刊》5月6日报道，为了在市场份额的争夺战中取得更好的成绩，空中客车公司频频打出技术牌。目前，该公司在这方面已经做到与波音水平相当；所以，现在他们已经开始转向追求先进的制造技术，以确保能够充分享受胜利果实。
 
　　采用自动化流水线的“未来工厂”概念是其发展的焦点，这种模式能够帮助空客以创纪录的水平加快其产品生产率。目前，空客每月生产接近55架飞机，相当于该公司刚创建的第一个5年内交付的A300型飞机总量。自2000年以来，该公司的商业飞机交付量增长了60%，积压的订单数量在过去的十年中翻了一番，增长到约4,950架；空客公司现有的订单就足以让他们忙8年。
 
　　空客公司负责整体物理设计的运营副总裁杰恩斯·格拉弗斯（Jens Gralfs）说，随着多个模型之间生产速率继续的增长，“我们正面临着如何保持飞机产品化的挑战。”每个机型都代表着一组不同的问题，无论是关于如何加速交付选择了新引擎选项的A320系列，还是加快A350的生产速率，抑或者如何是改善复杂的双层A380飞机的装配过程等等。
 
　　格拉弗斯说：“对单通道飞机而言，我们每月的生产率是42架，相当于是每7个工作时就能生产出一架来。”然后他补充道，随着位于阿拉巴马州移动组装线的上马使用，A320系列的流水线上生产能力将在现有基础上每月再增加4架。这个工厂将会在2015年2月开始生产第一架飞机，第一次交货时间预定在2016年一月。“由于A380结构的复杂性，所以它的生产速率与前面提及的几款飞机不再同一层面，”但是，A380的生产率也将从现在的每月平均2.5架增长到3架。
 
　　与此同时，空客公司将继续加快A330的生产速率；这款飞机在今年早些时候达到了一个月生产10架的高速率。格拉弗斯说，他们给这款飞机制定的生产速度指标是每月11架；而对A330的继任者A350而言，他们最终预计其生产率将高达每月13架。总体而言，空客在2012年交付了588架飞机，相当于每月交付49架飞机。
 
　　所有这一切与空客早期曾取得的生产速度产生了极大对比。在20世纪70到80年代，空客按照常规方法生产飞机，当时能达到的最高生产速率仅为每月4架。格拉弗斯说：“当时，没有人认为飞机的生产速率能超过每月4架。当时没有所谓的自动化生产，也没有大量的固定工装，更没有灵活性可言。当时的设计100%专注于飞机性能，一点都不为生产上的问题考虑。坦率的说，当时大家的态度都是：‘谁在乎生产过程啊？！’”
 
　　即使对于从1988年才开始生产的A320，装配和工业化的设计考虑依然是“次要主题”。以上观点是格拉弗斯在近期参加在加州举办的机械工程师AeroDef制造发布会上发表的。而对于A380却完全不一样，这款飞机“从一开始就同时将性能和工业化需求考虑在设计指标内。同时，它的设计也从一开始就纳入了精益制造的原则。这是相当重要的，因为没有精益求精的开始，后来再在乎也是于事无补。”
 
　　类似于复合垂直尾翼的装配（VTP），从A380上积累下来的技术和经验教训，最终被反馈应用到了A320的生产上，并全面改善和发展了单通道飞机的制造过程。2006年，以精益生产为基础的移动生产线在汉堡开始出现。随着对单通道飞机生产线生产速率的预期越来越高，“在装备过程中继续坚持使用基座式生产是不可能的。所以，我们改变了机身和机翼的生产理念，将其从一个固定过程转变成了移动的。基于精益制造原则，这让我们更加清晰地认识到，我们与部件、供应链以及交付性之间的关联。随着产量的增加，供应链也会随之增长，而零件缺失也会导致更加严重的后果。”格拉弗斯指出，除此之外的一个额外挑战是，“怎样在生产过程中完成这样的转变，”这个生产过程会随着2015年以后NEO方案的执行逐步削减。
 
　　位于汉堡的单通道飞机生产线平均每7个小时完成一个机身的组装。相较于原来生产线的生产速度，采用了精密流水线过程的生产线，缩短了33%的交货时间，与此同时实现了50%的速率提升。格拉弗斯补充道：“我们在圣纳泽尔（法国，生产前机身）和布劳顿的机翼生产线上也采用了相同的模式。”

　　为了帮助现在已经在图卢兹进入生产环节的A350飞机的生产，空客采用了A380制造前期就采取的“数字工厂”概念。格拉弗斯说，作为结果，一系列新的技术在更加广泛的范围内被采用，更高水平的自动化流程也开始出现。数字工厂的概念将设计和生产在工业化阶段实现结合，从概念到实施上都降低了成本。围绕着生产流程的部件流通，生产夹具、工具及过程结构细节的规范，这些内容在付诸实际行动之前，都在网络世界中进行了模拟和验证。他说：“我们在生产A350的过程中使用了大量的模拟，这相较于10年前生产A380的情形发生了戏剧性的变化。我们通过给定一些关键信号作为指标，来设计数字化的样机（DMU），并进行虚拟工艺规划。我们需要这样做，因为人体工程学是至关重要的问题。我们所做的工作能让生产速率的增长更加迅速、让人的工作效率更高，同时消耗更低的医疗成本花销。员工的年龄一直在不断增长，但人们工作的时间变得越来越长（时期）；所以事故的预防是很重要的。从人体工程的角度来看，A350机翼的制造是极具挑战性的。因为，机翼纵桁更像是铁路轨道上的铁轨，所以我们需要自动化生产，并且找到解决方案；让人们能更方便的处理有难度的工作部分。”
 
　　DMU的“主机”上汇集了来自所有合作系统上的设计和制造参数。在整个设计过程中，DMU不断被更新，从而确保配置参数的控制。在A380项目中，由于使用了多个DMU系统及设计工具，所以导致整个装配过程反而出现了延误。而A350所采取的DMU有效规避了这个问题，A350依靠的是一套标准化的软件工具，这一套工具所能处理的内容涵盖了从生产、工程、资金调配到复合设计，以及其他一些结构方面的所有问题。即使在整个项目进入批量生产之后，A350目前所采用的单DMU仍然会被继续使用。
 
　　A350的其他设计特点带动了精确定位和对准工艺上复杂技术的发展。例如说，A350的机身不是由一大块筒段组成的，而是和波音787型飞机的结构类似，由大型复合板连接到机身框架和桁条上构成的。格拉弗斯说：“假如你使用的是复合材料，装配过程就像是一场噩梦；因为这种材料不同于准确的金属零件，它们有一定的倾向性。而在A350飞机上，我们所需要面对的挑战是，如何在不使用垫片调整的情况下安装好这些外壳，尤其是安装这些东西还需要相当高的精度。所以，我们是如何不使用大量金属工具完成这个操作的呢？在使用DMU的基础上，再建立了一个NC[数值控制]测量辅助装配系统；然后就成功完成了这一部分工作。我们没有使用固定的框架，在处理这个外壳的过程中，系统会提供一个NC轴来帮助我们精确定位……”
 
　　尽管A350和787机身的装配方法不同，但这一对竞争对手都采用了类似用来装配大模块的方法，这个方法能够缩短时间并节约成本。这方面的典型例子包括一系列需要提前安装的系统，譬如电气线束及其他航空电子设备托架上的电缆，以及支持电网结构的辅助管道结构等。格拉弗斯说：“这种措施让我们安装航空电子设备托架的时间减少了80%。在此之前，我们不能够将它作为一个模块来处理，所以我们就开始考虑架构上的问题。因此，我们开发了一个二级结构，我们可以在安装主模块之前事先安装好这些结构，”他还补充说，这些单位的整合属于关键步骤。
 
　　空客加大使用自动化设备的初衷也是因为他们希望能提高生产率和提供产品质量。最近，空客的自动化生产任务是制作安装在散热片上的VTP加固件。这个流程在开始时是通过手工来完成的，整个过程涉及到了立体裁剪、预定型、处理和切割。现在，所采用的自动化树脂传递模塑工艺在提高了产品质量的同时，还减少了50%的生产时间；目前已经能达到年产5500件。
 
　　另外一个自动化系统是一个小机器人，这个机器人是西班牙设备制造专家MTorres开发的；这款机器人配备了吸盘脚，所以它能在机身上“走动”。这个设备被称作灵活的钻头，是一种可以爬行的钻铆机；在不释放速度的情况下，它能移动到指定位置，然后完成钻孔和打铆钉，并能以每分钟3.5mm的速度移动到下一个位置。这款5轴机器人重达220磅，可完成周向、纵向及圆锥连接型的钻孔和铆钉工作。在A380上，他们使用这款移动机器人在每台飞机上钻8,500个孔；这款机器人移动的范围相当于19个机舱。该系统的使用帮助空客缩短了45%的时间，并且它还可以钻进钛金属和一种被称为Glare的轻量级商用玻璃层压板增强型铝材料。当然它还能处理其他一些种类的复合材料。
 
　　然而，格拉弗斯一直在强调，基于机器人系统基础设施的进一步发展，需要做到让这个概念变得真正有益。这个爬行机器人不再使用履带式紧固件，“因此我们必须弄清楚，应该利用什么样的紧固件，将这个机器和它将被用在的场合连接在一起。从技术上讲，我们今天可以做到，但它仍然不能算作一个良好的商业案例。”
 
　　被用在A380下部壳表面纵梁焊接上的自动化激光束焊接技术，相较于传统的铆接方法，也同样减少了90%的操作时间；而且这种技术的使用还能同时减少重量，提高结构的耐腐蚀性。搅拌摩擦焊接法已经被用于一些空间应用中，空客目前也正在考虑可能在A320 NEO上使用这个技术。这项技术可用于表层面板焊接、机翼整体制造，以及中央翼盒的制造工作，与传统的铆接接头工艺相比，可能可以节省75%左右的重量。
 
　　空客还在A350的制作过程中首次运用了附带制造过程。3D打印机或者被称为自动层式打印机，可以通过一层一层地叠加沉积材料完成零件的制作。格拉弗斯说：“我们为此已经付出了三年的努力，目前取得了良好的成功。”这项技术在A350飞机上的首次应用是塑料支架部分的制作，这种设备“在周期和制作变化上具备高度的灵活性。”