近年來，自動化技術與復合材料零件制造的結合使航空制造發(fā)生了革命性的變化，不僅僅是加工材料的改變，也包括加工方法方面的變革，諸如鋪放、固化、模壓、編織及縫紉等的各種加工方式使零件的制造越來越自由，生產(chǎn)效率、材料利用率和零件的質(zhì)量得到了很大的提升。

復合材料零件自動化生產(chǎn)設備

自動鋪帶機和自動鋪絲機的迅猛發(fā)展為復合材料在在飛機主要結構件生產(chǎn)中的大范圍應用鋪平了道路，使得大面積高速生產(chǎn)機身和機翼大型零件成為可能。如波音787的生產(chǎn)中廣泛使用了馬格·辛辛那提公司生產(chǎn)的“Viper”系列自動鋪絲機（圖1）和“Charger”系列自動鋪帶機生產(chǎn)機身和機翼復合材料零件，此系列的鋪絲機同樣也應用于A350XWB的機身壁板的鋪放生產(chǎn)中[1]；A350的機翼則采用來自西班牙M·Torres公司的自動鋪帶機進行大面積鋪放[2]（圖2）。而美國的另外兩家著名的機床生產(chǎn)商英格索爾（Ingersoll）和Electroimpact（EI）都采用共同運動的絲軸庫-鋪絲頭集成單元的設計，所不同的是前者絲軸庫位于鋪絲頭上方，而后者絲軸則以鋪絲頭為中心徑向排列。英格索爾的“Mongoose”型自動鋪絲機在美國古德里奇公司工廠用于生產(chǎn)波音787和空客A350飛機的發(fā)動機短艙部件；EI的S-15雙頭自動鋪絲機則用于生產(chǎn)A350最復雜的機身15號艙段零件。法國科里奧利公司的機器人自動纖維鋪放系統(tǒng)（圖3）在業(yè)內(nèi)可謂獨樹一幟，鋪絲頭的空間運動幾乎完全由一臺庫卡或者ABB機器人提供，其鋪絲頭具有尺寸小、重量輕、集成度高的特點，配合絲軸庫連接的無滑輪絲束導向管可實現(xiàn)絲束的零張力輸送，特別適合鋪放型面復雜的零件。加拿大的龐巴迪公司已采購科里奧利的鋪絲機器人用于C系列客機的后機身部件的生產(chǎn)。

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除自動鋪絲/鋪帶機外，其他一些先進的復合材料自動化加工設備也廣泛應用于波音和空客等主要飛機制造廠商的最新型號生產(chǎn)中。在復合材料固化方面，承接空客A350機身零件生產(chǎn)任務的德國Premium Aerotech公司采購兩臺韓國SFA公司（原英國Aeroform）公司制造的工作直徑為7m，工作長度為21m的巨型軸流式熱壓罐用于A350前機身13~14號艙段和后機身16~18號艙段的生產(chǎn)（圖4），由于采用沿熱壓罐長度方向排布的自動控制加熱功率的加熱元件和先進的基于“動態(tài)熱位差”控制原理的自動控制軟件，罐內(nèi)溫度均勻性和生產(chǎn)效率都得到提高，從而最大限度地保證了A350項目的流暢性。模壓成形方面，波音787的翼梁生產(chǎn)中使用了西班牙SENER公司的裝備自動裝卸模具裝置的熱隔膜成形機生產(chǎn)C形梁，并使用同一家公司生產(chǎn)的復合材料自動拉擠成形機生產(chǎn)用于填補兩C形梁之間三角區(qū)的材料。在復合材料縫合和編織方面，空客A380巨型客機的后機身承壓隔框的生產(chǎn)中，德國KSL公司提供的自動縫合機器人將多層多軸向碳布進行縫合（圖5）[3]，以保證各層碳布之間的連接，然后利用先進RFI（樹脂膜熔塑）技術進行樹脂浸潤、固化并得到零件[4]。

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復合材料零件自動化生產(chǎn)流水線

自動化技術的應用不應局限于單個設備的自動化，把多種自動化設備集成到一個大系統(tǒng)里，從而實現(xiàn)某種零件或產(chǎn)品的生產(chǎn)流程的自動化，才能更加充分地發(fā)揮自動化的優(yōu)勢。

下面以空客A350XWB的機翼（圖6）翼板桁條生產(chǎn)線為例進行說明，德國空客施塔德（Stade）工廠負責生產(chǎn)的A350上翼板為空客迄今為止生產(chǎn)的最大的碳纖維復合材料整體零件，尺寸達31.6m×5.6m，重量達2t；其內(nèi)表面安置的長短不一的碳纖維桁條，最長的接近30m，桁條總長度超過300m；并且按照空客的預想，施塔德工廠的翼板生產(chǎn)將來必須滿足每月生產(chǎn)7~13架A350客機的效率要求。

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施塔德工廠之前采用的復合材料翼板桁條生產(chǎn)流程是：首先采用自動鋪帶機（ATL）鋪放大面積的碳纖維預浸料帶，得到層壓件，然后將層壓件切割成所需要的形狀并去除廢料，接著將不需要立即使用的層壓件做包裝并冷凍入庫，需要立即使用的層壓件裝入模具進行成形，所有不同類型的桁條均使用同一臺成形機進行加工，成形完成后，手工涂抹粘合劑，最后在激光跟蹤儀的輔助下人工將桁條安裝到由自動鋪帶機鋪放完成的上翼蒙皮內(nèi)表面上。

此流程具有以下幾個缺點：
（1）自動鋪帶機所鋪放的料帶比較寬，在切割后浪費量較大。
（2）由于不同類型的桁條都采用同一機器進行成形加工，更換模具消耗了大量時間，生產(chǎn)效率低下，同時，不使用的模具也將占用倉儲空間。
（3）由于生產(chǎn)效率比較低，需要對不立即使用的層壓件做包裝和冷凍處理，到使用時再解凍，這就需要一整套復雜的物流系統(tǒng)支持。
（4）對于A350XWB客機的超長零件，其長度和重量以及整體零件的技術要求決定了不適合采用人工安裝桁條操作。

為達到A350翼板的生產(chǎn)要求，施塔德工廠決定采用全新的自動化生產(chǎn)線來解決現(xiàn)有的問題，這條生產(chǎn)線的基本理念是流水線作業(yè)，也就是說桁條的生產(chǎn)是沿著一個固定的方向脈動式的前進，每一個工位完成不同的工序，從而達到提高生產(chǎn)效率和簡化流程的目的。桁條的鋪放、切割、廢料去除、成形、安裝都需要采用自動化的加工設備完成，同時桁條在流水線上各個工作站位之間的運輸也必須沒有人工干預。要保證各個工位和運輸系統(tǒng)的協(xié)同運作，就必須要具備一套高效的控制軟件對流程進行精確控制。

圖7為全新的復合材料桁條自動化生產(chǎn)線的工作示意圖。在此自動化流水線中，前部位均采用統(tǒng)一規(guī)格的長度達40m的工作臺進行操作，因此桁條的運輸采用的是計算機自動控制的廠房吊車直接運輸工作臺的方式進行的，從而最大限度地減少裝卸操作和對部件的意外損傷。整個吊裝過程不需要任何人工干預，吊裝的最大尺寸不超過40m，最大重量不超過20t，重復定位精度可達0.25mm，生產(chǎn)線全長達140m。



此自動化流水線中的一個重大變革是采用自動鋪絲機代替之前的自動鋪帶機進行預浸料鋪放，由于自動鋪絲機鋪放的絲束寬度（6.35mm）遠遠低于料帶，并且可以執(zhí)行對每條絲束的切割、夾緊和重送等功能，所以可以更加精確地鋪放每根桁條所需要的平面形狀，不僅減少了材料的浪費，而且大大節(jié)省了切割的工作時間，從而大幅提高工作效率。這樣的快速生產(chǎn)還使之前生產(chǎn)中的冷凍儲存預浸料層壓件環(huán)節(jié)完全可以被去除，從而減少了大量的包裝、倉儲、解凍和物流運輸?shù)臅r間，使流程大大簡化[5]。

在桁條成形方面，為了提高效率和產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)線上裝備針對每種類型的桁條設計的專用的成形機，因此在連續(xù)生產(chǎn)中無需更換模具；由于之前環(huán)節(jié)的時間優(yōu)化，為桁條成形預留了更長的加工時間，以得到更高的產(chǎn)品質(zhì)量。在桁條的安裝環(huán)節(jié)上，此自動化流水線采用的是集成了高精度測量系統(tǒng)的定位梁，將涂有粘合劑的桁條精確安裝到相應位置的方案，從而保證了定位的精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

在此桁條生產(chǎn)線（圖8）中，沒有任何人工參與的產(chǎn)品運輸和移動，桁條統(tǒng)一由廠房吊車向一個方向進行流水線式的加工作業(yè)，整個流程全部為自動化，操作員只需在操作室進行監(jiān)督工作和參數(shù)設置即可。生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)還裝備有智能工裝和工作臺管理功能，能夠?qū)崟r對工裝和工作臺進行定位和追蹤，從而滿足連續(xù)生產(chǎn)時的效率要求。此生產(chǎn)線經(jīng)測試可滿足月產(chǎn)7~13架A350XWB客機的需要，并且可以365天不間斷地進行3班運轉(zhuǎn)，可進行最多50000次工作循環(huán)。同時，此生產(chǎn)線還可以全面適應量產(chǎn)A350-800/900/1000等3種不同分機型上翼板的生產(chǎn)任務。



在這條自動化生產(chǎn)線中，系統(tǒng)集成是整個項目的核心，生產(chǎn)線中涉及到的各種自動化加工設備，包括自動鋪絲機、自動切割機、自動廢料去除設備、復合材料成形機、自動測量系統(tǒng)、自動化吊裝和定位系統(tǒng)以及控制軟件等都是生產(chǎn)線中的一個元素，把這些元素有機地結合起來，并且以最有效最科學的方式進行控制，才能使生產(chǎn)線達到高產(chǎn)、高質(zhì)、高效的要求。鑒于全自動流水線在德國空客施塔德工廠的成功應用，為空客生產(chǎn)A350機翼下翼板的西班牙伊雷斯卡斯（Illescas）工廠也引進了此生產(chǎn)線進行桁條生產(chǎn)，相信這兩條先進的生產(chǎn)線會為A350XWB客機快速占領市場做出積極貢獻。

總結和思考

綜上所述，無論是復合材料零件加工設備的自動化，還是部件生產(chǎn)線自動化，都從根本上改變了復合材料在航空制造方面的應用，只有與自動化相結合，才能使復合材料用得起、用得精、用得巧。

我國在復合材料零件生產(chǎn)自動化的歷程中，也需要從國外廠商的經(jīng)驗中吸取經(jīng)驗，例如西班牙的M·Torres公司前身是擁有35年歷史的造紙工業(yè)設備的提供商，公司認真分析了造紙設備與纖維鋪放設備的相似點之后，決定研發(fā)自動鋪絲機，并成功轉(zhuǎn)型，現(xiàn)已成為世界上此類設備的主要供應商之一[6]。施塔德工廠的翼板桁條生產(chǎn)線則更多地借鑒了汽車工業(yè)中常用的自動化流水線理念。

以上兩個例子說明，新設備、新系統(tǒng)的開發(fā)應該從多方面吸取營養(yǎng)，拓寬思路，敢于有基礎的創(chuàng)新，這樣才能更有效地發(fā)揮自動化的特點，讓生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到進一步提高。 copyright 123456

作者：張朝暉 周旗