新概念机器人：航空制造业的下一个“风口”

新概念机器人：航空制造业的下一个“风口”

在航空业百年发展历程中，每一个时代都会成就一种工业模式，而一种新的工业模式又会对产业兴衰产生至关重要的影响。时至今日，在民用飞机智能制造的发展蓝图中，机器人与人类的深度协作已经成为了一种新趋势，让机器人从事更多富有挑战性的工作已逐渐成为行业共识。

过去，传统机器人最主要的工作是将工人从简单、重复、繁琐、单调的体力劳动中解放出来，如此不仅可以降低企业的劳动力成本，还可以显著提高生产效率和产品质量。现在，通过十几年的快速发展，航空领域的制造商们已经不再满足于机器人只是从事简单的重复工作，以空客、波音、庞巴迪为代表的企业，正在联手知名工业机器人制造商，将新概念机器人引入飞机装配生产线。

“甜蜜的负担”

如今，堆积成山的飞机订单已经成为飞机制造商“甜蜜的负担”。过去5年，主流飞机制造商的订单数量急剧增长。根据波音公司预测，到2021年，全球新飞机交付数量将达到3万多架。因此，从2021年开始，波音、空客就将提高生产速率作为重中之重。

以全球最畅销的单通道飞机空客A320系列为例，2021年，其月产量为60架左右，为了实现如此“激进”的产能提升，大范围应用机器人成为制造商的必然选择。如今，在飞机机身、大型机翼结构件、短舱、塔架、风扇罩、推力反向器等飞机核心构件生产中，机器人技术已经得到了广泛应用。在此过程中，飞机制造商与机器人制造商的合作也变得越来越紧密。

目前，在工业机器人领域，全球知名的生产商主要集中在日本和欧洲一些国家。其中，发那科、安川电机、卡库、ABB等厂商生产的工业机器人已经在全球范围内被广泛应用。

以波音为例，作为全球最早使用喷涂机器人的飞机制造商，公司

长期与库卡、川崎重工等企业合作开展专项研发。在777飞机的喷涂工作中，波音采用了川崎重工生产的KJ314喷涂机器人。该机器人被安装在高架基座或线轨上，能够实现180度旋转，使其在连续运动过程中一直处于工作区域范围内。相比普通喷涂机器人，KJ314的工作区域扩大了1倍，喷涂效率也提升了1倍。

变得更灵巧

除了效率之外，精度对于航空制造业来说也十分重要。体型笨重、不够灵活是传统机器人最大的缺点。在工业机器人制造商与飞机制造商的共同努力下，新的灵巧机器人应运而生。这类机器人与传统机器人相比，最大的区别在于独特的构型使其能够拥有更大的运动自由度。

柔性关节，又被称为“蛇形臂”，是这类新型机器人中的代表。简单来说，蛇形臂采用不锈钢线缆连接机器人的各个关节，将机器人基座内多达50个无刷换向直流电机的机械动力输送进蛇形臂，在产生足够扭矩的同时让每个关节可以独立旋转90度，使得其灵活性大大提升。

英国工业机器人制造商OC公司是最早研发蛇形臂机器人的企业之一，其研制的机器人臂直径从12.5mm到150mm不等，长度从1m 到10m，直径越大，负载能力越高。操作员通过“头部跟随”原理控制机器人蜿蜒行进，当指令传递到蛇形臂尖端后，其余关节将按特定路径跟踪尖端行进。

受此启发，空客与卡库公司合作研发了用于狭小空间装配的蛇形臂机器人，其柔性足以将所需工具运送到机翼翼盒内部执行密封等装配任务，让传统工业机器人无法达到的地方实现了自动化。

此外，德国弗劳恩霍夫机床与成形技术研究所还研发了一种专门用于机翼翼盒内部装配的蛇形臂机器人。这种机器人重60公斤，包括总长2.5m、重15公斤的8个关节段以及最多重达15公斤的末端执行器或检测摄像头。它可以安装在移动平台或固定轨道上，在工作时沿着机翼移动，高效地完成每个翼盒约3000次的钻铆和密封操作等工作。

更加智能化

除了更加灵巧、便捷之外，智能化也是工业机器人发展的一个新趋势。

2021年，波音与库卡公司联合研发了一款机身自动直立装置系统（FAUB），并将其应用于波音777X的生产中。这一系统可以让机器人在前后机身内外部进行协同作业，不仅可以显著提高生产效率，而且进一步提升了产品质量。此外，波音还与Electroimpact公司合作，针对787飞机机身装配开发了一个更为先进的多机器人协作单元Quadbots，使紧固件的安装效率提高了30%。

空客目前已经开始使用能够自主沿着飞机机身内部移动的轻量化单臂机器人，以实现结构支架的流水线安装。根据有关资料，在空客的“未来装配计划”中，人机协作机器人受到了高度重视。

所谓人机协作机器人，简单来说，就是基于灵巧移动平台的类人机器人系统。这种类人机器人直接集成在一个全向平台上，能提供至少10个自由度，可以与人类一起从事较为复杂的工作。

2021年，库卡公司开始推广一款名为omniRob的移动机器人。2021年，英国GKN宇航旗下的福克航空结构与起落架业务部门开始基于omniRob移动机器人进行人机协作研究。随后，空客也参与了这一项目，希望在A350的制造中引入这种人机协作机器人。

新材料和新工艺

如今，复合材料在民机制造领域的使用越来越广泛。在复合材料生产中，机器人具有独特的优势，它不仅可以实现更高的自动化水平和更低的生产成本，同时还能制造更加复杂的零部件。

波音在777X和787项目的飞机结构件制造中，都采用了Electroimpact公司生产的机器人。例如，波音为777X项目研发的机翼蒙皮自动纤維敷设机（AFP）机器人，重达1.7吨的机器头悬挂在12.8米宽的门架上，在曲线形的水平表面上往返运动，敷设着一条条碳纤维带，每一次运动都可完成一层材料的铺放。

与波音一样，其他飞机制造商近年来也将更多的机器人投入到复

合材料部件的生产中。其中，空客在A350飞机复合材料纵梁和机架制造中采用了纤维铺放机器人。庞巴迪在C系列飞机生产中采用了Coriolis复合材料公司开发的自动铺丝系统进行复合材料结构件的制造。

在增材制造领域，机器人也得到了广泛使用。美国Arevo Labs公司研制了世界上首台机器人增材制造系统，该系统采用熔融沉积成形技术，由六轴机器人快速3D打印超强热塑性复合材料部件，用于制造飞机支架、支撑结构以及无人机机身和机翼等复合材料零部件。

洛克希德？马丁公司则与机器人制造商Wolf Robotics公司联合研制了世界上首台多机器人增减材混合设备。该设备由两个机器人串行工作，一个机器人主要完成增材制造功能，挤压头逐层连续沉积聚酯纤维，从而实现零部件结构成形。另一个机器人则具有多功能，采用一种工具快换装置，在不同的加工头之间转换，以去除多余材料。这种机器人具备增材制造、减材加工和工艺过程监测等多种功能，未来有望在民机制造领域被广泛使用。