自動化設(shè)備和生產(chǎn)線在復(fù)合材料零件制造中的應(yīng)

近年來，自動化技術(shù)與復(fù)合材料零件制造的結(jié)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(fù)合材料零件自動化生產(chǎn)設(shè)備

自動鋪帶機(jī)和自動鋪絲機(jī)的迅猛發(fā)展為復(fù)合材料在在飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的大范圍應(yīng)用鋪平了道路，使得大面積高速生產(chǎn)機(jī)身和機(jī)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(jī)（圖1）和“Charger”系列自動鋪帶機(jī)生產(chǎn)機(jī)身和機(jī)翼復(fù)合材料零件，此系列的鋪絲機(jī)同樣也應(yīng)用于A350XWB的機(jī)身壁板的鋪放生產(chǎn)中[1]；A350的機(jī)翼則采用來自西班牙M·Torres公司的自動鋪帶機(jī)進(jìn)行大面積鋪放[2]（圖2）。而美國的另外兩家著名的機(jī)床生產(chǎn)商英格索爾（Ingersoll）和Electroimpact（EI）都采用共同運(yùn)動的絲軸庫-鋪絲頭集成單元的設(shè)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(jī)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(jī)的發(fā)動機(jī)短艙部件；EI的S-15雙頭自動鋪絲機(jī)則用于生產(chǎn)A350最復(fù)雜的機(jī)身15號艙段零件。法國科里奧利公司的機(jī)器人自動纖維鋪放系統(tǒng)（圖3）在業(yè)內(nèi)可謂獨(dú)樹一幟，鋪絲頭的空間運(yùn)動幾乎完全由一臺庫卡或者ABB機(jī)器人提供，其鋪絲頭具有尺寸小、重量輕、集成度高的特點(diǎn)，配合絲軸庫連接的無滑輪絲束導(dǎo)向管可實(shí)現(xiàn)絲束的零張力輸送，特別適合鋪放型面復(fù)雜的零件。加拿大的龐巴迪公司已采購科里奧利的鋪絲機(jī)器人用于C系列客機(jī)的后機(jī)身部件的生產(chǎn)。

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除自動鋪絲/鋪帶機(jī)外，其他一些先進(jìn)的復(fù)合材料自動化加工設(shè)備也廣泛應(yīng)用于波音和空客等主要飛機(jī)制造廠商的最新型號生產(chǎn)中。在復(fù)合材料固化方面，承接空客A350機(jī)身零件生產(chǎn)任務(wù)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(jī)身13~14號艙段和后機(jī)身16~18號艙段的生產(chǎn)（圖4），由于采用沿?zé)釅汗揲L度方向排布的自動控制加熱功率的加熱元件和先進(jìn)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(jī)生產(chǎn)C形梁，并使用同一家公司生產(chǎn)的復(fù)合材料自動拉擠成形機(jī)生產(chǎn)用于填補(bǔ)兩C形梁之間三角區(qū)的材料。在復(fù)合材料縫合和編織方面，空客A380巨型客機(jī)的后機(jī)身承壓隔框的生產(chǎn)中，德國KSL公司提供的自動縫合機(jī)器人將多層多軸向碳布進(jìn)行縫合（圖5）[3]，以保證各層碳布之間的連接，然后利用先進(jìn)RFI（樹脂膜熔塑）技術(shù)進(jìn)行樹脂浸潤、固化并得到零件[4]。

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復(fù)合材料零件自動化生產(chǎn)流水線

自動化技術(shù)的應(yīng)用不應(yīng)局限于單個設(shè)備的自動化，把多種自動化設(shè)備集成到一個大系統(tǒng)里，從而實(shí)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(jī)翼（圖6）翼板桁條生產(chǎn)線為例進(jìn)行說明，德國空客施塔德（Stade）工廠負(fù)責(zé)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(fù)合材料整體零件，尺寸達(dá)31.6m×5.6m，重量達(dá)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(yù)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(jī)的效率要求。

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施塔德工廠之前采用的復(fù)合材料翼板桁條生產(chǎn)流程是：首先采用自動鋪帶機(jī)（ATL）鋪放大面積的碳纖維預(yù)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(jìn)行成形，所有不同類型的桁條均使用同一臺成形機(jī)進(jìn)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(jī)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(diǎn)：
（1）自動鋪帶機(jī)所鋪放的料帶比較寬，在切割后浪費(fèi)量較大。
（2）由于不同類型的桁條都采用同一機(jī)器進(jìn)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(fù)雜的物流系統(tǒng)支持。
（4）對于A350XWB客機(jī)的超長零件，其長度和重量以及整體零件的技術(shù)要求決定了不適合采用人工安裝桁條操作。

為達(dá)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(jìn)，每一個工位完成不同的工序，從而達(dá)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(shè)備完成，同時桁條在流水線上各個工作站位之間的運(yùn)輸也必須沒有人工干預(yù)。要保證各個工位和運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作，就必須要具備一套高效的控制軟件對流程進(jìn)行精確控制。

圖7為全新的復(fù)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(dá)40m的工作臺進(jìn)行操作，因此桁條的運(yùn)輸采用的是計算機(jī)自動控制的廠房吊車直接運(yùn)輸工作臺的方式進(jìn)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(yù)，吊裝的最大尺寸不超過40m，最大重量不超過20t，重復(fù)定位精度可達(dá)0.25mm，生產(chǎn)線全長達(dá)140m。



此自動化流水線中的一個重大變革是采用自動鋪絲機(jī)代替之前的自動鋪帶機(jī)進(jìn)行預(yù)浸料鋪放，由于自動鋪絲機(jī)鋪放的絲束寬度（6.35mm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fèi)，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(yù)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(yùn)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(shè)計的專用的成形機(jī)，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(yù)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(yīng)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(yùn)輸和移動，桁條統(tǒng)一由廠房吊車向一個方向進(jìn)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(jìn)行監(jiān)督工作和參數(shù)設(shè)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(jìn)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(jī)的需要，并且可以365天不間斷地進(jìn)行3班運(yùn)轉(zhuǎn)，可進(jìn)行最多50000次工作循環(huán)。同時，此生產(chǎn)線還可以全面適應(yīng)量產(chǎn)A350-800/900/1000等3種不同分機(jī)型上翼板的生產(chǎn)任務(wù)。



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(shè)備，包括自動鋪絲機(jī)、自動切割機(jī)、自動廢料去除設(shè)備、復(fù)合材料成形機(jī)、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(jī)地結(jié)合起來，并且以最有效最科學(xué)的方式進(jìn)行控制，才能使生產(chǎn)線達(dá)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(yīng)用，為空客生產(chǎn)A350機(jī)翼下翼板的西班牙伊雷斯卡斯（Illescas）工廠也引進(jìn)了此生產(chǎn)線進(jìn)行桁條生產(chǎn)，相信這兩條先進(jìn)的生產(chǎn)線會為A350XWB客機(jī)快速占領(lǐng)市場做出積極貢獻(xiàn)。

總結(jié)和思考

綜上所述，無論是復(fù)合材料零件加工設(shè)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(fù)合材料在航空制造方面的應(yīng)用，只有與自動化相結(jié)合，才能使復(fù)合材料用得起、用得精、用得巧。

我國在復(fù)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(yàn)中吸取經(jīng)驗(yàn)，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(shè)備的提供商，公司認(rèn)真分析了造紙設(shè)備與纖維鋪放設(shè)備的相似點(diǎn)之后，決定研發(fā)自動鋪絲機(jī)，并成功轉(zhuǎn)型，現(xiàn)已成為世界上此類設(shè)備的主要供應(yīng)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(shè)備、新系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)該從多方面吸取營養(yǎng)，拓寬思路，敢于有基礎(chǔ)的創(chuàng)新，這樣才能更有效地發(fā)揮自動化的特點(diǎn)，讓生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。 copyright 123456

作者：張朝暉 周旗