传统上，飞机组装一直是一个劳动密集型的手工过程。大型夹具、固定装置、摇篮、平台、脚手架和龙门系统是工厂车间常见的景象。但是，随着航空工业采用新材料、解决吞吐量问题、解决人体工程学问题和熟练劳动力短缺问题，机器人正慢慢成为军用和商用飞机生产线的关键部分。
在未来三年内，对机器人设备的需求将大幅增加，因为新技术解决了准确性问题。
飞机制造商和供应商急于投资自动化，以简化生产、增加灵活性并降低成本。为了应对这些挑战，他们正在使用六轴机器人来制造机身、驾驶舱、发动机、起落架、机翼和其他部件。
机器人是重复装配操作的理想选择，如钻孔、紧固、复合材料铺层和焊接。修剪、布线、喷漆、涂层和无损检测是航空航天制造商应用机器人技术的其他应用。
在Spirit AeroSystems Inc.(威奇托，KS)，一个领先的机身供应商，机器人目前用于一些以前手工完成的应用。组装和自动化技术副技术研究员柯蒂斯•理查森表示:“其他的应用领域以前被认为需要数百万美元的机床自动化或广泛的工具和昂贵的专用手动工具。”
Spirit航空系统公司目前在几条生产线上使用机器人，包括波音787机身、吊架和机翼结构;波音737机身和反向推力部件;西科斯基CH-53K的客舱和驾驶舱;以及Cessna Columbus机身。
理查森补充说:“我们正在积极研究将机器人技术应用于各种其他应用的可行性，包括紧固、自动纤维放置、搅拌摩擦焊接、密封和组装。”“虽然使用机器人有很多改进的机会，但我们认识到，在制造飞机的过程中，也有大量复杂的操作，永远需要以人为本。”
由于复杂的精度要求，航空航天制造商，如诺斯罗普·格鲁曼公司，传统上使用双龙门钻床来组装军用飞机的机身。
这是一个传统
飞机结构的大部分最终组装传统上是使用夹具和夹具手工完成的，因为许多操作所需的机动性和有限的访问。拉什·拉塞尔说:“在很多情况下，组装过程必须具有足够的灵活性，以满足大型商用飞机大小的结构，同时又要足够小和灵巧，以便在较小的民用机身的机翼结构中，在极其有限的空间内执行功能。”FANUC机器人美国公司(Rochester Hills, MI)西部业务总经理。如今建造的大多数大容量飞机都是10多年前设计的。传统项目的盛行是机器人未能像汽车和消费品等其他细分市场那样深入航空业的主要原因之一。
Comau公司(Southfield, MI)的飞机小组项目专家约瑟夫·奥布莱恩(Joseph O 'Brien)说:“航空工业非常保守，这些项目的持续时间相当长。”“传统项目中使用的技术往往是新项目中提出的技术，因为这是公司成立的目的;有已知的生产能力和成本。
当一架飞机被开发出来时，组装过程是同时被创建和批准的。航空航天制造商在固定装置、工具和大型纪念碑系统上投入了数十亿美元。许多较老的工具和过程并不容易实现自动化。
KUKA机器人公司(密歇根州克林顿乡)的航空航天客户经理Dave Masinick解释说:“一旦流程建立并开始运行，制造商就不愿改变，因为验证新流程的费用和时间太长。”“(不过)制造商正考虑为正在开发的新飞机提供更自动化的装配。”
LaSelle补充道:“机器人在航空制造领域的应用比人们普遍认为的要多。”例如，他的公司已经在该行业部署了200多台机器人。
近年来，许多大型飞机制造商已经将机身、驾驶舱和机尾的生产外包给供应商，如Aerolia(法国图卢兹)、Alenia Aeronautica(意大利罗马)、Premium Aerotec GmbH(德国奥格斯堡)、Spirit AeroSystems和Vought aircraft Industries Inc.(德克萨斯州欧文)。LaSelle声称:“制造零部件的公司越来越多地采用机器人技术。”
这些制造商将机器人视为解决成本和生产率问题的一种方式。Vought Aircraft研发主管马丁•威默(Martin Wimmer)表示:“尽管自动化可以提高吞吐量、可重复性和质量，但生产率必须高到足以证明投资的合理性。”“(尽管最近在解决尺寸精度方面取得了进步)，仍然有必要运行业务案例，以确保你的资本投资将得到收回。换句话说，(机器人技术)需要靠自己的努力(进入工厂)。”
理查森补充说:“(我们认为)机器人现在是许多工序的可行选择，但每一项应用都必须根据具体情况仔细评估，以确保机器人在成本、能力和灵活性方面都很合适。”“机器人将以某种方式参与(我们)在过去几年赢得的几乎所有新工作。”
去年，“勇气”成立了两个新的内部团队，以应对人们对机器人技术日益增长的兴趣。第一个是机器人技术兴趣小组，由研发工程师组成。理查森说:“其目的是为协调发展努力、分享当前项目工作提供一个定期论坛，并作为一个关于机器人主题的讨论和信息的共同资源。”“该组织充当了一个(内部)技术资源，在有关机器人能力和流程的问题上，可以向它咨询。”
Spirit的第二个小组是机器人指导委员会。理查森指出:“它的使命是为机器人系统和相关技术的发展和应用，定义、执行和维护一个全企业范围的战略计划。”这包括监督整个公司的机器人系统实施。工程师小组分享经验教训，并就设备能力和标准化提供专业知识和建议。
机器人被用来为波音737喷气客机组装副翼。
机器人的原因
机器人吸引航空航天制造商有几个原因。“主要原因是减少人力，提高产量和提高质量，”奥布莱恩说。此外，它还减少了硬工具的数量和成本。通过对机器人进行引导或局部校正，它还可以对一些已建成的变体进行校正。机器人不能把坏的零件变好，但它可以纠正一些结构变化，而硬工具不能。”与龙门系统和其他大型、重型固定自动化设备不同，机器人可以快速部署。“传统机械非常昂贵，所以有时几乎不可能有回报，”Valentín Collado解释道，他是fatronnik - tecnalia(西班牙圣塞巴斯蒂安)机械工程部门的负责人。
Collado指出:“如果生产系统固定在地板上，由于新的生产需求，在整个车间重新分配这些机器将非常昂贵和耗时。”为了解决这个问题，Collado和他的同事最近开发了一种便携式三轴机器人钻井系统，空中客车西班牙公司(西班牙马德里)使用该系统来组装翼梁。
“从技术上讲，高架是机器人，但它们也代表了旧的做事方式，因为它们通常不太灵活，更贵，需要一个特殊的基础，”奥布莱恩补充说。“由于成本低、灵活性高，关节式手臂机器人是最受欢迎的选择。但是，由于一些飞机组件的尺寸很大，它们通常需要外部轴来扩大其延伸范围。”
例如，第七轴允许机器人在机身面板和机翼等大型部件上下移动。发那科的LaSelle说:“使用飞机，你必须覆盖很多地方。”“没有机器人能够在飞机上从机头移动到机尾。流动性是一个需要解决的问题。”LaSelle认为，未来将有更多的履带式机器人或自动引导车辆部署在航空组装应用中。
LaSelle表示，使用一个或多个机器人来代替定制设计的机器，如基于龙门的钻井系统，大约需要四分之一的时间，这是一个主要优势。LaSelle说:“成本并没有被证明是采用机器人技术的障碍。”“事实上，最近围绕工业机器人实施的很多活动都与这些系统部署的速度有关，与定制数控机床相比，使用铰接式机器人可以节省大量成本。”
Advanced Integration Technology Inc. (AIT, Plano, TX)传统上为各种飞机制造商建造固定式钻床、定位系统和其他交钥匙生产设备。但是，该公司一直在开发使用六轴机器人的新解决方案。AIT总裁Ed Chalupa说:“在未来一年内，我们将在钻井和紧固应用中部署新的机器人系统，因为精确度、重复性和视觉都已经成熟。”
机器人也吸引了航空航天制造商，他们渴望减少与重复钻孔和紧固操作相关的人体工程学风险。这一点很重要，因为单个组件，比如战斗机上的进风口，可能需要数千个洞。
传统上，像进风口和翼箱这样的部件需要装配工爬进狭窄的空间。“机翼是内部密封的盒子，在组装过程中的某个时刻，盒子必须关闭，”OC Robotics(英国布里斯托尔)的制造工程师罗斯·康基(Ros Conkie)说。“理想情况下，机翼应该变得更薄，这样这些盒子就会变得更小。”
Conkie声称:“自动清理机壳有可能消除人工操作人员爬进机壳内的要求。”他一直在与空客公司合作，利用KUKA机器人开发一种自动机翼组装系统。“手动输入是不愉快的，并会产生与遵守有限空间健康和安全法规有关的费用。(也有可能)因工具掉落造成的人身伤害索赔和复合材料结构损坏。(此外)这项任务的总体尴尬程度意味着，关闭包装盒是一个缓慢的过程。”
Conkie的公司已经开发了一种蛇形臂，这种蛇形臂可以让铰接机器人“跟随鼻子”进入机翼，进行紧固、密封、清洁和检查任务。蛇臂机器人的结构由许多椎骨组成，类似于人类的脊椎。
Conkie解释说:“这是一个由肌腱驱动的手臂，在手臂的不同长度处有电线，每个部分的末端有三个。”“每个线段的曲率和曲率平面都可以独立控制(使用电机控制每根导线的长度)。”控制软件计算所需的所有电线的长度，以产生所需的形状。
OC Robotics公司还开发了一种全电动锻造工具。Conkie说:“它被设计用于压模翼盒内的锁紧螺栓，但也同样适用于外部压模任务。“从历史上看，(航空航天工业中使用的)手动工具往往是气动的。电动工具消除了拖尾服务。”
复合材料的日益广泛使用是航空航天工业渴望使用更多机器人的另一个原因。新型全复合材料商用飞机，如空客A350和波音787，正刺激大规模生产形状和尺寸复杂的部件的需求。这就需要自动化的放置工具，通过放置多个系列的复合胶带或纤维片来制造各种各样的部件。
科氏复合材料公司(corolis Composites s.a.， Lorient, France)总经理Clementine Gallet指出:“在航空航天领域植入纤维的主要挑战是降低设备的价格。”科氏复合材料公司为空客和其他制造商提供铰接机器人。“今天，机床制造商提供的机器很重，而且非常昂贵。这些机器太大了，你无法用它们来生产直升机、公务机或支线飞机的零部件。机器人允许机器配置的灵活性，以工作在不同的形状。”
LaSelle说:“随着最新的设计趋势和更奇特材料的使用，航空工程师们被要求探索替代制造技术。”“这导致使用工业机器人进行的评估和测试数量增加。复合材料在减轻机身部件和结构重量方面的应用日益广泛，这创造了新的工艺(如纤维铺设和钻孔)，机器人开始在这些工艺中发挥更重要的作用。
LaSelle补充道:“利用新材料和设计理念的压力为机身制造商重新思考如何制造飞机创造了机会。”“这反过来又为(机器人供应商)提供了一个令人兴奋的环境，通过支持下一代航空航天制造来应对挑战和变化。”
为了简化F-35联合攻击战斗机的生产，已经开发了一个机器人钻井系统。
独特的挑战
几十年来，汽车行业借鉴了航空航天行业的理念，如空气动力造型、线控和轻量化建造方法。但是，说到机器人，飞机制造商现在正从底特律寻找灵感。
当然，制造一架飞机和大规模生产汽车是完全不同的。航空航天制造商面临着一系列在汽车行业闻所未闻的独特挑战，比如低产量、奇异材料和形状复杂的大型部件。由于所涉及的结构的规模，实现零件的完全互换性也比较困难。
Conkie说:“通过设计可以用机器人组装的汽车，汽车行业已经成功地实现了自动化装配。”但是，在航空航天领域，重量和空气动力学比设计组装更重要。飞机组装(传统上)是一个手工过程，因为这项任务需要高水平的技能和灵活性。人们在组装过程中不断做出决定，并根据具体情况进行调整。”
汽车制造业的高产量使得工程师可以让机器人完成单一任务，在某些情况下，可以完成单个部件。飞机制造商面临着处理各种各样的部件和更严格的精度要求。这种多样性也对机器人的离线编程提出了更高的要求。
“汽车的生产速度平均为每小时50到60辆，”Comau的奥布莱恩指出。“相比之下，航空航天领域的快速生产速度是每天一架(飞机)，这一天可能包括多个班次。这使得在这段时间内对机器人进行有效任务变得困难，因为可能会有多个手动任务中断给定的操作，使机器人处于空闲状态。这在手动和机器人活动之间创造了潜在的“共享”工作空间，必须确保安全。这种安全性通常需要额外的空间，这通常是供不应求的，特别是在现有的传统组装工艺中。”
当涉及到部件时，也有极端的体积差异。DENSO Robotics (Long Beach, CA)的区域销售工程师帕特里克•笑声指出:“汽车(供应商)每年生产数百万个相同的零部件，而航空航天制造业每年生产100到5000个零部件。”“单个航空部件的成本通常要高得多，检查的次数也比汽车部件多。制造一个航空部件可能需要1到8个小时，而制造一个汽车部件只需1到5秒钟。”
KUKA Robotics技术经理迈克•博普雷(Mike Beaupre)表示:“汽车的尺寸和复杂性也是一个决定因素。”“通常，(在航空航天领域)机器人的工作空间必须比汽车生产大得多。这可以通过使用线性滑动单元、龙门式结构，甚至可以运输机器人以适应更大的工作空间要求的移动车辆来实现。”
“机器人是可重复的，但不一定准确，”科莫的奥布莱恩补充道。“机器人制造商和集成商一直在努力提高精度，包括多种编码器、软件增强、各种制导和本地化校正方法。这是一个持续的过程。”
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当然，制造一架飞机和大规模生产汽车是完全不同的。航空航天制造商面临着一系列在汽车行业闻所未闻的独特挑战，比如低产量、奇异材料和形状复杂的大型部件。由于所涉及的结构的规模，实现零件的完全互换性也比较困难。
Conkie说:“通过设计可以用机器人组装的汽车，汽车行业已经成功地实现了自动化装配。”但是，在航空航天领域，重量和空气动力学比设计组装更重要。飞机组装(传统上)是一个手工过程，因为这项任务需要高水平的技能和灵活性。人们在组装过程中不断做出决定，并根据具体情况进行调整。”
汽车制造业的高产量使得工程师可以让机器人完成单一任务，在某些情况下，可以完成单个部件。飞机制造商面临着处理各种各样的部件和更严格的精度要求。这种多样性也对机器人的离线编程提出了更高的要求。
“汽车的生产速度平均为每小时50到60辆，”Comau的奥布莱恩指出。“相比之下，航空航天领域的快速生产速度是每天一架(飞机)，这一天可能包括多个班次。这使得在这段时间内对机器人进行有效任务变得困难，因为可能会有多个手动任务中断给定的操作，使机器人处于空闲状态。这在手动和机器人活动之间创造了潜在的“共享”工作空间，必须确保安全。这种安全性通常需要额外的空间，这通常是供不应求的，特别是在现有的传统组装工艺中。”
当涉及到部件时，也有极端的体积差异。DENSO Robotics (Long Beach, CA)的区域销售工程师帕特里克•笑声指出:“汽车(供应商)每年生产数百万个相同的零部件，而航空航天制造业每年生产100到5000个零部件。”“单个航空部件的成本通常要高得多，检查的次数也比汽车部件多。制造一个航空部件可能需要1到8个小时，而制造一个汽车部件只需1到5秒钟。”
KUKA Robotics技术经理迈克•博普雷(Mike Beaupre)表示:“汽车的尺寸和复杂性也是一个决定因素。”“通常，(在航空航天领域)机器人的工作空间必须比汽车生产大得多。这可以通过使用线性滑动单元、龙门式结构，甚至可以运输机器人以适应更大的工作空间要求的移动车辆来实现。”
“机器人是可重复的，但不一定准确，”科莫的奥布莱恩补充道。“机器人制造商和集成商一直在努力提高精度，包括多种编码器、软件增强、各种制导和本地化校正方法。这是一个持续的过程。”
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- 准确性是最大的挑战。
- 航空航天自动化联盟兜售机器人技术。
- 诺斯罗普·格鲁曼投资机器人技术。
- 机器人vs.固定设备。
- 机器人在F-35机身装配中扮演关键角色。
- 使用机器人简直就是“疯狂的飞机”。
