航空航天制造商因积压的订单而不堪重负。为了解决这个困境，他们需要自动化他们的工厂。该行业正在大力投资于可降低成本、提高质量和提高生产率的灵活系统。
商用客机领域的制造商正率先采用机器人、自动导航车辆和其他技术来解决产能限制问题。
航空航天产量在过去三年中一直在稳步增长。例如，波音商用飞机公司在2014年建造了723架客机，而2013年和2012年分别为648架和601架。今年，该公司有望生产900架飞机。
波音的处境令人羡慕。目前，737MAX、777X和787梦想客机等机型的订单积压如山。事实上，这家航空巨头目前已经订购了5700多架飞机，价值超过4500亿美元。
波音雄心勃勃的计划是，在未来三年内，将其广受欢迎的窄体单通道737喷气式飞机的产量从每月42架提高到每月52架。该公司还希望，到2016年，技术上更为复杂的787飞机的产量逐渐提高到每月12架，到2020年，每月14架。
波音的主要竞争对手空中客车也计划提高其最受欢迎的飞机A320的产量。这家欧洲公司预计，到2018年，产量将从每月42架提高到50架。预计今年晚些时候投入6亿美元的新装配线将在实现这一目标方面发挥重要作用。
空客最终计划将其在中国、法国、德国和美国的工厂的A320产量提高到每月60架。这样的产量在商业航天工业中是前所未有的。
通用电气航空(GE Aviation)、霍尼韦尔(Honeywell)、罗克韦尔柯林斯(Rockwell Collins)、Spirit航空系统(Spirit Aerospace Systems)和UTC航空系统(UTC Aerospace Systems)等主要供应商的装配线也活跃起来。因此，航空航天工程师正在寻找新的方法来提高吞吐量，同时保持严格的质量标准。投资自动化现在被认为是必要的，而不是一种选择。
普惠公司正在全球投资10亿美元，为其喷气发动机生产增加做好准备。该公司最近对几家汽车制造商进行了基准测试，并对其位于康涅狄格州米德尔敦(Middletown)、拥有58年历史的工厂进行了改造。该工厂现在有一条架空水平移动装配线，将为空客A320neo生产PurePower PW1100G-JM发动机。
“新的装配系统在增加产量方面提供了革命性的好处，”普惠制造运营副总裁Joe Sylvestro声称。“而且，它还为发动机组装团队提供了人体工程学的好处。[装配工]可以上下调节发动机以达到理想的工作高度，并可以旋转发动机以帮助难以到达的区域。新的线路也更安全，因为梯子和平台已经完全消除，没有蹲伏在引擎下、弯腰、攀爬。”
普惠发动机中心和压缩模块中心总经理Tom Mayes补充道:“水平装配系统具有垂直升力和旋转能力。“它也是可编程的，因此(工程师)可以根据产量自动化生产线，并以产量的速度移动运输系统，以适应客户需求。”
波音公司的大梦想
波音公司计划在未来几年投资超过10亿美元用于自动化，以提高其装配厂的产量。大部分资金将用于最先进的机器人，用于钻孔、紧固件插入、铆接、密封、涂层和喷漆应用，以及材料处理、碳纤维铺层和机械加工操作，如去毛刺和喷丸处理。
自动化对波音公司有吸引力有几个原因。例如，它在华盛顿州埃弗雷特的主要装配线位于一个拥有高技能劳动力的地区。这为防止技术和生产延误提供了一些保护，但熟练劳动力的成本很高。
另一方面，波音位于南卡罗来纳州北查尔斯顿的新工厂位于一个历史上没有航天劳动力的地区。一些技术人员被重新安置到该地区，以实施和操作自动化，在埃弗雷特线的一些工作是手工完成的。
因为生产速度和人员配备是不相等的，所以哪一种生产方式更优越仍然是未知数。大尺寸和更小的重量公差不允许在所有区域手动组装。
在这种情况下，波音的工程师选择了自动化装配。根据一个观察者的说法，这种优化甚至可以消除人工生产零件的能力。
影响自动化分配的另一个问题是汇编程序的可靠性。这位观察人士认为，波音公司可以通过手工劳动有效地制造787客机，但在员工表现不佳或未能上班的日子里就不行了。也有重复性的工作与人体工程学风险，可以通过自动化处理。
波音研究与技术(Boeing Research & technology)材料与制造技术总监Gerould Young去年在加州长滩举办的AeroDef制造峰会上发表主题演讲，概述了自动化将如何在公司未来发挥关键作用。
“自动化可以提高我们的成本、质量和生产率，”Young说。他领导着一个由1000名工程师组成的团队，正在为波音当前和未来的各种产品开发下一代材料和生产工艺。
据杨表示，波音正在向敏捷系统发展，该系统的特点是“一个集成的机器人家族、低成本智能系统和轻型柔性设备”。然而，他警告说，他的团队仍然面临许多挑战。
例如，波音公司的工程师正在探索机器人铆接的新应用。Young解释说:“用双机器人系统代替人力铆接人员是一项挑战。自动化铆接需要大量的知识和数据。”
杨声称，波音正在向自动化工厂转型，这些工厂的特点是“小型化、多末端执行器、多机器人和内置大量智能的计算机密集型系统”。
杨说:“航天自动化并不容易。“我们正在向汽车行业学习。与此同时，我们正在努力应对航空航天领域独有的挑战。
Young指出:“规模、复杂性和结构集成使得自动化对制造过程具有挑战性。“资本成本、速率和单位数量的自动化优化有一个学习曲线。为了改变我们未来的工厂，我们需要模拟、传感器、数据、计算机、集成和机器人等方面的新技能。”
没有更多的纪念碑
传统上，航空航天制造业的自动化是由大型纪念碑机器组成的，这些机器由手工过程提供。然而，在过去五年中，航空航天工业一直在推动提高生产和效率。
Comau LLC的高级方案和工艺工程师Rob Zerwick说:“为了实现这一目标，需要整个工厂的解决方案。”该公司与多种商业和军事航空航天制造商合作，包括位于莫比尔的空客新工厂。“(我们的)客户看到了帮助(装配商)的产品的价值。
“(航空航天制造商)正在寻找供应商，以提高机器人装配的准确性、速度和质量，”泽维克补充说。“不像大型纪念碑机器，(他们)看到的解决方案的价值，不是永久固定在地板上，或需要设施投资，如独立的基础或气候控制的环境。这将推动自动化变得更加智能化，并有能力弥补其工作环境。”
Electroimpact公司为世界各地的航空航天制造商开发了各种自动化和工具解决方案，该公司机械工程主管兼首席员工Ben Hempstead表示:“航空航天制造商正在寻找各种自动化解决方案。”“我们发现，从护胫铆钉到翼梁紧固和组装，从翼盒组装到机身连接，各种产品都有需求。
亨普斯特德补充说:“我想不出哪个航天组装领域没有推进更多的自动化。”“一个可能的例外是内部组装。每个航空公司和飞机的内饰通常都是独特的，因此需要高水平的定制集成和组装。材料细腻，对化妆品的要求高。在这个领域，熟练工人占了上风。”
航空航天工业的商业和军事方面都在对复合材料进行大量投资。然而，对高度可变材料(如复合材料)的自动化装配过程是非常具有挑战性的。
航空航天顾问乔治·“尼克”·布伦(George“Nick”bulen)最近从诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)退休，担任首席工程师和技术研究员。机械紧固件在机身组装成本中占60%，在损失时间伤害中占80%，在缺陷中占80%。这就是为什么制造商们正在寻找更有效地钻洞和填洞的新方法。
“这也推动了复合材料在新飞机上的更多使用，”布伦解释道，他帮助开发了诺斯罗普·格鲁曼公司在加州棕榈谷的综合装配线(2013年Assembly的受益者)年度最佳装配厂奖)。“然而，复合材料的使用增加了这一过程的难度，因为你最终可能会遇到纤维被拉伸和撕裂等问题。此外，复合材料表皮和金属基体之间的去毛刺碎片也会造成许多问题。”
根据布伦的说法，目前最大的自动化推力是消除堆栈。他指出:“在钻孔和沉孔作业中，两块材料之间可能会出现毛刺、碎片、损坏或分离。”“由于它们存在的不确定性，而且目前还没有一种方法来判断它们在一起时是否在那里，这两个部件必须被拆开，作为航空制造过程的一部分进行检查。
布伦解释说:“在检查和返工之后，如果有必要，这些部件就会重新组合在一起，进行紧固件安装连接过程。”“如果这种检查可以在没有甲板的情况下进行，那么紧固件可以在钻孔和沉孔后安装。
布伦说:“消除堆栈可以实现自动化钻井和填充。“我们的目标是钻一个洞，沉进去，检查它，然后插入一个紧固件。航空航天制造商也在寻找通过使用更多的粘合剂来减少紧固件使用的方法。”
布伦说，航空航天工程师正在试验新的非接触式测量和检查系统，“这有望改变生产过程自动化的方式。”例如，一家领先的制造商正在使用环形激光系统，该系统可以提供孔的完整图像，从而实现自动填充。该仪表安装并集成到一个移动机器人钻井、沉孔和紧固件安装系统中。
电冲击技术是对复合材料自动铺丝过程进行实时检测的一种新方法。Hempstead说:“随着纤维铺放机速度和铺放速率的提高，大量废料快速产生的机会也在增加。”
“更可靠的机器是答案的一部分，”亨普斯特德补充说。“但是，为了避免非常昂贵和时间敏感的材料的下游返工，能够实时识别和纠正问题是一个热门话题。这包括机器视觉、红外传感、快速处理、激光投影和一个复杂的用户界面来识别问题、提出解决方案并记录结果。”
亨普斯特德和他的同事还专注于开发“更快、更准确、更可靠的铆接机”。他们面临的一个挑战是将自动化与传统的手工装配过程相结合。
亨普斯特德说:“为了达到最高的整体效能，许多大型(航空)组件在组装过程中需要在自动化的同时(完成)手工工作。”“人机界面和安全要求经常挑战国际和国内安全标准的极限。”
公司最新产品是E7000铆机。它的速度高达每分钟20个铆钉，使它成为世界上最快的铆接机器。与传统的铆接机设计相比，该设备还拥有最有效地利用工厂空间的能力。
亨普斯特德说:“这种多用途的配置非常适合自动紧固各种飞机部件，如机身和机翼面板。”E7000的设计具有最大的可靠性和可维护性，具有开放的末端执行器设计和特殊的凸起存取平台，可以快速方便地访问内部的关键钻孔和铆接机构。此外，全自动更换钻头、铆接砧和紧固件喷油器，减少了操作员的持续干预，提高了整机生产率。”
组装的挑战
许多航空航天制造商正在向汽车制造商和供应商寻求灵感。然而，在汽车工业中采用自动化与商业航空航天之间有几个关键的区别。
在航空航天应用中，公差要高得多，而且平均组件更大更重。
航空业的产量也比汽车业小得多，但所生产产品的预期寿命要高得多。
波音公司最近与华盛顿大学(University of Washington)机械工程系合作，以应对一些挑战，开发先进的自动化设备和新的生产流程。
一些正在进行的项目集中在机器人结构飞机组装上。例如，一个工程师团队正在开发可以帮助制造飞机机翼内部的机器人和无人驾驶车辆，而另一个工程师团队正在研究如何实现机身铆接的自动化。
波音高级研究中心主任Per Reinhall说:“我们目前正在研究柔性自动化，所以我们有很多机器人设备和传感器。”“密闭空间自动化是我们的关键项目之一。我们正在考虑开发工具和机器，让(装配商)能够远程操作，这样他们就不必亲自进入狭小的空间。
Reinhall指出:“与高度自动化的汽车行业相比，飞机的规模或尺寸、所需的精度和零部件的数量都使航空航天自动化成为一个挑战。”其他障碍包括公差紧、产量低和传统。
Hempstead表示:“低产量使得在短时间内分配自动化成本变得困难。”“(资本设备投资)让季度报告看起来很糟糕。然而，相对于手动钻模板或碳纤维增强聚合物的手工铺层，紧凑的公差是支持自动化的一个理由。”
传统上，机身、机翼、尾翼和其他飞机主要部件都是手工组装的。例如，一架空客A380翼盒中有17.4万个紧固件，但每个月生产的飞机不到3架，而且在组装水平上差异很大。亨普斯特德说:“因此，在组装每架飞机时，需要做出更多的人类决策，而组装的数量很少，因此自动化的商业理由不那么充分。”
对航空航天自动化的几个误解也需要解决。亨普斯特德指出:“例如，一些制造商主要关注自动化的生产率ROI测量，主要关注速率。“但是，其他公司意识到，他们正在把钱花在返工和人力挑战上，自动化可以帮助解决这些问题。”
亨普斯特德回忆说，在一个项目中，客户知道机器不会比人快。他说:“这是因为他们可以安排8到10名操作员进行组装，而不是几台机器，因为他们要大得多。”“但是，这些机器每天都在工作，出错也更少了。因此，总体而言，自动化可以提高电池的容量，通过整体设备效率来衡量。”
据Comau的Zerwick称，在系统集成商提供更灵活的解决方案之前，自动化在航空航天行业的广泛应用不会起飞。他指出:“目前，专门的自动化系统是为特定的应用而设计的。“但是，灵活的自动化解决方案将允许(制造商)用同一系统制造多种部件和产品。
Zerwick预测:“灵活的系统将越来越受欢迎，因为它们提供的投资回报率高，随着时间的推移，它将被证明是一种更明智的投资。”“随着灵活自动化的普及，我们将在航空航天行业看到更多的系统。”
机器人救援
传统上，航空航天制造商一直不愿用机器人取代人类，因为技术上的限制。但是，机器的价格和性能正在迅速提高。
“航空制造业的最新趋势是将机器人紧固过程完全自动化，”泽维克说。“这种工艺涉及很多任务，包括过程中检查和密封，这些将被纳入未来的项目中。”
Comau已经部署了商用的五轴和六轴机器人，这些机器人已经安装了额外的传感器和软件。Zerwick指出:“改进运动学模型并添加额外的软件可以提供更高的精度和控制(航空航天应用所需要的)。”
Zerwick补充说:“这些机器人也可以安装在一系列的运动平台上，如龙门架、地板安装的滑梯、移动手推车和自动引导车辆。”“最终，(我们)将看到整个机身由机器人和自动化技术混合生产。随着机器人导航、计量和控制技术的进步，我们认为，机器人的全面装配将在不到10年的时间里完成。”
波音公司位于华盛顿州埃弗雷特的装配厂的工程师们目前正在实施一个名为“机身自动直立建造”(FAUB)的项目。下一代777X喷气式飞机的尾部和前部机身部分将使用移动机器人将面板固定在一起。这些机器人将钻孔并填充目前手工安装的6万多个紧固件。
“我们的目标是改善工作场所安全和提高产品质量，”波音777项目和埃弗雷特基地的副总裁兼总经理伊丽莎白·隆德(Elizabeth Lund)说。“FAUB提供了许多好处……继续改进这里的生产流程。
Lund补充道:“钻井和充填工作的性质使其成为自动化解决方案的理想选择。“777项目中超过一半的伤害都发生在正在进行自动化生产的阶段。此外，自动化系统有望减少构建时间，并提高构建过程的首次质量。”
空客还计划在自动化方面进行大笔投资，以解决其商用客机的大量积压问题。该公司位于西班牙加的斯(Cadiz)的工厂的工程师们最近启动了一个项目，部署双臂类人机器人来执行重复性装配任务，让操作人员腾出时间从事更高价值的工作。
这项名为FUTURASSY的研究和技术项目旨在引入一种“协调机器人解决方案”，旨在实现各种装配过程的自动化。一个名为“空中客车标准机器人电池”的项目专注于开发标准解决方案。
第二个研究领域被称为协作机器人项目，该项目旨在探索双臂类人机器人的使用，这些机器人被设计成在与人类操作员相同的环境中工作，共享工具和生产资源。
在空中客车工厂部署的第一个机器人是由川田工业公司提供的。Nextage机器人的每条手臂都有12个关节。机器人被安置在A380舵梁组装站，装配工人和机器人分担铆接任务。
GKN航空航天公司也开始了一个项目，在其位于英格兰雷丁奇的工厂自动化组装飞机结构。其目标是要比目前手工生产的速度快30%，创造出始终如一的高质量机翼结构。
最先进的机器人技术使该项目有足够的灵活性来组装机身或机翼结构。正在开发的生产工艺包括轻型夹具;可重构工具;自动定位;辅助沉积密封剂;metrology-assisted机器人;单面紧固件的轻型紧固头;自动扫描精确沉孔;以及紧固件自动检测系统。
GKN Aerospace技术总监理查德•奥德菲尔德(Richard Oldfield)表示:“作为一个行业，我们必须提高产量，以满足未来的需求，同时确保我们设计和建造的结构满足越来越苛刻的飞机性能要求。”“这个项目使我们能够发展和评估一些有前途的组装技术和工艺，这些技术和工艺可以为我们提供未来几十年所需的性能、公差、价格和完整性。”
要了解更多关于航空航天自动化的趋势，请阅读以下文章:
