數(shù)字工廠和機(jī)器人：空客的自動化未來

　　據(jù)美國《航空周刊》5月6日報道，為了在市場份額的爭奪戰(zhàn)中取得更好的成績，空中客車公司頻頻打出技術(shù)牌。目前，該公司在這方面已經(jīng)做到與波音水平相當(dāng);所以，現(xiàn)在他們已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向追求先進(jìn)的制造技術(shù)，以確保能夠充分享受勝利果實(shí)。

　　采用自動化流水線的“未來工廠”概念是其發(fā)展的焦點(diǎn)，這種模式能夠幫助空客以創(chuàng)紀(jì)錄的水平加快其產(chǎn)品生產(chǎn)率。目前，空客每月生產(chǎn)接近55架飛機(jī)，相當(dāng)于該公司剛創(chuàng)建的第一個5年內(nèi)交付的A300型飛機(jī)總量。自2000年以來，該公司的商業(yè)飛機(jī)交付量增長了60%，積壓的訂單數(shù)量在過去的十年中翻了一番，增長到約4,950架;空客公司現(xiàn)有的訂單就足以讓他們忙8年。

　　空客公司負(fù)責(zé)整體物理設(shè)計(jì)的運(yùn)營副總裁杰恩斯·格拉弗斯(Jens Gralfs)說，隨著多個模型之間生產(chǎn)速率繼續(xù)的增長，“我們正面臨著如何保持飛機(jī)產(chǎn)品化的挑戰(zhàn)。”每個機(jī)型都代表著一組不同的問題，無論是關(guān)于如何加速交付選擇了新引擎選項(xiàng)的A320系列，還是加快A350的生產(chǎn)速率，抑或者如何是改善復(fù)雜的雙層A380飛機(jī)的裝配過程等等。

　　格拉弗斯說：“對單通道飛機(jī)而言，我們每月的生產(chǎn)率是42架，相當(dāng)于是每7個工作時就能生產(chǎn)出一架來。”然后他補(bǔ)充道，隨著位于阿拉巴馬州移動組裝線的上馬使用，A320系列的流水線上生產(chǎn)能力將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上每月再增加4架。這個工廠將會在2015年2月開始生產(chǎn)第一架飛機(jī)，第一次交貨時間預(yù)定在2016年一月。“由于A380結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，所以它的生產(chǎn)速率與前面提及的幾款飛機(jī)不再同一層面，”但是，A380的生產(chǎn)率也將從現(xiàn)在的每月平均2.5架增長到3架。

　　與此同時，空客公司將繼續(xù)加快A330的生產(chǎn)速率;這款飛機(jī)在今年早些時候達(dá)到了一個月生產(chǎn)10架的高速率。格拉弗斯說，他們給這款飛機(jī)制定的生產(chǎn)速度指標(biāo)是每月11架;而對A330的繼任者A350而言，他們最終預(yù)計(jì)其生產(chǎn)率將高達(dá)每月13架。總體而言，空客在2012年交付了588架飛機(jī)，相當(dāng)于每月交付49架飛機(jī)。

　　所有這一切與空客早期曾取得的生產(chǎn)速度產(chǎn)生了極大對比。在20世紀(jì)70到80年代，空客按照常規(guī)方法生產(chǎn)飛機(jī)，當(dāng)時能達(dá)到的最高生產(chǎn)速率僅為每月4架。格拉弗斯說：“當(dāng)時，沒有人認(rèn)為飛機(jī)的生產(chǎn)速率能超過每月4架。當(dāng)時沒有所謂的自動化生產(chǎn)，也沒有大量的固定工裝，更沒有靈活性可言。當(dāng)時的設(shè)計(jì)100%專注于飛機(jī)性能，一點(diǎn)都不為生產(chǎn)上的問題考慮。坦率的說，當(dāng)時大家的態(tài)度都是：‘誰在乎生產(chǎn)過程啊?!’”

　　即使對于從1988年才開始生產(chǎn)的A320，裝配和工業(yè)化的設(shè)計(jì)考慮依然是“次要主題”。以上觀點(diǎn)是格拉弗斯在近期參加在加州舉辦的機(jī)械工程師AeroDef制造發(fā)布會上發(fā)表的。而對于A380卻完全不一樣，這款飛機(jī)“從一開始就同時將性能和工業(yè)化需求考慮在設(shè)計(jì)指標(biāo)內(nèi)。同時，它的設(shè)計(jì)也從一開始就納入了精益制造的原則。這是相當(dāng)重要的，因?yàn)闆]有精益求精的開始，后來再在乎也是于事無補(bǔ)。”

　　類似于復(fù)合垂直尾翼的裝配(VTP)，從A380上積累下來的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，最終被反饋應(yīng)用到了A320的生產(chǎn)上，并全面改善和發(fā)展了單通道飛機(jī)的制造過程。2006年，以精益生產(chǎn)為基礎(chǔ)的移動生產(chǎn)線在漢堡開始出現(xiàn)。隨著對單通道飛機(jī)生產(chǎn)線生產(chǎn)速率的預(yù)期越來越高，“在裝備過程中繼續(xù)堅(jiān)持使用基座式生產(chǎn)是不可能的。所以，我們改變了機(jī)身和機(jī)翼的生產(chǎn)理念，將其從一個固定過程轉(zhuǎn)變成了移動的。基于精益制造原則，這讓我們更加清晰地認(rèn)識到，我們與部件、供應(yīng)鏈以及交付性之間的關(guān)聯(lián)。隨著產(chǎn)量的增加，供應(yīng)鏈也會隨之增長，而零件缺失也會導(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果。”格拉弗斯指出，除此之外的一個額外挑戰(zhàn)是，“怎樣在生產(chǎn)過程中完成這樣的轉(zhuǎn)變，”這個生產(chǎn)過程會隨著2015年以后NEO方案的執(zhí)行逐步削減。

　　位于漢堡的單通道飛機(jī)生產(chǎn)線平均每7個小時完成一個機(jī)身的組裝。相較于原來生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度，采用了精密流水線過程的生產(chǎn)線，縮短了33%的交貨時間，與此同時實(shí)現(xiàn)了50%的速率提升。格拉弗斯補(bǔ)充道：“我們在圣納澤爾(法國，生產(chǎn)前機(jī)身)和布勞頓的機(jī)翼生產(chǎn)線上也采用了相同的模式。”為了幫助現(xiàn)在已經(jīng)在圖盧茲進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)的A350飛機(jī)的生產(chǎn)，空客采用了A380制造前期就采取的“數(shù)字工廠”概念。格拉弗斯說，作為結(jié)果，一系列新的技術(shù)在更加廣泛的范圍內(nèi)被采用，更高水平的自動化流程也開始出現(xiàn)。數(shù)字工廠的概念將設(shè)計(jì)和生產(chǎn)在工業(yè)化階段實(shí)現(xiàn)結(jié)合，從概念到實(shí)施上都降低了成本。圍繞著生產(chǎn)流程的部件流通，生產(chǎn)夾具、工具及過程結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的規(guī)范，這些內(nèi)容在付諸實(shí)際行動之前，都在網(wǎng)絡(luò)世界中進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證。他說：“我們在生產(chǎn)A350的過程中使用了大量的模擬，這相較于10年前生產(chǎn)A380的情形發(fā)生了戲劇性的變化。我們通過給定一些關(guān)鍵信號作為指標(biāo)，來設(shè)計(jì)數(shù)字化的樣機(jī)(DMU)，并進(jìn)行虛擬工藝規(guī)劃。我們需要這樣做，因?yàn)槿梭w工程學(xué)是至關(guān)重要的問題。我們所做的工作能讓生產(chǎn)速率的增長更加迅速、讓人的工作效率更高，同時消耗更低的醫(yī)療成本花銷。員工的年齡一直在不斷增長，但人們工作的時間變得越來越長(時期);所以事故的預(yù)防是很重要的。從人體工程的角度來看，A350機(jī)翼的制造是極具挑戰(zhàn)性的。因?yàn)椋瑱C(jī)翼縱桁更像是鐵路軌道上的鐵軌，所以我們需要自動化生產(chǎn)，并且找到解決方案;讓人們能更方便的處理有難度的工作部分。”

　　DMU的“主機(jī)”上匯集了來自所有合作系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)和制造參數(shù)。在整個設(shè)計(jì)過程中，DMU不斷被更新，從而確保配置參數(shù)的控制。在A380項(xiàng)目中，由于使用了多個DMU系統(tǒng)及設(shè)計(jì)工具，所以導(dǎo)致整個裝配過程反而出現(xiàn)了延誤。而A350所采取的DMU有效規(guī)避了這個問題，A350依靠的是一套標(biāo)準(zhǔn)化的軟件工具，這一套工具所能處理的內(nèi)容涵蓋了從生產(chǎn)、工程、資金調(diào)配到復(fù)合設(shè)計(jì)，以及其他一些結(jié)構(gòu)方面的所有問題。即使在整個項(xiàng)目進(jìn)入批量生產(chǎn)之后，A350目前所采用的單DMU仍然會被繼續(xù)使用。

　　A350的其他設(shè)計(jì)特點(diǎn)帶動了精確定位和對準(zhǔn)工藝上復(fù)雜技術(shù)的發(fā)展。例如說，A350的機(jī)身不是由一大塊筒段組成的，而是和波音787型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)類似，由大型復(fù)合板連接到機(jī)身框架和桁條上構(gòu)成的。格拉弗斯說：“假如你使用的是復(fù)合材料，裝配過程就像是一場噩夢;因?yàn)檫@種材料不同于準(zhǔn)確的金屬零件，它們有一定的傾向性。而在A350飛機(jī)上，我們所需要面對的挑戰(zhàn)是，如何在不使用墊片調(diào)整的情況下安裝好這些外殼，尤其是安裝這些東西還需要相當(dāng)高的精度。所以，我們是如何不使用大量金屬工具完成這個操作的呢?在使用DMU的基礎(chǔ)上，再建立了一個NC[數(shù)值控制]測量輔助裝配系統(tǒng);然后就成功完成了這一部分工作。我們沒有使用固定的框架，在處理這個外殼的過程中，系統(tǒng)會提供一個NC軸來幫助我們精確定位……”

　　盡管A350和787機(jī)身的裝配方法不同，但這一對競爭對手都采用了類似用來裝配大模塊的方法，這個方法能夠縮短時間并節(jié)約成本。這方面的典型例子包括一系列需要提前安裝的系統(tǒng)，譬如電氣線束及其他航空電子設(shè)備托架上的電纜，以及支持電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的輔助管道結(jié)構(gòu)等。格拉弗斯說：“這種措施讓我們安裝航空電子設(shè)備托架的時間減少了80%。在此之前，我們不能夠?qū)⑺鳛橐粋€模塊來處理，所以我們就開始考慮架構(gòu)上的問題。因此，我們開發(fā)了一個二級結(jié)構(gòu)，我們可以在安裝主模塊之前事先安裝好這些結(jié)構(gòu)，”他還補(bǔ)充說，這些單位的整合屬于關(guān)鍵步驟。

　　空客加大使用自動化設(shè)備的初衷也是因?yàn)樗麄兿Ｍ芴岣呱a(chǎn)率和提供產(chǎn)品質(zhì)量。最近，空客的自動化生產(chǎn)任務(wù)是制作安裝在散熱片上的VTP加固件。這個流程在開始時是通過手工來完成的，整個過程涉及到了立體裁剪、預(yù)定型、處理和切割?，F(xiàn)在，所采用的自動化樹脂傳遞模塑工藝在提高了產(chǎn)品質(zhì)量的同時，還減少了50%的生產(chǎn)時間;目前已經(jīng)能達(dá)到年產(chǎn)5500件。

　　另外一個自動化系統(tǒng)是一個小機(jī)器人，這個機(jī)器人是西班牙設(shè)備制造專家MTorres開發(fā)的;這款機(jī)器人配備了吸盤腳，所以它能在機(jī)身上“走動”。這個設(shè)備被稱作靈活的鉆頭，是一種可以爬行的鉆鉚機(jī);它能移動到指定位置，然后完成鉆孔和打鉚釘，并能以每分鐘3.5mm的速度移動到下一個位置。這款5軸機(jī)器人重達(dá)220磅，可完成周向、縱向及圓錐連接型的鉆孔和鉚釘工作。在A380上，他們使用這款移動機(jī)器人在每臺飛機(jī)上鉆8,500個孔;這款機(jī)器人移動的范圍相當(dāng)于19個機(jī)艙。該系統(tǒng)的使用幫助空客縮短了45%的時間，并且它還可以鉆進(jìn)鈦金屬和一種被稱為Glare的輕量級商用玻璃層壓板增強(qiáng)型鋁材料。當(dāng)然它還能處理其他一些種類的復(fù)合材料。

　　然而，格拉弗斯一直在強(qiáng)調(diào)，基于機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步發(fā)展，需要做到讓這個概念變得真正有益。這個爬行機(jī)器人不再使用履帶式緊固件，“因此我們必須弄清楚，應(yīng)該利用什么樣的緊固件，將這個機(jī)器和它將被用在的場合連接在一起。從技術(shù)上講，我們今天可以做到，但它仍然不能算作一個良好的商業(yè)案例。”

　　被用在A380下部殼表面縱梁焊接上的自動化激光束焊接技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的鉚接方法，也同樣減少了90%的操作時間;而且這種技術(shù)的使用還能同時減少重量，提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性。攪拌摩擦焊接法已經(jīng)被用于一些空間應(yīng)用中，空客目前也正在考慮可能在A320 NEO上使用這個技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可用于表層面板焊接、機(jī)翼整體制造，以及中央翼盒的制造工作，與傳統(tǒng)的鉚接接頭工藝相比，可能可以節(jié)省75%左右的重量。

　　空客還在A350的制作過程中首次運(yùn)用了3D打印。3D打印機(jī)可以通過一層一層地疊加沉積材料完成零件的制作。格拉弗斯說：“我們?yōu)榇艘呀?jīng)付出了三年的努力，目前取得了良好的成功。”這項(xiàng)技術(shù)在A350飛機(jī)上的首次應(yīng)用是塑料支架部分的制作，這種設(shè)備“在周期和制作變化上具備高度的靈活性。”