航空制造商需要在油漆和表面处理、复合材料机身和发动机部件方面实现更多自动化，以实现生产目标
曾经被认为落后于自动化钻孔和填充的替代航空航天自动化流程，例如喷漆、涂层、打磨和其他表面处理开始受到航空航天制造商的青睐，尤其是在商业航空领域，大量积压订单迫在眉睫，需要立即处理。例如，波音公司预测，到 2032 年，全球新型商用飞机机队的规模将翻一番，届时将建造超过 35,000 架新飞机，价值估计达 4.8 万亿美元。
Electroimpact Inc. 的机器人系统。 ，配备在轨道上移动的 21 英尺（6.4 米）机器人手臂，构建由类似烤肉店的结构支撑的大型复合材料部件e.该系统最近安装在位于阿拉巴马州亨茨维尔的 NASA 马歇尔太空飞行中心的 NASA 国家先进制造中心的复合材料技术中心。这让飞机制造商和供应商迫切地研究许多二级和三级应用中的自动化可能性，除了钻孔和填充，以帮助减少订单积压。除了油漆和准备工作外，自动化的机会增加，包括加快复合材料带铺层操作以构建复合机身结构，以及使用用于生产飞机发动机金属部件的柔性制造系统 (FMS) 缩短加工周期时间。
采用整体自动化方法
从历史上看，与汽车行业相比，航空航天业的自动化水平相对较低，但随着时间的推移，这种情况一直在发生变化，航空航天业越来越多地将目光投向汽车行业解决方案
“航空航天原始设备制造商和层级正在采用自动化来提高生产率、产品质量和员工安全，同时以降低制造成本为目标，”KUKA Systems（谢尔比）业务发展总监 Dan Friz 说乡镇，密歇根州）。 “这对任何公司来说都是一项艰巨的任务。然而，当从整体上解决这些挑战时，大多数挑战都可以正面解决。当研究制造过程、工具和自动化方法以及物流策略时，与仅关注钻孔应用程序相比，成本的最大收获就出现了。这是关键，因为它允许有机会解决客户正在寻找的所有要求。
KUKA Systems 正在通过其移动机器人平台 (MRP) automa 扩展其航空航天产品显示的是安装在自动导引车 (AGV) 上的机器人。“航空航天业面临的主要自动化挑战很简单，就是飞机从未设计用于自动化过程，”Friz 补充道。 “这有多种原因，乘客安全是最重要的，然而，它限制了自动化的可能性，而不必为特定问题提供定制的解决方案。这又回到了从整体上解决制造过程并理解可能必须调整过程或工具以更好地实现相关收益。”
扩大自动化的范围
许多机器人自动化的重点是钻孔和填充孔，每架飞机上的孔都非常多。但自动化专家看到了在许多其他领域获得收益的巨大潜力。
“我看到他们关注的是在吞吐量、质量、人体工程学和d 安全角度，”FANUC America Corp.（密歇根州罗切斯特山）航空航天自动化经理 Chris Blanchette 说。 “那些都是高手——保护人们的安全。他们正在关注那些高产量的流程，在这些流程中，他们可能很难让足够多的人参与进来真正完成工作，因为有太多的工作要做，比如钻孔和填充成千上万个洞。”
Blanchette 说，油漆和密封应用的表面处理自动化至关重要。 “油漆和密封这两个区域的表面准备是一个巨大的区域，它以多种不同的方式影响飞机。使用机器人在飞机机身上涂漆的美妙之处在于，通过机器人操作可以节省 30% 到 50% 的材料，这也意味着重量也可以减轻 30% 到 50%。”
机身重量的减轻直接转化为增加的 fBlanchette 说，为了航空公司客户节省燃料，像波音这样的领先制造商对将燃料成本削减 0.5% 以造福于他们的客户非常感兴趣。许多 FANUC 自动化集成商，包括 Encore Automation（密歇根州奥本山）和 Nordson Sealant Equipment（密歇根州普利茅斯），已经成功地为飞机机身和其他机身部件开发了新的油漆准备工艺和密封应用，他补充说。
“为了准备、油漆和密封，机身中不能有任何缝隙，”布兰切特说。 “我们一直在与 Nordson Sealant Equipment 合作，他们为航空航天市场开发了一些独特的点胶工具，这些工具与该行业使用的材料兼容，而且这些材料对航空航天来说非常非常特殊行业，你不能只是说“我们想分配这种材料，把它放在机器人上，然后分配它。”你 h必须为点胶部分配备合适的设备。” Blanchette 说，该系统使用名为 Dispense Tool 的 FANUC 软件，使其具有装配密封过程所需的精度。
在 Encore Automation，集成商专注于提供灵活性的新方法过去的纪念碑式系统，著名的 Art Scafe，Encore 业务和产品开发经理。 “我们主要在喷漆、密封、材料处理和钻孔/紧固领域开展工作，”Scafe 说。 Encore Automation 为商用飞机开发了完整的飞机喷漆自动化系统。 “该系统已经投入生产，由安装在 40 米导轨上的两个 FANUC P-250iB 喷漆机器人和一个 3 米 Z-Lift 组成。它利用静电铃和闭环流量控制以及机器人视觉来找到飞行器并偏移机器人路径。项目中大量使用了离线编程。”
ABB Robotics 草图描绘了飞机机身结构全自动喷漆的概念解决方案。另一家 FANUC 集成商 Aerobotix Inc.（麦迪逊，阿拉巴马州）开发了用于打磨应用和过程中的航空航天工艺Blanchette 说：“检查复合材料零件的叠层。他们正在对复合材料叠层进行零件检查，称为过程中模具，”他补充说。“他们正在扫描表面，在表面上放置更多的复合树脂并固化那些，然后他们再次扫描它并去除一些表面材料以获得所需的精确形状。”
大型柔性部件的材料处理，例如复合材料装配过程中使用的纵梁机翼结构，也是一个具有挑战性的新兴应用布兰切特说。 FANUC 集成商 PaR Systems Inc.（明尼阿波利斯）在一个过程中配置了多个机器人，例如纵梁（飞机机翼中的结构部件）等较大的零件，在这个过程中，中小型机器人充当装配线上的工作夹具，他
“纵梁是机翼上的结构部件——它几乎就像小工字梁，”布兰切特说。 “对于这些大型复合材料机翼，他们必须使用经过切割、钻孔和修整的复合材料纵梁，因为复合材料成型工艺并不精确。” PaR Systems 解决方案使用几十个机器人来定位和固定机翼，以使用架空龙门安装的 KMT 水刀进行切割过程。
航空航天制造商还使用物料搬运机器人来操纵零件进行组装或配套，用机器人和工具管理跟踪零件，他说。 “当你需要得到每天大约有 300 万个零件进入装配过程，”Blanchette 说。 “他们正在考虑如何提高效率——最糟糕的是，当他们将这些零件放入套件中时，却少了一个。”
更多用于航空航天自动化的替代方案即将出现，其中包括移动机器人以及最近出现的可以与人类密切接触的协作机器人。 KUKA 正在研究几个新的自动化领域，以满足客户对下一代材料和制造工艺的需求，Friz 说。
“尽管其中一些包括钻孔和紧固技术的进一步进步，例如夹子-to-frame 末端执行器，collar swage 和 nut spinning 末端执行器，我们专注于人机协作 [HRC] 自动化的开发，”Friz 补充道。他说，HRC 专注于使用安全、智能的机器人来执行重复性和符合人体工程学的挑战性任务。ngside skilled labor.
“本质上，HRC 解决方案允许航空航天业中的高技能劳动力继续执行所需的工艺，同时允许机器人执行不需要/不需要技能的任务，”Friz 说. “此外，KUKA 专注于引入移动自动化。在尝试实现客户对灵活装配线的愿景时，这些应用程序非常重要，因为它可以减少通常不可预见或明显重复发生的成本。移动自动化是工业 4.0 理念的关键组成部分，KUKA 很高兴今天已经成为此类技术的领跑者。”
最近几个月，制造过程的任何方面都在评估客户群，Friz 说。 “KUKA 开始在零件制造、表面处理、系统安装、室内装饰等领域看到自动化结构构建以外的许多机会。制造、安装和物流，”他说。 “在大多数情况下，重新利用当前的自动化可以解决大多数新的重点领域，”他补充说。 “但是，有几个主题正在推动新技术的发展，这将大大提高制造过程的效率。”
完善喷漆过程
自动化喷漆整架飞机的过程由于机身机身的庞大尺寸和安全问题，制造机身对于航空航天制造商来说仍然是一项艰巨的任务。 “对于波音和空中客车来说，最重要的是为整架飞机喷漆，”ABB 喷漆过程自动化全球业务发展经理 Didier Rouaud 在谈及该过程的完全自动化时说。 “这是巨大的。这还没有完成。”
去年，几家供应商提交了一份关于如何最好地完成这项任务的研究，Rouaud 说。 “没有大的跳跃，”Rouaud 谈到机器人绘画技术时说逻辑。 “每个人都在想办法去做。最大的障碍是飞机不能从一个过程移动到另一个过程，而且必须在防爆区域进行。”在室内喷漆过程中，爆炸性油漆烟雾是个问题。
目前，喷漆是在大型空调机库内完成的，在封闭区域内，他说，使用三种选择，采用地板安装的自动化解决方案，以及天花板安装系统，或安装在自动导引车 (AGV) 上的机器人。
“人们现在在这方面做得很好，”Rouaud 说。 “最新的选择是 AGV。难点在于它需要防爆，而这些 AGV 是电池供电的或拖着长电缆，因此爆炸可能是一个问题。”
飞机喷漆是一个复杂的过程，需要Rouaud 说，涂了很多层油漆，总共多达六层，首先是底漆、底漆，然后是制服，涂有航空公司的颜色和标志。他补充说，飞机制造商也在寻求掩蔽过程的自动化选项，如今这主要是一个手动过程。 “由于积压，他们希望自动化该过程，”他说。他补充说，考虑因素之一是喷墨类型的喷漆。
加快部件生产
为了帮助提高产量，飞机制造商也在转向有助于缩短周期时间的技术生产各种航空航天部件，从发动机部件到复合机身部件。例如，金属发动机零件和支撑复合材料机翼的翼肋的装配周期时间大幅缩短，可帮助制造商实现大型飞机项目的生产目标。
FANUC 凭借其 Power Motion i，提供一系列多轴运动在自动化中用于驱动各种设备的控制器，从复合纤维铺层机到 AGV、机器人和机器切割飞机上使用的所有钛和其他金属的电池。 Power Motion i 是一种高性能、可扩展的通用运动控制，支持需要 1 到 32 个轴的应用。它在四个并行的可编程路径中支持多达四个同步插补轴。为了支持灵活的机器设计要求，Power Motion i 还包括一个高性能 PLC，能够同时运行五个平行梯形图。
“这些部件中涉及很多复杂的运动，无论是磁带FANUC America 航空航天项目经理 Rick Schultz 说。 “在 CNC 方面，我们不断挑战极限。
“飞机上装满了大量金属，”Schultz 说，“随着我们从铝过渡到复合材料，有很多进入这些组件的钛。”
随着航空航天业的生产目标ts，需要更高的精度。 “从传统的 CNC 方面来看，自动化驱动正在满足对更好、更精确零件的需求，”Schultz 说。 “这也推动了对更短周期时间的需求。”
Schultz 说，在工厂中，所有运动都可以由 Power Motion i 等 CNC 驱动。 “CNC 是一种运动大师。”
借助 FANUC 的 Power Motion i 控制器，制造商可以使飞机周围的许多过程自动化，Schultz 说。 “我们正在推动更高的精度和更短的周期时间，”他说。 “FANUC 的 Power Motion i 控制器可以处理很多基本运动。当我们谈论 Fanuc One 计划时，Power Motion 是一个关键，因为它弥合了机器人和 AGV 以及零件制造商之间的差距。”
FMS 优化航空零件加工
p> 最大限度地延长主轴时间是降低生产成本的另一个关键方法，而新的 flexib像 Fastems LLC（俄亥俄州西切斯特）提供的制造系统 (FMS) 可以帮助航空航天制造商提高大批量加工生产线的生产率。 Fastems 国际销售经理 Robert Humphreys 指出，航空航天客户正在投资新的加工中心，尤其是新的五轴机床。借助其 RoboFMS，机器人将 FMS 带到机器上，优化主轴正常运行时间并保持生产率高。 Fastems FMS 可以使主轴正常运行时间达到 90% 或更高，远超行业平均水平。
“我们发现整个航空航天业务都在寻求降低成本的方法，而实现这一目标的唯一途径是以获得更多的主轴正常运行时间，”Humphreys 说。 “这真的是为了获得最大的主轴小时数而设计的。切屑越多，产生的收入就越多。”
Fastems FMS 的平均投资回报率约为 18 个月，Humphreys 说。 Kimberly Machine（加登格罗夫，CA），一个小的，f一家家庭所有的加工车间安装了 Fastems 的一个较小的 FMS 系统，以帮助在其 Okuma 机器上以无人值守的方式生产高度复杂的航空航天零件。 “他们从事的是高精度工作，一些防御工作，有些工作非常复杂，”他说。
“有了现代加工中心，它们非常精确，你不需要转动零件，”汉弗莱斯说。他补充说，许多制造商最初未能认识到 FMS 可以为优化他们的运营做些什么。 “他们认为这太难了，那不适合我，那不是我的作品。如果您看看航空航天制造商拥有的产品，就会发现这些设置会扼杀他们。”
最新的 Fastems MMS5 FMS 自动化软件具有动态调度功能，有助于优化机器主轴的正常运行时间。 “它是动态的，所以它总是把最紧迫的工作放在首位，”汉弗莱斯说。基于 Web 的 MMS5 软件are 是面向部分的，他补充说，它具有预测调度和实时管理以及对许多变量的报告。他补充说，该系统目前被大型飞机发动机制造商用来跟踪冷却剂温度，并测量主轴上的负载。 “如果一切都在一定的温度范围内，那就是绿色的，可以开始了。”
本文首次发表于 2016 年 2 月版的《制造工程》杂志。
