王豐超 汪順利 趙景山 宋袁曾 毛景

(1.上海飛機(jī)制造有限公司,上海 200436;2.清華大學(xué)機(jī)械工程系,北京 100084)

發(fā)展大型飛機(jī)整機(jī)自動(dòng)化涂裝面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

王豐超1汪順利1趙景山2宋袁曾1毛景1

(1.上海飛機(jī)制造有限公司,上海 200436;2.清華大學(xué)機(jī)械工程系,北京 100084)

航空工業(yè)被譽(yù)為“工業(yè)科技之花”,是一個(gè)國(guó)家工業(yè)集成水平和科技實(shí)力的體現(xiàn)。大型飛機(jī)整機(jī)自動(dòng)化涂裝對(duì)提高涂裝質(zhì)量、效率和綠色制造水平,延長(zhǎng)服役周期,提升安全性意義重大。波音、空客等行業(yè)巨頭在該領(lǐng)域均沒(méi)有取得重大技術(shù)突破。我國(guó)攻克該技術(shù)難題有一定優(yōu)勢(shì)和機(jī)遇,目前的技術(shù)挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在“適用于空間復(fù)雜曲面的噴涂機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及軌跡規(guī)劃”、“基于空間位姿檢測(cè)及補(bǔ)償?shù)膰娡咳后w機(jī)器人協(xié)調(diào)控制”、“輸調(diào)漆系統(tǒng)研制”等方面。

大型飛機(jī) 國(guó)家戰(zhàn)略 自動(dòng)化 涂裝

1 概述

航空工業(yè)被譽(yù)為“工業(yè)科技之花”，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)能力的集大成者，能夠反映一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力和水平。大型飛機(jī)指起飛總重量超過(guò)100噸的運(yùn)輸機(jī)，也包括150座以上的干線客機(jī)。未來(lái)20年，僅中國(guó)市場(chǎng)就需要新增5000余架各型民用飛機(jī)，價(jià)值達(dá)5600多億美元[1]。中國(guó)商用飛機(jī)公司發(fā)布的年報(bào)預(yù)測(cè)也表明，全球客機(jī)機(jī)隊(duì)的年均增長(zhǎng)率為3.6%，到2032年，全球機(jī)隊(duì)規(guī)模將是現(xiàn)有機(jī)隊(duì)的2倍多，達(dá)到37896架[2]。

涂層是飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的第一道也是最重要的防線，輕微的點(diǎn)腐蝕都有可能因累積腐蝕而引發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的功能降低甚至失效，因此對(duì)于民用飛機(jī)而言，涂層質(zhì)量至關(guān)重要。民用飛機(jī)服役周期長(zhǎng)且經(jīng)常面臨雨雪、砂石沖擊，因而對(duì)飛機(jī)整機(jī)表面涂裝質(zhì)量提出了極高要求。目前，即使是波音和空客經(jīng)過(guò)近60年的噴涂實(shí)踐試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積累的情況下，飛機(jī)表面脫漆現(xiàn)象仍屢有發(fā)生，飛機(jī)整機(jī)涂裝的質(zhì)量穩(wěn)定性亟待提高。

圖1 F-35的自動(dòng)化涂裝

圖2 大型民機(jī)的手工涂裝

2 整機(jī)自動(dòng)化涂裝的必要性

大型飛機(jī)的自動(dòng)化涂裝可以顯著提高其環(huán)保性、生產(chǎn)效率和噴涂質(zhì)量，是飛機(jī)制造和維護(hù)的重要內(nèi)容。大型飛機(jī)項(xiàng)目的實(shí)施，必將對(duì)整機(jī)的自動(dòng)化涂裝提出更高要求，展開(kāi)整機(jī)自動(dòng)化噴涂研究具有重大意義：

(1)整機(jī)自動(dòng)化涂裝極大提高飛機(jī)外觀質(zhì)量和效率。自動(dòng)化涂裝得到的涂層均勻度和穩(wěn)定性高，提高了飛機(jī)外表光潔度和外觀質(zhì)量。F-35飛機(jī)使用RCFS和RAFS兩套自動(dòng)化噴涂系統(tǒng)，能保證噴涂流量的誤差控制在±3%的范圍內(nèi)，95%以上的涂層測(cè)量點(diǎn)厚度滿足公差要求[3]。此外，自動(dòng)化涂裝可提高噴涂效率。例如，F(xiàn)-22采用手工噴涂預(yù)計(jì)需要1萬(wàn)小時(shí)，而用機(jī)器人噴涂只需要1000小時(shí)[4]。

(2)整機(jī)自動(dòng)化涂裝是提高環(huán)保制造水平和實(shí)現(xiàn)以人為本發(fā)展的有力技術(shù)保障。飛機(jī)涂裝的過(guò)程中，一般會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)溶劑、六價(jià)鉻酸鹽、粉塵、胺類(lèi)污染環(huán)境并嚴(yán)重?fù)p害人員健康的有害物質(zhì)和氣體，影響到工人的身體健康。自動(dòng)化涂裝消除了勞動(dòng)者之間的技能差異，避免出現(xiàn)二次涂裝或打磨，又保障了勞動(dòng)者的身體健康。

(3)整機(jī)自動(dòng)化涂裝對(duì)提升我國(guó)民機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ARJ21新型支線飛機(jī)和C919大型飛機(jī)已經(jīng)達(dá)成數(shù)百架的訂單，后續(xù)將有大量整機(jī)噴涂需求，自動(dòng)化噴涂技術(shù)難題的解決將在飛機(jī)的外觀、耐腐蝕噴涂、環(huán)保等方面形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，提高國(guó)產(chǎn)民用飛機(jī)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

3 飛機(jī)整機(jī)自動(dòng)化涂裝的現(xiàn)狀

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了噴涂機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，在發(fā)達(dá)國(guó)家，汽車(chē)自動(dòng)化噴涂已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。近年來(lái)，自動(dòng)化噴涂逐步進(jìn)入航空航天領(lǐng)域。在已公開(kāi)的英文文獻(xiàn)中，飛機(jī)自動(dòng)化噴涂技術(shù)還主要處于理論研究階段，國(guó)外對(duì)小型飛機(jī)機(jī)器人噴涂理論研究的熱點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面：(1)飛機(jī)表面復(fù)雜形貌的重構(gòu)；(2)機(jī)器人噴涂路徑的規(guī)劃。2009年Dirk Bausen等人研究了飛機(jī)外表面的預(yù)噴涂問(wèn)題，初步設(shè)計(jì)完成了機(jī)器人自動(dòng)噴涂方案[5]。2010年，Gyorfi等人針對(duì)噴槍路徑規(guī)劃中的約束問(wèn)題，采用遺傳算法和圖搜索方法，建立了軌跡規(guī)劃的優(yōu)化方案[6]。2012年，F(xiàn)erreira等人針對(duì)飛機(jī)表面復(fù)雜形貌的建模和表面重構(gòu)問(wèn)題，研究了采用低成本激光進(jìn)行復(fù)雜表面掃掠的方法[7]。Chai等人對(duì)噴涂機(jī)器人應(yīng)用TOF相機(jī)實(shí)現(xiàn)三維模型表面的快速重構(gòu)方法進(jìn)行了研究[8]。Rossi等人通過(guò)設(shè)定位置及切向速度研究了機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題[9]。2014年，Mukherjee等人以噴槍操作路徑規(guī)劃為目標(biāo)，進(jìn)行了帶電微粒噴射系統(tǒng)的電磁控制研究[10]。

目前，國(guó)外小型軍用飛機(jī)自動(dòng)化噴涂系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)研究階段，例如洛克希德馬丁公司在2011年建立了針對(duì)F-35戰(zhàn)機(jī)的自動(dòng)化噴涂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)[11，12]。對(duì)大型民用客機(jī)而言，即使是波音和空客公司這樣的巨無(wú)霸，仍不得不依靠手工完成涂裝(見(jiàn)圖2)。

國(guó)內(nèi)自動(dòng)化噴涂起步較晚，但是發(fā)展迅速，目前已經(jīng)徹底解決了汽車(chē)噴涂機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)障礙。2012年，清華大學(xué)和江蘇長(zhǎng)虹智能裝備集團(tuán)有限公司合作，成功研發(fā)出我國(guó)首臺(tái)具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車(chē)噴涂混聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)[13]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于自動(dòng)涂裝的研究主要集中在以下兩點(diǎn)：(1)噴涂機(jī)器人的構(gòu)形、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析；(2)噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。江蘇大學(xué)研究了復(fù)雜曲面的噴涂機(jī)器人噴槍軌跡優(yōu)化方法[14]，東南大學(xué)研究了基于高斯模型的噴涂機(jī)器人涂層生長(zhǎng)率建模問(wèn)題[15]，清華大學(xué)進(jìn)行了機(jī)器人勻速噴涂涂層均勻性分析研究[16]。此外，部分高校和研究院所已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)器人噴涂的理論和初步實(shí)驗(yàn)研究。中國(guó)航天科工集團(tuán)公司三院239廠與清華大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的殲-20隱形戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道噴涂機(jī)器人成功交付成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司。雖然未涉及大尺寸和整機(jī)的噴涂，但該項(xiàng)目是飛機(jī)機(jī)器人噴涂的首次成功嘗試，為后續(xù)整機(jī)和大尺度自動(dòng)化噴涂系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)積累了寶貴的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

由此可見(jiàn)，自動(dòng)化噴涂方面，國(guó)內(nèi)緊跟隨國(guó)外發(fā)展的步伐，在飛機(jī)的自動(dòng)化噴涂研究方面，國(guó)內(nèi)與國(guó)外基本處于相同的起跑線上，國(guó)內(nèi)通過(guò)技術(shù)攻關(guān)完全可先于國(guó)外形成世界航空業(yè)首批滿足民用飛機(jī)自動(dòng)化噴涂技術(shù)成果，在此領(lǐng)域達(dá)到領(lǐng)先水平。

4 發(fā)展大型飛機(jī)整機(jī)自動(dòng)化涂裝的優(yōu)勢(shì)與機(jī)遇

目前，雖然像波音、空客這樣的龍頭企業(yè)在實(shí)現(xiàn)整機(jī)自動(dòng)化噴涂方面仍然存在技術(shù)障礙，但眾多資料顯示在自動(dòng)化噴涂的路徑規(guī)劃、飛機(jī)表面復(fù)雜形貌重構(gòu)方面做了大量研究。近年來(lái)，隨著人才的不斷聚集，技術(shù)的不斷革新，中國(guó)在實(shí)現(xiàn)整機(jī)自動(dòng)化噴涂具有以下優(yōu)勢(shì)：

4.1 機(jī)器人研制水平不斷提高

在全球自動(dòng)化發(fā)展的潮流之下，我國(guó)的機(jī)器人普及水平不斷提高，未來(lái)我國(guó)的機(jī)器人擁有量會(huì)迅速增加。機(jī)器人在生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用必將帶來(lái)研發(fā)水平的提高，目前國(guó)內(nèi)的機(jī)器人研究在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新理論、先進(jìn)控制理論、新型傳感技術(shù)方面有重大突破，為自動(dòng)化噴涂技術(shù)跨越式發(fā)展提供可靠的技術(shù)支撐。

4.2 已有經(jīng)驗(yàn)的積累

自動(dòng)化噴涂技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為其移植到其他領(lǐng)域的應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并且作為C919大型飛機(jī)的總裝制造公司上海飛機(jī)制造有限公司已經(jīng)開(kāi)展了飛機(jī)水平尾翼等大部件的自動(dòng)噴涂技術(shù)研究，后期將推進(jìn)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)身筒段的自動(dòng)噴涂研究，此項(xiàng)目對(duì)自動(dòng)噴涂技術(shù)進(jìn)行的研究將為整機(jī)的自動(dòng)化噴涂提供可供參考的數(shù)據(jù)積累。

4.3 國(guó)家支持

大型飛機(jī)項(xiàng)目于2006年正式立項(xiàng)，說(shuō)明發(fā)展大型飛機(jī)已經(jīng)上升為國(guó)家意志。對(duì)于研制具有自主產(chǎn)權(quán)的大飛機(jī)，轉(zhuǎn)變過(guò)去“造不如買(mǎi)，買(mǎi)不如租”的態(tài)度，國(guó)家對(duì)大型飛機(jī)制造持續(xù)高強(qiáng)度的投入表明了國(guó)家研制大型飛機(jī)的決心。自動(dòng)化噴涂作為發(fā)展大飛機(jī)項(xiàng)目的一道重要工序，在國(guó)家的大力支持下必將取得重大成果。

4.4 民機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的推動(dòng)作用

我國(guó)自主研發(fā)的ARJ21新型支線飛機(jī)和在研的C919大型飛機(jī)也已獲得數(shù)百架的訂單，后續(xù)生產(chǎn)中將涉及大批量、多類(lèi)型涂層的整機(jī)噴涂需求；人工噴涂將很難保證質(zhì)量的穩(wěn)定，而整機(jī)涂裝直接關(guān)系民機(jī)的產(chǎn)品形象和競(jìng)爭(zhēng)力。巨大的市場(chǎng)需求勢(shì)必會(huì)推進(jìn)大型飛機(jī)自動(dòng)化噴涂的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為飛機(jī)的整機(jī)自動(dòng)化涂裝技術(shù)的發(fā)展插上騰飛的翅膀。

5 重大技術(shù)挑戰(zhàn)與可能的對(duì)策

以國(guó)產(chǎn)C919為例，飛機(jī)整機(jī)自動(dòng)化涂裝首先需要解決由于整機(jī)表面的多材料、變曲率、噴涂區(qū)域的自動(dòng)過(guò)渡、設(shè)備自動(dòng)清洗、工藝參數(shù)調(diào)整等自動(dòng)化噴涂工藝的巨大挑戰(zhàn)。其次，要想實(shí)現(xiàn)36m×38m×11m這樣超大空間內(nèi)飛機(jī)的自動(dòng)化噴涂，不得不依賴移動(dòng)臺(tái)架或?qū)к壣踔炼叩膹?fù)合。雖然國(guó)內(nèi)在汽車(chē)領(lǐng)域成功實(shí)施了自動(dòng)化的涂裝，有非常好的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)于大型飛機(jī)來(lái)說(shuō)，技術(shù)的可移植性只能解決部分問(wèn)題，最終整機(jī)自動(dòng)化涂裝仍面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

5.1 多基體材料機(jī)身自適應(yīng)噴涂工藝

整機(jī)噴涂是飛機(jī)涂裝中技術(shù)含量最高、難度最大的工藝，涉及的飛機(jī)表面材質(zhì)、涂料和工具種類(lèi)繁多，對(duì)噴涂速度、運(yùn)動(dòng)軌跡、漆料流量和噴涂角度要求嚴(yán)格，不同材質(zhì)表面的噴涂工藝參數(shù)變化較大，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化噴涂。因此，需要針對(duì)整機(jī)涂裝的技術(shù)要求，開(kāi)展面向復(fù)合材料、鋁鋰合金等新材料表面以及突變曲面組成的復(fù)雜基體材料的自動(dòng)化噴涂工藝技術(shù)研究，獲得相關(guān)的工藝技術(shù)參數(shù)，提出適用于大型飛機(jī)復(fù)雜表面的自動(dòng)化噴涂工藝方法，實(shí)現(xiàn)多基體材料表面自適應(yīng)調(diào)節(jié)噴涂規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)噴漆工藝的計(jì)算機(jī)輔助決策和智能化噴漆工藝規(guī)劃。

5.2 適用于空間復(fù)雜曲面的噴涂機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及軌跡規(guī)劃

大型飛機(jī)的形體龐大，涉及到的機(jī)身噴涂面積達(dá)到740多平方米，機(jī)翼、尾翼、背鰭、輪艙、機(jī)頭等非規(guī)則部位表面曲率變化劇烈，需要研究超大工作空間中待涂裝表面突變部位多、防撞設(shè)計(jì)要求高、軌道設(shè)計(jì)要求特殊、噴涂軌跡規(guī)劃困難等條件下噴涂機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)需要研究飛機(jī)噴涂表面的包絡(luò)重構(gòu)問(wèn)題，最終建立群體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)同和避碰技術(shù)、大曲率表面曲面族重構(gòu)方法及片區(qū)劃分策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人噴槍高精度法向隨動(dòng)軌跡規(guī)劃，提出全局路徑優(yōu)化和局部快速定位相結(jié)合的噴涂路徑優(yōu)化方法。

5.3 基于空間位姿檢測(cè)及補(bǔ)償?shù)膰娡咳后w機(jī)器人協(xié)調(diào)控制

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在超大空間內(nèi)按照預(yù)定路徑噴涂需保證其定位精度，首先需解決其空間位姿檢測(cè)及噴涂軌跡糾偏技術(shù)難題以及群體機(jī)器人協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。動(dòng)態(tài)環(huán)境下的群集機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃是其中的一個(gè)研究難點(diǎn)，需要通過(guò)傳感器的精確定位，避免機(jī)器人之間的碰撞；同時(shí)還要通過(guò)算法的優(yōu)化，保證片區(qū)分布的合理性和控制算法的穩(wěn)定性。而飛機(jī)姿態(tài)識(shí)別和位姿檢測(cè)主要是獲取飛機(jī)的初始位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，為離線編制的飛機(jī)噴涂軌跡進(jìn)行糾偏?？赏ㄟ^(guò)建立基于激光智能檢測(cè)的飛機(jī)姿態(tài)快速檢測(cè)及噴涂軌跡糾偏系統(tǒng)，以及通過(guò)離線編程實(shí)現(xiàn)對(duì)噴涂機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中震蕩的主被動(dòng)控制補(bǔ)償解決上述難題。

5.4 適用于大型飛機(jī)噴涂的輸調(diào)漆系統(tǒng)研制

針對(duì)飛機(jī)噴涂以及涂料性能的要求，研究實(shí)現(xiàn)超大空間噴涂作業(yè)油漆輸送。油漆管線的空間布置及油漆的混合、輸送、管路及噴槍的自動(dòng)清洗，直接影響噴涂質(zhì)量、效率和提高油漆利用率。為此，需要研究輸漆管線在三維空間的布置及在機(jī)器人方位上的防干涉方案，保證不影響機(jī)器人的運(yùn)行。研究特種涂料的輸送，管路及噴槍的自動(dòng)清洗，保證噴涂質(zhì)量、效率和油漆利用率。同時(shí)需要研究降低輸調(diào)漆的自身重量，實(shí)現(xiàn)輸調(diào)漆系統(tǒng)與機(jī)器人隨動(dòng)操作。

可見(jiàn)，大型飛機(jī)的自動(dòng)化噴涂是由超大作業(yè)空間和其本身涂裝特點(diǎn)提出的重大技術(shù)問(wèn)題而非理論難題。在飛機(jī)整機(jī)自動(dòng)化噴涂研究中，通過(guò)采用產(chǎn)學(xué)研用的組織模式以及大量的試驗(yàn)實(shí)施與研究，完全有可能在民機(jī)領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)整機(jī)的自動(dòng)化涂裝。

6 結(jié)語(yǔ)

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)飛機(jī)整機(jī)自動(dòng)化噴涂技術(shù)的研究已經(jīng)有一些進(jìn)展，但對(duì)于民用飛機(jī)整機(jī)噴涂工藝要求來(lái)說(shuō)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。目前大型飛機(jī)制造已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，國(guó)家對(duì)大飛機(jī)制造持續(xù)高強(qiáng)度投入，民眾對(duì)大飛機(jī)項(xiàng)目高度關(guān)注，整機(jī)噴涂作為大型飛機(jī)制造中重要的一環(huán)，其自動(dòng)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)正面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)，如能在國(guó)產(chǎn)民用飛機(jī)上率先實(shí)現(xiàn)，將極大增強(qiáng)大飛機(jī)項(xiàng)目研制的信心。發(fā)展大型飛機(jī)自動(dòng)化涂裝技術(shù)既符合國(guó)家發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，也能緊跟國(guó)外最新技術(shù)動(dòng)態(tài)，因此，現(xiàn)階段大力發(fā)展大型飛機(jī)整機(jī)自動(dòng)化噴涂技術(shù)是我國(guó)在這一領(lǐng)域搶得先機(jī)，引領(lǐng)民機(jī)自動(dòng)噴涂技術(shù)潮流的最佳契機(jī)。

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Be praised as the essence of industry science and technology, aviation industry represents the highest level of the industrial integration and technical development. Automation coating for the whole large aircraft will take effect in improving quality of the coating and spraying efficiency, extending service time and enhancing safety of the aircraft. Both the Boeing and Airbus company haven’t achieved major breakthrough in this field. China has some opportunities and advantages in solving the problem. At present, the configuration design and trajectory planning of the spraying robot which is appropriate for complex curved surface of the large aircraft, the coordinate control between the swarm robotics which is based on the pose measurement and compensation and the development of the paint mixing system are the primary technology challenges.

large aircraft national strategy automation coating

王豐超(1969-),男,河南鄭州人,管理科學(xué)與工程博士,機(jī)械工程博士后,副研究員,中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司航研所副所長(zhǎng)。研究方向:飛機(jī)制造系統(tǒng)工程、工業(yè)系統(tǒng)分析方法與優(yōu)化技術(shù)、科技管理。