（北方科技信息研究所，北京 100089）

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，智能制造成為制造業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)?？湛图瘓F(tuán)緊跟時(shí)代步伐，提出“未來(lái)工廠”建設(shè)構(gòu)想[1]，目標(biāo)是通過先進(jìn)制造技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)工廠高度數(shù)字化、智能化，大幅提升其產(chǎn)品的制造效率和制造質(zhì)量，贏得國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在“未來(lái)工廠”建設(shè)中，空客集團(tuán)正在圍繞機(jī)器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3D打印技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)開展深入研究，部分技術(shù)創(chuàng)新成果已經(jīng)開始在空客集團(tuán)各子公司獲得初步應(yīng)用[2]。

“即插即用”機(jī)器人——實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配線高度自動(dòng)化

裝配線自動(dòng)化是未來(lái)工廠建設(shè)中要改變的主要領(lǐng)域之一。其趨勢(shì)是不斷引進(jìn)智能機(jī)器人來(lái)執(zhí)行重復(fù)作業(yè)，將勞動(dòng)工人解放出來(lái)承擔(dān)更重要的任務(wù)。隨著空客公司和空客直升機(jī)公司的機(jī)器人使用量不斷增加，機(jī)器人與工人的協(xié)同工作也將越來(lái)越多。

1 機(jī)器人將成為重要“工作伙伴”

空客公司已經(jīng)確定在2020年前將優(yōu)化7條裝配生產(chǎn)線，主要優(yōu)化手段之一就是增加自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用。目前，通過識(shí)別、診斷在傳統(tǒng)飛機(jī)裝配線中存在錯(cuò)誤、問題或缺陷，已經(jīng)縮短了飛機(jī)裝配時(shí)間。空客公司正在開展更深入的工作，從2015年起，每年將持續(xù)增加機(jī)器人的應(yīng)用，包括用于處理特殊工作任務(wù)的輕量化機(jī)器、小型加工系統(tǒng)等。

目前，空客公司已經(jīng)使用了輕量化的單臂機(jī)器人，能夠自主沿著飛機(jī)機(jī)身內(nèi)部移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)支架的流水線安裝?？湛凸居?jì)劃安裝具有多自由度的協(xié)作機(jī)器人，用于進(jìn)行更復(fù)雜的工作。空客公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)也指出:機(jī)器人將不會(huì)代替所有工人。機(jī)器人主要是從事那些工人無(wú)法帶來(lái)更高附加值的高重復(fù)性工作?？湛凸菊谠囼?yàn)在A380方向舵裝配線上使用雙臂仿人機(jī)器人，如圖1所示，致力于實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同裝配。

2 裝配用外骨骼

作為未來(lái)愿景的一部分，空客公司還正在嘗試通過開發(fā)可穿戴式外骨骼來(lái)增強(qiáng)工人的能力，幫助他們搬舉重物或在復(fù)雜空間位置開展工作。正在開發(fā)的可穿戴式外骨骼采用輕量化、軟質(zhì)材料，并以攝像師使用的攝像機(jī)穩(wěn)定器為基礎(chǔ)，能夠協(xié)助穿戴者熟練操縱特定零部件，提高人機(jī)功效。空客公司已經(jīng)在馬里尼亞訥工廠部署了第一代機(jī)械化外骨骼，如圖2所示，正在研究應(yīng)用更加復(fù)雜的電氣化外骨骼。

3 機(jī)身質(zhì)量檢測(cè)與噴涂機(jī)器人

空客直升機(jī)公司正在積極研究用于飛機(jī)機(jī)身質(zhì)量檢測(cè)、噴涂的機(jī)器人。新的機(jī)器人將通過預(yù)設(shè)程序?qū)崿F(xiàn)在車間獨(dú)立移動(dòng)，不會(huì)擾亂甚至傷害其他人類工作伙伴。

飛機(jī)機(jī)身、艙門、窗戶的防水測(cè)試是一項(xiàng)非常細(xì)致的工作，對(duì)工人來(lái)說是一種重負(fù)荷重復(fù)勞動(dòng)?？湛椭鄙龣C(jī)公司研究采用協(xié)同機(jī)器人對(duì)整個(gè)機(jī)身進(jìn)行全面檢測(cè)，通過測(cè)量、記錄噪聲來(lái)判斷機(jī)身中存在的裂紋或孔洞。

該公司還計(jì)劃使用機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜裝飾、零部件表面噴涂等多項(xiàng)工作。采用機(jī)器人后，可以對(duì)零部件表面從噴漆前處理到面漆固化的整個(gè)噴涂工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，將能實(shí)現(xiàn)最小的能源消耗，還能縮短噴涂時(shí)間。

另外，可以通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化領(lǐng)域直升機(jī)旋翼蒙皮的制造。蒙皮需要非常高的精度，空客直升機(jī)公司研究人員正在測(cè)試一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)來(lái)執(zhí)行此項(xiàng)任務(wù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——促進(jìn)飛機(jī)生產(chǎn)車間數(shù)字化、智能化

當(dāng)前，數(shù)字樣機(jī)、激光投射、復(fù)雜3D環(huán)境等數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得以全面應(yīng)用?？湛图瘓F(tuán)已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程，正在驗(yàn)證虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生產(chǎn)過程的應(yīng)用效益。

1 全新的A350 XWB設(shè)計(jì)研發(fā)環(huán)境

目前飛機(jī)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)，并且通過3D幾何數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的數(shù)字樣機(jī)逐漸成為飛機(jī)生產(chǎn)過程的主數(shù)據(jù)。

空客公司針對(duì)A350 XWB全生命周期管理，構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，其大小與復(fù)雜性在業(yè)界都是前所未有的。其注冊(cè)用戶達(dá)3萬(wàn)人，空客公司內(nèi)部及其供應(yīng)鏈上的工程師約1萬(wàn)人每天通過該虛擬環(huán)境獲取詳細(xì)的、最新的項(xiàng)目信息。作為A350 XWB設(shè)計(jì)研發(fā)的一部分，空客公司開發(fā)出逼真人機(jī)工程分析（Realistic Human Ergonomic Analysis，RHEA）工具[3]，如圖3所示，操作人員能夠借助特制眼鏡、頭戴式顯示器等裝置能夠進(jìn)入虛擬環(huán)境，與A350XWB全尺寸3D模型進(jìn)行交互?？湛椭鄙龣C(jī)公司也在嘗試使用RHEA軟件工具進(jìn)行飛機(jī)性能維護(hù)及測(cè)試工作。

2 混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用工具

混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用（Mixed Reality A p p l i c a t i o n，MiRA）工具是空客公司下一步要主推的一種智能化、便捷使用工具，致力于將數(shù)字化樣機(jī)集成到生產(chǎn)環(huán)境中，向生產(chǎn)工程師提供零件3D模型。

MiRA工具由一臺(tái)平板電腦、一種定制傳感器組件以及相應(yīng)軟件構(gòu)成，能夠檢測(cè)到操作人員的運(yùn)動(dòng)情況并能拍攝真實(shí)環(huán)境的視頻。通過MiRA工具，操作人員可以從任何視角獲取飛機(jī)的3D模型，進(jìn)而通過采用與飛機(jī)連接的定位裝置按照自己選定的角度操縱飛機(jī)，還能獲取額外的系統(tǒng)信息用以促進(jìn)生產(chǎn)工作。另外，操作人員的反饋信息也能通過MiRA工具集成到飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)中，方便設(shè)計(jì)工程師獲取。

圖1 雙臂仿人機(jī)器人Fig.1 2-Arm humanoid robot

圖2 機(jī)械化外骨骼Fig.2 Mechanical exoskeleton

圖3 逼真人機(jī)工程分析軟件工具Fig.3 Realistic human ergonomic analysis tool

MiRA工具已經(jīng)開始用于A380、A350 XWB生產(chǎn)線中，用來(lái)檢測(cè)可以固定液壓系統(tǒng)、管路的結(jié)構(gòu)支架，能夠減少后續(xù)發(fā)現(xiàn)受損、錯(cuò)誤定位或者支架缺少等問題的概率，如圖4所示。采用MiRA，檢測(cè)A380機(jī)身上6～8萬(wàn)個(gè)支架所需的時(shí)間從3個(gè)星期縮短到僅3天時(shí)間就能完成。

同時(shí)，空客直升機(jī)公司也在試制集成MiRA工具的智能設(shè)備，將一種類似于工業(yè)用途的Google眼鏡與MiRA工具集成，以便向工人提供更多信息和更好的指導(dǎo)。

3 智能生產(chǎn)

目前在空客裝配生產(chǎn)線中使用智能終端還不常見，但是在未來(lái)的數(shù)字化工廠中將隨處可見?？湛图瘓F(tuán)提出的“智能車間”概念致力于采用智能生產(chǎn)工具，快速獲取并記錄數(shù)據(jù)，消除生產(chǎn)過程的潛在錯(cuò)誤?？湛图瘓F(tuán)制造研究團(tuán)隊(duì)正在研究異構(gòu)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、通信交換等技術(shù)，并研究構(gòu)建一個(gè)“數(shù)碼商店”（一種軟硬件數(shù)據(jù)庫(kù)），以便將智能生產(chǎn)工具配置到整個(gè)“智能車間”?！皵?shù)碼商店”概念的靈感來(lái)源于智能手機(jī)應(yīng)用程序商店，智能手機(jī)能夠通過定制來(lái)使用特定軟件程序和硬件，制造研究團(tuán)隊(duì)也可開發(fā)與車間應(yīng)用直接兼容的硬件和軟件應(yīng)用程序，構(gòu)建自己的“數(shù)碼商店”。

制造研究團(tuán)隊(duì)正在考慮如何簡(jiǎn)化“智能車間”的工作流程，如采用手眼跟蹤、聲音控制以及規(guī)劃3D工作指令圖像等，實(shí)現(xiàn)工人無(wú)障礙的高效操作。

4 數(shù)字化工廠

空客直升機(jī)公司在新的中型直升機(jī)X4項(xiàng)目中引入了“數(shù)字化工廠”概念。通過仿真某個(gè)特定零件在裝配過程中的流向，優(yōu)化零件裝配順序，并且實(shí)現(xiàn)了完全與設(shè)計(jì)部門同步:設(shè)計(jì)部門將數(shù)字樣機(jī)傳送到車間，車間隨后就可采用“數(shù)字化工廠”技術(shù)確定其裝配工序。

空客直升機(jī)公司目前正在進(jìn)行的另外一項(xiàng)開發(fā)項(xiàng)目是數(shù)字化電纜布線，如圖5所示。之前，在樣機(jī)上進(jìn)行電纜布線時(shí)，操作人員需要從數(shù)字樣機(jī)中提取數(shù)據(jù)，打印紙質(zhì)電纜線路布局圖，然后由電氣工人根據(jù)紙質(zhì)文檔在樣機(jī)上進(jìn)行人工電纜布線?，F(xiàn)在，采用新軟件，無(wú)需打印紙質(zhì)電纜線路布局圖，實(shí)現(xiàn)了電纜布線的數(shù)字化，iPad屏幕上會(huì)突出顯示出電纜的復(fù)雜路徑，可以通過iPad觸摸屏來(lái)完成電纜布線。

圖4 MiRA正在用于檢測(cè)可以固定液壓系統(tǒng)、管路的結(jié)構(gòu)支架Fig.4 MiRA is being applied to check the structural brackets that hold systems such as hydraulics and pipes in place

圖5 數(shù)字化電纜布線Fig.5 Digital electronic jig board

3D打印技術(shù)——實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配過程中急需零件的快速制造

在整個(gè)空客集團(tuán)，大多數(shù)項(xiàng)目都在加速研究采用3D打印技術(shù)來(lái)制造成本更低、質(zhì)量更輕的飛機(jī)零部件。此外，3D打印技術(shù)在飛機(jī)裝配線上也起著重要作用，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配過程中所需零件的及時(shí)制造，避免許多其他的額外工作，實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率。

空客集團(tuán)已經(jīng)開始將3D打印技術(shù)用于制造模具、樣件、飛行測(cè)試的零部件，以及商用飛機(jī)零部件。采用3D打印技術(shù)制造的零部件在空客飛機(jī)中的應(yīng)用范圍也正在擴(kuò)大，如正在服役的噴氣客機(jī)（A300/A310系列）、下一代A350XWB飛機(jī)等。由空客防務(wù)與空間公司生產(chǎn)的首件經(jīng)過飛行測(cè)試的3D打印鈦合金支架，已經(jīng)搭載AtlanticBird7通信衛(wèi)星進(jìn)入太空。

空客集團(tuán)除采用3D打印技術(shù)制造零部件外，正在尋求將3D打印技術(shù)用于生產(chǎn)過程中，用以解決零件備件短缺的問題。在裝配過程中每缺失1個(gè)零件，都會(huì)導(dǎo)致裝配過程受到很大干擾，浪費(fèi)成本。3D打印技術(shù)可以用于制造一些裝配過程中急需的短缺零件和長(zhǎng)期處于小批量的非標(biāo)零件?？湛图瘓F(tuán)相關(guān)團(tuán)隊(duì)正在建造一個(gè)3D打印車間，能夠在24h內(nèi)制造出定制零件。目前該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠生產(chǎn)大量塑料零部件，到2015年底將可以生產(chǎn)合格的鈦合金零件，團(tuán)隊(duì)還期望未來(lái)能生產(chǎn)鋁合金、高溫合金零部件。

集成化生產(chǎn)——統(tǒng)籌兼顧整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)制造首件合格的目標(biāo)，意味著從開始交付的零件就要無(wú)缺陷，且整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)也要更加精益。對(duì)民用飛機(jī)來(lái)說，批量相對(duì)較大，在生產(chǎn)線中考慮新技術(shù)的制造成熟度很重要，而對(duì)于批量較小的軍用飛機(jī)和直升機(jī)而言，除制造成熟度外，還要在生產(chǎn)線中考慮柔性和模塊化。

1 根據(jù)不同的生產(chǎn)批量，確定不同的生產(chǎn)線方案

為不斷提高飛機(jī)制造速度，以應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求（例如，2014年空客公司共交付629架飛機(jī)，創(chuàng)歷史新高），空客集團(tuán)采用了一種集成的、統(tǒng)籌兼顧整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的方法。對(duì)于生產(chǎn)批量較高的生產(chǎn)系統(tǒng)，制造成熟度非常關(guān)鍵，采用成熟度高的技術(shù)可以避免后續(xù)可能存在的制造干擾，為此，要對(duì)新技術(shù)的制造成熟度進(jìn)行驗(yàn)證。例如，在A320neo項(xiàng)目中，建立了一條預(yù)生產(chǎn)線，主要目的是先將新技術(shù)集成到預(yù)生產(chǎn)線中進(jìn)行評(píng)估，對(duì)其可靠性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試合格后才能進(jìn)入批生產(chǎn)線，進(jìn)而保證批生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

與空客集團(tuán)民用飛機(jī)的批量化生產(chǎn)相反，對(duì)于空客防務(wù)與空間公司生產(chǎn)軍用飛機(jī)來(lái)說，軍機(jī)生產(chǎn)屬于小批量制造。生產(chǎn)線通常要生產(chǎn)同一飛機(jī)系列的不同型號(hào)，需要生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)更大的定制化，生產(chǎn)線的柔性與自動(dòng)化要達(dá)到一個(gè)最佳平衡。對(duì)于要達(dá)到每月生產(chǎn)20架中小型運(yùn)輸機(jī)（C295、C235）的生產(chǎn)速率，生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)正在開展一些新的研究，主要包括以下幾個(gè)方面:

（1）實(shí)現(xiàn)工程師與工業(yè)化數(shù)字樣機(jī)的協(xié)作；

（2）飛機(jī)裝配采用新技術(shù)；

（3）開發(fā)適于車間操作人員使用的3D激光投射指令；

（4）開發(fā)地面測(cè)試系統(tǒng)，用于對(duì)未來(lái)產(chǎn)品和突破性技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 建立模塊化、柔性化的飛機(jī)主旋翼生產(chǎn)車間

空客直升機(jī)公司拉庫(kù)爾訥沃工廠主要制造空客大部分直升機(jī)的主旋翼，其產(chǎn)品制造復(fù)雜性各異，對(duì)于生產(chǎn)歷史較長(zhǎng)的Ecureuil AStar飛機(jī)主旋翼，生產(chǎn)相對(duì)容易，而對(duì)于EC225、NH90等現(xiàn)代化的大型飛機(jī)，生產(chǎn)相對(duì)復(fù)雜，需要更長(zhǎng)的生產(chǎn)周期?？湛椭鄙龣C(jī)公司已經(jīng)開始對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，首先是生產(chǎn)車間布局優(yōu)化，到2015年底，生產(chǎn)線將更加精益。

目前，在空客直升機(jī)公司拉庫(kù)爾訥沃工廠每年能生產(chǎn)約2000個(gè)主旋翼，主旋翼的大部分制造工序在不同車間完成，零件在運(yùn)輸過程中發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)很高，也會(huì)導(dǎo)致大量時(shí)間浪費(fèi)。而正在建設(shè)的勒布爾歇工廠將設(shè)計(jì)成一個(gè)大車間，充分吸收拉庫(kù)爾訥沃工廠的先進(jìn)制造技術(shù)成果，工廠采用柔性化車間布局，實(shí)現(xiàn)最大可能的模塊化，可以根據(jù)需要對(duì)車間布局進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，這樣更容易適應(yīng)未來(lái)產(chǎn)品的變化。

結(jié)束語(yǔ)

空客集團(tuán)“未來(lái)工廠”建設(shè)構(gòu)想代表了未來(lái)飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。而機(jī)器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3D打印技術(shù)等最新先進(jìn)制造技術(shù)創(chuàng)新成果的研究應(yīng)用是促進(jìn)“未來(lái)工廠”建設(shè)的關(guān)鍵。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，將帶動(dòng)“未來(lái)工廠”建設(shè)構(gòu)想一步步走向現(xiàn)實(shí)。空客集團(tuán)“未來(lái)工廠”建設(shè)理念和具體做法值得我國(guó)航空制造業(yè)學(xué)習(xí)與借鑒。統(tǒng)籌考慮當(dāng)前發(fā)展急需和未來(lái)發(fā)展需求，關(guān)注制造技術(shù)前沿，大力推動(dòng)制造技術(shù)創(chuàng)新研究，對(duì)我國(guó)航空制造業(yè)發(fā)展具有重要意義。

[1]STUART N. In touch with reality: the digital future of the factory[EB/OL]. [2015-02-25].http://www.theengineer.co.uk/in-touch-withreality-the-digital-future-of-the-factory/.

[2]áLVARO F, FAVILA R, HUGO A. Factory of the future—new ways of manufacturing[EB/OL]. [2015-08-20].http://www.airbusgroup.com/int/en/story-overview/factory-of-the-future.html.

[3]AIRBUS. Airbus’ factory of the future[EB/OL].[2015-08-20].http://trends.directindustry.com/project-15958.html.