（北方科技信息研究所，北京 100089）

隨著工業(yè)4.0時代的到來，智能制造成為制造業(yè)的發(fā)展重點。空客集團緊跟時代步伐，提出“未來工廠”建設(shè)構(gòu)想[1]，目標是通過先進制造技術(shù)創(chuàng)新，實現(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，贏得國際市場競爭力。在“未來工廠”建設(shè)中，空客集團正在圍繞機器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D打印技術(shù)等先進制造技術(shù)開展深入研究，部分技術(shù)創(chuàng)新成果已經(jīng)開始在空客集團各子公司獲得初步應(yīng)用[2]。

“即插即用”機器人——實現(xiàn)飛機裝配線高度自動化

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

1 機器人將成為重要“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化技術(shù)的應(yīng)用。目前，通過識別、診斷在傳統(tǒng)飛機裝配線中存在錯誤、問題或缺陷，已經(jīng)縮短了飛機裝配時間。空客公司正在開展更深入的工作，從2015年起，每年將持續(xù)增加機器人的應(yīng)用，包括用于處理特殊工作任務(wù)的輕量化機器、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器人，能夠自主沿著飛機機身內(nèi)部移動，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)支架的流水線安裝?？湛凸居媱澃惭b具有多自由度的協(xié)作機器人，用于進行更復(fù)雜的工作?？湛凸狙邪l(fā)團隊也指出:機器人將不會代替所有工人。機器人主要是從事那些工人無法帶來更高附加值的高重復(fù)性工作?？湛凸菊谠囼炘贏380方向舵裝配線上使用雙臂仿人機器人，如圖1所示，致力于實現(xiàn)人機協(xié)同裝配。

2 裝配用外骨骼

作為未來愿景的一部分，空客公司還正在嘗試通過開發(fā)可穿戴式外骨骼來增強工人的能力，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，提高人機功效?？湛凸疽呀?jīng)在馬里尼亞訥工廠部署了第一代機械化外骨骼，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 機身質(zhì)量檢測與噴涂機器人

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

飛機機身、艙門、窗戶的防水測試是一項非常細致的工作，對工人來說是一種重負荷重復(fù)勞動?？湛椭鄙龣C公司研究采用協(xié)同機器人對整個機身進行全面檢測，通過測量、記錄噪聲來判斷機身中存在的裂紋或孔洞。

該公司還計劃使用機器人進行復(fù)雜裝飾、零部件表面噴涂等多項工作。采用機器人后，可以對零部件表面從噴漆前處理到面漆固化的整個噴涂工藝流程進行優(yōu)化，將能實現(xiàn)最小的能源消耗，還能縮短噴涂時間。

另外，可以通過機器人實現(xiàn)自動化領(lǐng)域直升機旋翼蒙皮的制造。蒙皮需要非常高的精度，空客直升機公司研究人員正在測試一臺機器人樣機來執(zhí)行此項任務(wù)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)——促進飛機生產(chǎn)車間數(shù)字化、智能化

當前，數(shù)字樣機、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已經(jīng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程，正在驗證虛擬現(xiàn)實技術(shù)在生產(chǎn)過程的應(yīng)用效益。

1 全新的A350 XWB設(shè)計研發(fā)環(huán)境

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

空客公司針對A350 XWB全生命周期管理，構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實環(huán)境，其大小與復(fù)雜性在業(yè)界都是前所未有的。其注冊用戶達3萬人，空客公司內(nèi)部及其供應(yīng)鏈上的工程師約1萬人每天通過該虛擬環(huán)境獲取詳細的、最新的項目信息。作為A350 XWB設(shè)計研發(fā)的一部分，空客公司開發(fā)出逼真人機工程分析（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入虛擬環(huán)境，與A350XWB全尺寸3D模型進行交互?？湛椭鄙龣C公司也在嘗試使用RHEA軟件工具進行飛機性能維護及測試工作。

2 混合現(xiàn)實應(yīng)用工具

混合現(xiàn)實應(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，能夠檢測到操作人員的運動情況并能拍攝真實環(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的3D模型，進而通過采用與飛機連接的定位裝置按照自己選定的角度操縱飛機，還能獲取額外的系統(tǒng)信息用以促進生產(chǎn)工作。另外，操作人員的反饋信息也能通過MiRA工具集成到飛機數(shù)字樣機中，方便設(shè)計工程師獲取。

圖1 雙臂仿人機器人Fig.1 2-Arm humanoid robot

圖2 機械化外骨骼Fig.2 Mechanical exoskeleton

圖3 逼真人機工程分析軟件工具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，用來檢測可以固定液壓系統(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A380機身上6～8萬個支架所需的時間從3個星期縮短到僅3天時間就能完成。

同時，空客直升機公司也在試制集成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，但是在未來的數(shù)字化工廠中將隨處可見?？湛图瘓F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)過程的潛在錯誤?？湛图瘓F制造研究團隊正在研究異構(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“數(shù)碼商店”（一種軟硬件數(shù)據(jù)庫），以便將智能生產(chǎn)工具配置到整個“智能車間”?！皵?shù)碼商店”概念的靈感來源于智能手機應(yīng)用程序商店，智能手機能夠通過定制來使用特定軟件程序和硬件，制造研究團隊也可開發(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”。

制造研究團隊正在考慮如何簡化“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，實現(xiàn)工人無障礙的高效操作。

4 數(shù)字化工廠

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

空客直升機公司目前正在進行的另外一項開發(fā)項目是數(shù)字化電纜布線，如圖5所示。之前，在樣機上進行電纜布線時，操作人員需要從數(shù)字樣機中提取數(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)文檔在樣機上進行人工電纜布線。現(xiàn)在，采用新軟件，無需打印紙質(zhì)電纜線路布局圖，實現(xiàn)了電纜布線的數(shù)字化，iPad屏幕上會突出顯示出電纜的復(fù)雜路徑，可以通過iPad觸摸屏來完成電纜布線。

圖4 MiRA正在用于檢測可以固定液壓系統(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)——實現(xiàn)飛機裝配過程中急需零件的快速制造

在整個空客集團，大多數(shù)項目都在加速研究采用3D打印技術(shù)來制造成本更低、質(zhì)量更輕的飛機零部件。此外，3D打印技術(shù)在飛機裝配線上也起著重要作用，可以實現(xiàn)飛機裝配過程中所需零件的及時制造，避免許多其他的額外工作，實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率。

空客集團已經(jīng)開始將3D打印技術(shù)用于制造模具、樣件、飛行測試的零部件，以及商用飛機零部件。采用3D打印技術(shù)制造的零部件在空客飛機中的應(yīng)用范圍也正在擴大，如正在服役的噴氣客機（A300/A310系列）、下一代A350XWB飛機等。由空客防務(wù)與空間公司生產(chǎn)的首件經(jīng)過飛行測試的3D打印鈦合金支架，已經(jīng)搭載AtlanticBird7通信衛(wèi)星進入太空。

空客集團除采用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個零件，都會導(dǎo)致裝配過程受到很大干擾，浪費成本。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期處于小批量的非標零件。空客集團相關(guān)團隊正在建造一個3D打印車間，能夠在24h內(nèi)制造出定制零件。目前該團隊已經(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，團隊還期望未來能生產(chǎn)鋁合金、高溫合金零部件。

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

要實現(xiàn)飛機制造首件合格的目標，意味著從開始交付的零件就要無缺陷，且整個生產(chǎn)系統(tǒng)也要更加精益。對民用飛機來說，批量相對較大，在生產(chǎn)線中考慮新技術(shù)的制造成熟度很重要，而對于批量較小的軍用飛機和直升機而言，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

為不斷提高飛機制造速度，以應(yīng)對不斷增長的生產(chǎn)需求（例如，2014年空客公司共交付629架飛機，創(chuàng)歷史新高），空客集團采用了一種集成的、統(tǒng)籌兼顧整個生產(chǎn)系統(tǒng)的方法。對于生產(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，要對新技術(shù)的制造成熟度進行驗證。例如，在A320neo項目中，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)線中進行評估，對其可靠性進行測試，測試合格后才能進入批生產(chǎn)線，進而保證批生產(chǎn)的順利進行。

與空客集團民用飛機的批量化生產(chǎn)相反，對于空客防務(wù)與空間公司生產(chǎn)軍用飛機來說，軍機生產(chǎn)屬于小批量制造。生產(chǎn)線通常要生產(chǎn)同一飛機系列的不同型號，需要生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)更大的定制化，生產(chǎn)線的柔性與自動化要達到一個最佳平衡。對于要達到每月生產(chǎn)20架中小型運輸機（C295、C235）的生產(chǎn)速率，生產(chǎn)團隊正在開展一些新的研究，主要包括以下幾個方面:

（1）實現(xiàn)工程師與工業(yè)化數(shù)字樣機的協(xié)作；

（2）飛機裝配采用新技術(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)地面測試系統(tǒng)，用于對未來產(chǎn)品和突破性技術(shù)進行驗證。

2 建立模塊化、柔性化的飛機主旋翼生產(chǎn)車間

空客直升機公司拉庫爾訥沃工廠主要制造空客大部分直升機的主旋翼，其產(chǎn)品制造復(fù)雜性各異，對于生產(chǎn)歷史較長的Ecureuil AStar飛機主旋翼，生產(chǎn)相對容易，而對于EC225、NH90等現(xiàn)代化的大型飛機，生產(chǎn)相對復(fù)雜，需要更長的生產(chǎn)周期?？湛椭鄙龣C公司已經(jīng)開始對生產(chǎn)系統(tǒng)進行優(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，在空客直升機公司拉庫爾訥沃工廠每年能生產(chǎn)約2000個主旋翼，主旋翼的大部分制造工序在不同車間完成，零件在運輸過程中發(fā)生損傷的風(fēng)險很高，也會導(dǎo)致大量時間浪費。而正在建設(shè)的勒布爾歇工廠將設(shè)計成一個大車間，充分吸收拉庫爾訥沃工廠的先進制造技術(shù)成果，工廠采用柔性化車間布局，實現(xiàn)最大可能的模塊化，可以根據(jù)需要對車間布局進行相應(yīng)調(diào)整，這樣更容易適應(yīng)未來產(chǎn)品的變化。

結(jié)束語

空客集團“未來工廠”建設(shè)構(gòu)想代表了未來飛機制造業(yè)的發(fā)展趨勢。而機器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D打印技術(shù)等最新先進制造技術(shù)創(chuàng)新成果的研究應(yīng)用是促進“未來工廠”建設(shè)的關(guān)鍵。隨著先進制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，將帶動“未來工廠”建設(shè)構(gòu)想一步步走向現(xiàn)實。空客集團“未來工廠”建設(shè)理念和具體做法值得我國航空制造業(yè)學(xué)習(xí)與借鑒。統(tǒng)籌考慮當前發(fā)展急需和未來發(fā)展需求，關(guān)注制造技術(shù)前沿，大力推動制造技術(shù)創(chuàng)新研究，對我國航空制造業(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.