专家：提高自动化对满足飞机需求至关重要

仅未来 20 年的商业需求就表明生产率会翻倍

在冠状病毒大流行颠覆正常生活并从根本上关闭商业客机之前，航空业预计未来 20 年需要 40,000 架新飞机——飞机、直升机、空中出租车和无人驾驶飞行器。该数量包括在平均寿命为 25 至 30 年之后停止使用且积压约 8 年的工艺的替代品。

一些行业专家表示，如果一旦与大流行相关的限制放松，对航班的需求就会恢复到之前的水平，那么满足预计需求的唯一方法就是提高自动化程度。

与许多其他行业不同，航空业是体力劳动普遍存在的行业，因为目前没有可行的替代制造工艺。但考虑到 Statista 记录的 2006 年至 2019 年全球空中交通乘客需求的同比增长（增长范围从 2.4% 到 8.1%，除了 2009 年处于大衰退高峰期）和其他因素，更高的效率是如果行业要跟上步伐，则必须强制执行。

研究人员正试图弄清楚如何使某些流程自动化，例如手糊。但目前还有其他可用的自动化措施，包括将组装说明投射到工作站上以及自动化密封剂、紧固、标记和材料处理过程。

空军研究实验室结构技术部门负责人约翰·D·罗素 (John D. Russell) 表示，仅商业航空需求就需要有效地将生产率提高一倍。

除了商用飞机，军方还在探索可生产数千架的可磨损飞机。

最后，空中出租车概念已经受到传统航空公司和优步等公司的青睐，并且需要更多的生产。

拉塞尔说：“对于这些案例中的任何一个，我从业内联系人那里得知，美国目前没有能力，”拉塞尔说，并警告说他的信息来自病毒在全球范围内传播之前。 “如果这三者同时实现，行业将不得不在如何解决产能问题上发挥创意。

“我听到的最大替代方案是使用自动化来提高生产力和吞吐量，特别是对于商业航空而言。公司正在研究自动化可以改善从零件制造到组装的任何方式。我听说自动化的资本支出比增加新生产线的成本要低。”

拉塞尔说，看到空中出租车行业在海外生产，他不会感到惊讶，因为车辆价格可能是他们商业模式的主要驱动力。他怀疑我们是否会看到商业航空的离岸外包，因为由于劳动力所涉及的高技能水平，该行业可能会坚持已建立的供应商关系。他指出，显然，任何军用车辆都不能选择离岸外包。

20年交付4万架飞机，每年需要生产2000架，远高于疫情前的交付量。

当制造商无法以足够快的速度准备好满足航空运输增长带来的需求增加时，就会出现交货积压。

此外，消费者现在将航空旅行视为必需品而非奢侈品，并且有能力支付个人旅行费用。

因此，商业航空公司扩大了产品范围，为那些渴望飞行的消费者提供灵活的起飞时间。

截至 5 月 1 日，波音公司积压了 5,049 架飞机，而截至 3 月 31 日，空客的积压订单已达 7,650 架。

在大流行之前，波音和空客之间竞争的复苏预计将导致其广受欢迎的窄体平台交付创纪录，2019 年产量同比增长 9.4%。预计波音和空客将生产更多根据研究和分析公司 Frost &Sullivan 2019 年 6 月中旬发布的新闻稿，去年的飞机数量超过 1,750 架，高于 2018 年的 1,606 架。

不过到了 8 月，其他人正在削减这些数字。

根据《卫报》的一篇文章，在发生两起致命事故后，波音 737 Max 喷气式飞机于 2019 年 3 月停飞后，全球飞机产量下降了四分之一。英国航空游说团体 ADS 表示，2019 年 7 月交付了 88 架飞机，比去年同月的交付量下降了 24%，下降的主要原因是 737 等单通道飞机的产量下滑。

截至去年底，空客和波音合计交付飞机1243架。

该行业正在采取行动增加这些数字。

“两家最大的商用飞机制造商波音和空中客车公司都在增加大量资金来提高生产率，”JR Automation 航空航天和国防业务发展副总裁 Bill Bigot 说。

去年底，空客在德国汉堡实施了其A320系列机身结构高度自动化装配线。

该公司表示，新设施配备了 20 台机器人、新的物流概念、激光测量自动定位以及数字数据采集系统。

除了使用机器人外，空中客车还在材料和零部件物流方面实施新的方法和技术，以优化生产、改善人体工程学并缩短交货时间。这包括物流和生产层级的分离、以需求为导向的物料补给和使用自动导引车。

然而，大约在同一时间，波音公司结束了其位于华盛顿州埃弗里特的工厂为期四年的全面自动化工作，该工厂使用机械臂在其 777 喷气式客机和 777X 的两个主要机身部分插入紧固件，而是选择手动插入熟练的机械师。

根据已发表的报告，机器人仍在自动“柔性轨道”系统上为紧固件钻孔，从而实现人机结合的过程。

不过，这种努力最终可能会得到回报。

波音公司负责 777X 生产的副总裁杰森克拉克告诉《洛杉矶时报》，使用机器人技术失败的努力让波音公司从“第一次非常深入地研究这类技术”中学到了一些宝贵的经验教训。 “它教会了我们如何进行自动化设计，”Clark 在 11 月的一篇文章中被引用。

据《泰晤士报》报道，新方法对工人的磨损更少，因为 Electroimpact Inc. 开发的机器可以处理机身组装中对体力要求最高的任务之一：在金属上钻孔。

此外，公司发言人说：“我们重新设计了部分结构，用难度较低的紧固件代替铆钉，进一步改善了人体工程学。”

并非所有增加产量的措施都包括新生产线和机器人。

在其位于南卡罗来纳州北查尔斯顿的工厂中，波音公司：为机械师配备外骨骼，旨在减少持续高空作业带来的压力；据路透社报道，部署了支持蓝牙的智能扳手，以确保工人对螺母施加正确的扭矩，并使用虚拟现实技术让机械师测试新工具。

机器人可以接管手上篮吗？

在将任何机身结构运往汉堡或波音公司在华盛顿州的工厂之前，它们是通过自动化复合材料制造 (ACM) 工艺制造的，包括自动化纤维铺放和自动化胶带铺层。

ACM 适用于机身、机翼和舱壁等中型或大型零件，这些零件也可以是平坦的或略带轮廓的。

但是中小型复合材料零件都是手工叠层制作的，这种工艺效率非常低，浪费了大量的材料。

这是一件大事，因为这些部件——夹子、支架、工字梁和检修门——可以占到结构重量的一半，而且仅在一架飞机上就有数千个。

复合材料顾问 Les Cohen 说：“此外，这些必须手工铺设的部件必须被切割、冲刺、挤压，你有什么。” “这意味着您的购买与飞行比率可以是 2 倍：如果您使用的是每磅 40 美元的材料，那么它实际上是每磅 80 美元的材料。”

南加州大学的一个团队最近完成了一个使用机械臂自动铺层的示范项目。

虽然不是自动化，但飞机制造中使用的材料仍有改进的空间。

业界明白，每隔几层对在制品进行高压灭菌和固化最终零件需要花费大量时间。科恩说，具有高压釜固化部件特性但没有高压釜工艺的快速固化树脂是答案，但它们不可用。他说，由于投资平均长达五年，开发新材料的成本估计为 1000 万美元，而且无法保证它们会被接受，因此这一挑战没有得到解决是可以理解的。

第四次工业革命在航空航天领域起步缓慢

工业 4.0 承诺提高生产力和质量，也可能有助于促进航空生产，但该行业在采用第四次工业革命的互联、数字化和数据驱动的世界方面进展缓慢。

“我想说，这些东西现在才刚刚上线生产并交付成果。我们非常关注这一点，我们只是到了可以在程序级别推出它的地步，并真正为工厂提供一些绝对会影响其效率的东西，”复合材料铺层和自动化项目经理 Andrew Purvis 说在 Electroimpact Inc. “当您开始获取数据并开始处理数字时，您会开始在海量数据中发现大量黄金，并且很多时候是钻石，这些东西真正开始提高您的产量。”

Purvis 说，自动化的成熟是生产的质量方面。

Electroimpact 将质量监控构建到具有检测技术的系统中，该技术可以测量其 AFP 机器在构建或打印零件时所做的一切。自动检查实现了公司称之为“持续调整”的过程。

“该系统实际上是通过观察它在做什么来保持自己的校准状态，并且它会不断地自我调整，”他说。 “就像 AFP 机器或打印机可以通过摄像头或传感器查看输出并说‘嘿，我注意到你开始有点漂移，所以我要补偿’。”

咨询公司 Maher Associates 的总裁 Mick Maher 表示，在这一点上，采用工业 4.0 与其说是一种成就，不如说是一种愿望。

“我不认为航空航天业的发展速度比其他任何行业都慢，”他说。 “我认为工业 4.0 仍然太不成熟，无法在这一点上交出缰绳。也就是说，自动化是工业 4.0 的关键组成部分。但正如自动化的某些部分已经成熟，例如胶带铺放、纤维铺放，仍然需要大量开发。”

大收获

Randy Rounkles 曾在 JR Automation 担任航空航天技术总监，此前曾在 Spirit Aerosystems 工作，他是 2019 年初部署工业 4.0 团队的一员。

Rounkles 说，Spirit 是一家在 2005 年被剥离的波音工厂，其传统目标产量是每月 21 架飞机，具体取决于其物理限制和尺寸。在他离开之前，工厂的月产量为 57 架飞机，同时还增加了班次、更多的员工和更高的自动化程度，特别是在紧固方面。

“我离开之前的（最后一个）项目之一是关于设备利用率的工业 4.0 数据收集，这实际上改变了该公司在了解他们的设备正在做什么以及它能够做什么方面的面貌，”Rounkles 说。 “它对未来利率的资本支出产生了重大影响。”

“涉足数字”

AFRL 的 Russell 表示，世界各地都在开展将工业 4.0 应用于航空航天制造的研究，但采用速度很慢，而且目前的飞机生产更多的是模拟而非数字。

“公司正在涉足数字化以解决特定的痛点，例如资产跟踪，但很少有制造商拥有真正的企业级工业 4.0 环境，”他说。

就工业 4.0 组件的现状而言，增材制造正在研究用于工具和非结构零件，一些过程使用机器人实现自动化，在数据分析方面，已经进行了研发以配合无损检测数据回到原始模型，以了解制造缺陷对零件性能的影响，Russell 说。

在 YouTube 上发布的视频中，带有臂端滚轮的 Kuka 机械臂将预浸复合材料层平滑在前一层上，同时两个带有夹具的机器人将材料两侧拉紧。

有多少手叠艺术家希望在智能机器人单元的录制中展示这种相当于第三只手的效果？

该电池及其背后的所有技术是南加州大学机械工程和计算机科学教授萨蒂安德拉·古普塔 (Satyandra K. Gupta) 及其同事和学生的示范项目。他们根据波音、洛克希德马丁和联合技术公司的建议制作了这个零件，目的是评估自动化的可行性。 Gupta 说，使用机器人自动化制造的零件的测试结果已发送给这三家公司。

“目前，每个人在航空航天领域面临的主要挑战是劳动力短缺，”他说。

他解释说，通过机械臂上篮，人类操作员可以同时监督多个单元。这不仅可以提高产能，还可以消除零件制造过程中的减体积步骤，同时仍能确保质量。

这是因为，对于一个由 100 层预浸料制成的假设关键部件，必须对加工中的部件进行装袋并每隔三（或五）层进行一次真空应用，以确保没有空隙，总共需要 33 次减体积。

但有了机器人，机器人工具的压力是可以测量的，不像人的手，所以质量有保证，过程可以更快。

自动化流程不仅使其保持一致和简化。手上篮是一项乏味且对体力要求很高的工作。

Gupta 和他的团队工作了两年半，将机械臂与臂端工具、计算机视觉、力传感、人工智能算法、高级控制器和人机界面集成在一起。他们的演示部件由多达 15 层标准环氧基碳纤维预浸层组成。

他们工作中最具挑战性的部分是集成实时计算机视觉。

Gupta 说：“你必须拿到相机才能看到正在形成什么缺陷。” “（现在）如果机器人有时看到皱纹，它会这样拉床单，然后那样拉……”

当单元遇到无法解决的问题时，它会通过哔声、电子邮件或文本提醒操作员。

但这只是在必要时。

“有时整个过程会顺利进行，”古普塔说。

看，妈，没有手！ （臂端工具自动进行预浸铺层）

三年前开设的 Rego-Fix 新增项目结合了先进的能源和自然资源保护功能。其中包括特殊的空气交换通风系统、木质颗粒加热、多个渐进式空调装置、“绿色”屋顶，以及使用自然和传感器控制的照明。

换气通风系统每小时在新建筑内交换空气七次。它从制造车间抽出废热——主要由公司机床所需的大型空气压缩机设备产生的热量。在占全年平衡的寒冷月份，回收的废热用于加热进入的新鲜空气，系统从建筑物外部吸入并循环到制造车间。

此外，封闭系统中的循环水有助于在运行期间保持制造地板空气压缩机的冷却。在冷却过程中，水会变热，然后将这些加热的水储存在一个 1849 加仑（7007 升）的水箱中。这些水通过建在大楼办公区地板上的供暖系统进一步帮助大楼供暖。

该设施还包含一个 390 千瓦的加热系统，该系统燃烧木质颗粒而不是化石燃料。颗粒是该地区常见的木材和家具制造行业的副产品。该系统消耗的颗粒量非常少，因为它作为其他热源的备用，并且仅在外部温度极低时才使用。

在夏季，节能渐进式三单元空调系统与地板系统和空气交换系统协同工作，使附加物保持凉爽。空气交换单元将热量带出建筑物，冷水通过地板内系统循环。

如果建筑物内的温度升高到一定水平以上，渐进式空调系统中的一个单元将打开以支持地板系统和空气交换单元。空调机组是转速调节的，因此如果温度水平继续升高，迫使第一个空调机组超过其限制，系统中的第二个空调机组将启动。反过来，如果第二个单元达到其转速限制，则启动第三个单元。一旦建筑物开始降温，各个空调机组将按相反顺序关闭。

建筑物的外墙是完全绝缘的。与典型的屋顶设计不同，Rego-Fix 选择的一种非常不寻常，具有高绝缘性能。被称为“绿色”或“种植”屋顶，它覆盖着土壤，其中生长着实际的草皮。除了具有隔热价值外，屋顶还能收集雨水，然后将其收集在一个 13,200 加仑（50,000 升）的水箱中，用于冲洗大楼卫生间的马桶。

结合起来，建筑物的所有加热和冷却功能在制造区域内提供稳定和恒定的环境温度。这具有关键的制造优势。恒温有助于保持一致的机床精度，以生产公司的高精度刀柄系统。

为了进一步节省能源，新的制造大楼设有许多大型三层隔热窗户，可让充足的自然光线进入。此外，窗户配有可自动打开和关闭的窗帘。这是在夏天保持建筑物凉爽的主要帮助。虽然窗帘可以阻挡大量热量，但它们会被穿孔以让光线进入。

在需要额外照明的地方，使用 LED 型节能灯以及运动控制激活。大楼内没有墙壁开关，只有在有人的时候才亮灯，没有人的时候才关灯。