Fraunhofer IFAM开发自动化CFRP机身框架预组装端效应器

自动化是提高生产效率最重要策略之一。在德国联邦经济与能源部（BMWi）资助的"Impulse"项目及"Tempo"（"CFRP机身组件高效组装与生产技术"）子项目中，开发出新型定位钻孔端效应器。

该端效应器实现飞机机身制造中CFRP整体框架加强元件（挂耳）的自动化预组装。先前人工生产需更多工序。紧凑端效应器也可被标准工业机器人拾取，实现恒定质量下的生产率提升和成本降低。

由空客汉堡（德国）和Fraunhofer制造技术与先进材料研究所（IFAM，施塔德）合作开发，这些自动化解决方案已在全尺寸原型近量产环境中验证。项目于2020年成功完成。

CFRP框架预组装挑战

框架是飞机机身横向加强元件。A350采用CFRP和创新整体机身结构节省重量和生产步骤。为防框架侧向弯曲需额外加强元件（挂耳）。肋条长达6米且几何形状各异，人工装配挂耳需为每个肋条专用模板，公差达0.2毫米。模板昂贵且复杂。人工挂耳供给和预组装需大量方差，拼接部件大量测量步骤对精确位置对齐也至关重要。

Fraunhofer IFAM项目经理Leander Brieskorn解释："'Tempo'项目挑战我们自动化工序以减少工序时长和复杂度。挂耳应自动拾取送至框架。为铆接框架和挂耳，需钻穿两组件。我们通过新开发的高精度端效应器为框架装配挂耳。此外，框架在施塔德近量产机身装配厂无缝安装至机身蒙皮。"

高精度端效应器：自动拾取定位双钻

开发的定位钻孔端效应器实现不同挂耳接收、不同整体框架定位及同步双钻。紧凑端效应器可被门式系统和标准工业机器人拾取。门式系统因定位精度更高被选用。整体框架架设在支架上，可通过多个机械调节选项空间定向。端效应器具对称夹持器，可拾取不同朝向挂耳并夹持。利用弹簧阻尼机械挡块局部精度接近相应连接位置。挂耳加强元件从上方放置框架表面并用内置机构夹紧，钻孔从框架背面进行防止CFRP毛刺。吸尘系统收集钻屑。钻孔后挂耳在框架上位置确定，随后可铆接。

端效应器可通过系统PLC控制，从导入组件CAD数据获取全局位置数据。通过激光跟踪器快速上游测量适配新装配情况。创新技术实现可靠工艺和高定位精度。除控制面板按启动按钮外，一切自动运行。专门开发的用户友好操作界面，配自解释图像便于输入，使无经验员工也能快速熟悉系统控制。

通过修改挂耳拾取装置，端效应器也可安装几何略有不同的挂耳类型并精确定位不同类型整体框架。自动装配精度±0.1毫米，超精度要求200%。

端效应器集成测量技术精确记录所需200牛顿接触压力及其他监测挂耳预组装最佳条件参数，保证在线质量保证。

近量产验证与跨行业应用前景

"Tempo"子项目中，装配挂耳的整体框架在Fraunhofer IFAM施塔德技术中心近量产机身装配系统安装至机身蒙皮。整体框架与机身蒙皮接头缝隙测量均小于0.3毫米，无需额外填充。

为框架预组装、定位钻孔开发的端效应器，通过调整安装系统也可用于风机、轨道车辆、商用车、汽车或造船等其他行业组件装配。

为期三年半的"Impuls"研究项目（"CFRP机身组件创新、中期可实施、节省成本解决方案"）含"Tempo"子项目，于2020年结束，BMWi资助编号：20W1526F。Fraunhofer IFAM感谢BMWi资助。

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