大型飛機裝配是體現一個企業乃至國家製造技術水平的環節，也是縮短飛機製造周期、降低飛機製造成本的關鍵過程。隨著數位化技術、機器人技術、工裝技術和測量技術的飛速發展，我們已經可以窺見未來飛機裝配工廠的一些雛形。未來飛機裝配工廠中應該能夠看到這樣一組場景：機器人總動員，全民公轉、樂高大電影、脈動時刻、雷射大世界、無人之境。到那時，飛機裝配工廠本身就可以稱為一座航空主題樂園，向人們展示航空科技的無限魅力。
未來飛機裝配最大的特點在於自動、無人、靈巧和柔性，而這又集中體現在機器人鑽鉚、柔性工裝組合、自動對接等關鍵過程，同時也給我們展現出了以下這些場景，它們是相互關聯的：機器人總動員和全民公轉反映了執行端的自動化、靈巧化變革，樂高大電影和脈動時刻則體現了各級裝配系統對柔性化的不懈追求，雷射大世界的主角是高精度裝配不可或缺的要素，無人之境則是這些場景中先進技術的集大成之作。
1 機器人總動員
隨著機器人在航空製造中的應用越來越廣泛，機器人總動員的場景可能率先在裝配工廠出現，各式各樣的鑽鉚機器人不停地重複著航空製造中數量最龐大的這一工藝過程，只在單一位置操作單一零件的固定機器人不再佔多數，可在多個位置操作零件的軌道機器人成為主力，而能根據生產任務自由運動操作任何零件的移動機器人也將受到青睞。空客和波音正在朝這個場景努力，開發基於機器人的低成本、柔性、多功能和自主的解決方案。
空客公司正在進行一項稱作「未來裝配」（FUTURASSY）項目的研究[1]，目標是利用機器人解決方案使航空裝配過程自動化。項目主要開展2 個領域的研究，第一個是「空客標準機器人單元」，探索標準化的航空裝配工藝自動化方案；第二個是「協作機器人」，探索利用雙臂類人型機器人與操作員在同一環境工作，共享工裝和生產資源。
波音公司正在試驗其為777X 裝配最新開發的「機身自動直立製造」（FAUB）系統[2]，該系統使用自動導向機器人來緊固機身壁板，代替之前的手動操作，每天可以鑽孔並鉚接超過60000 個緊固件。
歐盟在「工業用先進、協同機器人驗證」（VALERI）項目中[3] 對一種移動機器人進行工程化，這種機器人可以在生產車間內獨立運動，並自主操作。移動機器人是一個具備12 個自由度的柔性系統，可以自由地執行多種裝配線上的任務，比如在連接處施加密封劑、執行搬運、檢測等工作。
2 全民公轉
鑽孔過程的本質是自轉進給運動，為了實現高效、高質量鑽孔，尤其是複合材料板材以及複合材料/ 金屬板材，以往更多地是在刀具上下功夫，而最新的方法則是突破了鑽孔運動本身，將其從「自轉」變為了「公轉」。此外，針對複合材料圓筒形機身的鑽孔，以往採用大型桁架的方法被環繞機身的導軌系統所取代，以「公轉」實現了鑽孔的柔性。波音和空客對於軌道鑽孔技術和柔性導軌鑽孔技術的應用，已經在實現「全民公轉」這個方向上邁出了一大步。
波音公司在787 中央翼盒和機身連接處的關鍵零件鑽孔中[4]，採用了一種新穎的軌道鑽孔工藝，與常規的鑽孔方法（相當於自轉）相反，軌道鑽孔（相當於公轉）實際上是一種銑削操作，在繞著孔中心的偏心運動中刀具旋轉，同時沿著工件進給。軌道鑽孔具有很多好處：顯著減少刀具數量；可以消除複合材料鑽孔中的分層以及金屬鑽孔中的毛刺，獲得更高的表面粗糙度，減少材料中的碎屑損傷，還可以避免刀具過熱、延長刀具壽命；不使用冷卻液，使鑽孔環境更加清潔。這種創新工藝首先由空客大量使用，目前已經廣泛應用於航空工業，未來高度自動化的系統將有望問世。
除了「小公轉」，波音公司在787 筒形機身的鑽孔中還實施了「大公轉」，即柔性導軌鑽孔技術。柔性導軌鑽孔系統的典型結構通常由柔性導軌、末端執行器、檢測及標定系統組成，它將2 條柔性導軌真空吸附在筒形構件上，導軌上裝有小車，內有鑽孔主軸，鑽孔系統在導軌上爬行並自動鑽孔。按照不同的位置和任務需要，柔性導軌鑽孔系統分為雙排柔性導軌、寬託架柔性導軌、偏移柔性導軌和高扭矩託架柔性導軌4 種配置。
3 樂高大電影
飛機柔性裝配很大程度上取決於裝配工裝的柔性。未來，靈巧、模塊化的柔性工裝將代替笨重、專用化的剛性工裝，裝配工廠內將像樂高世界一樣，所有的工裝夾具都像積木一樣能夠自由組合、自動匹配，以適應不同的構件，執行不同的功能。未來飛機裝配也就像一場樂高大電影，充分體現著這些柔性工裝的價值。柔性工裝技術發展有三個層次，分別是柔性夾具、柔性工裝和柔性工裝系統，這些層次是共同向前發展的，每上升一層都集成了更多的技術，也越接近柔性裝配全套解決方案。
柔性夾具方面，通過專門的設計，小巧、靈活而廉價的機械爪可以代替以往大型、重載且昂貴的專用工裝夾具。
柔性工裝方面，通過模塊化的設計，利用可調整和可重新組合的工裝概念，開發經濟可承受的可重配置工裝（ART），可以代替昂貴的專用工裝夾具製造和安裝工作。ART 由標準鋼製元件包拼裝而成，依靠度量系統實現快速組裝，並始終保持在公差範圍內。這種工裝已經用在了在空客A380 翼肋裝配中。
柔性工裝系統方面[5]，一種模塊化和可重置的定位系統可以實現大型飛機裝配過程中要求的公差精度。該系統是由多種機械手或多種定位器組成的機械系統，可在確定的附著點拾取飛機部件，並能以6 自由度運動，可靠的機械手/ 定位器控制平臺可以保證每個控制裝置多達48 個感應軸的同步。這套系統已經用於空客A350 機身裝配中。
4 脈動時空
各種不同尺寸的零件在同一條裝配線上實現自動鑽鉚是柔性裝配和精益生產的不懈追求，如今，一種脈衝移動裝配技術將其變為現實。脈衝裝配線（PML）通過合理安排製造單元，使以往常規方法所需的若干分布式獨立製造單元之間沒有間隔，可以在大型飛機裝配中縮短準備時間、優化資產使用。對於A350 項目來說 ，這種裝配概念已經在機身壁板裝配中得到開發和實用，充分發揮了數位化柔性裝配的優勢，如圖1 所示。
PML 的創新首先是脈衝柔性裝配理念。以A350機身壁板裝配為例，在生產過程中，最多7 個不同尺寸的機身壁板在PML 中順序排列，每個壁板處於一個特定的工作區，當所有區的工作指令完成後，執行一次脈衝，壁板同時移動4.5m 到下一個工作區。這樣，就不像以往那樣製造大型壁板會拖延後續短小壁板的完成，節省了空間，使壁板裝配實現柔性、高效與透明化。
PML 的另一項關鍵創新就是「萬能數控程序」。在A350 機身壁板的PML 上，採用了一種稱作「萬能數控程序」的方案，它加入了對一整塊壁板寫一個數控零件程序的想法。這個數控壁板程序可以理解為一個摘要，意思是它永遠不會整個運行，而就像一個目錄，部分數控程序片斷從那裡提取出來，然後配置到一個新的數控程序，專門用於工作區內的特定位置。數控程序片斷自動化配置的概念不僅實現了數控編程上的最短生成時間和最滿意效果，而且具備極好的柔性和工藝可靠性。
5 雷射大世界
在先進飛機裝配車間，一道道雷射已經成為航空製造的靚麗風景線，因為正是這些雷射的發射者——雷射跟蹤儀和雷射雷達，成為了眾多自動化裝配系統的「明眸」，以四兩撥千斤，讓數十米長的零件對接僅有微米級的誤差。隨著三維雷射掃描成像這樣更加藝術化的技術得到開發和應用，未來飛機裝配工廠將成為名副其實的雷射大世界，那裡也將讓航空製造成為一門散發雷射魅力的現代科技藝術。
雷射跟蹤儀已經廣泛應用於F-35、A400M、A350等先進飛機的總裝對接中，在F-35 的中後機身對接中，洛· 馬公司使用了雷射跟蹤儀以及面向跟蹤儀設計製造的自動化模塊化工裝。F-35 先進的進氣道自動化鑽孔單元使用了2 臺機器人，其中一臺就專門負責進行雷射測量，使用雷射三角傳感器的檢測頭在鑽孔前，根據進氣道的位置排列鑽孔機器人，根據孔的位置調整鑽頭位置，鑽孔之後測量孔的位置和尺寸。
更為奇妙的是波音公司正在開發的三維雷射掃描成像技術（如圖2），可以通過攝像頭和雷射掃描傳感器捕捉工廠和裝配中的飛機的三維圖像。在未來的飛機總裝線中，機器人手持該設備掃描飛機和製造環境，然後與設計文檔對照，就可以安全地裝卸部件並精確地定位自動化裝配工具機。從三維雷射掃描成像得到的絢麗畫面，我們可以感受到，一道道雷射傳遞的，將不再僅僅是位置參數信息，雷射這個大型飛機裝配的「慧眼」有望將飛機裝配變為一個更加藝術化的過程。
6 無人之境
未來飛機裝配的最高峰一定是無人化、智能化、自動化裝配，整個飛機裝配工廠宛如無人之境，各類機器人和自動定位裝置在數位化測量技術的支持下，自動地裝配飛機結構，完成機體大部件運輸和對接等一系列過程。也許我們並不希望看到這一天，因為這意味著不再需要什麼工人，但這一場景確實有可能在不久的將來真實出現在我們面前。
在波音787 機翼與機身的對接中，自動導引運輸車（AGV）和基於室內GPS 的柔性對接平臺將人工操作降至最低，利用這一整套自動化技術，787 機翼與機身的對接裝配只需要幾個小時。
英國GKN 航宇公司正在主持一個結構技術成熟化（STeM）項目[6]，目標是通過自動裝配工藝，將機翼結構裝配速度提升30%，如圖3 所示。自動裝配工藝專為未來機翼和機身結構開發，使用了很多新興的自動化和機器人技術來提升速度，它們包括：輕質夾具、可重構工裝、零件自動化定位、密封劑輔助沉積、測量輔助機器人、輕質鑽頭、輕質單向緊固件的緊固頭、精確埋頭孔制孔的自動化掃描，以及緊固件自動化檢測。
7 結束語
航空製造魅力無限，未來飛機裝配工廠將是這種魅力的集中展示場所。機器人總動員，全民公轉，樂高大電影，脈動時刻，雷射大世界，無人之境，每一個典型場景的背後都蘊含著數位化技術、自動化技術、機器人技術以及柔性工裝技術等的巨大進步，以及它們之間的集成與融合。（來源：《航空製造技術》）