FLEXMONT 自動化裝配工作站將復合材料 垂直尾翼（VTP）裝配時間縮短了 20%以上，減少了擺振，并集成了基于視覺的連續質量 保證。它包括兩個子區域，肋骨外殼組件（左）和 VTP 箱組件（右），兩者都使用更小、更靈活的夾具和智能夾具。

 

圖1.VTP 設計：舊的讓位于新的 FLEXMONT 項目基于 VTP NG 設計（下），而不是 20 世紀 80 年代 A320 VTP 的原始CFRP 設計（上）。

 

圖2a.在FLEXMONT 的肋復板裝配區，一個配有真空吸盤夾具的機器人（背景為綠色單元）將 CFRP 肋從通用框架（右側為黃色單元）安裝到左側 VTP 肋的復板上。

 

圖2b.完成的肋復板組件隨后在 FLEXMONT 的扭力盒組件區域與 VTP 后梁配合。這兩個領域使用的相對便宜的工業機器人減少了組裝時間，并實現了數據驅動的精度和在線檢測，以提高質量控制。

 

圖3.FLEXMONT 扭力盒組裝夾具包括兩套相同的致動夾緊機構（照片中心的綠色和灰色元素），它們對肋復板組件和匹配的后梁凸緣加壓力，以確保高質量的粘合和墊片連接。這種固定方法能夠使 用基于制造過程中收集的數據的自適應連接進行零件與零件的裝配，而不是傳統的用工裝固定裝配。

 

步驟1.復合VTPNG外殼部分可翻轉放置在肋骨外殼裝配區域內的柔性自動夾具上。

 

步驟2.在將肋連接到扭力盒之前，用激光測量設備對每個肋進行掃描，就像將要配合的扭力盒一樣。

 

步驟3.要粘合的肋和扭力盒面用大氣等離子體處理，以增加表面能活化，從而獲得更高強度的粘合。

 

步驟4.使用智能公差管理系統的墊片粘合劑的自動應用使用激光掃描的 3D 數字數據來預測粘合接頭中的間隙，并相應地應用材料。應用工具上的紅燈有助于在線 QA 的視覺系統數據采集。

 

步驟5.帶有柔性夾持系統（藍色真空吸盤）的機器人從通用框架上移除 CFRP 肋（安裝在 鋁夾具中），該框架可以容納每個 VTP 扭力盒所需的8個肋。

 

步驟6.機器人抓取器將肋骨放在扭力盒上。

 

步驟7.機器人夾具退出，留下鋁肋夾具，該夾具配備有內部工具，用于在粘合劑固化 過程中將肋固定在外殼上。

 

步驟8.對后梁右翼緣進行激光掃描和等離子體處理后，在間隙調整后應用墊片粘合劑，為與右 VTP 肋殼分組件的粘合做準備。

 

步驟9.右肋扭力盒板與肋組件由配備夾具的機器人轉移并與右凸緣配合。

 

步驟10.扭力盒裝配夾具中的右側夾緊裝置上升，對扭力盒和翼梁施加必要的壓力，確保在墊片粘合劑固化時形成良好的粘合接頭。

 

步驟11.在每對肋骨之間插入一個剪切楔，使其符合空氣動力學外部形狀。

 

步驟12.雙機器人將肋-楔塊組件插入裝配夾具中。

在目前的寬體飛機中，包括波音787、空客A350和中俄商用飛機國際有限公司CR929，復合材料構成了大部分機身結構，包括機身、機翼和垂直尾翼。到目前為止，在較小的機身窄體飛機中情況并非如此，因為重量問題較小，大型復合材料組件的復雜性和成本增加與更高的生產率和更低的價格不一致。

一個例外是空客（法國圖盧茲）在其A320系列窄體飛機中率先推出的復合材料VTP。展望生產率的提高，該公司最近尋求更新VTP的裝配工藝。

作為為期三年的FLEXMONT項目（2013-2016）的一部分，位于德國斯塔德的空客VTP生產設施與德國合作伙伴Fraunhofer IFAM（不來梅）、復合材料技術中心（CTC，Stade）、FFT Aviation（Fulda Rodges）、 Mahr Metering Systems GmbH（Göttingen）和 QUISS AG（Puchheim）合作開發了一種新的自動化裝配工藝。新方法將裝配時間縮短了20%以上，減少了擺振，并集成了一個連續的、基于視覺的質量保證系統。

項目經理兼CTC工程師Alexander Engels表示：“即使該系統僅在一條VTP裝配線上實施，而目前需要多條生產線，也可以適應未來的高生產率目標。”。“我們還可以將這一概念應用于其他組件，如水平尾翼翼盒和襟翼等高升力部件。”

解決當前的程序集問題

最初的VTP設計完成于20世紀80年代，并沒有設想到今天的飛機生產速度。Alexander Engels說：“從人體工程學角度來看，這是一場噩夢。”。“緊固件的安裝區域到達性很差。它依靠手動工藝來施加粘合劑和液體墊片，并且需要特殊的運輸夾具和起重機來保證每月40架飛機的速度。”空中客車公司在2017年宣布，到2019年，其目標是每月60架單通道飛機，相當于每天三個VTP組件。

考慮到這一點，CTC 開發了一種新一代設計，即VTP NG，它使用一次性泡沫芯外殼作為兩個大的外表面，由粘結的復合材料加強肋支撐（圖 1）。VTP的復合材料扭力盒，通過連接預制的后梁和前梁來封閉。FLEXMONT 是一項基于VTP NG設計的可行性研究。

VTP NG和FLEXMONT工藝是共生發展的。最初的想法是提高可達性，減少零件和操作的數量，旨在實現更模塊化、符合人體工程學的子組件和更高的自動化。通過開發智能公差管理方法，可以實現自動填隙，并對其進行改進。智能公差管理是一種自動化過程，可以根據待粘合表面之間間隙的數字測量來調整材料用量。Alexander Engels 補充道：“根據 VTP NG加強肋的制造工藝，我們無法保證間隙低于 0.3 毫米，因此仍然需要填隙。”接合表面也將在接合前進行等離子體處理以進行表面活化，并且將持續監測等離子體處理和粘合劑應用以確保質量（QA）。零件處理將完全是機器人化的，夾具也將是“智能的”，旨在通過追求適應性強、不太針對零件的設計來避免沉重、昂貴的夾具。

每個合作伙伴都貢獻了自己的專業知識。CTC 和空中客車公司負責原始概念、制造和零件設計數據的開發，并承擔項目管理。Fraunhofer IFAM將硬件、軟件和從所有來源收集的數據結合到一個經過良好調整的自動化裝配工作站中。它還與 QUISS 密切合作，后者提供了集成QA所需的視覺系統和算法。Mahr Metering Systems 提供了墊片粘合劑測量設備，FFT Aviation制造了夾具系統和FLEXMONT工作站硬件。

將肋條安裝到殼體上

FLEXMONT工藝包括自動化工作站內的兩個主要工位：一個工位負責將加強肋組裝到帶芯殼體上，然后進行組裝 VTP 扭力盒。肋骨外殼子區域內的操作從機器人將完成的VTP NG外殼部分放置到靈活的自動夾具中開始（步驟 1）。標準工業機器人提供了一種經濟的解決方案，與以前的起重機系統相比，具有更高的靈活性和精度。

在將肋骨連接到外殼上之前，使用激光測量設備—Leica（Unterentfelden，Switzerland）T-Scan TS50-CFK激光線掃描儀——對每個肋骨進行掃描，并對外殼的配合區域進行掃描（步驟 2）。這些掃描用于為每個表面生成3D點云，并與數字化設計文件進行比較，為液體勻場（之前的手動步驟）做準備。Engels解釋道：“這會創建一個虛擬組件，在那里你可以看到肋骨到外殼的貼合面是否會有任何間隙。”。該數據集指示了潛在的間隙，被輸入到自動化過程中，以指導液體墊片粘合劑的應用。

但是，在涂抹墊片粘合劑之前，必須對要粘合的表面進行等離子體處理（步驟 3）。這增加了表面能活化，導致更好的粘附性和增加的結合強度。同樣，這個過程是自動化的，使用相同的機器人和不同的末端執行器。

然后將等離子體頭更換為配料頭，該配料頭混合并分配 兩部分高粘度墊片粘合劑，并開始應用（步驟 4）。

Engels解釋道：“墊片/粘合劑的數量會隨著機器人的速度而 變化。”“這是通過對粘合表面和虛擬組件的數字分析確定的。因此，如果間隙變化，墊片/粘合劑的應用也 會變化。”寬度保持不變，但厚度會變化。這一點在步驟4 圖像的右側很明顯——在肋骨的后部可以看到更多 的墊片/粘合劑，而在前部可以看到更少的墊片/粘合膠。覆蓋粘合劑涂敷器的紅光用于顯示 QA 集成視覺系統中 的對比度。視覺傳感器捕獲數據，并使用檢查公差的算 法進行分析，同時檢測墊片粘合劑材料中的異常情況，如氣泡。Engels 說：“在應用程序和掃描結束時，如果 效果良好，系統將顯示一個綠色窗口和‘IO’符號。”“如果沒有出現這種情況，那么我們必須中斷這個過程，去除液體粘合劑并重新涂抹。”粘合劑首先應用于肋部，然后應用于等待殼體部分。

機器人在步驟1中用于外殼部分的夾具在該過程的這一部分有其起源。本 VTP NG 概念研究中的每個殼體部分都有八個肋，每個肋在殼體上具有不同的長度、厚度和方位角。

Engels解釋道：“我們需要為每根肋骨都配備一個抓取系統，但要開發一個能夠單獨處理如此大范圍的抓取系統，成本高昂且復雜。”。“因此，我們將抓取系統分為兩部分：一個是通用框架，用于固定廉價、簡單的鋁肋骨固定裝置，另一個是更復雜、智能的機器人系統，用于將每根肋骨放置在外殼上。更簡單的系統可適應不同的肋骨幾何形狀，而抓取系統可實現精確定位。”

配備藍色真空吸盤夾持器的機器人靠近黃色矩形大通用框架，夾住要粘合的肋/鋁框架并將其移除（步驟 5）。通用框架可以容納所有八根肋骨，從左邊最長的肋骨到右邊第二根很短的肋骨，很容易看到長度的差異。然后，機器人穿過工作單元的線性軌道，將肋骨定位在外殼上。使用肋骨和外殼上的 CAD 數據以及步驟 2 中執行的激光掃描的地形測量數據的組合來維持所需的公差。

Engels 指出：“為了將肋骨與外殼結合，我們必須施加 0.4 至 0.6 巴的壓力，這相當于對最大肋骨加幾百公斤的力。”，“所以我們用真空吸盤將肋骨壓在外殼上并施加這種力。我們可以用這個系統施加 1000公斤以上的力，只需關閉較短長度肋骨不需要的真吸盤。”

當肋骨和外殼連接在一起時，機器人收回夾具，進入下一個任務。然而，鋁肋夾具仍然存在，配備了一個內部工具，在粘合固化過程中將肋固定在外殼上（步驟6）。

盡管使用加熱可以快速達到 1 小時的固化，但在本項目中沒有證明高溫固化。Engels 指出：“鋁肋固定裝置很便宜，所以很容易制造出許多這樣的固定裝置，同時將所有肋連接起來。”粘合接頭完成后，再次使用夾具移除鋁肋固定裝置，并將其返回到通用框架。

扭力盒總成

然后，操作進入自動化工作站的第二個區域，稱為扭力盒組裝站。在這里，殼體和后翼梁被組裝到CFRP扭力盒中，前部整流罩和后部方向舵將連接到該扭力盒上，以完成VTP。

該第二FLEXMONT工作站主要由具有其自己的裝配機器人的致動裝配夾具組成。一個預制的C 形CFRP后梁，長度>6m，裝載到裝配夾具中，其平腹板朝上，凸緣朝下。重復為肋殼子組件完成的激光掃描、大氣等離子體處理和墊片粘合劑施加步驟的順序，為將左殼體和右殼體粘合到后梁的左凸緣和右凸緣做準備。因此，對翼梁的右翼緣進行掃描，對右殼體上的相應接合區域進行掃描，并對兩者進行等離子體處理。

Engels說：“如果需要，我們再次計算該接頭的預期間隙，并在翼梁的右凸緣上涂抹適應公差的墊片粘合劑。”（步驟 7）。然后，右肋殼子組件由配備夾具的機器人轉移并與右凸緣配合（步驟 8）。暗銷插入右殼體中的參考孔中，該參考孔與翼梁凸緣中的孔相匹配。這些將殼體和翼梁配合在一起，直到它們可以通過組合夾具夾緊在一起，組合夾具的底板沿右側為右殼體配備有13 對致動夾緊機構，沿左側為左殼體配備有對稱的致動夾緊機構。右側夾緊裝置上升，對殼體和翼梁施加必要的壓力，確保在粘合劑固化時形成良好的粘合接頭（步驟 9）。

Engels 指出：“目前，在墊片粘合固化過程中，臨時緊固件和手動夾具用于固定傳統A320 VTP部件。”“然而，FLEXMONT 夾緊系統在連接方向上浮動，提供具有自適應力的自適應連接，以將部件壓在一起。這是零件對零件的組裝，而不止是固定的。”最后一點強調了FLEXMONT與傳統航空結構組裝的不同，在傳統航空結構組件中，大型剛性組裝工具用作第一部件的固定支架，所有其他部件都連接到其上。相反， FLEXMONT使用工藝更靈活的夾具和計量將零件相互連接，以保持公差。

Engels 解釋道：“我們控制了力，并提前測量了零件，不需要額外的質量檢查。之后，我們使用手動測量儀測量殼體和翼梁凸緣之間的間隙，以驗證這一過程。”對左肋殼子組件和左翼梁凸緣重復對右殼體和右翼梁凸緣執行的相同操作。在扭力盒組裝的最后一步中，將剪切楔塊插入每對肋骨框架之間（步驟 10）。這按照 規定的設計公差固定了 VTP 外部的空氣動力學形狀。然而，將這些涂有密封劑/粘合劑的楔塊放置并壓入裝 配夾具內 VTP NG 盒頂部的非常狹窄的空間，這對可接 近性提出了挑戰。在這個研究項目中，解決方案是將一 個小型、輕型的機器人作為末端執行器連接到一個更大 的工業機器人上。因此，大型機器人定位小型機器人，小型機器人將剪切楔塊插入并按壓到位。

更快的未來發展

FLEXMONT成功展示的發展令人印象深刻。Engels強調：“Fraunhofer IFAM 視頻中顯示的所有操作都是按下一個按鈕的結果。”。“這個過程需要幾分鐘，而不是幾個小時，”他指出，但他警告說，在 FLEXMONT組裝過程完成后，必須根據當前的飛機法規用機械緊固件加固接頭。“鉚接和鉆孔工藝已經是最可靠的工藝，因此在本項目中沒有考慮，但它們必須在一個完整的生產系統中實施。”

從好的方面來看，它還使用了一個連續的公差系統。“在這個裝配過程中有一個連續的測量系統，” Engels解釋道。“所有的測量數據都可以合并，因為它們都有相同的參考系統。”這不僅加快了過程，而且大大降低了復雜性、錯誤和風險。

Engels解釋說，在FLEXMONT的下一次迭代可以用于未來的生產之前，不僅必須完成主要步驟的驗證，還必須完成工藝和設備的每個細節的驗證。在未來的A320飛機上使用是長期目標，但FLEXMONT的開發和迄今為止的成功證明了復合材料在未來窄體商用飛機組件中的樂觀前景。

------- 完 -------

注：原文見《 The future of CFRP aerostructures assembly 》2018.5.1