波音777X飛機采用全復合材料機翼，翼展71.75 米。具有自動檢測能力的自動鋪絲機（AFP)將用于制造機翼蒙皮和翼梁。

圖為波音 777X 碳復合材料翼梁的生產試驗

期間，Electroimpact 的自動鋪絲機（AFP）頭。在線檢查有望幫助生產流程跟上當今的AFP/ATL 系統。

在ElectroImpact 的設施中展示了 777-X 機翼蒙皮段的試制試驗。注意零件上方的第二個 龍門架（頂部、中心），其上安裝了三臺 Aligned Vision LASERVISION 投影儀，用于對機翼蒙皮疊層進行自動過程檢查。

航空航天復合材料領域的任何人都不知道，由先進的鋪層工藝（自動鋪絲機-AFP）和（自動鋪帶機- ATL）固定的商用飛機裝配線的生產率受到每次鋪層后仔細目視檢查和驗證的必要性的限制。通常，返工也必須由經過培訓的專家完成，以滿足質量保證要求。對于需要數百層的機身筒或其他大型復合材料零件，檢查和返工的影響是顯著的。

在幾年前由 Fives Cincinnati（美國肯塔基州希伯倫）的 Robert Harper 和波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥）的 Allen Halbritter 發表的一篇論文中，根據使用優化AFP工藝鋪設的通用機身機筒的數據，檢查和返工占零件總生產時間的 60%以上。最近，Electroimpact股份有限公司（美國華盛頓州穆基爾特奧）的高級工程師 Todd Rudberg 表示，手動檢查/維修活動通常占零件制造時間分布的 30%以上。

在過去的幾年里，許多研究和開發都致力于找到一條使用數字方法進行自動檢查的途徑，以使整個飛機生產流程能夠跟上當今 AFP 和 ATL 流程的效率。為此，航空航天復合材料零件現在由配備機載自動檢測系統的 ATL 和 AFP 機器制造。ATL/AFP 機器供應商已經開發并繼續完善能夠檢查鋪放并向技術人員發出異常警報的系統。在關于這個主題的一系列文章的第一篇中，CW 介紹了為 Electroimpact 的 AFP 機器開發的自動化原位檢測設備。

取消手動檢查

Electroimpact 始于1986年，當時創始人Peter Zieve 將他的第一臺用于鋁飛機組裝的低壓電磁鉚接機商業化，該機提供了比航空航天原始設備制造商使用的現有鉚接機更安全、更便宜、噪音更小的技術。從那時起，該公司通過擴大業務重點，為金屬和復合材料提供一系列自動化生產解決方案而蓬勃發展?？蛻舨粌H包括波音公司，還包括其他航空航天原始設備制造商，包括空中客車公司（法國圖盧茲）、龐巴迪公司（加拿大蒙特利爾QC）、Spirit AeroSystems 公司（美國堪薩斯州威奇托）等。

Rudberg 是開發 Electroimpact 第一臺 AFP 機器及其控制軟件的團隊成員，他說：“在過去三年里，我們一直在開發自動化的過程中檢測。我們的檢測系統是目前唯一一個獲得 OEM 完全認證的復合材料零件生產自動檢測系統。”。事實上，該公司的 AFP 機器正在為波音公司的第一架 777X 測試飛機生產首件機翼面板和翼梁，并對機翼面板零件進行了自動檢查。這些是在美國華盛頓州埃弗雷特的波音新復合材料機翼中心（CWC）的兩個 Electroimpact 設計的自動化工作室中制造的，專門用于處理世界上最大的 777X 復合材料機翼的制造和生產。值得注意的是，這架飛機 72 米的巨大翼展將在地面上通過每個 3.5 米長的折疊翼尖縮小，以使機組人員能夠進入與今天的 777 相同的機場登機口。777X 翼尖和折疊硬件將在波音公司位于美國密蘇里州圣路易斯的工廠制造。CWC 還安裝了兩個AFP 工作室，以生產一體式復合材料翼梁。

Electroimpact 的控制工程師 Josh Cemenska 解釋 說，翼梁由兩部分（上和下）通過 AFP 在低曲率中制成，陽模位于每個工作站的龍門工作包絡內。安裝了 Electroimpact AFP 頭的主龍門架沿著 30 米翼梁工具的長度移動，和稍遠一點，鋪放頭本身可在機架上移動7.5 米，以在其最寬點處接近工具的整個 9 米寬度；鋪放頭的 z 方向移動約 2m。該材料為 34mm/1.5 英寸寬的碳/環氧樹脂預浸帶，由 Toray Composite Materials America（Tacoma，WA，US）提供。

Rudberg 斷言：“對于 777X 面板來說，自動化檢查是必要的。”。“零件太大了，你真的無法進行手動檢查。我們的自動檢查系統真的是下一代機翼的一項關鍵技術，使用手持放大鏡檢查是否有絲束重疊或缺失。

取而代之的是，Electroimpact 翼板單元集成了三個20.5公斤的 LASERVISION 投影盒單元，每個單元都配備了除了激光投影儀之外，還配備了高分辨率相機。由 Aligned Vision（美國馬薩諸塞州切姆斯福德）提供，每個單元都與安裝在頭部的激光輪廓儀協同工作，激光輪廓儀本質上是一種將線投射到工作表面上的小型激光器。所有三個元件（激光器、相機、輪廓儀）都將數據提供給計算機軟件算法支持的用戶界面。

Aligned Vision 投影盒單元成排安裝在第二個龍門架光束上，該光束獨立于頭部龍門架工作，但通常在其后面。Rudberg 說，這種配置最大限度地縮短了激光器和零件之間的距離，并降低了入射角。Aligned Vision首席運營官 Matt Zmijewski 解釋道，“777X 機翼面板和翼梁是 LASERVISION 的發射應用，它提供兩個關鍵功能。從一個光圈投射激光，由一組兩個可操縱的反射鏡定位。從第二個光圈，一個帶 300 毫米鏡頭的高分辨率數碼相機也由兩個反射鏡操縱，以捕捉正在進行的材料沉積的照片。”

高清圖像在三維中精確定位，因為相機和激光在同一坐標系內工作，“轉換”或配準到空間中的工具和頭部位置。每個相機像素的 3D 位置由用戶界面識別。圖像集被聯合起來，以在整個零件上創建每個層的完整圖像。圖像分辨率足夠高，可以根據該圖像自動測量簾布層邊界位置。Electroimpact 表示，在移動（即龍門架安裝）設置中，簾布層邊界的攝像頭圖像已被確認在真實位置的±0.060 英寸/±1.5 毫米范圍內。

利用大數據

Cemenska 說，與此同時，激光輪廓儀在材料沉積過程中在零件表面投影一條線，其內置的探測器陣列測量沿著該激光線的 1000 多個離散位置的高度。因此，它檢測表面的 2D 輪廓。當輪廓儀在材料沉積過程中與頭部一起移動時，它實際上會創建 3D 表面輪廓。

正如 Cemenska、Rudberg及其同事Michael Henscheid、Andrew Lauletta 和 Bradley Davis 最近撰寫的兩篇白皮書中所解釋的那樣，輪廓儀的激光線橫跨絲束之間的接縫，在上籃過程中測量任何重疊和間隙的寬度。這些輪廓儀數據與來自相機和零件程序的數據以及操作員輸入集成在檢查用戶界面內；隨著生產的進行，界面構建零件的逐層 3D 模型。

識別軟件從大量的相機圖像數據以及輪廓儀生成的原始數據陣列中測量特征的位置，以查看絲束末端（或簾布層邊界）、絲束重疊和間隙，并識別褶皺和橋接等缺陷。然后在三維模型上顯示這些。

Rudberg 說，處理收集到的數據所需的用戶界面和算法是由Electroimpact 軟件工程師在內部開發的。（據波音公司稱，一種并非由 Electroimpact 開發的異物檢測系統即將問世。）

Electroimpact 自動簾布層邊界檢查系統可以正確識別和測量標準簾布層上 92%的兩端，平均誤差小于±0.005 英寸，標準偏差為±0.020 英寸。Rudberg 說，用輪廓儀進行的重疊/間隙測量與材料放置同時進行，可以比手動檢查更快地完成。如果出現關于拖尾或間隙/重疊的問題，則將選擇的圖像轉發給檢查員，以便在工作單元的計算機屏幕上進行評估。Cemenska 說：“我們幾乎已經消除了任何手動檢查。如果我們發現罕見的錯誤，比如絲束掉落，LASERVISION 的激光線會顯示該區域，必要時會將壞絲束拔出。然后對機頭進行重新編程以進行維修。”，因為隨后會對零件邊緣進行修剪，這樣可以節省額外的時間。

檢查速度取決于簾布層的復雜性，并且隨著拖尾數量的增加而降低，這就是為什么蒙皮的檢查系統比翼梁的檢查系統具有更高的優先級，Rudberg 說：“由于零件的尺寸和扁平形狀，以及波音公司不希望檢查員在鋪放時行走，因此優先考慮的是蒙皮零件的自動檢查系統的啟動和運行，因此我們將工作重點放在了那里。關于翼梁，鋪放和層壓是主要障礙，所以我們首先在這方面進行了工作。”

Cemenska 報告說，檢查系統每秒可以測量 15 個尾端；在擁有多達 2000 個已檢查尾端的蒙皮零件上，以下相機需要幾分鐘的時間來拍攝照片，軟件需要幾分鐘來組裝簾布層圖像。Rudberg 說，總的來說，復雜的簾布層需要 3-5 分鐘的時間來成像和處理：“目前，我們的目標是 100%的檢查，所以我們沒有識別的 8%的尾端目前是用肉眼‘半自動’定位的，所以這增加了大約 10 分鐘。”他補充道，通過加快軟件系統的速度，可以加快這一半自動步驟。最終，如果統計數據顯示 92%的識別末端準確地代表了整個零件，則可以完全消除 8%的需求。“現在還處于早期階段，仍有改進的空間——隨著對系統信心的增強，未來人類的雙重檢查可以減少到幾乎為零。”

Electroimpact 與波音公司合作，通過進行一系列嚴格的預驗收測試，對該系統進行了驗證：Rudberg 和Cemenska。這些結果使波音公司相信了該系統的可靠性，從而在777X的零件上采用了。波音公司表示，對一體式翼梁的過程檢查計劃于今年年初實施，這是有史以來最大的一次生產。

Rudberg 總結道：“這是對大數據的明智使用。我們正在測量每根絲束相對于簾布層邊界的位置，并創建結果的數字記錄。這些數據提高了零件質量，并使客戶能夠做出更明智的決定。因為我們可以用數字方式證明零件質量，所以最終將允許使用限制較少的設計容許值。”

現在肯定是開發一種急需的技術的時候了，這種技術可以讓自動化復合材料制造機器以設計的速度運行。毫無疑問，它將應用于其他零件。

END

 

注：原文見《 Improving composites processing with automated inspection 》 2018.1.29

777X 機翼裝配廠房：占地 150 萬㎡（160 萬平方英尺）。該建筑包括19 萬㎡ (200,000 平方英尺)的高架空間制造場地，采用 107m （350 英尺）的凈跨度結構和14 萬㎡（150,000 平方英尺）的側翼支撐和辦公空間。該工廠擁有復雜的機器人工具、復雜的機械和特種管道系統，以及三臺 37m 長 (120 英尺長)的熱壓罐，用于固化 777X 飛機的碳復合材料機翼的壓力容器。

楊超凡 2023.11.14