FLEXMONT 自动化装配工作站将复合材料 垂直尾翼（VTP）装配时间缩短了 20%以上，减少了摆振，并集成了基于视觉的连续质量 保证。它包括两个子区域，肋骨外壳组件（左）和 VTP 箱组件（右），两者都使用更小、更灵活的夹具和智能夹具。

 

图1.VTP 设计：旧的让位于新的 FLEXMONT 项目基于 VTP NG 设计（下），而不是 20 世纪 80 年代 A320 VTP 的原始CFRP 设计（上）。

 

图2a.在FLEXMONT 的肋复板装配区，一个配有真空吸盘夹具的机器人（背景为绿色单元）将 CFRP 肋从通用框架（右侧为黄色单元）安装到左侧 VTP 肋的复板上。

 

图2b.完成的肋复板组件随后在 FLEXMONT 的扭力盒组件区域与 VTP 后梁配合。这两个领域使用的相对便宜的工业机器人减少了组装时间，并实现了数据驱动的精度和在线检测，以提高质量控制。

 

图3.FLEXMONT 扭力盒组装夹具包括两套相同的致动夹紧机构（照片中心的绿色和灰色元素），它们对肋复板组件和匹配的后梁凸缘加压力，以确保高质量的粘合和垫片连接。这种固定方法能够使 用基于制造过程中收集的数据的自适应连接进行零件与零件的装配，而不是传统的用工装固定装配。

 

步骤1.复合VTPNG外壳部分可翻转放置在肋骨外壳装配区域内的柔性自动夹具上。

 

步骤2.在将肋连接到扭力盒之前，用激光测量设备对每个肋进行扫描，就像将要配合的扭力盒一样。

 

步骤3.要粘合的肋和扭力盒面用大气等离子体处理，以增加表面能活化，从而获得更高强度的粘合。

 

步骤4.使用智能公差管理系统的垫片粘合剂的自动应用使用激光扫描的 3D 数字数据来预测粘合接头中的间隙，并相应地应用材料。应用工具上的红灯有助于在线 QA 的视觉系统数据采集。

 

步骤5.带有柔性夹持系统（蓝色真空吸盘）的机器人从通用框架上移除 CFRP 肋（安装在 铝夹具中），该框架可以容纳每个 VTP 扭力盒所需的8个肋。

 

步骤6.机器人抓取器将肋骨放在扭力盒上。

 

步骤7.机器人夹具退出，留下铝肋夹具，该夹具配备有内部工具，用于在粘合剂固化 过程中将肋固定在外壳上。

 

步骤8.对后梁右翼缘进行激光扫描和等离子体处理后，在间隙调整后应用垫片粘合剂，为与右 VTP 肋壳分组件的粘合做准备。

 

步骤9.右肋扭力盒板与肋组件由配备夹具的机器人转移并与右凸缘配合。

 

步骤10.扭力盒装配夹具中的右侧夹紧装置上升，对扭力盒和翼梁施加必要的压力，确保在垫片粘合剂固化时形成良好的粘合接头。

 

步骤11.在每对肋骨之间插入一个剪切楔，使其符合空气动力学外部形状。

 

步骤12.双机器人将肋-楔块组件插入装配夹具中。

在目前的宽体飞机中，包括波音787、空客A350和中俄商用飞机国际有限公司CR929，复合材料构成了大部分机身结构，包括机身、机翼和垂直尾翼。到目前为止，在较小的机身窄体飞机中情况并非如此，因为重量问题较小，大型复合材料组件的复杂性和成本增加与更高的生产率和更低的价格不一致。

一个例外是空客（法国图卢兹）在其A320系列窄体飞机中率先推出的复合材料VTP。展望生产率的提高，该公司最近寻求更新VTP的装配工艺。

作为为期三年的FLEXMONT项目（2013-2016）的一部分，位于德国斯塔德的空客VTP生产设施与德国合作伙伴Fraunhofer IFAM（不来梅）、复合材料技术中心（CTC，Stade）、FFT Aviation（Fulda Rodges）、 Mahr Metering Systems GmbH（Göttingen）和 QUISS AG（Puchheim）合作开发了一种新的自动化装配工艺。新方法将装配时间缩短了20%以上，减少了摆振，并集成了一个连续的、基于视觉的质量保证系统。

项目经理兼CTC工程师Alexander Engels表示：“即使该系统仅在一条VTP装配线上实施，而目前需要多条生产线，也可以适应未来的高生产率目标。”。“我们还可以将这一概念应用于其他组件，如水平尾翼翼盒和襟翼等高升力部件。”

解决当前的程序集问题

最初的VTP设计完成于20世纪80年代，并没有设想到今天的飞机生产速度。Alexander Engels说：“从人体工程学角度来看，这是一场噩梦。”。“紧固件的安装区域到达性很差。它依靠手动工艺来施加粘合剂和液体垫片，并且需要特殊的运输夹具和起重机来保证每月40架飞机的速度。”空中客车公司在2017年宣布，到2019年，其目标是每月60架单通道飞机，相当于每天三个VTP组件。

考虑到这一点，CTC 开发了一种新一代设计，即VTP NG，它使用一次性泡沫芯外壳作为两个大的外表面，由粘结的复合材料加强肋支撑（图 1）。VTP的复合材料扭力盒，通过连接预制的后梁和前梁来封闭。FLEXMONT 是一项基于VTP NG设计的可行性研究。

VTP NG和FLEXMONT工艺是共生发展的。最初的想法是提高可达性，减少零件和操作的数量，旨在实现更模块化、符合人体工程学的子组件和更高的自动化。通过开发智能公差管理方法，可以实现自动填隙，并对其进行改进。智能公差管理是一种自动化过程，可以根据待粘合表面之间间隙的数字测量来调整材料用量。Alexander Engels 补充道：“根据 VTP NG加强肋的制造工艺，我们无法保证间隙低于 0.3 毫米，因此仍然需要填隙。”接合表面也将在接合前进行等离子体处理以进行表面活化，并且将持续监测等离子体处理和粘合剂应用以确保质量（QA）。零件处理将完全是机器人化的，夹具也将是“智能的”，旨在通过追求适应性强、不太针对零件的设计来避免沉重、昂贵的夹具。

每个合作伙伴都贡献了自己的专业知识。CTC 和空中客车公司负责原始概念、制造和零件设计数据的开发，并承担项目管理。Fraunhofer IFAM将硬件、软件和从所有来源收集的数据结合到一个经过良好调整的自动化装配工作站中。它还与 QUISS 密切合作，后者提供了集成QA所需的视觉系统和算法。Mahr Metering Systems 提供了垫片粘合剂测量设备，FFT Aviation制造了夹具系统和FLEXMONT工作站硬件。

将肋条安装到壳体上

FLEXMONT工艺包括自动化工作站内的两个主要工位：一个工位负责将加强肋组装到带芯壳体上，然后进行组装 VTP 扭力盒。肋骨外壳子区域内的操作从机器人将完成的VTP NG外壳部分放置到灵活的自动夹具中开始（步骤 1）。标准工业机器人提供了一种经济的解决方案，与以前的起重机系统相比，具有更高的灵活性和精度。

在将肋骨连接到外壳上之前，使用激光测量设备—Leica（Unterentfelden，Switzerland）T-Scan TS50-CFK激光线扫描仪——对每个肋骨进行扫描，并对外壳的配合区域进行扫描（步骤 2）。这些扫描用于为每个表面生成3D点云，并与数字化设计文件进行比较，为液体匀场（之前的手动步骤）做准备。Engels解释道：“这会创建一个虚拟组件，在那里你可以看到肋骨到外壳的贴合面是否会有任何间隙。”。该数据集指示了潜在的间隙，被输入到自动化过程中，以指导液体垫片粘合剂的应用。

但是，在涂抹垫片粘合剂之前，必须对要粘合的表面进行等离子体处理（步骤 3）。这增加了表面能活化，导致更好的粘附性和增加的结合强度。同样，这个过程是自动化的，使用相同的机器人和不同的末端执行器。

然后将等离子体头更换为配料头，该配料头混合并分配 两部分高粘度垫片粘合剂，并开始应用（步骤 4）。

Engels解释道：“垫片/粘合剂的数量会随着机器人的速度而 变化。”“这是通过对粘合表面和虚拟组件的数字分析确定的。因此，如果间隙变化，垫片/粘合剂的应用也 会变化。”宽度保持不变，但厚度会变化。这一点在步骤4 图像的右侧很明显——在肋骨的后部可以看到更多 的垫片/粘合剂，而在前部可以看到更少的垫片/粘合胶。覆盖粘合剂涂敷器的红光用于显示 QA 集成视觉系统中 的对比度。视觉传感器捕获数据，并使用检查公差的算 法进行分析，同时检测垫片粘合剂材料中的异常情况，如气泡。Engels 说：“在应用程序和扫描结束时，如果 效果良好，系统将显示一个绿色窗口和‘IO’符号。”“如果没有出现这种情况，那么我们必须中断这个过程，去除液体粘合剂并重新涂抹。”粘合剂首先应用于肋部，然后应用于等待壳体部分。

机器人在步骤1中用于外壳部分的夹具在该过程的这一部分有其起源。本 VTP NG 概念研究中的每个壳体部分都有八个肋，每个肋在壳体上具有不同的长度、厚度和方位角。

Engels解释道：“我们需要为每根肋骨都配备一个抓取系统，但要开发一个能够单独处理如此大范围的抓取系统，成本高昂且复杂。”。“因此，我们将抓取系统分为两部分：一个是通用框架，用于固定廉价、简单的铝肋骨固定装置，另一个是更复杂、智能的机器人系统，用于将每根肋骨放置在外壳上。更简单的系统可适应不同的肋骨几何形状，而抓取系统可实现精确定位。”

配备蓝色真空吸盘夹持器的机器人靠近黄色矩形大通用框架，夹住要粘合的肋/铝框架并将其移除（步骤 5）。通用框架可以容纳所有八根肋骨，从左边最长的肋骨到右边第二根很短的肋骨，很容易看到长度的差异。然后，机器人穿过工作单元的线性轨道，将肋骨定位在外壳上。使用肋骨和外壳上的 CAD 数据以及步骤 2 中执行的激光扫描的地形测量数据的组合来维持所需的公差。

Engels 指出：“为了将肋骨与外壳结合，我们必须施加 0.4 至 0.6 巴的压力，这相当于对最大肋骨加几百公斤的力。”，“所以我们用真空吸盘将肋骨压在外壳上并施加这种力。我们可以用这个系统施加 1000公斤以上的力，只需关闭较短长度肋骨不需要的真吸盘。”

当肋骨和外壳连接在一起时，机器人收回夹具，进入下一个任务。然而，铝肋夹具仍然存在，配备了一个内部工具，在粘合固化过程中将肋固定在外壳上（步骤6）。

尽管使用加热可以快速达到 1 小时的固化，但在本项目中没有证明高温固化。Engels 指出：“铝肋固定装置很便宜，所以很容易制造出许多这样的固定装置，同时将所有肋连接起来。”粘合接头完成后，再次使用夹具移除铝肋固定装置，并将其返回到通用框架。

扭力盒总成

然后，操作进入自动化工作站的第二个区域，称为扭力盒组装站。在这里，壳体和后翼梁被组装到CFRP扭力盒中，前部整流罩和后部方向舵将连接到该扭力盒上，以完成VTP。

该第二FLEXMONT工作站主要由具有其自己的装配机器人的致动装配夹具组成。一个预制的C 形CFRP后梁，长度>6m，装载到装配夹具中，其平腹板朝上，凸缘朝下。重复为肋壳子组件完成的激光扫描、大气等离子体处理和垫片粘合剂施加步骤的顺序，为将左壳体和右壳体粘合到后梁的左凸缘和右凸缘做准备。因此，对翼梁的右翼缘进行扫描，对右壳体上的相应接合区域进行扫描，并对两者进行等离子体处理。

Engels说：“如果需要，我们再次计算该接头的预期间隙，并在翼梁的右凸缘上涂抹适应公差的垫片粘合剂。”（步骤 7）。然后，右肋壳子组件由配备夹具的机器人转移并与右凸缘配合（步骤 8）。暗销插入右壳体中的参考孔中，该参考孔与翼梁凸缘中的孔相匹配。这些将壳体和翼梁配合在一起，直到它们可以通过组合夹具夹紧在一起，组合夹具的底板沿右侧为右壳体配备有13 对致动夹紧机构，沿左侧为左壳体配备有对称的致动夹紧机构。右侧夹紧装置上升，对壳体和翼梁施加必要的压力，确保在粘合剂固化时形成良好的粘合接头（步骤 9）。

Engels 指出：“目前，在垫片粘合固化过程中，临时紧固件和手动夹具用于固定传统A320 VTP部件。”“然而，FLEXMONT 夹紧系统在连接方向上浮动，提供具有自适应力的自适应连接，以将部件压在一起。这是零件对零件的组装，而不止是固定的。”最后一点强调了FLEXMONT与传统航空结构组装的不同，在传统航空结构组件中，大型刚性组装工具用作第一部件的固定支架，所有其他部件都连接到其上。相反， FLEXMONT使用工艺更灵活的夹具和计量将零件相互连接，以保持公差。

Engels 解释道：“我们控制了力，并提前测量了零件，不需要额外的质量检查。之后，我们使用手动测量仪测量壳体和翼梁凸缘之间的间隙，以验证这一过程。”对左肋壳子组件和左翼梁凸缘重复对右壳体和右翼梁凸缘执行的相同操作。在扭力盒组装的最后一步中，将剪切楔块插入每对肋骨框架之间（步骤 10）。这按照 规定的设计公差固定了 VTP 外部的空气动力学形状。然而，将这些涂有密封剂/粘合剂的楔块放置并压入装 配夹具内 VTP NG 盒顶部的非常狭窄的空间，这对可接 近性提出了挑战。在这个研究项目中，解决方案是将一 个小型、轻型的机器人作为末端执行器连接到一个更大 的工业机器人上。因此，大型机器人定位小型机器人，小型机器人将剪切楔块插入并按压到位。

更快的未来发展

FLEXMONT成功展示的发展令人印象深刻。Engels强调：“Fraunhofer IFAM 视频中显示的所有操作都是按下一个按钮的结果。”。“这个过程需要几分钟，而不是几个小时，”他指出，但他警告说，在 FLEXMONT组装过程完成后，必须根据当前的飞机法规用机械紧固件加固接头。“铆接和钻孔工艺已经是最可靠的工艺，因此在本项目中没有考虑，但它们必须在一个完整的生产系统中实施。”

从好的方面来看，它还使用了一个连续的公差系统。“在这个装配过程中有一个连续的测量系统，” Engels解释道。“所有的测量数据都可以合并，因为它们都有相同的参考系统。”这不仅加快了过程，而且大大降低了复杂性、错误和风险。

Engels解释说，在FLEXMONT的下一次迭代可以用于未来的生产之前，不仅必须完成主要步骤的验证，还必须完成工艺和设备的每个细节的验证。在未来的A320飞机上使用是长期目标，但FLEXMONT的开发和迄今为止的成功证明了复合材料在未来窄体商用飞机组件中的乐观前景。

------- 完 -------

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