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波音777X飛機(jī)采用全復(fù)合材料機(jī)翼，翼展71.75 米。具有自動(dòng)檢測(cè)能力的自動(dòng)鋪絲機(jī)（AFP)將用于制造機(jī)翼蒙皮和翼梁。
圖為波音 777X 碳復(fù)合材料翼梁的生產(chǎn)試驗(yàn)
期間，Electroimpact 的自動(dòng)鋪絲機(jī)（AFP）頭。在線檢查有望幫助生產(chǎn)流程跟上當(dāng)今的AFP/ATL 系統(tǒng)。
在ElectroImpact 的設(shè)施中展示了 777-X 機(jī)翼蒙皮段的試制試驗(yàn)。注意零件上方的第二個(gè) 龍門架（頂部、中心），其上安裝了三臺(tái) Aligned Vision LASERVISION 投影儀，用于對(duì)機(jī)翼蒙皮疊層進(jìn)行自動(dòng)過(guò)程檢查。
航空航天復(fù)合材料領(lǐng)域的任何人都不知道，由先進(jìn)的鋪層工藝（自動(dòng)鋪絲機(jī)-AFP）和（自動(dòng)鋪帶機(jī)- ATL）固定的商用飛機(jī)裝配線的生產(chǎn)率受到每次鋪層后仔細(xì)目視檢查和驗(yàn)證的必要性的限制。通常，返工也必須由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的專家完成，以滿足質(zhì)量保證要求。對(duì)于需要數(shù)百層的機(jī)身筒或其他大型復(fù)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(guó)肯塔基州希伯倫）的 Robert Harper 和波音公司（美國(guó)伊利諾伊州芝加哥）的 Allen Halbritter 發(fā)表的一篇論文中，根據(jù)使用優(yōu)化AFP工藝鋪設(shè)的通用機(jī)身機(jī)筒的數(shù)據(jù)，檢查和返工占零件總生產(chǎn)時(shí)間的 60%以上。最近，Electroimpact股份有限公司（美國(guó)華盛頓州穆基爾特奧）的高級(jí)工程師 Todd Rudberg 表示，手動(dòng)檢查/維修活動(dòng)通常占零件制造時(shí)間分布的 30%以上。
在過(guò)去的幾年里，許多研究和開發(fā)都致力于找到一條使用數(shù)字方法進(jìn)行自動(dòng)檢查的途徑，以使整個(gè)飛機(jī)生產(chǎn)流程能夠跟上當(dāng)今 AFP 和 ATL 流程的效率。為此，航空航天復(fù)合材料零件現(xiàn)在由配備機(jī)載自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的 ATL 和 AFP 機(jī)器制造。ATL/AFP 機(jī)器供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)并繼續(xù)完善能夠檢查鋪放并向技術(shù)人員發(fā)出異常警報(bào)的系統(tǒng)。在關(guān)于這個(gè)主題的一系列文章的第一篇中，CW 介紹了為 Electroimpact 的 AFP 機(jī)器開發(fā)的自動(dòng)化原位檢測(cè)設(shè)備。
取消手動(dòng)檢查
Electroimpact 始于1986年，當(dāng)時(shí)創(chuàng)始人Peter Zieve 將他的第一臺(tái)用于鋁飛機(jī)組裝的低壓電磁鉚接機(jī)商業(yè)化，該機(jī)提供了比航空航天原始設(shè)備制造商使用的現(xiàn)有鉚接機(jī)更安全、更便宜、噪音更小的技術(shù)。從那時(shí)起，該公司通過(guò)擴(kuò)大業(yè)務(wù)重點(diǎn)，為金屬和復(fù)合材料提供一系列自動(dòng)化生產(chǎn)解決方案而蓬勃發(fā)展?？蛻舨粌H包括波音公司，還包括其他航空航天原始設(shè)備制造商，包括空中客車公司（法國(guó)圖盧茲）、龐巴迪公司（加拿大蒙特利爾QC）、Spirit AeroSystems 公司（美國(guó)堪薩斯州威奇托）等。
Rudberg 是開發(fā) Electroimpact 第一臺(tái) AFP 機(jī)器及其控制軟件的團(tuán)隊(duì)成員，他說(shuō)：“在過(guò)去三年里，我們一直在開發(fā)自動(dòng)化的過(guò)程中檢測(cè)。我們的檢測(cè)系統(tǒng)是目前唯一一個(gè)獲得 OEM 完全認(rèn)證的復(fù)合材料零件生產(chǎn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。”。事實(shí)上，該公司的 AFP 機(jī)器正在為波音公司的第一架 777X 測(cè)試飛機(jī)生產(chǎn)首件機(jī)翼面板和翼梁，并對(duì)機(jī)翼面板零件進(jìn)行了自動(dòng)檢查。這些是在美國(guó)華盛頓州埃弗雷特的波音新復(fù)合材料機(jī)翼中心（CWC）的兩個(gè) Electroimpact 設(shè)計(jì)的自動(dòng)化工作室中制造的，專門用于處理世界上最大的 777X 復(fù)合材料機(jī)翼的制造和生產(chǎn)。值得注意的是，這架飛機(jī) 72 米的巨大翼展將在地面上通過(guò)每個(gè) 3.5 米長(zhǎng)的折疊翼尖縮小，以使機(jī)組人員能夠進(jìn)入與今天的 777 相同的機(jī)場(chǎng)登機(jī)口。777X 翼尖和折疊硬件將在波音公司位于美國(guó)密蘇里州圣路易斯的工廠制造。CWC 還安裝了兩個(gè)AFP 工作室，以生產(chǎn)一體式復(fù)合材料翼梁。
Electroimpact 的控制工程師 Josh Cemenska 解釋 說(shuō)，翼梁由兩部分（上和下）通過(guò) AFP 在低曲率中制成，陽(yáng)模位于每個(gè)工作站的龍門工作包絡(luò)內(nèi)。安裝了 Electroimpact AFP 頭的主龍門架沿著 30 米翼梁工具的長(zhǎng)度移動(dòng)，和稍遠(yuǎn)一點(diǎn)，鋪放頭本身可在機(jī)架上移動(dòng)7.5 米，以在其最寬點(diǎn)處接近工具的整個(gè) 9 米寬度；鋪放頭的 z 方向移動(dòng)約 2m。該材料為 34mm/1.5 英寸寬的碳/環(huán)氧樹脂預(yù)浸帶，由 Toray Composite Materials America（Tacoma，WA，US）提供。
Rudberg 斷言：“對(duì)于 777X 面板來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化檢查是必要的。”。“零件太大了，你真的無(wú)法進(jìn)行手動(dòng)檢查。我們的自動(dòng)檢查系統(tǒng)真的是下一代機(jī)翼的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，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(gè)20.5公斤的 LASERVISION 投影盒單元，每個(gè)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(jī)。由 Aligned Vision（美國(guó)馬薩諸塞州切姆斯福德）提供，每個(gè)單元都與安裝在頭部的激光輪廓儀協(xié)同工作，激光輪廓儀本質(zhì)上是一種將線投射到工作表面上的小型激光器。所有三個(gè)元件（激光器、相機(jī)、輪廓儀）都將數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)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(gè)龍門架光束上，該光束獨(dú)立于頭部龍門架工作，但通常在其后面。Rudberg 說(shuō)，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(yùn)營(yíng)官 Matt Zmijewski 解釋道，“777X 機(jī)翼面板和翼梁是 LASERVISION 的發(fā)射應(yīng)用，它提供兩個(gè)關(guān)鍵功能。從一個(gè)光圈投射激光，由一組兩個(gè)可操縱的反射鏡定位。從第二個(gè)光圈，一個(gè)帶 300 毫米鏡頭的高分辨率數(shù)碼相機(jī)也由兩個(gè)反射鏡操縱，以捕捉正在進(jìn)行的材料沉積的照片。”
高清圖像在三維中精確定位，因?yàn)橄鄼C(jī)和激光在同一坐標(biāo)系內(nèi)工作，“轉(zhuǎn)換”或配準(zhǔn)到空間中的工具和頭部位置。每個(gè)相機(jī)像素的 3D 位置由用戶界面識(shí)別。圖像集被聯(lián)合起來(lái)，以在整個(gè)零件上創(chuàng)建每個(gè)層的完整圖像。圖像分辨率足夠高，可以根據(jù)該圖像自動(dòng)測(cè)量簾布層邊界位置。Electroimpact 表示，在移動(dòng)（即龍門架安裝）設(shè)置中，簾布層邊界的攝像頭圖像已被確認(rèn)在真實(shí)位置的±0.060 英寸/±1.5 毫米范圍內(nèi)。
利用大數(shù)據(jù)
Cemenska 說(shuō)，與此同時(shí)，激光輪廓儀在材料沉積過(guò)程中在零件表面投影一條線，其內(nèi)置的探測(cè)器陣列測(cè)量沿著該激光線的 1000 多個(gè)離散位置的高度。因此，它檢測(cè)表面的 2D 輪廓。當(dāng)輪廓儀在材料沉積過(guò)程中與頭部一起移動(dòng)時(shí)，它實(shí)際上會(huì)創(chuàng)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(guò)程中測(cè)量任何重疊和間隙的寬度。這些輪廓儀數(shù)據(jù)與來(lái)自相機(jī)和零件程序的數(shù)據(jù)以及操作員輸入集成在檢查用戶界面內(nèi)；隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，界面構(gòu)建零件的逐層 3D 模型。
識(shí)別軟件從大量的相機(jī)圖像數(shù)據(jù)以及輪廓儀生成的原始數(shù)據(jù)陣列中測(cè)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(shí)別褶皺和橋接等缺陷。然后在三維模型上顯示這些。
Rudberg 說(shuō)，處理收集到的數(shù)據(jù)所需的用戶界面和算法是由Electroimpact 軟件工程師在內(nèi)部開發(fā)的。（據(jù)波音公司稱，一種并非由 Electroimpact 開發(fā)的異物檢測(cè)系統(tǒng)即將問(wèn)世。）
Electroimpact 自動(dòng)簾布層邊界檢查系統(tǒng)可以正確識(shí)別和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)簾布層上 92%的兩端，平均誤差小于±0.005 英寸，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.020 英寸。Rudberg 說(shuō)，用輪廓儀進(jìn)行的重疊/間隙測(cè)量與材料放置同時(shí)進(jìn)行，可以比手動(dòng)檢查更快地完成。如果出現(xiàn)關(guān)于拖尾或間隙/重疊的問(wèn)題，則將選擇的圖像轉(zhuǎn)發(fā)給檢查員，以便在工作單元的計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行評(píng)估。Cemenska 說(shuō)：“我們幾乎已經(jīng)消除了任何手動(dòng)檢查。如果我們發(fā)現(xiàn)罕見的錯(cuò)誤，比如絲束掉落，LASERVISION 的激光線會(huì)顯示該區(qū)域，必要時(shí)會(huì)將壞絲束拔出。然后對(duì)機(jī)頭進(jìn)行重新編程以進(jìn)行維修。”，因?yàn)殡S后會(huì)對(duì)零件邊緣進(jìn)行修剪，這樣可以節(jié)省額外的時(shí)間。
檢查速度取決于簾布層的復(fù)雜性，并且隨著拖尾數(shù)量的增加而降低，這就是為什么蒙皮的檢查系統(tǒng)比翼梁的檢查系統(tǒng)具有更高的優(yōu)先級(jí)，Rudberg 說(shuō)：“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(shí)行走，因此優(yōu)先考慮的是蒙皮零件的自動(dòng)檢查系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行，因此我們將工作重點(diǎn)放在了那里。關(guān)于翼梁，鋪放和層壓是主要障礙，所以我們首先在這方面進(jìn)行了工作。”
Cemenska 報(bào)告說(shuō)，檢查系統(tǒng)每秒可以測(cè)量 15 個(gè)尾端；在擁有多達(dá) 2000 個(gè)已檢查尾端的蒙皮零件上，以下相機(jī)需要幾分鐘的時(shí)間來(lái)拍攝照片，軟件需要幾分鐘來(lái)組裝簾布層圖像。Rudberg 說(shuō)，總的來(lái)說(shuō)，復(fù)雜的簾布層需要 3-5 分鐘的時(shí)間來(lái)成像和處理：“目前，我們的目標(biāo)是 100%的檢查，所以我們沒(méi)有識(shí)別的 8%的尾端目前是用肉眼‘半自動(dòng)’定位的，所以這增加了大約 10 分鐘。”他補(bǔ)充道，通過(guò)加快軟件系統(tǒng)的速度，可以加快這一半自動(dòng)步驟。最終，如果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示 92%的識(shí)別末端準(zhǔn)確地代表了整個(gè)零件，則可以完全消除 8%的需求。“現(xiàn)在還處于早期階段，仍有改進(jìn)的空間——隨著對(duì)系統(tǒng)信心的增強(qiáng)，未來(lái)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(guò)進(jìn)行一系列嚴(yán)格的預(yù)驗(yàn)收測(cè)試，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證：Rudberg 和Cemenska。這些結(jié)果使波音公司相信了該系統(tǒng)的可靠性，從而在777X的零件上采用了。波音公司表示，對(duì)一體式翼梁的過(guò)程檢查計(jì)劃于今年年初實(shí)施，這是有史以來(lái)最大的一次生產(chǎn)。
Rudberg 總結(jié)道：“這是對(duì)大數(shù)據(jù)的明智使用。我們正在測(cè)量每根絲束相對(duì)于簾布層邊界的位置，并創(chuàng)建結(jié)果的數(shù)字記錄。這些數(shù)據(jù)提高了零件質(zhì)量，并使客戶能夠做出更明智的決定。因?yàn)槲覀兛梢杂脭?shù)字方式證明零件質(zhì)量，所以最終將允許使用限制較少的設(shè)計(jì)容許值。”
現(xiàn)在肯定是開發(fā)一種急需的技術(shù)的時(shí)候了，這種技術(shù)可以讓自動(dòng)化復(fù)合材料制造機(jī)器以設(shè)計(jì)的速度運(yùn)行。毫無(wú)疑問(wèn)，它將應(yīng)用于其他零件。
END
注：原文見《 Improving composites processing with automated inspection 》 2018.1.29
777X 機(jī)翼裝配廠房：占地 150 萬(wàn)㎡（160 萬(wàn)平方英尺）。該建筑包括19 萬(wàn)㎡ (200,000 平方英尺)的高架空間制造場(chǎng)地，采用 107m （350 英尺）的凈跨度結(jié)構(gòu)和14 萬(wàn)㎡（150,000 平方英尺）的側(cè)翼支撐和辦公空間。該工廠擁有復(fù)雜的機(jī)器人工具、復(fù)雜的機(jī)械和特種管道系統(tǒng)，以及三臺(tái) 37m 長(zhǎng) (120 英尺長(zhǎng))的熱壓罐，用于固化 777X 飛機(jī)的碳復(fù)合材料機(jī)翼的壓力容器。
楊超凡 2023.11.14