创造波音历史四个第一：777X机翼靠3D打印模具(3)
公司为波音777X机翼制造提供了两种定制化的自动化工作单元，机翼AFP系统和机身AFP系统。机翼AFP系统中，12.8米长的主龙门梁上安装有重达1.7吨、装有20个盘型卷轴（类似电影胶片盘）的AFP铺丝头，龙门可以沿着机翼壁板模具移动超过30米，铺丝头可以跨越龙门移动7.5米，以覆盖最宽处达9米的模具，铺丝头的Z向移动约2米。上下两块机翼壁板在置于工作单元龙门工作区域内的低曲度阳模中制造，铺丝头在其上往复运动，从20个卷轴同时输送38毫米宽的预浸带，每次铺放760毫米宽的一条铺层。当铺丝头接触到正在制造的位置时，其尖端的加热元件会使树脂机体发粘，从而使下一层很容易被粘结。整个过程十分安静，唯一的声响是气动致动器发出的，即铺丝头改变角度放另一层预浸带或一条铺层铺放结束后切割预浸带时。
图：铺丝头在机翼蒙皮铺放的同时加热树脂 图片来源：波音
翼梁AFP系统中，0.5吨、装有16个丝轴的铺丝头，将12.7毫米的预浸带铺放在一个具有两个90度角的U形模具（类似订书钉）上，当铺丝头运行到翼梁边缘时，预浸带可以按需移位。该系统可以在10分钟内沿着超过30米的翼梁完成一层铺放，而变换角度横着铺放可以在25分钟左右完成。为了提高效率，AFP系统旁边放置了一个更换铺丝头的工作台，一旦某个丝轴不能完整输送出预浸带时，2分钟内就可以换上另外一个。这样创新的一个系统，机床结构设计的首席工程师今年才35岁，铺丝头首席工程师只有31岁，而首席工艺工程师年仅30岁，说公司不仅吸引着聪明人，还吸引着热爱新挑战的人。
2、自动化让实时原位检测成为现实
除了自动化铺放系统，自动化检测系统也是Electroimpact公司的一大创新。高速AFP系统中还有一条可与主龙门独立操作的第二条龙门梁，自动化原位检测系统就安装在其上。系统包括一个安装在铺丝头上的激光轮廓曲线仪，以及在龙门梁上安装成一排的3个准直视觉公司LASERVISION投影盒装置，每个装置除了一个激光投影仪外，还配备有一个高分辨率摄像头，三者通过计算机软件算法给用户界面输送数据。这种构型使激光器和部件之间的距离尽量小，减少了入射角。
图：第二条龙门梁上的投影盒装置 图片来源：波音
投影盒装置有两个关键功能：激光从一个孔径中投影，通过两个可转向镜组合定位；从第二个孔径中，一个镜头焦距300毫米的高分辨率数字摄像头也由两个镜面转向，以捕获铺放过程中材料沉积的图像。摄像头和激光器在同一个坐标系统内工作，在空间中可“转换”或注册到模具和铺丝头位置，因此高分辨率图像可在三维空间中精确定位。每个摄像头像素的3D位置由用户界面识别，图像集连接起来即可为每个铺层在整个部件上创建一个完整图像。由于图像分辨率足够高，铺层边界位置可以从图像上自动测量到，在移动式（比如龙门安装）安装中位置精度在±1.5毫米以内。
投影盒装置工作的同时，激光轮廓曲线仪在材料铺放时于部件表面投射一条线，其内置的探测器阵列沿着激光线测量超过1000个离散位置的高度，这样就检测了表面的2D外形。由于轮廓曲线仪在材料沉积时沿着铺放头抬升，它实际上创建了一个3D的表面外形。轮廓曲线仪的激光线跨过丝束间的接缝，在铺放进行中测量任何重叠或空隙的宽度。轮廓曲线仪的数据将与来自摄像头和设计程序的数据以及操作人员的输入在检测用户界面内进行综合，界面随着生产的进行构建一个叠层的3D部件模型。识别软件从海量的摄像头图像数据和轮廓曲线仪生成的原始数据阵列中测量特征的位置，以发现丝束末端（或铺层边界）、丝束重叠和空隙，并识别诸如褶皱和桥接的缺陷，这些都会显示在3D模型上。
图：铺层3D模型上显示的重叠或空隙错误 图片来源：波音
当前，Electroimpact公司的自动化铺层边界检测系统每秒可以测量15个丝束末端，机翼壁板部件有2000个检测的丝束末端，要花费3-5分钟让摄像头拍照并让软件组合铺层图像，但也比人工检查速度极大加快。系统可以正确识别并测量一个标准铺层上92%的丝束末端，平均错误小于±1.25毫米，标准差是±0.5毫米。系统当前无法识别的那8%丝束末端正在用肉眼半自动定位，如果统计显示那92%的已识别丝束末端精确表达了整个零件，那么就不再需要识别这8%。随着系统改进，未来几乎可彻底终结人工检查，效率还有提升的空间。
三、结束语
如果说波音787是大飞机制造史上的一个里程碑，标志着大型客机复合材料时代的开始；那么波音777X又再次为大飞机制造掀起了一个高潮。777X带来的，不仅是机翼主承力构件高速自动丝束铺放技术、自动化实时原位检测技术，还有更多的创新，如机翼轨道机器人装配技术、机身机器人垂直装配技术、人机协作装配技术、GE9X发动机热端部件陶瓷基复合材料（CMC）自动化制造技术等等。随着更多创新技术得到开发与应用，我们有理由相信，波音777X项目将引领大飞机制造迈向工业4.0时代。
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