作者題記：自動化是大型飛機制造中的一個永恆主題，作者2019年1月發表波音B777X機翼製造技術專欄文章（發表於“民機戰略觀察”／“空天防務觀察”公眾號）一文，就介紹了波音B777X複合材料機翼製造向全自動化邁出的堅實一步。雖然B777X的機身仍然是金屬，沒有機會像機翼那樣引發那麼巨大的創新影響，但是波音仍然將目光瞄向了中機身（作者注：實際上是機身中部的桶形前段和後段，不包括與機翼連接的中段），首次引入了“全自動化”的機器人裝配系統，試圖獲得比人工裝配更大的效益，再次開創一個新時代。然而……
正在裝配B777X整體翼梁的庫卡機器人
不得不說，2019年就是波音民機的災難之年——3月B737MAX墜機，之後經歷全球停飛並被迫全線停產，全年窄體客機交付銳減八成；4月B787生產線又被爆管理混亂，存在諸多質量安全隱患；7月B777X發動機GE9X出現故障首飛推遲，9月B777X地面試驗中又出現艙門部位爆裂……以波音民機為核心的航空產品一直佔據了美國貿易順差的最大頭，特朗普多收的關稅一大部分可能都要被這些問題抵消回去了。也許是看波音太慘了，對於2019年11月底爆出的另一條負面消息，美歐媒體竟然報道寥寥，只有那家機器人公司的競爭對手最為熱情，將全網僅有的三則新聞都放在了首頁上。這就是我們今天要說的——波音公司放棄了這項花費數百萬美元、研發部署六年之久的、雄心勃勃的“全自動化”計劃，轉而重新選擇了本想拋棄、但現在看來更可靠、更高效的幫手——人。
B777X地面試驗中艙門部位爆裂
一、全自動化？波音庫卡聯手機器換人
2013年，當時還是德資企業的庫卡系統公司北美分部，正在美國華盛頓州斯卡吉特郡的阿納科特斯一家由造船廠改造的波音研發設施內，秘密進行著一項自動化系統的開發測試和製造成熟度提升工作。有人曾偶然窺到，發現那是由兩臺機器人組成的一個製造系統。作為全球世界四大機器人廠商之一，庫卡公司在汽車製造業擁有深厚的功底，自動化流水線已經成為汽車製造廠的標配。這回的雙機器人是要幹嘛？如果那個人是搞汽車的估計會摸不著頭腦，但只要是搞航空的就也許能看出些門道。
同樣是2013年，全球裝配領域的權威雜誌《裝配》評選了年度裝配工廠，位於美國加利福尼亞州帕姆代爾的美空軍42號廠區中的其中一座工廠榮登桂冠，該工廠為空軍所有、諾格公司運營，專門從事F-35戰鬥機中機身的裝配工作，被稱作“集成裝配線”。這條裝配線上集成了機器人、激光測量、無人導向車（AGV）、射頻識別（RFID）、平板操作等大量先進的技術，到現在都是世界最先進的軍工製造工廠。這麼先進的裝配線，為之完成集成工作的並不是諾格公司，而是花費超過1億美元請過來的庫卡北美分部！而且這條線上最令人津津樂道的一個生產單元，就是S型進氣道的雙機器人協同裝配，其中的一臺機器人就是庫卡的。
2016年，中國美的集團收購德國庫卡公司的時候，美國強烈反對，直到收購排除了庫卡北美分部的資產後，美國政府才給予放行，原因就在這兒。
庫卡集成的F-35進氣道雙機器人協同裝配單元
2013年庫卡風光無限，波音在B787項目上也是順風順水，特別是一系列自動化技術的應用，大大增加了裝配效率、減少了錯誤返工、降低了質量成本、縮減了交付週期。於是，波音決定再進一步，在B777系列飛機的製造上加大自動化程度，其中就包括中機身前後段裝配的“全自動化”計劃，大幅提升機器人的使用，以期改進傳統的工藝流程。有了F-35項目的技術積累和經驗加成，庫卡實力中標並且開始和波音合作開發新的系統。
傳統的中機身前後段裝配流程中，機身被安裝在一個大芯軸上，下半部分裝配時必須將其翻轉180度“朝上”，然後裝配上半部分時再轉回去。傳統裝配中，機身蒙皮壁板由剛性的固定工裝夾緊，機械師人工鑽孔、鍃孔並安裝緊固件。即使後來鑽孔、鍃孔環節引入了自動化設備，而之後安裝緊固件則仍要靠人協助來完成，這就不能稱作全自動化裝配。波音的“全自動化”計劃就是要讓機器人完成絕大部分的中機身前後段“鑽孔－鍃孔－緊固”工作，並且終結桶形機身段必須旋轉這一步驟，因為這太不精益。
以前機身下半部分裝配時要在這個大傢伙上翻轉180度
新的裝配流程叫做“機身自動正立建造”工藝，顧名思義，首先就是機身不再需要“倒立”——機身下半部分無需翻轉倒置。然後就是最大的創新，即引入兩臺機器人協作完成安裝緊固件的任務。在新流程中，桶形金屬機身固定在一個巨大的托架中，無需剛性的工裝夾持，然後由四臺機器人執行鑽孔任務，並安裝6萬多個緊固件。一對機器人將同時在機身上半部分鑽孔和緊固，其中一臺在機身裡面，另一臺在外面。外部機器人插入一個鉚釘的同時，內部機器人在另一端將其壓平以完成緊固；或者外部機器人插入一個雙面緊固件（不同於只由一個部分組成的鉚釘），內部機器人在另一端安裝套環完成緊固。第二對機器人以類似的方式在機身下半部分工作，這樣就無需翻轉機身。機器人的多功能末端執行器上安裝有小型攝像頭，可以將實時圖像傳輸到電腦，監測機器人的移動並且進行診斷。
2014年，庫卡公司在英國範堡羅航展上公開了這一系統的配置，筆者當時也報道了這個創新。庫卡公司宣稱該系統快速且精度很高，會幫助波音實現更經濟和更高效的交付，而且質量無與倫比。2015年，該系統開始在波音埃弗裡特的B777系列總裝厂部署並逐步實施。
一位操作機器人裝配了40架B777的機械師難掩興奮之情，他認為這項尖端科技非常酷，再也不用像以前那樣親自幹這些重複的鑽孔和緊固工作，這太辛苦而且後背、脖子、肩膀和手臂都承壓太大。中機身結構團隊負責人也很高興，因為他不用再每天安裝300個緊固件或者完成300個鍃孔的工作，能學習新技能——比如，操作一臺機器人；而且，與工作相關的受傷也減少了40%。系統的生產和集成負責人表示，該系統確實終結了機械師的這份壓力，而且還以柔性的方式改進了質量並提升了速度，它可以在6個工作站建造中機身前後段的任何部位。B777生產工程總師也說，機械師可以使用AGV小車移動機器人和機身大部件，這種移動性和柔性讓該系統能夠製造所有B777型別，包括B777X。如果事情到此為止再沒有爆出啥么蛾子，那可謂“形勢一片大好”了。
B777X前機身段的庫卡雙機器人協作裝配系統
二、六年就癢？波音六個月內重新來過
可是，真的一切都如此美好嗎？“該系統是一個可怕的失敗！”“這是一個噩夢！”2016年，就已經有波音的機械師受不了了。不僅如此，2016年上半年，一臺機器人在工作時嚴重劃傷了一架B777（還是我國東方航空公司訂購的）的機身金屬蒙皮壁板，導致它必須被換掉。儘管負責監督B777系列生產的副總裁堅稱，這是操作機器人的機械師出的一次性錯誤，之前完成裝配的20箇中機身從未出現蒙皮壁板損壞，但該系統還是被停用了數週。
什麼原因讓機械師們怨聲載道？讓我們再來詳細看看這個“機身自動正立建造”工藝。其實，該工藝並不那麼“全自動”，而且還給上下游環節增加了額外工作量。由於該系統中沒有剛性的工裝，波音需要讓B777機身部件供應商（如近來跟著停產的斯普利特航空系統公司）在蒙皮壁板、框和地板橫樑中鑽出額外的孔，以便在裝配時對齊這些部件進行精準接合。 開始裝配前，14個大壁板經由AGV小車運輸進入到工作站，機械師將其抬起放置到托架上，讓這些孔對準，然後給壁板裝上臨時緊固件，讓這些部件先進連在一起。不過最開始，這些壁板接合得不是很好，波音不得不跟供應商一起進行修正。
還未拼接成桶形的機身壁板
當機身段拼接成桶形後，就會移動到自動化單元，4臺機器人施加永久緊固件。儘管只是在連接機身段最重要的圓周和縱向結合處緊固，但是這項工作極為困難，必須穿過厚金屬板插入大鉚釘。就像上述所說，一對機器人在上半部分機身段鑽孔和緊固，另一對在下半部分，外部機器人插入一個鉚釘，同時內部機器人壓平它以實現緊固。一旦自動化工作完成，柔性工裝分開然後機身段移動到下一環節。機械師手動插入剩餘的緊固件和支架，包括那些可達性受限的區域，比如飛行甲板下的狹窄空間（一般機器人是無能為力的）。不過，機械師們發現這一手動工作又慢又困難，因為之前的自動化單元遺留了許多未完成的工作。
理論上，這個新的自動化系統要處理多種不同的緊固件，從單件組成的鉚釘到各個種類的兩部分組成的雙面緊固件和螺栓，目標是完成每個機身段緊固工作中最困難的那20%。最開始確實進展非常緩慢，時間主要花在了學習如何完成緊固件安裝、讓它們以所需的精度配合上面。比如2016年8月，一架大韓航空的B777貨機裝配過程中，在系統安裝了幾百個鉚釘之後，工程師發現工作並沒有達到夠足夠的精度，於是這些鉚釘必須全部拆下來返工。由於波音民機的生產節拍要求極為嚴格，管理政策要求裝配線上未完成的工作和返工，要在後面的環節再完成，如果不是必需則不能影響正常的節拍。像拆下鉚釘返工這種，就要順延到下一環節，於是機械師不得不把空孔再安上臨時緊固件，搞得機身像豪豬一樣（臨時緊固件高出蒙皮十幾英寸）。對於這個新系統，這種因為裝配缺陷而增加的手動工作有時候可能不比機器人少。而且除了質量問題之外，由於工程師接到新任務而放慢了系統的操作速度，這也產生了不少未完成的緊固工作。這麼多未完成的工作，也難怪後續的機械師會嚴重吐槽。
工程師是需要上點心仔細檢查下精度波音認為這只是勝利前的陣痛，嘗試了停用系統、更新軟件來解決這些問題，不過效果現在來看已經很明顯了。負責監督B777系列生產的副總裁2019年初接受採訪時就已經不是三年前的態度了，他表示機器人表現確實糟糕，這項工作很難，也花費了他好幾年的時間。當然，他也認為波音從這次的深入研究中學到了寶貴的經驗，新系統教會了他們如何設計自動化。2019年6月，波音決定在年底前終止這一“全自動化”計劃，取消研發部署了六年的“機身自動正立建造”系統，用六個月的時間將中機身前後段的工藝過渡恢復到原來的工藝——就是開頭所提那位熱心轉載這則消息的競爭對手所提供的解決方案。2016年收購了庫卡系統公司北美分部的先進集成技術公司拒絕評論波音這一決定，有意思的是，該公司為B787“交鑰匙設計”的中機身集成裝配線上，就採用了這個競爭對手的解決方案，現在心裡一定不是滋味。至於這位競爭對手，大家看過筆者那篇“看看什麼叫工業強國：
創造歷史的波音777X客機機翼製造創新！”（點擊題名可直接訪問）就肯定會不陌生，那就是在B737MAX、B777X和B787項目上斬獲大單的電力撞擊公司。該公司以自動鑽孔和電磁鉚接聞名，公司總裁的回應很有意思：“幾年前，波音要求我們對這個項目進行投標，但我們拒絕了，我們告訴他們這是行不通的。過去30多年來，波音反覆嘗試使用機器人做那些事情，然後每次都會失敗，在C-17上的嘗試也是如此。”波音也拒絕對此發表評論。
中機身中段的裝配一直在用電力撞擊公司的解決方案三、只要最對！柔性導軌成為最大贏家電力撞擊公司總裁為什麼要說這些看似不客氣的話呢？其實，B777中機身中段的裝配一直在用電力撞擊公司的解決方案，而前後段在進入“機身自動正立建造”系統之前，也一直是使用公司業已在B787中機身上效果良好的成熟解決方案，而且就是波音現在要重新採用的解決方案。幾年前突然被以實現“全自動化”的名義讓庫卡搶走工作包，老總肯定內心不爽，恐怕憋了很久才等到了調侃出氣的機會。不過這句話也值得商榷，B787後機身裝配和B777中機身中段裝配現在用的，明明就是他們公司與波音聯合開發的機器人裝配系統——“四人組機器人”。只不過B777系列中機身中段的裝配中只有一臺外部機器人，進行鑽孔並且安裝雙面緊固件（不是鉚釘），而機械師則在內部工作，在緊固件上手動安裝套環。未來的中機身前後段裝配工藝也將按此方式，只不過鑽孔不會採用機器人，而是之前用得好好的“柔性導軌鑽孔”系統。對於緊固部分，波音則重新設計了部分結構，以使用難度較小的緊固件替代鉚釘，從而進一步改善人體工程學，改善安全性、質量和工廠流程。
我們來看看這個獨特的“柔性導軌鑽孔”系統，它將2條柔性導軌真空吸附在飛機結構件上，導軌上裝有小車，內有鑽孔主軸，鑽孔系統在導軌上爬行並自動鑽孔。也就是，在桶形機身上鋪設一條環形軌道，無人小車繞機身一圈就把孔鑽完了，是不是非常厲害的創意？電力撞擊和波音針對不同的鑽孔位置，設計了4種導軌系統——雙排、寬托架、偏移和高扭矩，分別應對機翼鑽孔、機身鑽孔、邊緣鑽孔、大直徑鑽孔的任務。柔性導軌系統運動X和Y向上的精度為0.254毫米，驅動機構加上主軸與壓腳固定的設計可以確保對速度、進給量和孔深的精確控制，法向傳感器嵌在壓腳中，用於鑽孔前感知並檢驗鑽頭到蒙皮的法向，確保系統鑽孔時與壁板表面成法向。柔性導軌系統具備充足的電力，減少了不同位置設置的數量，可以一次性鑽許多的孔，節省了大量時間。系統配備有碎屑抽真空器，用於回收碎屑並使冷卻劑循環，冷卻劑回收率超過98%，不會積攢髒物，兼顧了綠色環保。
比機器人靈巧得多的柔性導軌鑽孔系統
工業機器人在許多行業中已經建立了良好的基礎，並且通常與現代化的先進製造系統相關聯。但是，航空製造仍然嚴重依賴熟練的人工作業，許多人會驚訝地發現，大部分飛機裝配仍然是一個手動過程。航空工業通常被認為是先進製造業的巔峰，因此，它在某種程度上落後於汽車工業這一點令人驚訝，考慮到飛機與汽車裝配之間的相似性，則更是如此。航空製造中採用機器人的一個主要障礙是缺乏精度，“機身自動正立建造”系統的失敗，可能就與多自由度機械臂的誤差累積以及靠近蒙皮區域的減速控制不力有關。機器人作為機械化的勞動力，確實永遠不會生病、勞累或飢餓，在許多需要非人體工程學姿勢的任務中，一臺機器人承擔4～6名機械師的工作，這減少了職業傷害。不過，在某些情況下，機器人確實無法與人的手和眼睛的靈巧性、獨創性和精確度相提並論。特斯拉公司也曾試圖放棄高度自動化的汽車和電池組裝線上的工人，最終妨害了Model 3轎車的初始生產。大型工業機器人並不是萬能的自動化製造設備，最適合、最靈巧的才是最好用的。“柔性導軌鑽孔”系統就可以實現質量很高的鑽孔作業，即使在圓形導軌上重複進行了3000次鑽孔操作，機器人也會產生完全相同且與蒙皮法向垂直的孔。B777中機身裝配最早引入該系統時，很快就消除了93%的缺陷，兩年後這一數字達到98%，直到被後來的庫卡機器人系統替代。 空客也在A320上部署了8臺柔性導軌鑽孔系統，看來這將是大勢所趨。然而，很多情況下，人其實才是最適合的、最靈巧的，波音決定B777X中機身“人換機器”之後，宣佈未來將保持機械師總數量不變（超過3000人）。
空客A320機身裝配也使用柔性導軌鑽孔系統
自動化是美好的，但也總是有侷限的，之前講的F-35進氣道雙機器人協同鑽孔系統，也是在美空軍的支持下，一步步將製造成熟度等級從3提升到9，實現了質量效率的雙贏。這次是波音在激進的全自動化道路上的一次不太成功的嘗試，但是它可能教會了波音如何更好地權衡自動和人工，更好地設計自動化的流程、方法和工具，權衡自動化中的機器人和更靈巧設備的使用。隨著機器人技術的不斷提升以及精度的進一步提高，以及未來更復雜裝配任務下的新需求，仍有可能出現更加優秀的自動化工藝。波音曾在2016年1月獲得了一項“全自動化製造工廠”的專利，AGV小車、移動機器人裝配系統和自動裝卸工裝演繹了機器人總動員，筆者堅信專利中描繪的場景在未來一定可以實現。
終於！首架B777X終於在2020年1月25日首飛了（美國波音公司圖片）
劉亞威先生已為《空天防務觀察》提供67篇專欄文章，如下表所示：
<table><tbody>美國數字製造與設計創新機構助力美國智能製造
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不要最炫，只要最對！波音B777X機身裝配上演“人換機器”（即本篇）
2月10日
（中國航空工業發展研究中心 劉亞威）
本篇供稿：系統工程研究所
運 營：李沅栩
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