站位式飛機裝配柔性生產線研究

劉 穎

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安710089）

飛機裝配是按設計要求，將飛機零部組件按照設計和技術要求進行定位連接，形成高一級裝配體或整架飛機的過程。據統計，由于飛機產品存在大尺寸、外形復雜、零件數量巨大等特征，飛機裝配工作量約占飛機制造總工作量一半甚至更多。隨著社會對航空產品需求的增長以及市場競爭的加劇，飛機裝配逐漸成為飛機制造周期改進的瓶頸。國內外各大飛機制造公司為縮短生產周期、降低成本，對飛機裝配生產線進行持續的優化迭代，從傳統固定式手工裝配生產線、站位式半自動化裝配生產線到近年來的柔性裝配生產線。

本文主要介紹了飛機裝配生產線的國內外發展現狀，分析了柔性裝配技術的發展，最后結合國內的生產現狀對站位式飛機裝配柔性生產技術的應用進行了探討。

1 飛機裝配生產線發展現狀

1.1 飛機裝配生產線發展進程

隨著航空業的蓬勃發展，市場對飛機的需求量大幅增長，以固定工位配置剛性工裝的工作環境，以手工定位、制孔、裝配操作為主的操作方法，采用模擬量進行協調量傳遞的傳統固定式站位飛機裝配生產線已無法滿足市場對飛機的需求。在此背景下，飛機裝配生產線從傳統固定式站位的手工裝配、單站位式的裝配模式，逐步改進為多裝配站位，并按一定的節拍移動、標準化作業的站位式裝配生產線。站位式裝配生產線的誕生顯著提高了飛機裝配效率，極大地降低了裝配成本，對于飛機研制和批量生產具有深遠的意義。20世紀80年代以來，隨著市場對飛機產品個性化需求的不斷增加，飛機產品呈現多品種、小批量、質量要求高等特征，為了更高效、更快速地適應市場需求，就需要對目前飛機裝配生產線進行持續深入改進[1]。

近年來，隨著計算機、網絡技術的突破性進步，結合其技術成果飛機裝配技術發展出了計算機輔助裝配技術、基于網絡進行生產調度模式以及各種創新裝配工藝技術。基于上述技術進步，國外先進航空制造企業緊隨汽車柔性裝配制造業發展出了飛機柔性裝配技術，并在飛機研制過程中進行了初步的應用，得了較好的成效。（如表1）

表1 固定站位式飛機裝配與站位式飛機柔性裝配對比

1.2 國外現狀分析

國外在柔性裝配生產線方面研究應用較早，空客公司在A320、A340、A380等機型的機翼壁板裝配過程中，應用了電磁鉚接動力頭的柔性裝配技術，解決了機翼裝配過程中翼梁大型構件的自動化裝配問題。洛克希德·馬丁公司在JSF戰機原型機X-35的研制過程中充分應用了柔性裝配技術，類似機身隔框的零件的柔性夾具的定位方法及裝配順序都相同，支持在同一車間生產，實現了通用化制造，大大減少了工具和工裝，飛機裝配周期縮短了三分之二、工藝裝備則由350件減少到19件、制造成本降低了一半[2]。

波音公司的柔性裝配生產線技術已比較成熟。通過采用一種U型裝配生產線，F-22的裝配周期由16個月縮短為12個月，F-35的3種機型的裝配被設計在一條裝配線上進行裝配，采用模塊組合柔性加工設備降低成本30%，同時還提高了裝配生產率，節省了裝配空間。

1.3 國內現狀分析

近年來國內在飛機數字化裝配技術領域有所突破，在自動制孔、組件級裝配及部件自動對接技術等多個單項技術上有了一定的研究應用，在數字化工裝設計技術方面，已采用三維數字化設計技術進行飛機工裝設計，在測量技術方面，激光跟蹤儀、照相測量、激光雷達等測量設備已經用于飛機關鍵外形尺寸和位置測量以及飛機部件裝配型架裝配測量[3]。

但在柔性裝配生產線相關技術集成應用上，國內主要航空制造企業尚存在較多不足之處，對大型柔性裝配平臺集成應用技術缺乏系統研究，產品設計過程中缺乏對產品柔性裝配的應用考慮，工藝設計過程仍沿用傳統的二維表達模式，需要對基于三維的產品設計要求進行轉化銜接，同時二維工藝表達模式難以滿足柔性裝配技術對大量結構化工藝數據的需求，國內技裝設計部門缺乏柔性裝配的研究。國內主要的航空主制單位目前尚未建成自動化柔性裝配生產線，與國外相比存在較大的差距。

2 柔性裝配技術分析

飛機柔性裝配技術是一種基于產品設計特征全數字量定義，充分應用柔性裝配規劃、數字化柔性工裝、信息集成技術進行飛機零部組件的精確定位裝配的裝配技術。通過對國外柔性裝配技術應用效果的分析，柔性裝配飛機裝配生產線可有效提高裝配效率和準確度，縮短裝配周期[4-7]。柔性裝配技術具有生產準備時間短、產品質量高、對操作者依賴性弱等優勢。下面對柔性裝配生產線必須具備的技術的組成進行簡要介紹（如圖1）。

圖1 柔性裝配技術構架

2.1 柔性裝配信息集成技術

以產品數據管理系統PDM為基礎，配合設計端進行面向裝配的數字化飛機產品并行設計，對裝配過程的裝配工藝進行仿真規劃、可裝配性分析，應用仿真結論指導柔性工裝設計，在數據層面實現飛機設計、工藝、工裝、裝配過程的全數字量傳遞，配合各類先進的裝配機電一體化裝備數據采集、控制指令下發，實現柔性裝配系統中各組成部分間的信息管理與集成控制。

2.2 飛機柔性裝配規劃技術

在數字量飛機裝配規劃數據傳遞的前提下，通過分析設計、制造、容差分配與協調技術等柔性裝配影響因素，進行柔性裝配影響因素分析與誤差預測、裝配過程仿真，實現預測和控制飛機部件裝配總誤差。應用各類先進的裝配連接設備，實現裝配過程的數字傳遞以及零部組件的自動化連接，保證整個裝配生產線的自動、高效運行，從而保證飛機的自動化裝配過程的質量和效率。應用數字化檢測裝備對裝配過程進行精確測量和協調，保障裝配的準確性。

2.3 數字化柔性工裝技術

在飛機數據數字量傳遞的前提下，研究柔性工裝的模塊化、參數化設計，實現工裝快速響應，快速重構以及數字化定位，同時柔性工裝的可重構特性，使按單機型規劃的生產線可以在一定程度上適應生產線的功能調整，從而實現生產線的低改造成本，提高復用率。

3 站位式飛機柔性裝配生產線探討

上文通過對飛機裝配生產線發展歷程，國外裝配技術發展狀況以及柔性生產線技術特點的分析，柔性裝配生產線可有效地適應生產訂單的不確定性。站位式生產線規劃將飛機裝配工作劃分為多個裝配單元，輔以柔性裝配生產線技術，從而實現工藝資源的快速調整，達到快速轉變生產線的生產模式，讓單條生產線在一定程度上可以滿足多機型的混線生產，從而實現飛機產品在多品種、小批量條件下的生產。站位式柔性裝配生產線的特點主要包括以下幾個方面：

（1）采用數字化三維、柔性裝配工藝設計方式，分析各類飛機裝入零部組件裝配順序及調整方案、容差分配、自動鉆鉚工藝技術、柔性工裝、設備、刀量具、工具及裝配空間環境等多方面因素，對工藝流程進行柔性裝配過程可視化仿真，對整個裝配過程進行全數字量傳遞，達到全面反映柔性裝配過程真實工況，優化飛機裝配調整的目的。

（2）采用數字化柔性工裝控制技術，數字化柔性工裝較好地支撐了柔性裝配技術，其主要構成支持調節或部分重組，確保單套工裝可適應同系列、不同機型的裝配定位需求，同時對裝配精度也進行了大幅優化提升。在柔性工裝設計過程中，充分承接了產品設計對裝配質量的要求，貫徹了柔性裝配質量控制理念，為裝配質量控制提供了基礎。

（3）充分應用各類先進的裝配連接設備，如柔性化可重構制孔單元、可重構末端執行器、大部件集成對接平臺等先進設備，為柔性生產提供裝配質量、裝配效率的保障，輔以數字化三維、柔性裝配工藝設計數據，從而實現裝配過程的自動化。

（4）充分應用數字化檢測裝備，實時準確地獲取裝配對象的尺寸等幾何參數，結合結構化的數字化三維、柔性裝配工藝設計數據，準確地獲取裝配對象的位置信息，為先進的連接設備提供理論值、實際測量值，為柔性裝配過程中的準確協調裝配控制提供調整依據。

（5）采用信息化手段集成柔性化工裝、先進的裝配連接設備、數字化檢測設備以及生產輔助設備，實時采集各類先進數字化裝備的反饋數據，結合數字化三維、柔性裝配工藝設計輸出要求，對各類數字化裝備進行統籌管理，實現人、設備、產品之間的信息互通，構建數字時代的站位式飛機柔性裝配生產線，實現對整機裝配過程的有效控制。

綜上，站位式飛機柔性裝配生產線規劃是通過充分應用數字化裝配技術、自動定位與控制等技術，定義飛機的數字化裝配工藝流程，規劃生產線裝配方案，從而實現零部組件快速精確裝配的技術。通過應用該技術，實現裝配工裝種類的減少、裝配效率的提高，從而縮短飛機裝配周期，降低成本，增強競爭力。

4 結束語

站位式飛機柔性裝配生產線在提升裝配工裝復合利用率方面有著較大的優勢，可以敏捷地應對生產訂單的不確定性帶來的生產準備周期延長的問題，同時，柔性裝配技術采用了大量先進的軟硬件系統，極大促進了裝配效率的提升。因此，站位式飛機柔性裝配生產線在面對不同訂單帶來的同型號、不同要求改進改型飛機生產任務或同型號飛機管理優化、工藝流程優化帶來的生產組織方式調整時，生產線可在短期內迅速重新組合，組織裝配能力進行生產，提升裝配生產線的響應能力，實現對客戶市場需求的快速響應，提升企業的生產組織靈活性和對變化的適應性，從而不斷促進航空制造業向模塊化、集成化、智能化、經濟化和綠色化方向發展。