飛機裝配工藝樣機構建關鍵技術研究

辛 森

（空裝駐西安地區某軍事代表室，西安 710089）

隨著現代飛行器的制造工藝趨向于集成，急需構建一套完備的數據協同傳遞模型，以縮短發布周期，降低制造成本。在飛機制造業中，產品的設計意向需要傳達到整個生產流程中，而由設計所簽發的飛機產品的設計模式只包括工藝參數的一小部分，并未與工藝特征及3D建模建立聯系，這對工藝過程中工藝資訊的傳達與發布都是不利的，因此，要結合實際的技術條件、實際生產能力、工藝技術要求及個人的設計實踐，對其進行工藝加工和重新設計。科學、高效地進行流程管理，是我國目前航空工業生產需要注重的方面。在我國的樣板工程中，以組裝過程信息的建模、表達和傳遞為研究目標，建立了基于原型的飛機組裝過程模型，并在此基礎上進一步探討了該模型的構造技術，并對各種過程信息的建模與表達方式進行了探討。通過對制造過程數據的分析，提出了一種基于數據的加工過程的數據傳輸模型，研制出了一套完整的組裝過程原型模型。

1 現代飛機裝配技術的發展

隨著計算機技術信息化和自動化技術的不斷發展及在生產中的運用，使得傳統生產方式產生了巨大的變化。電子產品的數字化是企業技術發展的一個主要指標。應用實例證明，采用數字化技術可以縮短產品開發周期，降低開發成本，提高產品質量，為構建現代化產品開發體系奠定了堅實的基礎。目前，波音、空客等國外飛機制造公司已基本形成了飛機設計、制造和管理的全三維數字化集成系統，使生產品質得到改善。隨著與外國航空公司的聯合，國內的航空公司開始引入或研發一批數字化的軟件和數字化裝備，逐步將數字化設計、制造和管理等技術引入到產品研發中來，大大縮短了研發周期，提高了產品質量，促進了我國飛機研制數字化、智能化的發展。

1.1 工藝設計與裝配

CAD工藝設計是CAD與CAM之間的橋梁與紐帶，是CAD與CAM的重要組成部分。當前，CAPP（計算機輔助工藝過程設計）技術在裝備制造業中的應用，主要是根據設計者所提供的三維模型，并根據生產單位的具體情況，對其進行工藝規劃，最后得出的工藝方案是靜態的。在推進到生產現場后，操作人員根據生產計劃的要求進行生產，如果不能通過檢驗，則是由于工藝設計中的哪一個環節出現了問題。目前尚無一套行之有效的檢測方法，且在加工過程中尚無完善的控制方法可實現產品與工藝間的實時交互調節。飛機裝配過程設計是飛機制造過程中的一個重要環節，其裝配質量、裝配效率、開發周期和使用壽命等多個方面都有很大的需求，而對其進行優化則必須借助產品的全壽命周期數據，從而對飛機產品生產過程中產生的各種信息進行有效的分析與優化。本文正是針對以上問題，提出了以數字孿生為基礎的飛機組裝工藝技術，將實際生產和虛擬制造有機地結合起來，實現對產品的預測和生產過程的無縫映射。減少了大量的現場實際作業時間，提高了飛機的質量，并根據實際生產條件進行了計劃和工藝參數的設計。對航空總裝工業來說，由于其涉及到的工藝類型太多，涉及到的工藝參數太多，對工藝設計、工藝制造等各個環節的集成化程度要求都很高，目前采用的數據傳輸方法還不能完全滿足生產過程中的信息流動，造成了信息的孤島和不協調。傳統的CAPP從CAD系統中獲取產品設計信息，并根據工藝設計師的經驗，制訂相應的工藝方案，提高了工藝設計的效率，但因為組裝工藝方案是靜態的，不可能對后續的分析和優化工作進行全面的分析和優化，所以在組裝過程中，技術協調性的問題比數據結構復雜，造成了大量的返工、返修和報廢，嚴重地影響了飛機的研發進度和質量。

1.2 自動化制孔與連接技術

采用全自動打孔器實現自動精加工，提高零件的表面質量、配合性能和結構形式等工藝條件，能有效地適應現代化生產的高壽命、高質量、高效率和低成本需求。采用全自動聯接裝置，可大大改善作業效能和聯接品質的穩定。在科技的飛速發展下，制造孔口的數字加工裝置已經從結構簡單、功能單一的CNC發展到了從結構到功能高度集成的數字沖孔接頭組裝中心。數字移動流水線技術可根據在生產線上的飛行器實現一體化的在線檢測技術，這一技術的實現主要包括2個方面的內容：一是光纜，二是網絡。采用計算機技術、信號分析與控制技術及計算機自動技術相結合，通過現場的仿真控制裝置，按照指定的測試程序，對其進行迅速、精確的測試。通過對電纜、系統的導通、絕緣、耐壓、總線檢查和智能定位等功能的檢測，實現線纜和系統功能的數字化、自動化、智能化和一體化，提高檢測的效率，減輕勞動強度和人為的錯誤，減少組裝時間。自動組裝流水線在民用飛機、F-35和A380等飛機的制造中都有一定的應用。改變了以往的大批量組裝生產模式，改為單個零件流水作業，極大地減少了飛機組裝的工期，減少了生產費用，改善了產品的組裝品質。

2 智能制造特征分析

智能化制造是以感知、網絡、自動化和人工智能等為核心，以智能化的感知、人機交互和決策與執行為基礎，實現產品設計、生產、管理和服務等制造過程的智能化，其是信息技術、智能技術和設備制造業技術的高度整合和綜合。智能化生產具有狀態感知、實時分析、自主決策、高度集成和精確實施等特點。

2.1 認知狀況

通過對制造車間人員、設備、模具、材料、工具和量具等多種制造因素的全方位的認識，從而使制造過程中物與物、物與人及人與人大量聯系成為制造智慧制造的基石。利用各種不同的傳感器和無線網路，可以使生產資源互聯互通，保證生產流程可以實時、準確和可靠地獲得生產流程中的多種信息。

2.2 即時性

生產資料是所有的決定和行動的源頭和基礎。利用生產工藝感知技術獲取各種生產資料，實時檢測、實時傳輸、實時處理和實時分析生產過程中的大量生產數據，將多源、異構和分散的生產現場數據轉換為可視化生產信息，實現精確生產和生產的精確決策。

2.3 自我決定

“智能”是指知識與智慧的結合體，其是智慧得以實施的根本，而智慧則是獲得并應用其解決問題的技能。其不但可以運用已有的知識來引導生產的行動，而且還具備自我學習的能力，可以在生產的過程中，持續地豐富生產知識，并對生產環境和生產體系的知識進行收集和了解，對自己的判斷力和行動進行自我規劃。在常規制造體系中，人是決策主體，擁有對各種“制造資源”進行控制的生產活動，而制造設備、工具等不具備分析、推理、判斷、構思和決策等先進的生產活動。而智能生產是一種“制造資源”，其具備一定程度的感知、分析和決策能力，其可以讓人與物聯合起來，形成決策的整體，推動信息與實體的深度整合。組裝工藝的編制主要是根據產品的設計圖，根據產品的具體特點，對產品的組裝工藝進行規劃，并對其進行工藝參數的確定。航空工業生產中，由于其生產過程的復雜性、加工過程的多樣性及影響其性能的諸多要素的大量數據。工藝設計、工藝制造等各個環節對工藝信息的整合程度要求都很高，而目前的數據傳輸模式還不能完全滿足整個生產流程中的信息流動，導致了“信息的孤立”和“交互”。傳統CAPP從CAD中獲取產品的設計資料，通過對工藝設計者的工作經驗進行歸納和分析，從而幫助制訂出相關的工藝方案。然而，由于已制定的組裝工藝計劃屬于靜態文檔，不能完全地對后續工作進行分析和優化，因此在裝配中的技術協調性問題比資料構成的問題更多，而且造成了大量的返工和報廢現象。對飛行器開發的進程和品質造成了很大的阻礙。

2.4 高度集成

在制造業實現自動化、數字化和信息化的進程中，集成已經是制造體系的一種主要體現，其包括：集成硬件、控制軟件、研發設計與制造、管理與控制一體化和產供銷一體化，集成了PDM/ERP/CAPP/MES等多個領域。在智能化制造方面，集成的范圍越來越大，其既包含了制造流程的硬件資源、軟件信息系統，也包含了產品研發、設計、制造、運營、管理和服務等多個生產環節的集成。通過整合生產資源、功能和信息等，實現資源、數據和知識的充分交流，實現集中、高效和方便的管理。

2.5 精準執行

制造活動的精確實施是制造過程中的關鍵環節，包括生產過程中的信息交互感知、實時采集和分析海量制造數據，以及生產過程中的自主決策等。數字化、自動化、智能加工設備、測試設備、裝夾設備和儲運設備等是實現智能加工的基礎設備，通過傳感器、射頻識別（RFⅠD）等設備獲取的實時信息是實現加工工藝精度的關鍵。準確的制造過程不僅可以確保產品的生產過程和整個生產過程處于最優的工作狀態，而且還可以使產品的智能制造成為可能。

3 飛機裝配智能制造體系構建

航空組裝過程中零件的種類繁多，其對組裝精度和裝配精度要求較高。針對目前國內飛機總裝自動化水平低、車間管理技術水平低等問題，提出了基于精益生產理念的航空總裝自動化、車間自動化及智能組裝工裝的開發與集成。針對飛機裝配過程中的智能裝配設備、動態組網、實時采集和管理、飛機裝配過程的自主決策與實施最優的集成方案，解決飛機裝配過程的智能技術應用集成問題，形成可擴展、可配置的“飛機智能裝配”應用系統，實現飛機裝配過程和管理的自動化、數字化與可視化，從價值鏈、企業層、車間層和設備層4個層面改進狀態感知、實時分析、自主決策和精準執行等能力，為航空產業的智能制造提供技術支持。智能制造體系主要由技術支撐層、智能設備載體層、數據采集分析層、生產執行層和優化層，以及企業信息集成層組成。

3.1 智能設備載體層

智能設備載體層主要由智能連接服務平臺、智能牽引繩及支撐服務平臺、智能發動機安裝平臺、智能座椅安裝平臺、智能起落架安裝平臺、智能檢測及故障測試系統、智能常用工具、智能管理系統、智能原料配送系統和毫米波雷達檢測系統等組成，為飛機的智能組裝、智能精準測量和智能管理方案等提供了必備機器設備，是飛機智能組裝的系統配置載體。

3.2 數據采集分析層

為采集到多源生產資料，數據采集分析層依據各種感應器、rfid標記，對現場生產要素的各種情況、操作和操縱等技術指標進行采集，實現了設備的互連和互感，確保在飛機的整個安裝過程中，對多源信息的即時、精準和可靠地獲取。另外，在獲得加工工藝的基礎上，將來自于多源、分散的同構傳感現場的現場資料轉化為可用于生產實施的全流程管理的標準化生產資料。從定義多源數據關聯、建立即時數據實體建模、建立數據集成規范、在生產實施自然環境中實現多源數據集成和實現最終數據集成。并轉化為能夠即時執行生產全程實時監測和改進的生產管理資訊。

3.3 生產執行層與優化層

在生產過程優化層面，根據收集到的各種生產資料，在航空裝配過程中，進行航空裝配過程建模與仿真優化、生產過程實時監控、設備運行監控和物料配送等方面的優化設計、航空裝配過程的實時監控。

4 飛機數字化裝配技術

數字化裝配技術包括數字化裝配、柔性裝配、光學檢測和反饋與數字化集成控制等。航空零件結構復雜，零件組成龐大，裝配精度高，這些特點在飛機的數字化裝配技術中得到了體現。數字化裝配技術包括飛機裝配建模、裝配序列建模、裝配路徑規劃和裝配流程解析4大功能。在航空產品的組裝建模中，首先要對其進行三維組裝，再進行公差、約束和裝配性的計算；其次，對飛機組裝過程進行初步設計，并對其進行路線優化；最后，利用某一重要零件作為參考，對剩余的零件進行動態模擬，實現對飛行器的裝配過程的可視化。從而驗證了飛機組裝工藝的合理性，從而使其達到最佳組裝工藝。

4.1 飛機裝配過程建模與仿真優化技術

針對飛機組裝工藝的具體要求，給出了該工藝模型和模擬優化技術的總體框架。飛機組裝工藝的建模和模擬優化技術是一種先進的系統評估和優化方法，能夠全面分析、評價和優化整個制造體系。首先，將裝配路線規劃、裝配物料清單和裝配路徑規劃相融合，采用1∶1的多顆粒度造型技術建立裝配生產線1∶1的虛擬造型，通過仿真評估模塊對裝配過程的效果進行評估，以保證裝配模式可以達到后期的仿真和最佳化需求。其次，對組裝過程進行研究，并找出裝配瓶頸。然后，按照設計的需求進行優化，并對模型進行修正，直至達到設計的要求為止。通過制造執行系統（MES系統）對符合要求的組裝工藝進行實時模擬。

4.2 智能物料配送技術

飛機組裝系統包括一系列分立的工作臺和材料分配系統，其中物料分配在產品組裝中起著舉足輕重的作用。在物流配送中，物流配送車輛需要以組裝工具箱為單位，選擇最短的運輸路線。為了實現物流的自動化和物流路徑的智能化，本文提出了一種基于位置信息的物流配送技術。

4.2.1 廠房所在地

在航空裝配工裝的位置上，采用了局部位置和精確的位置，利用局部位置技術對材料、工裝等進行精確定位，實現對材料搬運車的導航和追蹤。

4.2.2 生產數據模型

車間的數據建模是對車間內的各種信息進行分類與比對，并通過屬性特征對企業的基礎信息進行分析，從而形成一種有效的企業信息管理模式。通過對生產過程中的動態信息進行實時的分析，實現對生產過程的實時、準確且可靠的信息支撐。

4.2.3 實施分配制度

在物料的動態分配中，基于實時位置的物料分配函數的執行是最重要的。該系統通過接受配送任務，利用實時的數據信息，對車間生產要素的臨時性變化做出反應，規劃出最佳的物流路線。采用多種動態優化策略，對物料分配進行二次優化。

4.2.4 分發作業界面

該系統與企業已有的ERP系統、MES系統和CAPP系統等信息系統相結合。

4.2.5 企業體系管理

企業體系管理是指按照生產任務和訂單，產生與之對應的生產計劃、流程路線等相關的信息，并通過統一界面將流程數據轉化為可辨識的作業數據。