飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)的發(fā)展

宋朝明

【摘??要】我國(guó)在自動(dòng)裝配領(lǐng)域各單點(diǎn)技術(shù)域上緊跟國(guó)外研究成果，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)并取得重要成果，特別是以數(shù)字化裝配、裝配仿真為代表的自動(dòng)裝配技術(shù)已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。然而，飛機(jī)大部件自動(dòng)裝配能力建設(shè)涉及領(lǐng)域多、范圍廣，多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)交叉融合特點(diǎn)顯著，是一材料用量比大幅提升，整體化結(jié)構(gòu)大量使用，以數(shù)字化為基礎(chǔ)的制造技術(shù)逐步取代以剛性定位、手工鉆鉚為主的工藝技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī);自動(dòng)化;裝配技術(shù)

前言

一代飛機(jī)，一代技術(shù)，現(xiàn)代飛機(jī)功能要求朝著超機(jī)動(dòng)、超巡航、長(zhǎng)壽命、高可靠、高隱身的方向發(fā)展。新一代飛機(jī)在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、功能上都與上一代飛機(jī)有很大的差異，復(fù)合自動(dòng)化、數(shù)字化裝配系統(tǒng)建設(shè)方面，以清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)航空制造技術(shù)研究院為代表的單位，面向新一代飛機(jī)裝配需求研發(fā)了飛機(jī)大部件對(duì)合、部件自動(dòng)制孔等數(shù)字化裝配系統(tǒng)，解決了裝配過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題。

1裝配生產(chǎn)線分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1裝配工藝設(shè)計(jì)

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)是基于三維數(shù)模，以數(shù)字量傳遞為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件工具、仿真平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝頂層策劃、工藝設(shè)計(jì)、建模仿真、工藝文件編制等過(guò)程的全面數(shù)字化。

MBSE框架下的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)流程如下：

（1）從承接設(shè)計(jì)要求、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需求分析開(kāi)始，結(jié)合項(xiàng)目總體目標(biāo)以及當(dāng)前的工藝能力條件，開(kāi)展裝配工藝設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，完成頂層工藝策劃。

（2）根據(jù)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合工藝流程逐步開(kāi)展工藝分離面的劃分、MBOM頂層設(shè)計(jì)、容差分配方案設(shè)計(jì)、裝配流程設(shè)計(jì)、三維工藝布局設(shè)計(jì)、裝配工藝文件編制、工藝規(guī)范規(guī)劃與編制等分步設(shè)計(jì)，完成裝配工藝方案的初步設(shè)計(jì)。

（3）通過(guò)容差分析、布局產(chǎn)能仿真、裝配仿真、有限元等專(zhuān)業(yè)的CAM/CAE工具進(jìn)行建模與仿真，實(shí)現(xiàn)工藝仿真與工藝規(guī)劃的無(wú)縫集成，開(kāi)發(fā)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)工具，建立工藝知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)基于工藝知識(shí)庫(kù)的工藝文件結(jié)構(gòu)化、自動(dòng)化編制，提升工藝設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量。

（4）對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行架構(gòu)驗(yàn)證及最終確定。

1.2工藝布局與物流設(shè)計(jì)

從產(chǎn)能指標(biāo)、產(chǎn)品運(yùn)輸安全的需求分析開(kāi)始，通過(guò)對(duì)工藝分離面、裝配層次、裝配方法等工藝方案及廠房面積、結(jié)構(gòu)的需求分析，完成廠房工藝布局及物流設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，然后對(duì)需求進(jìn)行層層分解，以工藝流程為基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)周期逐步完成產(chǎn)能節(jié)拍、工位配比、工位布置、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)置、物流路徑規(guī)劃等分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，得到廠房工藝布局基本方案;通過(guò)數(shù)字化仿真分析工具從布局、流程、空間、人機(jī)效果等方面對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析乃至優(yōu)化，經(jīng)過(guò)多輪迭代，找到最優(yōu)解，確定滿(mǎn)足工藝流程和生產(chǎn)節(jié)拍的布局與物流設(shè)計(jì)方案，在廠房面積、工位配置、物流路徑等各方面達(dá)到精益化生產(chǎn)需求。利用QUSET軟件，對(duì)總體布局規(guī)劃、產(chǎn)品工藝流程、生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備參數(shù)、裝配線布局及物流規(guī)劃等內(nèi)容進(jìn)行了仿真驗(yàn)證分析，具體如下：

（1）生產(chǎn)瓶頸分析：依據(jù)飛機(jī)裝

配特點(diǎn)，采用設(shè)備負(fù)荷率分析方法進(jìn)行生產(chǎn)線瓶頸分析，通常生產(chǎn)線中的瓶頸往往出現(xiàn)在設(shè)備負(fù)荷率相對(duì)較高的環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)為瓶頸設(shè)備加工繁忙，而其上游設(shè)備處于堵塞狀態(tài)，其下游設(shè)備處于等待狀態(tài)。

（2）節(jié)拍及產(chǎn)能分析：生產(chǎn)節(jié)拍是指生產(chǎn)線上連續(xù)出產(chǎn)兩個(gè)相同產(chǎn)品之間的時(shí)間間隔，根據(jù)仿真后產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可得到裝配系統(tǒng)不同工序?qū)?yīng)的工件產(chǎn)量及實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍，同時(shí)對(duì)工件通過(guò)主要工藝裝備（包括設(shè)備、工裝等）的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括加工時(shí)間、阻塞時(shí)間、故障時(shí)間、閑置時(shí)間等，計(jì)算出不同狀態(tài)在系統(tǒng)仿真運(yùn)行過(guò)程中的占比，即可獲得不同狀態(tài)下設(shè)備的統(tǒng)計(jì)圖，分析統(tǒng)計(jì)圖可以直觀評(píng)估設(shè)備利用率與設(shè)備負(fù)荷是否合理。

（3）對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行集成試驗(yàn)、集成驗(yàn)證及最終確定。

1.3裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字化裝配系統(tǒng)的本質(zhì)是為實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵裝配工藝環(huán)節(jié)而構(gòu)建的復(fù)雜數(shù)字化集成系統(tǒng)。在MBSE設(shè)計(jì)框架下，數(shù)字化裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外部輸入來(lái)源于飛機(jī)大部件自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的功能和技術(shù)指標(biāo)分解，特別是關(guān)于調(diào)姿對(duì)合、制孔、锪窩等關(guān)鍵裝配工藝環(huán)節(jié)的功能和技術(shù)指標(biāo)要求。針對(duì)特定外部輸入，對(duì)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵裝配工藝環(huán)節(jié)所需的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為邏輯、參數(shù)定義、輸出結(jié)果進(jìn)行描述，從而建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型。

2基于模型的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)展望

本文通過(guò)基于MBD的飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究與應(yīng)用，形成了以外形為基準(zhǔn)構(gòu)建的三維數(shù)字樣機(jī)，以數(shù)字樣機(jī)為單一數(shù)據(jù)源支持所有承包商基于模型的設(shè)計(jì)制造體系構(gòu)建，數(shù)字模型的連續(xù)傳遞也支持飛機(jī)全生命周期的試驗(yàn)、試飛和使用維護(hù)階段的工作。從產(chǎn)品全生命周期研制流程來(lái)看，全三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)與制造體系的構(gòu)建和應(yīng)用，僅實(shí)現(xiàn)了面向制造的基于數(shù)據(jù)模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造能力的突破，前端面向用戶(hù)需求和后端面向服務(wù)基于數(shù)字模型的研制體系還需繼續(xù)完成。未來(lái)需要重點(diǎn)突破面向方案設(shè)計(jì)的基于作戰(zhàn)場(chǎng)景模型、功能模型和性能模型的研制，以及與用戶(hù)、系統(tǒng)供應(yīng)商的服務(wù)保障等方向，加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、“人工自動(dòng)AI”技術(shù)在飛機(jī)研制中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，將數(shù)字線索和數(shù)字孿生的概念真正落實(shí)到型號(hào)研制的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造等環(huán)節(jié)工程應(yīng)用中，全面推動(dòng)整個(gè)飛機(jī)研制數(shù)字化轉(zhuǎn)型，再上一個(gè)新的高度。

結(jié)束語(yǔ)

飛機(jī)大部件自動(dòng)裝配能力建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要采用科學(xué)的方法進(jìn)行整體的規(guī)劃建設(shè)與全局的持續(xù)優(yōu)化。本文基于系統(tǒng)工程的思想理念，提出應(yīng)用MBSE科學(xué)開(kāi)展飛機(jī)自動(dòng)裝配體系能力建設(shè)的方法，并在成飛公司開(kāi)展應(yīng)用實(shí)踐，取得了階段性成果，初步實(shí)現(xiàn)智能制造中“精準(zhǔn)執(zhí)行、動(dòng)態(tài)感知”的局部特征。在下一步工作中，將繼續(xù)實(shí)踐應(yīng)用該方法，持續(xù)開(kāi)展工藝大數(shù)據(jù)挖掘與決策分析、專(zhuān)家工藝數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助飛機(jī)智能裝配、數(shù)字孿生等方面的研究，建成具有完整“精準(zhǔn)執(zhí)行、動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策”特征的自動(dòng)裝配能力系統(tǒng)。

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（作者單位：中航飛機(jī)股份有限公司）