面向批產(chǎn)的航天產(chǎn)品數(shù)字化總裝及質(zhì)量控制技術(shù)

王得成 屈明杰 張尚松 高東宇

（1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

0 引言

總體裝配是航天產(chǎn)品生產(chǎn)交付前的最后一個裝配環(huán)節(jié)，總裝工藝技術(shù)是生產(chǎn)過程的重要組成部分，但是面對產(chǎn)品的批產(chǎn)需求，傳統(tǒng)的總裝工藝還存在以下4個問題。1） 在工藝制定過程中，單發(fā)產(chǎn)品間的總裝操作銜接性差，不利于批產(chǎn)任務(wù)。由于沒有采用行之有效的開發(fā)、驗證手段，對于相關(guān)產(chǎn)品的總裝工藝流程只能依靠經(jīng)驗在類似產(chǎn)品的成熟總裝工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，缺乏創(chuàng)新性的技術(shù)指導(dǎo)，在產(chǎn)品飛行試驗階段因工藝制定不合理造成的質(zhì)量問題頻頻發(fā)生。2） 傳統(tǒng)的產(chǎn)品總裝對人工依賴度較高：儀器單機(jī)安裝及相關(guān)力矩施加需人員手動完成，靠輔助工裝或人工經(jīng)驗保證安裝精度，大部段對接依靠人員目視及手動調(diào)整，產(chǎn)品質(zhì)量特性測量及質(zhì)心配平工作需人工計算并數(shù)據(jù)比對等。產(chǎn)品總裝質(zhì)量與效率對個人經(jīng)驗及技能過于依賴。3） 傳統(tǒng)總裝工藝文件對操作的指導(dǎo)性差。文字描述往往晦澀難懂，涵蓋大量的專業(yè)術(shù)語及二維裝配示意圖，人員技能水平及理解能力往往影響了裝配效率和質(zhì)量。4） 傳統(tǒng)總裝質(zhì)量控制方法防控效果不佳，質(zhì)量及配套信息均以紙質(zhì)形式記錄，不能快速調(diào)用和流轉(zhuǎn)，對質(zhì)量問題的預(yù)警、多重關(guān)聯(lián)和可追溯較差，精細(xì)化、量化管理困難重重。

因此，面對日益增長的批產(chǎn)需求，該文著重從航天產(chǎn)品總裝工藝設(shè)計數(shù)字化、批產(chǎn)裝配流程可視化、現(xiàn)場操作數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用以及質(zhì)量過程數(shù)字化控制等方面進(jìn)行了研究，以求建立1套行之有效的總裝及質(zhì)量控制技術(shù)體系。

1 總裝工藝設(shè)計數(shù)字化

現(xiàn)代航天產(chǎn)品總體設(shè)計多采用三維模型，然而頂層的數(shù)字化設(shè)計并沒有融入總裝工藝設(shè)計中，工藝規(guī)程及質(zhì)量控制文件仍由人工根據(jù)產(chǎn)品三維數(shù)字樣機(jī)或二維圖紙等技術(shù)文件逐步進(jìn)行設(shè)計與編制[1]，工藝文件的指導(dǎo)性根據(jù)人員技術(shù)水平和從業(yè)經(jīng)驗不同而存在巨大差異。為了滿足航天產(chǎn)品的批產(chǎn)需求、快速準(zhǔn)確完成總裝工藝文件的編制，該文提出了1種基于通用模塊的總裝工藝快速搭建方法。該方法旨在將總體裝配通用工藝流程、通用方法、通用規(guī)范以及相似型號工藝方法按模塊存儲在數(shù)字化工藝設(shè)計平臺中，如圖1所示。在編制某特定產(chǎn)品總裝工藝文件時，可以依據(jù)裝配流程在該平臺上直接調(diào)用相應(yīng)模塊，即可快速搭建1套適用于該產(chǎn)品的工藝規(guī)程，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)地修改。

圖1 基于通用模塊的總裝工藝快速搭建示意圖

根據(jù)某特定型號設(shè)計文件的具體要求及裝配方法對快速生成的工藝規(guī)程進(jìn)行適應(yīng)性修改，形成1套適用于當(dāng)前產(chǎn)品的總裝工藝文件。然后基于設(shè)計下發(fā)總體三維數(shù)字樣機(jī)及修改后的工藝文件，采用DELMIA等工藝仿真軟件對工藝、操作及人機(jī)工程等方面進(jìn)行仿真驗證。針對仿真結(jié)果，利用數(shù)字化工藝設(shè)計平臺對總裝工藝文件進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整及修改。為了形成1套描述準(zhǔn)確、操作可行且適用于批產(chǎn)模式的工藝文件，需要經(jīng)過數(shù)次修改、仿真的迭代，以提高總裝工藝文件對現(xiàn)場操作的指導(dǎo)性。

通過上述基于總體三維數(shù)字樣機(jī)的總裝工藝設(shè)計平臺，即三維數(shù)字樣機(jī)使用——基于通用工藝模塊的工藝流程快速搭建——數(shù)字化工藝及操作仿真——基于PPS系統(tǒng)的工藝設(shè)計管理，可以從根本上改變以往基于二維圖紙文件，以紙質(zhì)文件為載體、傳統(tǒng)經(jīng)驗為基礎(chǔ)的總裝工藝設(shè)計模式，將三維數(shù)字樣機(jī)及技術(shù)要求快速、準(zhǔn)確、全面地落實到工藝文件中，從而提高產(chǎn)品批產(chǎn)的質(zhì)量與效率。

2 批產(chǎn)裝配流程可視化批產(chǎn)裝配流程

批產(chǎn)裝配流程可視化技術(shù)是現(xiàn)場指導(dǎo)功能和制造資源調(diào)配功能的有效集成。針對型號批產(chǎn)裝配流程中的每一個工序，通過現(xiàn)場配置的數(shù)字化計算機(jī)及便攜式終端設(shè)備，顯示出每一個裝配工序的指導(dǎo)信息，包括三維動畫視頻、圖片音像講解、制造資源調(diào)配以及零部件配套等，直接指導(dǎo)現(xiàn)場總裝批產(chǎn)，從而降低對操作人員個人經(jīng)驗的依賴性，提高制造資源利用率，加強(qiáng)批產(chǎn)流程的連貫性。批產(chǎn)裝配流程可視化主要包括以下4種類型。1） 基于航天產(chǎn)品三維數(shù)字樣機(jī)的圖紙可視化。在操作工位配置時可以查看三維數(shù)字模型的計算機(jī)，并配套固定式和移動式終端。其中移動式終端可供操作人員在狹小空間查看部段或單機(jī)的三維模型裝配狀態(tài)；固定式終端可供總體裝配人員查看整發(fā)產(chǎn)品的三維數(shù)字樣機(jī)。2） 基于三維動畫視頻等多媒體信息的可視化。利用數(shù)字化總裝工藝設(shè)計階段形成的裝配仿真或技能大師操作教學(xué)視頻，制作出針對總裝過程中儀器單機(jī)、分離系統(tǒng)、火工品等關(guān)鍵項目安裝操作的視頻指導(dǎo)文件，并載入數(shù)字化總裝工藝設(shè)計平臺中，供操作人員在現(xiàn)場數(shù)字化終端上直觀、形象、準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)并掌握產(chǎn)品的安裝要求及方法。3） 基于批產(chǎn)現(xiàn)場局域網(wǎng)的交互式制造資源可視化。將數(shù)字化終端連接在局域網(wǎng)中，供操作人員、庫房管理人員實時對制造資源信息（如配套信息、工裝工具信息等）進(jìn)行顯示或查詢[2]，并根據(jù)現(xiàn)場各工位的裝配進(jìn)度合理調(diào)配制造資源，以滿足總裝過程單發(fā)產(chǎn)品之間進(jìn)度、流程協(xié)調(diào)，從而優(yōu)化批產(chǎn)流程。4） 基于圖像識別的單機(jī)質(zhì)量控制。對外場交付的儀器自動進(jìn)行6面攝像，按照實物圖片及相關(guān)算法進(jìn)行儀器表面質(zhì)量智能判讀并登記入庫，待總裝調(diào)用時，在出庫前進(jìn)行外觀檢查。

圖2 數(shù)字化力矩施加系統(tǒng)

3 現(xiàn)場操作數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用

3.1 數(shù)字化力矩加載技術(shù)

數(shù)字化力矩加載系統(tǒng)主要由力矩施加工具、力矩控制器及信息管理系統(tǒng)組成，如圖2所示。該技術(shù)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的加載順序、加載數(shù)量以及分級力矩值等，以±3%的精度將力矩施加在緊固件上，并將實際加載力矩曲線記錄在質(zhì)量控制數(shù)據(jù)庫中，完成產(chǎn)品裝配過程質(zhì)量記錄，以便于檢驗人員核查及質(zhì)量復(fù)查。該系統(tǒng)有效地避免了在進(jìn)行儀單機(jī)安裝、直屬件安裝、部段對接過程中力矩施加精確度低、施加過程不可控、人為施加效率低下以及缺乏有效合格判據(jù)等傳統(tǒng)力矩施加帶來的問題[2]。在航天產(chǎn)品部段對接、管路安裝等工作中，該系統(tǒng)明顯提高了產(chǎn)品批產(chǎn)的工作效率。

3.2 部段高精高效對接技術(shù)

航天產(chǎn)品大部段對接時，為了提高對接精度及對接操作效率，進(jìn)行了產(chǎn)品高精度自動對接技術(shù)的研究。對接系統(tǒng)主要包括產(chǎn)品對接架車、激光跟蹤儀等，如圖3所示。

對接前，將對接架車3個自由度的調(diào)整機(jī)構(gòu)均調(diào)節(jié)至0刻度位置，使部段對接時的位姿調(diào)整閾度變大，隨后推動2個部段緩慢靠近，直至2個對接框間距20 mm時停止，然后采用激光跟蹤儀測量兩個部段對接面的實時位姿，根據(jù)2個部段軸線及對接銷釘孔的位姿偏差計算各架車的調(diào)節(jié)量，緩慢對接部段至微調(diào)距離，并對架車進(jìn)行微量調(diào)整完成最終對接。整個對接流程如圖4所示。

該技術(shù)在某產(chǎn)品中得到了試用，有效降低了人為操作帶來的裝配質(zhì)量風(fēng)險。將激光跟蹤儀等數(shù)字化設(shè)備應(yīng)用到了航天產(chǎn)品的高精度對接中，為航天產(chǎn)品批產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化對接奠定了基礎(chǔ)。

圖3 航天產(chǎn)品高精度對接系統(tǒng)示意圖

圖4 高精度對接流程示意圖

3.3 高精度裝配及檢測技術(shù)

高精度裝配系統(tǒng)主要由激光跟蹤儀、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、高精度檢測儀（如內(nèi)窺鏡）等組成。針對安裝位置精度要求較高的儀器或零部件，可以利用該系統(tǒng)測量安裝單機(jī)的實時位置，并根據(jù)設(shè)計允許誤差范圍進(jìn)行適量調(diào)整。最終保證單機(jī)安裝精度。該裝配及檢測系統(tǒng)的應(yīng)用有效消除了傳統(tǒng)方法工裝使用引入的二次誤差，既降低了生產(chǎn)成本，又提高了精度與效率，在航天產(chǎn)品分離機(jī)構(gòu)、平臺等安裝過程中得到了充分驗證。

3.4 數(shù)字化質(zhì)量特性測量技術(shù)

該技術(shù)在質(zhì)量特性測量過程中將質(zhì)量、距離以及周期等數(shù)值模擬量實時采集至工控機(jī)中進(jìn)行數(shù)字化計算，直接輸出產(chǎn)品質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量信息。整個測量過程只需裝卡一次，避免了多次起吊帶來的誤差，同時降低了操作過程的質(zhì)量風(fēng)險。數(shù)字化質(zhì)量特性測量如圖5所示。同時，在測量產(chǎn)品的轉(zhuǎn)動慣量時，采用雙軸扭擺法，既增加了扭擺桿的扭轉(zhuǎn)剛度，又減小了轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)阻尼，顯著提高了轉(zhuǎn)動慣量的測量精度。該系統(tǒng)在使用時，只需要通過改變簡單的轉(zhuǎn)接工裝就可以進(jìn)行相似部段的模塊化測量，顯著提升設(shè)備利用率，大大提高了產(chǎn)品批產(chǎn)效率。

4 質(zhì)量過程的數(shù)字化控制

航天產(chǎn)品在總裝前，需要在質(zhì)量信息系統(tǒng)上編制、簽署、維護(hù)數(shù)字化質(zhì)量控制信息（包括性能數(shù)據(jù)信息、配套信息及技安信息等）文件[3]，并將數(shù)字化質(zhì)量控制記錄文件導(dǎo)入便攜式數(shù)字化終端上以指導(dǎo)現(xiàn)場具體工作，并建立輸入開口，以便操作人員將批產(chǎn)裝配信息實時回填到終端機(jī)上；操作人員根據(jù)該系統(tǒng)的配套信息領(lǐng)取零部件、儀器電纜及制造資源等，并通過可視化終端對車間庫房配套、制造資源信息調(diào)配等信息進(jìn)行實時查詢。

圖5 數(shù)字化質(zhì)量特性測量示意圖

此外，為了方便產(chǎn)品裝配質(zhì)量驗收，采用數(shù)字化記錄表格形式進(jìn)行總裝量化數(shù)據(jù)記錄。表格包括待裝件接收檢查、單機(jī)測試數(shù)據(jù)、力矩加載、三防狀態(tài)檢查、電連接器插接、部段對接及關(guān)鍵、易錯項目匯總等。在航天產(chǎn)品批產(chǎn)全流程中，數(shù)字化記錄表格通過裝配現(xiàn)場信息化終端設(shè)備實時將量化數(shù)據(jù)提供給設(shè)計師、工藝師、操作員、檢驗以及第三方質(zhì)量監(jiān)督人員，進(jìn)而完成產(chǎn)品裝配技術(shù)狀態(tài)的確認(rèn)、檢查及驗收。

單發(fā)產(chǎn)品總裝完成后，通過該系統(tǒng)將全周期的質(zhì)量信息如量化數(shù)據(jù)、突發(fā)問題和處置方案等，一鍵生成產(chǎn)品總裝質(zhì)量數(shù)據(jù)包，并上傳至質(zhì)量信息系統(tǒng)中，以供相關(guān)人員查詢。通過對總裝各環(huán)節(jié)質(zhì)量大數(shù)據(jù)的積累及分析，有效提高了總裝過程質(zhì)量風(fēng)險的預(yù)測能力，從而加強(qiáng)批產(chǎn)過程中的質(zhì)量預(yù)防及控制。

5 結(jié)語

該文闡述了面向批產(chǎn)的數(shù)字化總裝與質(zhì)量控制技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，在一定程度上保證了產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，提高了型號批產(chǎn)效率，同時探索出1套新的具有行業(yè)特點的工藝及質(zhì)量管理體系雛形，初步實現(xiàn)了航天產(chǎn)品數(shù)字化生產(chǎn)。然而，盡管取得了一定成就，但是與國外航天企業(yè)的批產(chǎn)能力相比，我國還存在一定差距?？蒲猩a(chǎn)人員仍然需要不懈努力，以現(xiàn)有數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合行業(yè)特點，力求建設(shè)出一間現(xiàn)代化的航天產(chǎn)品數(shù)字化總裝工廠，以滿足日益增長的批產(chǎn)需求，進(jìn)而使我國航天事業(yè)由航天大國向航天強(qiáng)國邁出堅實的一步。