基于系統(tǒng)工程模型的飛機(jī)總裝數(shù)字化集成工藝設(shè)計(jì)方法淺析

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總裝廠 李思寧 張世炯 李 濤

飛機(jī)總裝就是把已制成的飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行對(duì)接，在機(jī)上進(jìn)行各種功能裝置和功能系統(tǒng)的安裝、調(diào)整、試驗(yàn)及檢測(cè)，使飛機(jī)成為具有飛行功能和使用功能的完整的整體[1]。這是一項(xiàng)技術(shù)難度大、涉及學(xué)科領(lǐng)域多的綜合性技術(shù)[2]。為了提高飛機(jī)總裝制造水平和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本，發(fā)達(dá)國(guó)家已廣泛采用數(shù)字化技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)全生命周期的數(shù)字化。目前，總裝階段的先進(jìn)技術(shù)一般包括大部件數(shù)字化對(duì)接、數(shù)字化測(cè)量、數(shù)字化移動(dòng)平臺(tái)、激光測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、生產(chǎn)線精益管理、精益制造技術(shù)等。如何將如此繁多的技術(shù)有效地融入到飛機(jī)總裝過(guò)程，并貫穿于總裝工藝設(shè)計(jì)之中，這對(duì)工藝技術(shù)的管理模式提出了挑戰(zhàn)。

1 飛機(jī)總裝流程與工藝設(shè)計(jì)

現(xiàn)代航空制造業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，飛機(jī)設(shè)計(jì)制造模式發(fā)生了巨大的變化，蓬勃發(fā)展的航空市場(chǎng)要求新的產(chǎn)品盡量縮短研制周期。為適應(yīng)這種變化，各大航空制造企業(yè)開(kāi)始將飛機(jī)總裝工藝流程和數(shù)字化技術(shù)結(jié)合在一起進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化環(huán)境下飛機(jī)總裝的數(shù)字化敏捷制造。而目前，我國(guó)的飛機(jī)總裝工藝設(shè)計(jì)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定距離。

1.1 工藝流程特點(diǎn)

現(xiàn)代飛機(jī)一般由液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。在飛機(jī)總裝階段除了完成飛機(jī)主要大部件的對(duì)合外，主要完成上述系統(tǒng)的安裝與試驗(yàn)工作。一般將飛機(jī)總裝工藝流程劃分為電纜敷設(shè)、附件安裝、大部件對(duì)合、成品安裝與綜合測(cè)試。飛機(jī)總裝階段安裝與試驗(yàn)的工作關(guān)系大體如圖1所示。

圖1 總裝階段安裝與試驗(yàn)工作關(guān)系Fig.1 Relationship of installation and test in final assembly phase

隨著總裝工作的推進(jìn)，系統(tǒng)安裝工作逐漸減少，相應(yīng)的系統(tǒng)試驗(yàn)工作逐漸增多。其中，系統(tǒng)安裝主要是從物理空間上實(shí)現(xiàn)飛機(jī)各系統(tǒng)的集成，系統(tǒng)試驗(yàn)則是系統(tǒng)安裝的保障手段，用來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)安裝的正確性。這兩項(xiàng)主要工作貫穿于飛機(jī)總裝整個(gè)過(guò)程，因此飛機(jī)總裝是一個(gè)產(chǎn)品逐步安裝、系統(tǒng)逐步集成、功能分級(jí)試驗(yàn)的流程。

1.2 總裝配線主要技術(shù)應(yīng)用

以空客A380、波音787、洛克·西德馬丁F/A-22和F-35為代表的新一代飛機(jī)，均不同程度地采用了飛機(jī)系統(tǒng)綜合化、智能化的設(shè)計(jì)。民用飛機(jī)采用通用總線交互以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)健康信息、航空管制信息、客戶服務(wù)信息的綜合化，滿足新一代飛機(jī)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性要求；軍用飛機(jī)為了適應(yīng)21世紀(jì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的作戰(zhàn)任務(wù)，更是采用了基于新型總線、光纖傳輸、分級(jí)管理的高度融合和交聯(lián)的方式，以實(shí)現(xiàn)快速戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、快速信息決策、快速精確打擊的能力。上述飛機(jī)設(shè)計(jì)變化要求在總裝配線上采用新一代的工藝技術(shù)來(lái)保障設(shè)計(jì)目的的實(shí)現(xiàn)，主要涉及：全機(jī)線束自動(dòng)測(cè)試技術(shù)、系統(tǒng)集成測(cè)試技術(shù)、工藝信息化技術(shù)、物流倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)、移動(dòng)支撐技術(shù)、階差間隙快速測(cè)量技術(shù)、IGPS與激光雷達(dá)組網(wǎng)聯(lián)合測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)調(diào)姿對(duì)合技術(shù)、精確檢漏技術(shù)等[3]，見(jiàn)圖2。

圖2 新一代飛機(jī)總裝關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 Key technologies of new generation aircraft final assembly

采用上述工藝技術(shù)糾正了傳統(tǒng)飛機(jī)總裝工藝技術(shù)的缺點(diǎn)，可以盡量減少各種專(zhuān)用工裝和夾具，增加裝配工裝的通用性，降低工裝制造成本，減小裝配工作應(yīng)力，縮短工裝準(zhǔn)備周期，可以大幅度提高飛機(jī)的總裝質(zhì)量和效率。

1.3 飛機(jī)總裝工藝設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法由工藝人員根據(jù)相關(guān)工藝規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和工藝分離面，結(jié)合單位工藝能力、設(shè)備條件，在理解設(shè)計(jì)資料后進(jìn)行詳細(xì)的工藝規(guī)程內(nèi)容編寫(xiě)，其工藝設(shè)計(jì)的輸入輸出如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)方法Fig.3 Design method of traditional assembly process

三維數(shù)模、二維圖紙和EBOM來(lái)自產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工藝分工部門(mén)根據(jù)EBOM產(chǎn)生PBOM，總裝工藝人員根據(jù)上述輸入，同時(shí)將質(zhì)量控制要求、工藝規(guī)范要求、工裝要求、供應(yīng)鏈能力及工程經(jīng)驗(yàn)集成進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)的結(jié)果是總裝工藝流程、總裝工藝數(shù)模、總裝工藝文檔及MBOM，其中MBOM的頂層結(jié)構(gòu)分別描述了站位、工位、AO級(jí)的復(fù)雜流程關(guān)系，底層結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了需要裝機(jī)的零件、成品、標(biāo)準(zhǔn)件、材料等物料信息。

1.4 存在的問(wèn)題

在工藝設(shè)計(jì)的輸入端，來(lái)自于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的資料，如三維數(shù)模、二維圖紙和EBOM都是顯性的，而質(zhì)量控制要求、工藝規(guī)范要求、工裝要求、供應(yīng)鏈能力和工程經(jīng)驗(yàn)卻是隱性的、不確定的。在總裝生產(chǎn)實(shí)際操作中，所出現(xiàn)的問(wèn)題往往正存在于這些隱性因素之中。這就造成普通工藝人員更注重設(shè)計(jì)的符合性，工程經(jīng)驗(yàn)的積累更多的依賴(lài)于事后的工序測(cè)量改進(jìn)，導(dǎo)致產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量不穩(wěn)定。其根本原因是工藝設(shè)計(jì)方法體系不完善，未以產(chǎn)品全生命周期管理PLM（Product Lifecycle Management）的視角對(duì)工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)進(jìn)行全局考慮，這樣的工藝活動(dòng)是離散的、低耦合的，而不是系統(tǒng)的、強(qiáng)內(nèi)聚的。

2 飛機(jī)總裝數(shù)字化集成工藝設(shè)計(jì)研究

面對(duì)新形勢(shì)環(huán)境下飛機(jī)系列化、信息化、體系化發(fā)展的新要求，飛機(jī)總裝作為系統(tǒng)的復(fù)雜體系，與外部環(huán)境有著復(fù)雜的交聯(lián)關(guān)系。在未來(lái)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，需求是動(dòng)態(tài)變化，其周期越來(lái)越短，這就要求系統(tǒng)的功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)及接口是靈活的、柔性的，能夠快速響應(yīng)變化，類(lèi)似的系統(tǒng)（如航天系統(tǒng)、火星探測(cè)器軟件系統(tǒng)等）都采用了系統(tǒng)工程的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了研制周期、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的有效管控。

2.1 系統(tǒng)工程的定義

系統(tǒng)工程是一門(mén)研究大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的交叉學(xué)科，它根據(jù)整體協(xié)調(diào)的需要，綜合運(yùn)用各種現(xiàn)代科學(xué)思想、理論、技術(shù)、方法、工具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究分析、設(shè)計(jì)制造和服務(wù)，使系統(tǒng)整體盡量達(dá)到最佳協(xié)調(diào)和最滿意的優(yōu)化[4]。

2.2 基于模型的系統(tǒng)工程

基于模型的系統(tǒng)工程方法論（MBSE）包括需求分析、系統(tǒng)功能分析和設(shè)計(jì)綜合等核心技術(shù)環(huán)節(jié)。其結(jié)構(gòu)化的、模型化的系統(tǒng)需求、功能與架構(gòu)的定義、分配與追蹤鏈路能夠快速響應(yīng)需求的變化，并能及時(shí)指導(dǎo)后期的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、綜合和驗(yàn)證過(guò)程。同時(shí)，系統(tǒng)工程是以大型復(fù)雜系統(tǒng)為研究對(duì)象，按一定目的進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、管理與控制，以期達(dá)到總體效果最優(yōu)的理論與方法。它鼓勵(lì)使用建模與仿真，以驗(yàn)證系統(tǒng)的假設(shè)或理論，以及它們的相互作用。

VV（Verification & Validation）模型，即校核和驗(yàn)證模型，是美國(guó)從20世紀(jì)60年代提出的系統(tǒng)工程方法。VV是系統(tǒng)工程最核心的思想，這種思想可以用來(lái)解釋我們?nèi)粘Ｉ钪忻鎸?duì)的各種事情。簡(jiǎn)言之，VV即“把事情做對(duì)”與“做對(duì)的事”。

在最基本的VV模型中，左側(cè)為“邏輯”世界，主要進(jìn)行從需求分析開(kāi)始逐級(jí)向下的設(shè)計(jì)；右側(cè)為“物理”世界，主要通過(guò)試驗(yàn)對(duì)各分級(jí)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估分析，如圖4所示。

圖4 基本VV模型簡(jiǎn)圖Fig.4 A brief framework of basic VV model

2.3 基于VV模型的集成工藝設(shè)計(jì)方法

運(yùn)用系統(tǒng)工程VV模型的方法進(jìn)行總裝集成工藝設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 總裝集成工藝設(shè)計(jì)VV模型雛形Fig.5 Preliminary VV model of integrated final assembly process design

在總裝集成工藝設(shè)計(jì)VV模型中，上方為產(chǎn)品全生命周期中的部分時(shí)間軸，包含產(chǎn)品的需求設(shè)計(jì)、仿真評(píng)估、詳細(xì)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)運(yùn)行。左側(cè)V下行表示產(chǎn)品按照需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到需驗(yàn)證的設(shè)計(jì)模型或方案；上行表示在數(shù)字化環(huán)境下，利用數(shù)字化手段對(duì)設(shè)計(jì)模型或方案進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，并反復(fù)迭代，得到切實(shí)可行的設(shè)計(jì)模型或方案。右側(cè)V下行表示按照具備可行性的設(shè)計(jì)模型或方案進(jìn)行生產(chǎn)線工藝準(zhǔn)備與生產(chǎn)線建設(shè)等；上行表示將設(shè)計(jì)結(jié)果投入使用，并通過(guò)技術(shù)手段評(píng)估和驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足預(yù)期的功能及目標(biāo)。

3 基于系統(tǒng)工程的集成工藝設(shè)計(jì)方法初步應(yīng)用

早在20世紀(jì)60年代，歐美國(guó)家就開(kāi)始應(yīng)用VV模型進(jìn)行技術(shù)管理，例如美國(guó)愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈、NASA的TCV（Terminal Configured Vehicle）、波音F/A-18F裝配線、洛克·西德馬丁的F/A-22、F-35裝配線、德國(guó)EADS和英國(guó)BAE System的Eurofighter臺(tái)風(fēng)裝配線等均運(yùn)用了VV模型的方法。運(yùn)用基于系統(tǒng)工程模型的飛機(jī)總裝集成設(shè)計(jì)方法集成了產(chǎn)品管理、系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)測(cè)試和故障診斷技術(shù)，充分體現(xiàn)了此類(lèi)系統(tǒng)架構(gòu)的通用性和可擴(kuò)展性。

3.1 總裝集成工藝設(shè)計(jì)VV模型

在總裝集成工藝設(shè)計(jì)VV模型雛形的基礎(chǔ)上，把總裝工藝活動(dòng)放在飛機(jī)研制全生命周期環(huán)境下，按數(shù)字化并行工程的模式，工藝設(shè)計(jì)最早能開(kāi)始于新產(chǎn)品進(jìn)入初始設(shè)計(jì)階段后，覆蓋了從需求設(shè)計(jì)到生產(chǎn)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程。運(yùn)用了VV模型方法的總裝集成工藝設(shè)計(jì)具體如圖6所示。

整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程是按照VV的方法進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，其中下行一般為設(shè)計(jì)，上行是對(duì)下行活動(dòng)的評(píng)估與驗(yàn)證。飛機(jī)總裝工藝設(shè)計(jì)大致分為4個(gè)階段，即需求設(shè)計(jì)、仿真評(píng)估、詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)運(yùn)行。每一階段的工藝設(shè)計(jì)都采用了數(shù)字化技術(shù)，如在需求設(shè)計(jì)階段采用了數(shù)字化仿真建模的方法對(duì)整個(gè)飛機(jī)總裝工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段采用工藝信息化技術(shù)為整個(gè)飛機(jī)總裝工作進(jìn)行梳理，在生產(chǎn)運(yùn)行階段采用系統(tǒng)集成測(cè)試技術(shù)、數(shù)字化測(cè)量技術(shù)等，大大減少了飛機(jī)總裝的制造時(shí)間。

圖6 總裝集成工藝設(shè)計(jì)VV模型Fig.6 VV model of integrated final assembly process design

3.2 總裝集成工藝設(shè)計(jì)VV模型應(yīng)用的特點(diǎn)

在VV模型中，第一個(gè)V和第二個(gè)V都同時(shí)具備設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的過(guò)程，當(dāng)驗(yàn)證結(jié)果與目標(biāo)不一致時(shí)，需進(jìn)行設(shè)計(jì)修改反復(fù)迭代，直到結(jié)果滿足目標(biāo)時(shí)才能進(jìn)入下一階段。

在第一個(gè)V中，依據(jù)研制任務(wù)的要求，運(yùn)用數(shù)字化仿真建模技術(shù)自頂向下進(jìn)行飛機(jī)總裝工藝規(guī)劃，對(duì)工藝流程進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，確定初始工藝布局、站位數(shù)量、工作內(nèi)容、流程邏輯關(guān)系，進(jìn)行工藝數(shù)模設(shè)計(jì)、設(shè)備及技術(shù)初步需求分析；并通過(guò)數(shù)字化仿真分析技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線初始方案進(jìn)行評(píng)估，在不滿足目標(biāo)需求時(shí)不斷進(jìn)行迭代優(yōu)化，將最終得到的生產(chǎn)線方案作為第二個(gè)V的設(shè)計(jì)輸入。

在第二個(gè)V中，依據(jù)上一階段設(shè)計(jì)、驗(yàn)證的結(jié)果，對(duì)飛機(jī)總裝進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成在數(shù)字化環(huán)境下的MBOM初始設(shè)計(jì)、工藝文件編制、數(shù)字化技術(shù)實(shí)施環(huán)境的構(gòu)建、設(shè)備設(shè)施的引進(jìn)；接著在總裝實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)上述MBOM流程、工藝文件、數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證與評(píng)估。

需要注意的是，工藝設(shè)計(jì)工作應(yīng)盡量在第一個(gè)V中進(jìn)行充分迭代，因?yàn)樵谔摂M環(huán)境下進(jìn)行的迭代分析是低成本的、低風(fēng)險(xiǎn)的。如果在第二個(gè)V上行階段中發(fā)現(xiàn)重大問(wèn)題，將有可能對(duì)飛機(jī)總裝生產(chǎn)造成不可挽回的損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于系統(tǒng)工程模型飛機(jī)總裝數(shù)字化集成工藝設(shè)計(jì)方法是保持航空制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，可以降低飛機(jī)總裝研制風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)良好的需求可追溯性，提升更改影響分析效率和工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)已經(jīng)意識(shí)到系統(tǒng)工程方法應(yīng)用的重要性，開(kāi)始在一些工作中嘗試開(kāi)展系統(tǒng)工程應(yīng)用，從頂層思考和規(guī)劃系統(tǒng)工程方法的推進(jìn)和應(yīng)用工作，培養(yǎng)一批系統(tǒng)工程、工藝集成專(zhuān)業(yè)人才，以持續(xù)提升航空產(chǎn)品的研制能力和水平?；谙到y(tǒng)工程模型的飛機(jī)總裝數(shù)字化集成工藝設(shè)計(jì)方法是在系統(tǒng)工程推進(jìn)過(guò)程中的一種嘗試，尚處于起步階段，還需要進(jìn)行持續(xù)深入的研究。

[1] 《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì). 航空制造工程手冊(cè)·飛機(jī)裝配.第2版.北京:航空工業(yè)出版社,2010:64-66,589-592.

[2] 范玉清,梅中義,陶劍.大型飛機(jī)數(shù)字化制造工程. 北京:航空工業(yè)出版社, 2011:804-807.

[3] 何勝?gòu)?qiáng).大型飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)與裝備.北京：航空工業(yè)出版社,2013:273-275.

[4] 朱一凡,李群,楊峰, 等. NASA系統(tǒng)工程手冊(cè).北京:電子工業(yè)出版社, 2012.