國內飛機數字化裝配技術現狀研究

初桂蘭

(中航飛機股份有限公司西安飛機分公司 培訓中心，陜西 西安 710089)

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國內飛機數字化裝配技術現狀研究

初桂蘭

(中航飛機股份有限公司西安飛機分公司 培訓中心，陜西 西安 710089)

摘要：通過對國內外飛機數字化裝配技術發(fā)展的現狀和發(fā)展的趨勢進行分析與總結，對比了國內外飛機數字化裝配技術發(fā)展的差距，介紹了飛機數字化裝配技術發(fā)展的關鍵技術，提出了國內航空制造企業(yè)掌握和突破飛機數字化裝配關鍵技術的思路。

關鍵詞：航空制造;裝配技術;數字化

當今社會計算機信息技術和自動化技術飛速發(fā)展，以此為基礎的現代制造技術發(fā)展的總趨勢是向精密化、數字化、柔性化、集成化、虛擬化、智能化的方向發(fā)展。飛機制造作為制造業(yè)中的最先進技術的代表，也正向數字化、信息化和設計制造試驗一體化的方向發(fā)展[1]。

現代飛機的加工制造能力是衡量一個國家工業(yè)基礎、科技水平、綜合國力以及國防現代化程度的重要手段。飛機裝配作為飛機制造的核心環(huán)節(jié)，其勞動量約占整個飛機制造勞動量的40%~50%，飛機裝配技術是一項難度大、涉及很多學科領域的復合性集成技術。飛機裝配過程中涉及了千萬個零部件、工裝夾具、工量具、裝配操作等，具有整體結構復雜、工藝難度大、裝配誤差難控制的特點，是整個飛機制造過程的關鍵和核心環(huán)節(jié)[2]。提高飛機裝配技術水平在飛機制造中具有決定性意義。目前國內航空企業(yè)的制造能力已經具備了一定水平和規(guī)模，但是，我們必須清醒地認識到，與國外頂尖飛機制造廠商相比，國內飛機數字化裝配技術仍有較大差距。

1國內外飛機數字化裝配技術發(fā)展現狀

飛機數字化裝配技術是隨著計算機輔助設計、機械制造、計算機網絡技術的發(fā)展，在美國、歐洲等發(fā)達國家興起的的一項先進技術。該項技術由數字化數據管理、柔性工裝技術、數字化鉆鉚裝配技術、激光測量技術、補償技術和集成應用技術等構成，改變了傳統(tǒng)的飛機設計、制造和裝配方式，極大提高了飛機制造水平。

我國數字化技術還處于起步階段，雖然有部分企業(yè)不斷借鑒國外先進技術，但與美國等發(fā)達國家對比還有很大差距，具體表現在：

(1)工藝、工裝設計的時間與空間相較于產品設計滯后嚴重，給飛機裝配協調帶來很大困難；

(2)裝配工人在現場工作嚴重依賴圖紙及工藝文件，工作失誤幾率高，裝配質量問題頻發(fā)，影響裝配周期；

(3)雖然部分環(huán)節(jié)已經實現數字化傳遞，但飛機大部件和總裝基本處于傳統(tǒng)裝配階段；

(4)對接裝配質量不高，手工操作易造成對接面上孔銷配合精度不高，對飛機疲勞強度影響大；

(5)系統(tǒng)檢測仍然采用單系統(tǒng)、分離式、一線檢測設備，尚未完全形成基于以產品為對象的數字化裝配及檢測體系和數字化檢測生產線，很難做到過程管控或過程再現。全機測量安排在裝配完成后，發(fā)現問題易造成返工復雜的情況[3]。如何提高飛機裝配質量和工作效率是當前亟需解決的問題。

2飛機裝配面臨的各項關鍵技術

現代飛機裝配技術的特點是工藝分離面較多、裝配準確度高、長壽命連接以及大批量生產等，按照傳統(tǒng)裝配技術顯然不能滿足現代飛機研制和批生產的要求，迫切需要研發(fā)新的裝配技術，以達到提高現代飛機裝配質量和效率、保障飛機研制能力的目的。國外飛機制造領域已經全面運用了精益制造思想及先進工藝流程設計理念、大部件數字化對接系統(tǒng)裝備、整機線纜集成檢測、系統(tǒng)在線檢測等技術手段，裝配質量和工作效率提高很快。主要表現在以下幾個方面。

2.1數字量裝配協調及容差分配技術

數字量裝配協調及容差分配技術是確保飛機裝配準確度、提升航空產品質量的關鍵。以往飛機產品裝配生產中，生產組織者僅憑經驗將容差分配給零件、部件及工裝型架。而產品裝配完成后公差能否達到產品設計的最佳技術狀態(tài)則難以確定。應用數字化裝配技術后，通過數理統(tǒng)計和計算機手段，技術人員在零件數模的基礎上，對于關鍵的質量特征設定公差和裝配順序，按照裝配容差分配技術要求，建立容差分配數據庫，多次調整容差分配，進行裝配模擬與仿真，從而優(yōu)化容差分配，找出最佳的公差分配方案，使得零件加工、工裝設計與部件裝配公差得到合理分配，以提高裝配質量、降低裝配成本[4]。

2.2基于三維的可視化工藝設計

在工藝準備、組織協調、生產制造、產品檢測等環(huán)節(jié)利用三維模型，實現工藝設計、工裝設計、生產制造以及產品調試檢測等數字量的傳遞和過程監(jiān)控，將可視化的工藝設計貫通整個飛機裝配過程。

由于裝配工藝設計及流程設置的合理性、正確性直接影響產品質量、生產效率、制造成本及周期，而基于二維圖形的裝配工藝設計，不能做到事前發(fā)現裝配干涉缺陷，已經成為制約產品生產的一個因素，不能滿足新產品研制周期短、生產任務急的要求。在裝配工藝設計環(huán)節(jié)，應用產品數模和工藝裝備數模，合理進行裝配工藝流程的設計與有效裝配路徑規(guī)劃，并進行裝配仿真，可以最大限度地發(fā)現設計不協調，實現設計問題及裝配問題的早期暴露和解決，避免在生產過程中的返工與生產報廢，可以大幅度提高勞動效率、縮短研制周期和降低研制成本。

2.3數字化裝配工藝仿真技術

飛機裝配工藝仿真技術是飛機裝配工藝設計的重要環(huán)節(jié)。利用仿真技術在計算機上模擬實際裝配過程，直觀地評判裝配方案的好壞，發(fā)現產品裝配工藝方法設計缺陷和裝配平臺構建的不合理之處，形成反饋。其主要過程為：裝配環(huán)境三維布局設計，通過真實物理三維坐標系與相應三維模型坐標系的匹配，獲得包括裝配對象外形、構建平臺結構、測量及定位設備布局等信息的完整仿真模型；仿真參數設置和流程控制，對接定位及測量裝置的布局與測量數據實時反饋的可視化展示；仿真運行驗證與結果分析，精度檢測及反饋重設計等整個飛機裝配環(huán)境[5]。

通過裝配過程仿真分析，將可行的裝配工藝方案及其對應的對接平臺引入裝配現場，以飛機部件外形樣件為對象，以實物裝配資源為平臺，以裝配仿真過程為依據，實施裝配，消除潛在的裝配缺陷，優(yōu)化工藝流程和系統(tǒng)布局，以達到高效、精確的裝配。

2.4數字化柔性裝配技術

柔性裝配技術是飛機生產制造的發(fā)展趨勢，它是集激光跟蹤測量技術、全閉環(huán)控制技術、多軸協調運動控制技術、系統(tǒng)集成控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和軟件等部分組成的對接系統(tǒng)[6]。飛機大部件對接工作的特點是尺寸大、數量多、外形精度要求高。要保證裝配質量，提高裝配精度和效率，針對大部件裝配結構相似的特點，在大部件裝配時采用數字化柔性裝配技術，可以有效解決品種多、小批量的生產現狀，同時減少產品改型帶來的資金投入。它主要包含數字化對接技術、精加工技術、精確檢測技術、集成控制技術、柔性裝配型架設計與制造等。

2.5系統(tǒng)數字化在線檢測技術

系統(tǒng)數字化在線檢測技術是飛機裝配完成后，完成單元系統(tǒng)測試；模擬部分傳感器信號，使相應系統(tǒng)運作，檢查其工作特性；激勵系統(tǒng)在一定的環(huán)境下，檢查特定環(huán)境下系統(tǒng)的工作特性；完成系統(tǒng)的地面激勵模擬檢測；完成系統(tǒng)故障隔離、故障定位，為飛機故障排除提供資料。以往系統(tǒng)通電檢測時，系統(tǒng)工作在地面空載狀態(tài)下，系統(tǒng)很多的指標無法測試，只有飛機飛行試驗時才能驗證。在線測試系統(tǒng)可代替?zhèn)鞲衅髂M系統(tǒng)工作環(huán)境，向機載系統(tǒng)提供各種激勵信號，從而檢查各系統(tǒng)在任何條件下的技術戰(zhàn)術指標與功能等是否滿足要求，能夠做到實時、動態(tài)監(jiān)控各系統(tǒng)信息等。數字化檢測技術是飛機設計與制造的橋梁，是保證飛機質量的重要技術[7]。

3應對策略

從我國航空工業(yè)的實際情況出發(fā)，如何才能按照“總體規(guī)劃，分步實施”的要求提高飛機裝配技術要求，實現數字化的飛機裝配，滿足現代飛機設計、質量指標和批生產的要求？為達到飛機數字化總裝配水平，應采取以下對策：

3.1注重國際合作

通過國際化合作的模式，根據對外合作具體內容，可開展聯合工作、專題評審、咨詢、工程技術人員培訓等多種形式的合作模式。利用國際上現有的優(yōu)勢技術資源，引進國外典型機身等大部件的數字化裝配生產線，汲取、學習國外在飛機裝配方面的經驗，統(tǒng)一協調和部署數字化技術的計劃和實施，用較短的時間突破飛機在裝配方面的技術瓶頸，縮短關鍵技術的攻關時間。

3.2產、學、研結合跟蹤世界先進裝配技術

飛機裝配技術的發(fā)展是涉及到計算機網絡、自動化控制、機械制造、傳感與側量、仿真、系統(tǒng)工程等多學科的系統(tǒng)知識，僅靠一個部門、一個系統(tǒng)很難在短時間內完成項目的開發(fā)與應用。

加大數字化裝配技術研究的投資力度，建立裝配技術研發(fā)中心，采取企業(yè)、研究院所、高校聯合攻關模式，綜合各方的長處，跟蹤飛機裝配技術的發(fā)展，學習和借鑒國外先進的數字化裝配技術，研究飛機生產流程，開展基于數字化工裝的協調技術、數字化模擬仿真技術、激光跟蹤測量技術、數字化定位技術等多種先進技術的應用，逐一突破關鍵技術，實現系統(tǒng)集成應用，為后續(xù)飛機裝配技術的關鍵提供技術支撐，確保飛機裝配系統(tǒng)在技術上的先進性和實用性以及在生產上的可行性。

3.3夯實工藝技術隊伍

飛機工藝技術系統(tǒng)在飛機制造企業(yè)里的地位相當重要，關系著如何將設計信息準確無誤、經濟高效、可持續(xù)發(fā)展地轉化成工人可操作的操作指令，從而生產出符合設計要求的高性能的產品。如果工藝技術落伍，在產品設計初期由于沒有制造技術的支撐，設計師不得不降低產品的技術性能，即使產品性能要求再高，但由于制造技術的落后，只能制造出不符合設計要求的產品，從而使得產品性能大打折扣。

由于技術基礎薄弱，技術積累不夠，制造企業(yè)里工藝技術沒有得到足夠的重視。要設立工藝技術研發(fā)中心，進行技術數據積累，夯實工藝技術隊伍整體基礎水平，為數字化裝配做好技術鋪墊。可以先完成各單項技術的突破，進行各單元技術的應用，最后實現各單元技術在飛機數字化裝配中的集成應用。

3.4挖掘自身潛力，建立人才激勵制度

美國、歐洲等發(fā)達國家的飛機裝配技術經過人工操作裝配、半自動化機械裝配和自動化及柔性裝配的發(fā)展歷程。當前中國飛機裝配與自動化、數字化、智能化的行業(yè)發(fā)展趨勢與要求相比還有較長的路要走。面對裝配技術水平與現代航空企業(yè)的差距，以國際合作為牽引培養(yǎng)具有現代化裝配思路的領軍人才，建立健全人才激勵制度，對有經驗、有技術的設計、工藝人員加大獎勵，依靠產學研的項目開發(fā)模式，依靠獨立自主、自主創(chuàng)新的精神，注重企業(yè)內部裝配人才的挖掘與培養(yǎng)，為國防建設和現代化軍隊建設提供強有力的技術保障。

4數字化裝配應用展望

數字化裝配技術代表了現代飛機制造技術的發(fā)展方向，是技術、觀念以及管理的全面變革。深入研究、逐步掌握應用數字化裝配技術，能夠在提升飛機質量和工作效率的同時，促進我國航空產品生產的觀念及管理體制的變革，實現飛機制造水平的重大突破。

中航西飛的新舟系列飛機和支線客機ARJ21局部應用了數字化技術，采用數控加工、數控檢測、激光測量定位等技術，為我國航空制造技術數字化裝配和研發(fā)奠定了基礎。中航沈飛與大連四達公司聯合研制了具有自主知識產權的飛機大部件自動對接柔性裝配平臺，實現了在閉環(huán)控制情況下飛機六自由度的精確調姿，工裝結構大大簡化且滿足了實際需求，有效地降低了技術風險和控制難度[8]。未來，中航工業(yè)將在各種型號飛機的研制中繼續(xù)推廣數字化裝配應用，相信經過堅持不懈的努力，我國航空工業(yè)也會建成先進的數字化裝配生產線，實現飛機裝配技術的跨越。

參考文獻

[1] 周養(yǎng)萍.飛機部件數字化裝配技術發(fā)展綜述[J].航空制造技術，2013(13):52-54.

[2] 王梅，牛潤軍.數字化測量技術在飛機外形檢測方面的應用研究[J].航空制造技術，2013(20):109-112.

[3] 何勝強.大型飛機數字化裝配技術與裝備[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013：273-284.

[4] 王姮，侯志霞，李光麗，等.面向裝配的飛機數字化設計技術[J].航空制造技術，2014(21):63-65.

[5] 安志勇，曹秒，段潔.數字化測量技術在飛機裝配中的應用[J].航空制造技術，2013(18):48-51.

[6] 李西寧,胡匡植，李維亮，等.飛機數字化柔性裝配工裝技術[J].航空制造技術，2013(12):40-43.

[7] 馮子明.基于三維模型的飛機數字化快速檢測技術研究[J].航空制造技術，2011(21)：32-35.

[8] 郭洪杰.飛機大部件自動對接裝配技術[J].航空制造技術，2013(13)：72-75.

[責任編輯、校對：梁春燕]

Reflection on Improving Airplane Assembly Technology

CHUGui-lan

(Training Center,AVIC Aircraft XAC,Xi'an 710089,China)

Abstract：On the basis of comparison,the paper analyzes and concludes the current situation and development trend of domestic and overseas airplane assembly technologies,introduces the key to the development of airplane assembly technology,and illustrates how aviation manufacturing enterprises can command key airplane assembly technology and make breakthroughs.

Key words：aviation manufacturing;assembly technology;digital assembly technology

中圖分類號：V262

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9233(2016)01-0040-04

作者簡介：初桂蘭(1963-)，女，山東淄博人，高級講師，從事航空制造技術教學研究。

收稿日期：2015-01-07