飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用探討

飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用探討

初桂蘭

(中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司 培訓(xùn)中心，陜西 西安 710089)

摘要：介紹了飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)在國外的應(yīng)用情況，通過調(diào)查，總結(jié)了數(shù)字化裝配技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用范圍、特點(diǎn)和成效，分析了國內(nèi)與國外數(shù)字化裝配技術(shù)存在的差距，提出了國內(nèi)飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)發(fā)展的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；裝配仿真；柔性裝配；可視化裝配

收稿日期：2014-10-30

作者簡(jiǎn)介：初桂蘭(1963-)，女，山東淄博人，高級(jí)講師，從事航空制造技術(shù)教學(xué)研究。

中圖分類號(hào)：V262.4+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用是飛機(jī)研制發(fā)展史上的一次重大飛躍。數(shù)字化裝配技術(shù)由數(shù)字化裝配工藝技術(shù)、柔性工裝技術(shù)、激光檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)、數(shù)字化鉆鉚技術(shù)、數(shù)字化數(shù)據(jù)管理以及集成技術(shù)等組成[1]。數(shù)字化技術(shù)和數(shù)字化裝配已經(jīng)在波音公司、空中客車公司、洛克希德—馬丁公司等國外著名航空制造公司的新一代飛機(jī)的研究發(fā)展中獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。國內(nèi)雖然起步較晚，但隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的建設(shè)，特別是“十五”以來在計(jì)算機(jī)技術(shù)在國際轉(zhuǎn)包項(xiàng)目、改進(jìn)型飛機(jī)和新飛機(jī)型號(hào)研制中的探索應(yīng)用，促進(jìn)了國內(nèi)數(shù)字化技術(shù)和數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展。

1國外數(shù)字化飛機(jī)裝配技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

波音公司首次將數(shù)字化技術(shù)及數(shù)字化裝配技術(shù)全面應(yīng)用到B777飛機(jī)整機(jī)的研制上，建立了國際上第一條飛機(jī)數(shù)字化裝配移動(dòng)生產(chǎn)線，并取得了顯著地效果。飛機(jī)生產(chǎn)周期縮短50%、出錯(cuò)返工率減少75%、成本降低25%，這成為數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)研制中應(yīng)用的標(biāo)志和里程碑。隨后，數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)裝配中獲得了廣泛的應(yīng)用。波音7E7飛機(jī)、洛克希德—馬丁公司的JSF聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)、法國的幻影7X飛機(jī)系列、空客公司的A400M軍用運(yùn)輸機(jī)、A380飛機(jī)等均全部或大規(guī)模地采用了數(shù)字化技術(shù)[2-3]。

從最初的使用孔定位減少工裝，到通過建設(shè)柔性裝配單元逐漸實(shí)現(xiàn)柔性化裝配，到形成移動(dòng)生產(chǎn)線。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用，使典型部件裝配周期縮短了60%，飛機(jī)裝配周期縮短10%以上，裝配工藝設(shè)計(jì)周期縮短了30%-50%，裝配返工率減少50%，裝配成本減少20%-30%，全面提高飛機(jī)裝配質(zhì)量，極大限度滿足客戶要求。這個(gè)發(fā)展過程使飛機(jī)的裝配技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

2國內(nèi)數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)數(shù)字化技術(shù)研究與應(yīng)用起源于80年代初，近年來大規(guī)模地計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)和加大對(duì)國外先進(jìn)裝配制造技術(shù)以及數(shù)字化管理技術(shù)的研究，為數(shù)字化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。我們先后在波音轉(zhuǎn)包項(xiàng)目、新舟系列、支線客機(jī)等項(xiàng)目上進(jìn)行了數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐。

2.1轉(zhuǎn)包項(xiàng)目中數(shù)字化裝配應(yīng)用現(xiàn)狀

在轉(zhuǎn)包項(xiàng)目生產(chǎn)中，波音公司采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，產(chǎn)品采用數(shù)字化定義(DPD)。波音公司首次向西飛公司提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)集(包括三維產(chǎn)品數(shù)模和二維圖紙)作為制造依據(jù)，國內(nèi)才開始了數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)的應(yīng)用。這改變了以往用二維圖紙作為制造依據(jù)的傳統(tǒng)，開始以產(chǎn)品數(shù)模作為產(chǎn)品制造依據(jù)(二維圖僅供參考)；外商不在像其他的轉(zhuǎn)包項(xiàng)目一樣向西飛公司提供標(biāo)準(zhǔn)工藝裝配作為工裝設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、協(xié)調(diào)依據(jù)，首次嘗試了以數(shù)字化協(xié)調(diào)為主、輔以少量標(biāo)準(zhǔn)平板的協(xié)調(diào)方法；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化：采用了整體機(jī)加肋、整體梁等替代了以往由機(jī)加零件和鈑金零件組成的鉚接組合件，肋、梁實(shí)現(xiàn)了無余量裝配；裝配的定位方式由原組合式外定位(外形定位)方式改成了分散式內(nèi)定位(骨架定位)；采用孔定位方式減少了工裝，簡(jiǎn)化了行架結(jié)構(gòu)，工裝設(shè)計(jì)局部引入了數(shù)字量傳遞的概念和技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的建設(shè)，產(chǎn)品的數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)、技術(shù)文件實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上查詢與共享；隨著CAPP、ERP的廣泛應(yīng)用和CAPP與ERP的集成，近年來實(shí)現(xiàn)了AO網(wǎng)絡(luò)化的編制、流程管理、出版、生產(chǎn)過程記錄、工序檢查和完工記錄等，B737項(xiàng)目裝配現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無紙化管理[4]。

2.2新舟系列飛機(jī)局部應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)

MA60等飛機(jī)對(duì)改進(jìn)部分應(yīng)用CATIA V5進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在工裝設(shè)計(jì)中，采用CATIA V5進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)，工裝模型和圖紙數(shù)據(jù)發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)共享；工裝及型架的定位件采用了數(shù)控加工和數(shù)控檢測(cè)，使用激光跟蹤儀進(jìn)行整體安裝和檢測(cè)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)及各類技術(shù)文件等實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上共享。為以后實(shí)施數(shù)字化裝配奠定了基礎(chǔ)。

2.3支線客機(jī)應(yīng)用數(shù)字化裝配制造技術(shù)

ARJ21是按照世界上最新技術(shù)設(shè)計(jì)、擁有國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的70至90座級(jí)的中、短航程支線飛機(jī)。在ARJ21飛機(jī)的研制中，中航第一飛機(jī)技術(shù)院基于統(tǒng)一的CPC數(shù)據(jù)平臺(tái)(數(shù)字化協(xié)同工作平臺(tái))，初步建立了國內(nèi)一院四廠、國際19家供應(yīng)商的協(xié)同數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)，對(duì)多企業(yè)的協(xié)同研制產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)進(jìn)行了初步探索和應(yīng)用研究，并取得了顯著地成果：構(gòu)建了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化工作環(huán)境——數(shù)字化協(xié)同工作平臺(tái)(CPC)，全面應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)字化定義(DPD)、數(shù)字化預(yù)裝配(DPA)、全機(jī)電子樣板和并行工程等技術(shù)；制訂了數(shù)字化定義、電子樣機(jī)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)集、并行工程等有關(guān)的規(guī)范。改變了傳統(tǒng)的模線樣板/標(biāo)準(zhǔn)樣件工作法，采用了數(shù)字化的裝配協(xié)調(diào)技術(shù)。根據(jù)工廠的數(shù)控加工、安裝和數(shù)控檢測(cè)能力確定了以工程數(shù)據(jù)集作為制造協(xié)調(diào)的原始依據(jù)，以數(shù)字量協(xié)調(diào)為主、標(biāo)工協(xié)調(diào)為輔的協(xié)調(diào)原則：對(duì)外形復(fù)雜的部位的協(xié)調(diào)(產(chǎn)品間、產(chǎn)品與工裝、工裝間)采用數(shù)字化協(xié)調(diào)(即采用數(shù)控加工、數(shù)控檢測(cè)和激光測(cè)量定位技術(shù))；對(duì)空間復(fù)雜交點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)軌跡的協(xié)調(diào)采用標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)平板協(xié)調(diào)，量規(guī)和平板加工采用數(shù)控加工、數(shù)控檢測(cè)盒激光測(cè)量定位技術(shù)。這雖為數(shù)字化裝配應(yīng)用和研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，但無論是總裝廠上飛，還是大部件供應(yīng)商，其飛機(jī)部件裝配和飛機(jī)總裝仍采用了傳統(tǒng)的裝配、檢測(cè)方法[5]。

綜上所述，西飛數(shù)字化環(huán)境建設(shè)形成了一定的規(guī)模；某些數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得了突破；CAPP與ERP獲得了廣泛的應(yīng)用；積累了一定的數(shù)據(jù)管理的經(jīng)驗(yàn)，為大部分?jǐn)?shù)字化裝配、對(duì)接和檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究創(chuàng)造了條件。

3國內(nèi)數(shù)字化裝配技術(shù)與國外的差距

國外飛機(jī)產(chǎn)品因全面采用數(shù)字化技術(shù)，促進(jìn)了數(shù)字化裝配技術(shù)的快速發(fā)展：由最初使用孔定位(減少工裝)發(fā)展到通過建設(shè)柔性裝配單元逐漸實(shí)現(xiàn)柔性化裝配，如A320-340、新一代B737和B757、B767等的壁板自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)、翼梁自動(dòng)裝配系統(tǒng)；在柔性裝配單元實(shí)施應(yīng)用的基礎(chǔ)上，B777和A380已基本建成了移動(dòng)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了大部分自動(dòng)對(duì)接、數(shù)字化精確安裝和整機(jī)檢測(cè)。數(shù)字化技術(shù)已發(fā)展到我們認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化的飛機(jī)裝配中。

綜上所述，我國的飛機(jī)主機(jī)所、主機(jī)廠在數(shù)字化技術(shù)研究和應(yīng)用方面，進(jìn)行了大量的探索研究，取得了工程應(yīng)用的突破：改進(jìn)型飛機(jī)的研制和局部采用電子樣機(jī)，突破了數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)字化在設(shè)計(jì)上的應(yīng)用已比較成熟，但制造上的應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路要走。主機(jī)廠雖然在數(shù)字化環(huán)境建設(shè)形成了一定的規(guī)模，廣泛應(yīng)用了CAPP和ERP、提高了飛機(jī)裝配制造工藝快速設(shè)計(jì)的能力和裝配現(xiàn)場(chǎng)的無紙化管理，推動(dòng)了企業(yè)裝配生產(chǎn)的科技進(jìn)步，但與國外先進(jìn)水平相比較，飛機(jī)數(shù)字化裝配的整體水平偏弱，主要的差距有：

第一，飛機(jī)設(shè)計(jì)單位與飛機(jī)制造單位未建立統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)平臺(tái)，工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)脫節(jié)，妨礙了并行工程的充分實(shí)施。

第二，國家多年來飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)研究資金投入不足、技術(shù)引進(jìn)不配套。存在重視產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件引進(jìn)、忽視數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配過程仿真與數(shù)字化檢測(cè)軟件的引進(jìn)；重視引進(jìn)了少量的自動(dòng)鉆鉚機(jī)、忽視配套設(shè)備——柔性數(shù)控托架的引進(jìn)，導(dǎo)致自動(dòng)鉆鉚仍然是半自動(dòng)化。

第三，沒有建立柔性裝配單元、沒有打通飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線。國內(nèi)飛機(jī)裝配過程仍然處于半自動(dòng)、半手動(dòng)的操作方式，柔性工程設(shè)計(jì)處于理論研究階段，沒有局部應(yīng)用的實(shí)例，沒有建立壁板、梁、框的柔性裝配單元。

改進(jìn)型飛機(jī)與新機(jī)采用了不同的裝配制造協(xié)調(diào)原則，對(duì)改進(jìn)型飛機(jī)仍然以模擬量傳遞為主、局部采用了數(shù)字量傳遞方法,對(duì)全新研制的飛機(jī)，考慮到計(jì)算機(jī)軟件、生產(chǎn)設(shè)施等多種因素的限制其裝配協(xié)調(diào)方法以數(shù)字量傳遞為主、模擬量為輔。通過實(shí)踐證明現(xiàn)階段的協(xié)調(diào)原則是有效的，這與我國現(xiàn)階段飛機(jī)裝配的技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)[6]。

第四，我國飛機(jī)裝配的生產(chǎn)組織管理模式未發(fā)生根本性變化，飛機(jī)裝配的技術(shù)、生產(chǎn)、質(zhì)量控制體系還是沿襲著過去幾十年來批生產(chǎn)的手工作業(yè)模式，飛機(jī)裝配技術(shù)、生產(chǎn)、安裝、檢測(cè)手工勞動(dòng)工作量很大，因此效率較低。

4提高數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展對(duì)策

全面采用數(shù)字化技術(shù)，實(shí)施飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)全壽命管理，采用自動(dòng)化裝配技術(shù)，建立裝配移動(dòng)生產(chǎn)線是飛機(jī)裝配技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。從國外數(shù)字化裝配技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)揮在那的歷程看，我國的數(shù)字化裝配技術(shù)發(fā)展必須進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，分階段實(shí)施。結(jié)合MA系列、ARJ21等工程的研制全面應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)；有選擇有計(jì)劃地突破數(shù)字化裝配的關(guān)鍵技術(shù)，在工程驗(yàn)證的基礎(chǔ)上建立和完善相應(yīng)的數(shù)字化裝配、制造、檢測(cè)和過程管理的規(guī)范；經(jīng)過5至10年的努力，建成部件數(shù)字化裝配的柔性單元和總裝的移動(dòng)生產(chǎn)線。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，需要采取以下對(duì)策：

第一，組建由設(shè)計(jì)部門、制造部門、科研機(jī)構(gòu)和高等院校等不同單位的專家組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。系統(tǒng)化研究和總結(jié)國內(nèi)外數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，吸取其發(fā)展過程中的教訓(xùn)，制訂好數(shù)字化技術(shù)、數(shù)字化裝配應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，技術(shù)發(fā)展策略。統(tǒng)一部署和協(xié)調(diào)數(shù)字化技術(shù)的實(shí)施和計(jì)劃，做到有序、協(xié)調(diào)，可持續(xù)突破關(guān)鍵技術(shù)，為產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。

第二，整合廠、所數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的資源，打通廠所數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)協(xié)同工作的平臺(tái)；制訂或完善相關(guān)的規(guī)范與制度，深化工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的并行工程，通過機(jī)構(gòu)重組和流程優(yōu)化真正建立并行工程的支持機(jī)制[7]。

第三，加大數(shù)字化裝配技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研究的投資力度，引進(jìn)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配過程仿真與數(shù)字化檢測(cè)軟件；通過可行論證投資建設(shè)飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚裝配單元、翼梁自動(dòng)鉆鉚裝配單元；引進(jìn)國外柔性工裝設(shè)計(jì)軟件和典型的柔性裝配單元，通過使用、消化，研究建立柔性工裝設(shè)計(jì)體系；深入開展飛機(jī)裝配的數(shù)字化仿真與驗(yàn)證、數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)研究，形成數(shù)字化裝配的規(guī)范、制度和標(biāo)準(zhǔn)[8]。

第四，選擇典型，如機(jī)身對(duì)接或機(jī)身機(jī)翼對(duì)接，嘗試打通飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線，并制訂相應(yīng)設(shè)計(jì)、制造、裝配、安裝、檢測(cè)和生產(chǎn)線管理等規(guī)范條例。

第五，在數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，重組和優(yōu)化數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)流程，變革生產(chǎn)線組織管理模式，為數(shù)字化裝配生產(chǎn)線的深入應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5結(jié)語

全面采用數(shù)字化裝配技術(shù)，實(shí)施飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)全壽命管理，建立裝配移動(dòng)生產(chǎn)線是飛機(jī)裝配數(shù)字化發(fā)展的趨勢(shì)。國內(nèi)數(shù)字化裝配應(yīng)用的軟硬件環(huán)境建設(shè)已初具規(guī)模，數(shù)字化裝配理論和工程應(yīng)用研究已經(jīng)開始，數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展空間十分廣闊。

高起點(diǎn)的ARJ、MA系列等新一代飛機(jī)產(chǎn)品的立項(xiàng)研制，將對(duì)數(shù)字化裝配應(yīng)用的探索研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展創(chuàng)造了有利的發(fā)展時(shí)機(jī)。通過組合新機(jī)的研制分步實(shí)施并產(chǎn)業(yè)化，相信經(jīng)過五至十年的努力最終將會(huì)建成先進(jìn)的數(shù)字化裝配生產(chǎn)線。這將使我國飛機(jī)裝配的技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)重大突破，推進(jìn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：張朋毅]

Discussion on the Application of Digital Assembly Technique

of Aircrafts

CHUGui-lan

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

Abstract：This paper presents the overseas applications of aircraft digital assembly technique, and summarizes the domestic application scope, feature, and effect of the technique through investigation, analyzes the gap between domestic and overseas applications, and proposes the tactics for the development of the technique at home.

Key words：digitalization; assembly emulation; flexible assembly; visual assembly