面向航空線束的數(shù)字化制造關(guān)鍵問題探討*

武 鵬，張一哲，聞敬謙，王春陽，高 佩

（1.航空工業(yè)江西洪都飛機工業(yè)（集團）有限公司，南昌 330001；2. 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

線束是由導線、端子、絕緣護套和絕緣捆扎材料按一定設(shè)計要求裝配而成的一種接線部件，在各電氣系統(tǒng)間起著傳遞電力與信號的作用。線束的可靠性直接影響到系統(tǒng)的可靠性，據(jù)統(tǒng)計，由線纜類零件引發(fā)的故障約占某型號產(chǎn)品總故障率的20%[1]。

經(jīng)過10多年的發(fā)展，航空企業(yè)逐步建立起以產(chǎn)品數(shù)字化模型、數(shù)字化協(xié)同和業(yè)務(wù)過程集成的先進數(shù)字化技術(shù)制造體系，有效提高了企業(yè)的研制水平。當前制造業(yè)正開展向智能化發(fā)展的變革，利用信息、網(wǎng)絡(luò)、傳感等技術(shù)將數(shù)字化模型與實物產(chǎn)品制造進行深度融合，數(shù)字及智能化的制造和生產(chǎn)將成為未來的發(fā)展方向[2]。線束產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計、裝配技術(shù)相關(guān)研究已取得豐碩成果，但受生產(chǎn)模式的限制，航空線束產(chǎn)品制造過程的自動化、數(shù)字化程度不夠，基于模型的制造技術(shù)尚不成熟，產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)和實物制造水平間存在落差，與國外先進企業(yè)還存在較大差距。

本文對航空線束制造現(xiàn)狀開展分析，提出制約數(shù)字化制造的關(guān)鍵問題，并結(jié)合航空產(chǎn)品生產(chǎn)方式從工藝方法、軟件系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備幾方面給出加強航空線束的數(shù)字化建設(shè)的解決方法，以提升生產(chǎn)柔性和快速響應(yīng)能力，促進航空線束實現(xiàn)智能化制造。

1 研究現(xiàn)狀

區(qū)別于剛性實體，線纜具有柔性可變的物性特點，國內(nèi)外學者從線束的數(shù)學建模、布局設(shè)計、裝配仿真與故障檢測幾個方面開展了相關(guān)的研究，實現(xiàn)了線纜的數(shù)字化設(shè)計。

針對柔性線束在裝配規(guī)劃中的空間位姿和干涉碰撞問題，專家學者建立了線束的幾何模型和物理模型：德國學者Loock等[3]于2001年提出的質(zhì)點-彈簧模型、北京理工大學劉檢華等[4]提出的彈性細桿模型、中國工程物理研究所的魏發(fā)遠等[5]提出的蛇形機器人模型、美國學者Ardelean等[6]建立的基于航天器線纜動態(tài)特性的有限元模型等，這些實體模型表達了線束的幾何形態(tài)、拓撲結(jié)構(gòu)和物理特性信息。

在商用軟件方面，主流建模軟件提供線纜的三維建模工具，如Pro/E平臺的Pro/CABLING，UG平臺的UG/Wiring[7]，CATIA平臺的ECR（Electrical Cableway Routing），以便于確定線纜在運載設(shè)備上的走線路徑、結(jié)構(gòu)分支、卡緊位置和實際長度等信息，在布線算法和實現(xiàn)技術(shù)方面，Park等[8]開發(fā)了一種多agent系統(tǒng)，Conru和Cutkosky[9]在其基礎(chǔ)上整理出一整套算法實現(xiàn)線束自動化布局，Petrie等[10]開發(fā)了一套基于協(xié)同的布線設(shè)計工具“Next-Link”，Cerezuela等[11]開發(fā)了基于概念知識的線束輔助設(shè)計決策支持系統(tǒng)，以及在虛擬樣機中進行沉浸式人機交互布線設(shè)計相關(guān)技術(shù)研究。此外，專業(yè)的線纜設(shè)計工具，如Mentor公司的CHS軟件實現(xiàn)了線纜的電氣邏輯設(shè)計、拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計以及工藝文件生成等功能。

以上研究和軟件從線纜的物性建模、布局算法以及電氣設(shè)計等方面為線纜數(shù)字化設(shè)計提供了有力的方法和工具支持。但相關(guān)模型對實際線纜進行了簡化，數(shù)字樣機中測量的精度不足，實際布線環(huán)境中仍需對模擬獲得的參數(shù)進行校驗。另一方面，針對航空線束實物制造的研究較少，當前航空線纜生產(chǎn)過程中缺乏對加工數(shù)據(jù)的有效采集，工人在手工制造時偏向于留出較大余量，造成航空線束數(shù)字化設(shè)計與實際生產(chǎn)相脫節(jié)，難以發(fā)揮數(shù)字化制造能力。

2 航空線束制造能力瓶頸分析

我國航空產(chǎn)品設(shè)計已實現(xiàn)數(shù)字化，在產(chǎn)品設(shè)計和業(yè)務(wù)管理等方面取得了良好成效，形成了信息化的基礎(chǔ)環(huán)境。但航空產(chǎn)品由于單件小批量生產(chǎn)模式的限制，難以大規(guī)模利用設(shè)備建立自動化生產(chǎn)流程。而且線束作為電子設(shè)備傳遞信號的神經(jīng)系統(tǒng)和輸送電力的血液系統(tǒng)，更是具有拓撲結(jié)構(gòu)復雜、設(shè)計變更頻繁的特點，相關(guān)零部件也有型號匹配要求?，F(xiàn)有的線纜加工設(shè)備主要為大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)計，無法滿足航空線束對生產(chǎn)的高柔性要求，航空線束長期以來主要采用手工方式進行加工和制造。

航空線束工藝流程主要可分為生產(chǎn)準備、布線、端接3個階段。航空線束結(jié)構(gòu)復雜，只有在完成布線并捆扎后才能對導線進行端接處理，包括導線剪齊、套標識、死接頭處理、屏蔽處理、接觸偶壓接和電連接器插接等工作。生產(chǎn)準備階段采用激光印字機在導線絕緣層打印導線編號，但生產(chǎn)過程中仍需要人工進行識別每根導線信息，依據(jù)作業(yè)指導書進行制造，相關(guān)設(shè)備難以獲取導線信息，而依賴人工調(diào)整設(shè)備參數(shù)無法滿足生產(chǎn)效率要求。航空線束制造水平不高主要體現(xiàn)在以下4個方面：

（1）設(shè)備利用率低。

現(xiàn)有的自動剝線機、端子壓接機等設(shè)備按照設(shè)定的參數(shù)工作，需人工識別導線、查閱作業(yè)指導書后調(diào)整設(shè)備參數(shù)，復雜的操作過程導致設(shè)備難以利用。

（2）制造信息難以采集。

當前制造過程中實物導線的識別、加工方式的確定均需人工參與，導致加工人員的作業(yè)負荷較大，難以及時、準確地進行信息采集，不利于生產(chǎn)過程的監(jiān)控。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量依賴于個人。

線纜的柔性特點決定其長度、齊整度、壓機質(zhì)量等加工特性不易于檢測，因此，手工制造為主的加工方式下產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性很大程度上依賴于加工人員的水平、經(jīng)驗和責任心。

（4）設(shè)計與制造脫節(jié)。

盡管設(shè)計階段應(yīng)用專業(yè)軟件建立了線束的數(shù)字化模型，但到生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍需轉(zhuǎn)化為工人易于理解的作業(yè)指導書，導致設(shè)計發(fā)生更改不能及時傳遞到制造環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程信息也無法反饋設(shè)計，難以適應(yīng)當前多型號快速研制的需求。

導致上述現(xiàn)象的根本原因是生產(chǎn)過程中信息的紙質(zhì)傳遞和以手工為主的加工方式，而當前航空企業(yè)面臨著多種型號敏捷研制的挑戰(zhàn)，航空線束制造迫切需要應(yīng)用加工設(shè)備以提高生產(chǎn)能力，如何實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、自動化已成為制約航空線束提高制造能力的瓶頸。

3 實現(xiàn)數(shù)字化制造面臨的問題

大規(guī)模生產(chǎn)模式下，導線按工序、規(guī)格集中完成加工，相關(guān)的設(shè)備更偏向于提高生產(chǎn)效率。以汽車線纜為例，采用流水線形式進行生產(chǎn)，各工序?qū)I(yè)化程度高，切線、焊接、端子壓接等均有專用設(shè)備，每個設(shè)備可連續(xù)完成大量導線的加工，相對更換導線、調(diào)整參數(shù)所占時間較少，因此設(shè)備均獨立工作。

航空產(chǎn)品采用單架小批量生產(chǎn)模式，但航空線束包含的導線數(shù)量巨大、種類繁雜，一架商用噴氣式寬體飛機的連接線總長已經(jīng)超過了150km，一架直升飛機的電氣系統(tǒng)平均有兩萬條連接線，不僅工作強度大而且要求更為嚴格。另一方面，航空線束涉及多種規(guī)格導線，不同規(guī)格、不同端點的加工要求不同，導線在布線、端接等工序中的加工順序可互換，生產(chǎn)過程具有高柔性要求，當前自動切線機、激光印字機、剝線機等專業(yè)化線束加工設(shè)備無法滿足制造的柔性要求。

對比大規(guī)模生產(chǎn)模式，航空線纜工藝參數(shù)變化大、加工復雜程度高，利用自動化的加工設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字化制造主要面臨以下問題：

（1）加工實物的標識問題。航空線束制造過程的柔性要求相關(guān)設(shè)備根據(jù)被加工對象調(diào)整參數(shù)，首先需要對被加工的實物進行有效的標識，以便于設(shè)備能夠識別；

（2）加工設(shè)備的制造柔性問題。相關(guān)的專業(yè)設(shè)備應(yīng)能夠識別被加工對象，獲取相應(yīng)的制造信息并調(diào)整其參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)針對加工對象的柔性化制造；

（3）面向人機協(xié)同的工藝改進問題。應(yīng)用專業(yè)化加工設(shè)備需要對當前面向人工作業(yè)方式的工藝方法進行改進，綜合考慮人—機協(xié)同進行工作的特點，工藝設(shè)計應(yīng)同時滿足人員和設(shè)備的操作需求；

（4）工藝信息的精細化服務(wù)問題。柔性制造要求針對不同的加工設(shè)備、不同加工對象和不同加工要求及時提供工藝信息，實現(xiàn)工藝信息的實時在線精準服務(wù)。

綜合以上分析，實現(xiàn)航空線束的數(shù)字化制造需綜合考慮工藝方法、加工技術(shù)、設(shè)備能力以及管理方式，其中，被加工實物的標識和識別是實現(xiàn)數(shù)字化柔性制造的基礎(chǔ)。實物標識既要有利于人工操作又要便于設(shè)備識別和利用，同時也是被加工對象與加工信息的聯(lián)系紐帶，直接影響到信息服務(wù)方式和軟件系統(tǒng)的架構(gòu)。

4 航空線束數(shù)字化制造系統(tǒng)框架

根據(jù)以上分析，針對單件小批的生產(chǎn)方式和敏捷柔性的生產(chǎn)特點，航空線束制造需結(jié)合傳感技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)，從硬件設(shè)備、產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過程管控3方面綜合開展數(shù)字化制造建設(shè)，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 航空線束數(shù)字化制造總體框架Fig.1 Framework for digital manufacturing of aircraft wire harness

航空線束數(shù)字化框架主要從以下3方面解決當前制造面臨的問題：

（1）統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。以電氣邏輯信息和數(shù)字樣機為基礎(chǔ)構(gòu)建航空線束產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，附加面向制造和檢測的工藝信息以及制造信息，形成統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。

（2）輔助加工設(shè)備的應(yīng)用。通過對導線增加線卡的方式對實物進行標識，并對相關(guān)設(shè)備進行改造以便能夠識別導線相關(guān)信息，利用計算機系統(tǒng)實現(xiàn)輔助布線和檢測。

（3）信息系統(tǒng)的優(yōu)化改進。利用物聯(lián)感知技術(shù)獲得加工過程數(shù)據(jù)，采用工作流技術(shù)實現(xiàn)制造過程的透明化，實時推送物料、工具信息。

4.1 統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型

航空線束由導線與電連接器等元器件構(gòu)成，其中導線是信號和能量傳輸?shù)妮d體，根據(jù)其包含的芯線數(shù)目及功能可分為單芯線、多芯線、雙絞線、引出線、屏蔽線等多種類型；電連接器是用來連接兩個有源設(shè)備的元器件，可分為電連接器及尾附件兩個相互匹配的部件；另外，依附于線束或電連接器，還有起標識、固定或保護作用的附屬件，如標識套管、焊錫環(huán)、卡箍等。

分析線束的組成結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)間的從屬、匹配、連通關(guān)系，可以獲得線束本體的主要概念，如端子、電連接器、后附件、接觸偶、導線、單芯線、多芯線、屏蔽線、引出線、焊錫環(huán)、死接頭、標識套管等，建立航空線束產(chǎn)品的本體模型，對線束的組成、結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系及加工約束進行描述，以便于設(shè)計、工藝以及制造等不同系統(tǒng)的應(yīng)用和交互。

以航空線束領(lǐng)域本體為基礎(chǔ)，可將工藝知識和制造約束以規(guī)則的形式進行語義化描述，實現(xiàn)基于規(guī)則推理的輔助工藝決策，促進知識的共享與復用。

4.2 輔助加工設(shè)備的應(yīng)用

航空線束結(jié)構(gòu)復雜、連接關(guān)系眾多，布線工藝需要結(jié)合線束拓撲結(jié)構(gòu)和電氣連接關(guān)系進行制造，往往需多人合作進行相關(guān)信息和被加工物的敷設(shè)。為提高信息利用效率，以導線的標記和識別為基礎(chǔ)，建立人、機、物、信息相融合的數(shù)字化布線流程。

如圖2所示，通過在待加工的導線上加裝印有條碼的卡線器作為該導線的標識，以此建立與線號、連接關(guān)系等信息的關(guān)聯(lián)，并在布線工序中利用改進的光電輔助布線板顯示待加工的導線拓撲結(jié)構(gòu)。

數(shù)字化布線流程中操作人員不再需要讀取紙質(zhì)作業(yè)指導書，按照輔助布線板提示信息即可完成布線，有助于實現(xiàn)無紙化制造。

4.3 信息系統(tǒng)的優(yōu)化改進

基于工作流技術(shù)對航空線束工藝流程進行建模，利用事件將業(yè)務(wù)活動的執(zhí)行人、輸入輸出信息、消耗資源和工序流程關(guān)聯(lián)起來，以流程任務(wù)驅(qū)動工序過程，并完成相關(guān)信息的采集?；诠ぷ髁鞯纳a(chǎn)過程管理如圖3所示，由工長啟動生產(chǎn)流程后，相關(guān)生產(chǎn)人員依次完成領(lǐng)料、劃線、端接和導通測試的工序。

通過建立線束制造過程的工作流模型，實現(xiàn)對每個架次相關(guān)的線束制造過程可視化管控，便于實時掌握線束生產(chǎn)進度。

圖2 航空線束數(shù)字化布線流程Fig.2 Aircraft wire harness digital routing process

圖3 工作流驅(qū)動的航空線束生產(chǎn)過程管理Fig.3 Process management of aircraft wire harness production driven by workflow

5 結(jié)論

近幾年我國航空制造業(yè)大力推行數(shù)字化工程，在一定程度上取得了良好的效果，促進了生產(chǎn)水平的提高和相關(guān)技術(shù)的提升。航空線束涉及電氣和機械等多個領(lǐng)域，生產(chǎn)以手工方式為主，數(shù)字化和自動化水平較低，本文對線纜產(chǎn)品數(shù)據(jù)建模以及制造過程數(shù)字化進行了探討，給出了軟件系統(tǒng)結(jié)合硬件支持的解決方案，對于開展柔性線纜的智能制造提供可行的工程途徑。

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