數(shù)字量協(xié)調(diào)技術在飛機裝配中的應用

張尚安 張力民

摘 要：隨著數(shù)字化技術在飛機設計、制造領域越來越廣泛的應用，使飛機產(chǎn)品的研發(fā)發(fā)生了觀念性的改變，同時也進一步促進了航空企業(yè)管理體制、飛機研制模式的一系列變革。特別是近年來，數(shù)字量協(xié)調(diào)技術在裝配協(xié)調(diào)、裝配過程設計方面的應用，使得航空產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、質(zhì)量得到了明顯的提高，進一步提升了企業(yè)的綜合效力和競爭力。

關鍵詞：數(shù)字量；裝配協(xié)調(diào)；裝配過程

中圖分類號：V271 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0054-02

1 國內(nèi)外飛機裝配技術應用現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國的飛機裝配雖然在局部上采用了數(shù)字化的技術：零件制造部分應用了數(shù)控加工與數(shù)字化測量。部件裝配部分采用數(shù)字化設計裝配工裝，并采用數(shù)字化制造及安裝。大部件對接采用數(shù)控定位器及機器人，大大提高了飛機制造效率與質(zhì)量，但與波音、空客等著名航空企業(yè)相比，仍然存在巨大差距。主要表現(xiàn)在：

（1）上述技術體系不健全，應用實踐經(jīng)驗積累不足，另外我國飛機研制進度急，行政指揮權遠遠大于技術指揮，同時先期投入不夠，導致成熟經(jīng)驗應用大于技術創(chuàng)新，手工作仍然占有較大比例；（2）飛機的設計制造雖然采用了聯(lián)合并行工作，但設計、制造等部門相對獨立，制造管理模式未實現(xiàn)根本轉(zhuǎn)變；（3）數(shù)字化技術應用不徹底，工程信息沒有全面采用數(shù)字化定義，且相應的工藝信息沒有及時反饋給設計部門，未形成完整的、廣泛的產(chǎn)品數(shù)字化定義，還未實現(xiàn)面向制造及裝配的飛機設計；（4）在裝配協(xié)調(diào)技術方面，雖然也采用了數(shù)字化量協(xié)調(diào)，用協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集或三維數(shù)摸直接用于裝配協(xié)調(diào)設計，但模線-樣板法等模擬量的裝配協(xié)調(diào)依然大量存在，特別是飛機改型，如在有協(xié)調(diào)要求的結構件上，部分機加件依據(jù)設計數(shù)模采用數(shù)控設備加工，零件制造質(zhì)量好，而與之相協(xié)調(diào)的鈑金零件依然按照模線樣板、樣件等傳統(tǒng)方法協(xié)調(diào)，這樣協(xié)調(diào)路徑長、工藝裝備數(shù)量多，且鈑金零件制造準確度差，進而使得裝配時互換協(xié)調(diào)性難以保證；

1.2 國外現(xiàn)狀

自20世紀80年代后期，以美國波音公司、洛克希德·馬丁公司和歐洲空客公司等為代表的先進飛機制造公司均開始使用數(shù)字化裝配技術。波音787、空客A380等新型民機的生產(chǎn)研制過程，充分體現(xiàn)了國外發(fā)達國家飛機制造過程中數(shù)字化裝配技術的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)的F35采用了基于AR技術和人機工程的數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)仿真技術，采用了先進的測量手段，保證測量結果的精確度。各型號飛機依據(jù)精準的測量結果和數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)仿真裝配技術，實現(xiàn)了飛機裝配誤差精準控制和大部件對接的精準控形。

以波音、空客為代表的數(shù)字化設計、制造、協(xié)調(diào)、裝配、對接已經(jīng)成熟應用到多種飛機的研制過程中，與傳統(tǒng)飛機研制表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。經(jīng)研究了解，這些企業(yè)在數(shù)字化制造、裝配協(xié)調(diào)技術方面采取了有效的技術實施路徑與可靠措施：

設計制造一體化程度高，完全打破傳統(tǒng)串行工作模式為并行工作模式。

三維設計、數(shù)字化制造及測量技術全面應用，過程仿真穿插在整個研制流程中。

基于唯一數(shù)據(jù)源，進行關聯(lián)設計與信息提取應用，保證飛機數(shù)據(jù)的一直性、正確性及可利用性。

自動化設備、數(shù)字化測量、基點一體化工裝大量應用，有效保障了飛機制造效率及實物質(zhì)量。

飛機裝配協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)大量采用數(shù)字量，減少協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)化誤差積累，裝配過程盡量標準規(guī)范化，減少人為因素。

形成了較為完備的數(shù)字化應用技術體系，保障了飛機研制、批產(chǎn)及改進的有效進行。

綜上：數(shù)字化（設計、制造、協(xié)調(diào)、裝配及對接）技術的應用重點是過程執(zhí)行、控制，充分應用虛擬仿真設計技術進行防差錯設計，有效利用數(shù)字化工裝設備、采用數(shù)字化的測量手段，依托完整有效的技術與管理規(guī)范體系，保障飛機研制全過程的高消、可控。

2 數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術應用研究內(nèi)容

2.1 建立產(chǎn)品的數(shù)字化定義

在產(chǎn)品詳細設計階段，由設計部門構建產(chǎn)品數(shù)據(jù)集即飛機理論外形、結構、系統(tǒng)全機數(shù)字化定義，產(chǎn)品完整的數(shù)字化定義由三維數(shù)模3D、輔以技術文件、結構化的產(chǎn)品結構樹等組成，其內(nèi)容不僅包括產(chǎn)品外形、結構形狀、相對位置、連接形式等幾何信息和制造公差、熱表處理等信息的定義，同時還包括零組件的裝配關系、材料、尺寸、裝機數(shù)量等數(shù)據(jù)定義。

2.2 建立面向制造裝配的并行工程定義

所有飛機裝配應以3D為基準，從仿真預先裝配（Digital Pre-Assembly，DPA）開展，在面向飛機裝配的設計（Design For Assembly，DFA）和應用分析場景中，規(guī)劃實施關鍵工作：統(tǒng)一產(chǎn)品定義系統(tǒng)、早期工藝規(guī)劃、裝配流程及運動模擬、裝配可行性分析、數(shù)字化預裝配、數(shù)字化質(zhì)量保證。

設計階段，工藝提早介入，進行并行產(chǎn)品數(shù)字化定義。并行工作期間，工藝將定位孔、裝配協(xié)調(diào)孔、裝配對零件狀態(tài)要求等工藝信息要提供給設計，由設計部門將上述工藝信息納入設計模型，建立產(chǎn)品廣泛的、完整的數(shù)字化定義，確保飛機產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的完整性、一致性及準確性。

在產(chǎn)品數(shù)字化定義時，還要完成產(chǎn)品結構的工藝性分析、數(shù)字化預裝配、產(chǎn)品運動軌跡模擬、數(shù)字化裝配過程設計（Digital Assembly Sequence，DAS）以及數(shù)字化工藝裝備定義（Digital Tool Definition，DTD）等工作。而預裝配、模擬產(chǎn)品運動軌跡、裝配過程設計和工裝設計可以對產(chǎn)品進行干涉檢查，同時還可以檢查產(chǎn)品的可裝配性，因此，實現(xiàn)并行產(chǎn)品數(shù)字化定義將能提前發(fā)現(xiàn)問題，可預防由于工程更改造成的工藝、生產(chǎn)更改，從而提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，縮短裝配周期，降低生產(chǎn)成本，更好地提高產(chǎn)品的競爭力。

2.3 建章立制，規(guī)范工作環(huán)境、工作流程

（1）構建共享共用的聯(lián)合協(xié)同工作平臺。構建共享共用的聯(lián)合協(xié)同工作平臺，滿足設計、工裝、零件制造與飛機裝配工藝等工作使用需求。確保工程設計與制造工藝的工作環(huán)境同意，方便各工作單位的協(xié)同與溝通，在統(tǒng)一坐標系下進行數(shù)字化預裝配并模擬產(chǎn)品運動軌跡。（2）規(guī)范飛機產(chǎn)品構型管理與控制。針對基本型飛機產(chǎn)品的客戶化改進、改型，滿足通用產(chǎn)品的重復利用，應該由工程設計部門規(guī)劃全系產(chǎn)品的技術狀態(tài)，進行有效飛機產(chǎn)品構型配置管理，滿足飛機單機狀態(tài)管理。對于更改部分，及時將更改信息進行發(fā)布，同時在部件裝配之前，通過協(xié)同工作環(huán)境提供單機工程零組件結構清單及有效設計文檔等工程信息。（3）規(guī)劃實施高效的工作管理規(guī)范制度。各有關單位的工作應在統(tǒng)一標準管理規(guī)范下運行，形成規(guī)范、有效及可控的工作流程機制，包括定義審簽、控制標準及流程，實現(xiàn)流程驅(qū)動的設計、制造實施工作機制，及時將裝配過程中出現(xiàn)的問題反饋給設計、零件制造單位以及相關業(yè)務部門，滿足工作流程的啟動、實施及封閉循環(huán)。

2.4 數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術

飛機產(chǎn)品結構形狀復雜，零組件數(shù)量多，裝配過程協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)多，為保證飛機產(chǎn)品裝配的準確性和裝配協(xié)調(diào)互換性，在裝配制造過程中需要采用相應的裝配協(xié)調(diào)技術和方法以及大量的工藝裝備。

2.4.1 傳統(tǒng)的裝配協(xié)調(diào)方法

飛機制造業(yè)傳統(tǒng)的裝配協(xié)調(diào)方法采用模擬量傳遞，即以飛機理論外形為基準，繪制理論模線、結構模線，再以模線為依據(jù)設計制造外形樣板、標準樣件、局部樣件等，以此作為零件制造工裝、裝配型架、檢驗工裝等的制造依據(jù)，最后加工零件，完成飛機零組件裝配。整個協(xié)調(diào)制造過程中采用相互聯(lián)系的制造原則，通過模線、樣件、樣板、過渡模等實物模擬量來傳遞產(chǎn)品的形狀、尺寸和相對位置，以獲得工藝裝備之間、零組件與工藝裝備之間、零組件之間的協(xié)調(diào)性和互換性。

2.4.2 數(shù)字化協(xié)調(diào)技術

飛機產(chǎn)品設計采用CAD技術，設計部門建立飛機幾何模型，形成工程數(shù)據(jù)集，同時飛機制造采用CAM技術，這就出現(xiàn)了以飛機理論外形、內(nèi)部結構等模型為原始依據(jù)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)。這種協(xié)調(diào)系統(tǒng)的特點是應用獨立制造原則，將統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)集直接傳遞給數(shù)控設備，工藝裝備、零組件采用數(shù)控加工、數(shù)字化檢測，裝配采用數(shù)字化定位調(diào)整及檢測確認，大大減少了過程轉(zhuǎn)換，提高了制造裝配一致性及工作效率。

2.5 裝配過程優(yōu)化

通過并行工程，對飛機產(chǎn)品各部件進行數(shù)字化預裝配，即基于模型定義MBD（Model Based Definition）的基礎上實施虛擬裝配仿真的過程。數(shù)字化裝配仿真設計主要是利用三維設計數(shù)模、工裝數(shù)模、設備、工具數(shù)模以及標準化的人體模型進行產(chǎn)品預裝配，全面檢查設計、工裝、工藝的合理性及可操作性，并將相應的工藝裝配信息及時反饋給工程設計、工裝設計部門及有關工藝人員，優(yōu)化設計，提前預防、過程控制，可大大減少返工浪費、預防產(chǎn)品質(zhì)量問題發(fā)生，減少飛機研制周期、提高飛機研制經(jīng)濟性，提高飛機研制效率及飛機產(chǎn)品質(zhì)量。

虛擬裝配仿真設計分為：裝配流程的產(chǎn)生和優(yōu)化；裝配路徑規(guī)劃和優(yōu)化；重組過程驗證。首先對飛機部件進行裝配過程規(guī)劃定義，確定各零組、部件件的裝配順序，按照裝配順序?qū)Ω髁憬M件進行重組，建立新的裝配模型；然后根據(jù)實際工作環(huán)境、條件及生產(chǎn)速率，進行裝配順序、裝配資源的調(diào)整和優(yōu)化；最后虛擬現(xiàn)實技術，確定工藝規(guī)劃設計的操作性、合理性及經(jīng)濟性，解決數(shù)字化產(chǎn)品模型裝配過程中所遇到的碰撞問題、間隙問題并多次迭代優(yōu)化，最總按部件確定完整的裝配過程；裝配順序和裝配過程依據(jù)設計工程結構樹EBOM和三維模型3D生成，保證設計、制造的符合性、一致性和統(tǒng)一性，通過通過與設計信息進行對比檢查，驗證重組過程的準確性。

3 結語

研究飛機產(chǎn)品的數(shù)字化協(xié)調(diào)裝配技術，建立全機產(chǎn)品數(shù)字化定義是必不可少的。只有工程部門對產(chǎn)品進行完整的數(shù)字化定義，形成統(tǒng)一工程數(shù)據(jù)集，改變傳統(tǒng)的制造管理流程，建立各部門之間協(xié)同工作環(huán)境，才能使數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術得以更好地實現(xiàn)。隨著我公司數(shù)字化設計制造技術的進一步應用，各類管理規(guī)范的不斷完善，數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術和數(shù)字化裝配將會得到越來越多的應用，由此而帶來的優(yōu)越性將不斷顯現(xiàn)出來，同時數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術和數(shù)字化裝配也必將得到更快的發(fā)展和完善，更好地適應航空產(chǎn)品的多品種、小批量、交付周期短的市場需求，為今后大型飛機的研制夯實基礎，提高我公司的整體制造水平。