基于模塊化裝配的某型直升機部裝線策劃

◎劉勝 孔垂峰 熊俊

一、概述

飛機裝配是根據(jù)尺寸協(xié)調(diào)原則，采用裝配工裝、工具、設備等將飛機零件依據(jù)設計圖樣和技術(shù)要求，按規(guī)定的裝配流程進行定位、組合、連接形成更高一級裝配件或整機的過程。如只考慮成本的因素，單架生產(chǎn)或少量生產(chǎn)一般盡量減少工裝品種，采用人工裝配方法。而大批量生產(chǎn)的飛機裝配實現(xiàn)低成本則需要盡量增加平面化作業(yè)，提升標準化作業(yè)，縮減單架機生產(chǎn)周期。綜合考慮裝配質(zhì)量、裝配成本和裝配效率，不斷改進飛機裝配方式，提高飛機裝配技術(shù)水平是現(xiàn)代飛機制造的必然趨勢。

與民航大型客機的裝配方式相比，直升機機身外形變化較大，采用統(tǒng)一的數(shù)字化裝配技術(shù)難度大；機身結(jié)構(gòu)尺寸相對較小，布置數(shù)字化調(diào)整、定位工裝空間小，對數(shù)字化設備的集成度要求較高；直升機制造存在多品種、小批量的特點，裝配過程更改頻繁。因此直升機裝配不能直接采用民航大型客機的裝配思路，應充分考慮直升機裝配的特點和需求，采用模塊化裝配的思路進行直升機部裝生產(chǎn)線的策劃。

二、基于模塊化裝配的直升機部裝線策劃

直升機部裝生產(chǎn)線是根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和工藝方案，將直升機從零件裝配成組件、部件，并最終形成機身結(jié)構(gòu)的裝配線。直升機部裝生產(chǎn)線由不同裝配站位串聯(lián)、并聯(lián)組成，每個站位包含不同的裝配單元。裝配單元由裝配和加工兩部分工作組成，裝配工作包括產(chǎn)品的定位、夾緊、調(diào)姿、檢測、分解、再定位等工序；加工工作包括產(chǎn)品的制孔、锪窩、涂膠、連接等工序。

直升機部裝生產(chǎn)線一般包括：廠房、裝配工裝、加工設備、測量設備、工作梯臺、運輸設備、能源設施等。直升機部裝生產(chǎn)線規(guī)劃的主要內(nèi)容包括如下方面：

A.依據(jù)直升機產(chǎn)品數(shù)據(jù)制定滿足質(zhì)量、產(chǎn)能、成本等要求的機身結(jié)構(gòu)裝配方案；

B.規(guī)劃組件裝配工裝、部件裝配工裝、總裝配工裝、架外工裝、臨時放置架的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)尺寸；

C.根據(jù)裝配站位技術(shù)要求，規(guī)劃加工設備的品種、形式；

D.根據(jù)裝配站位要求和工裝、設備特點，規(guī)劃工作梯臺的結(jié)構(gòu)形式和移動方案；

E.根據(jù)移動方案和接口形式，規(guī)劃移動車的形式；

F.依據(jù)裝配方案，規(guī)劃廠房尺寸、吊車參數(shù)、通道寬度、跨數(shù)與跨寬，地面平整度、地面承載力、物流大門等要求；

G.綜合考慮廠房、裝配工裝、制孔設備、工作梯臺、移動運輸車等方案，規(guī)劃能源布局方案，包括：壓縮空氣設施、吸塵設施、配電設施、弱電設施等。

1.直升機機身結(jié)構(gòu)組成。

直升機機身結(jié)構(gòu)一般由前機身（包含座艙罩）、中機身、過渡段、尾部結(jié)構(gòu)（由尾梁和尾斜梁組成）、平尾、動力艙整流罩、其它整流罩及口蓋組成。圖1 為美國UH—60A 直升機結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1UH-60A 直升機結(jié)構(gòu)簡圖

2.直升機部裝方案。

（1）裝配基準的選擇。

飛機的部裝方案設計首先要依據(jù)飛機的特點確定裝配基準及裝配流程。在選擇定位基準和裝配基準時應遵循以下四個原則：

①裝配基準與設計基準統(tǒng)一的原則。

②裝配定位基準與零件加工基準統(tǒng)一的原則。

③裝配基準與定位基準重合的原則。

④基準不變原則。

依據(jù)直升機特點，直升機的主要性能和飛行安全主要取決于升力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)以及飛控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的制造準確度必須保證。所以優(yōu)先考慮這些關鍵系統(tǒng)的安裝接口作為直升機機身結(jié)構(gòu)裝配的首要定位基準。機身結(jié)構(gòu)首要定位基準如下：

A.主機身定位基準：主減速器安裝接口、發(fā)動機安裝接口、機身與尾梁對接接口、起落架安裝接口、短翼安裝接口

B.尾段定位基準：機身與尾梁對接接口、起落架安裝接口、中部減速器安裝接口、尾部減速器安裝接口

首要基準確定后，依據(jù)定位基準和裝配基準選擇原則，可以采用主要的框、梁作為第二、第三基準，即裝配基準以骨架為基準。通過裝配工裝定位框、梁，裝配形成骨架，蒙皮貼合骨架定位鉚接，整個裝配過程實現(xiàn)裝配基準由零件向組件、部件、大部件對接進行基準傳遞，裝配誤差由機身內(nèi)部向外部積累?；鶞蕚鬟f還應考慮裝配過程總的定位基準和定位方式，各零部件之間的約束關系，各零部件與型架之間的關系，基準對下一級裝配過程中的影響。為了減少直升機裝配誤差積累，應在直升機研制產(chǎn)品設計、工藝設計高度并行階段，盡量統(tǒng)一產(chǎn)品設計基準、制造基準、裝配基準和檢測基準，并依據(jù)產(chǎn)品連接結(jié)構(gòu)、零件類型特點，確定合理的設計補償和工藝補償。

（2）直升機部裝典型工藝流程。

直升機部裝典型工藝流程，一般分為組件裝配、部件裝配、架內(nèi)總裝對接、總裝架外以及大部件對接，如圖2 所示（按國內(nèi)直升機制造廠常規(guī)工藝分工，前四部分為部裝工作內(nèi)容）。其中，前機身裝配、中機身裝配、過渡段裝配及座艙罩裝配為并行工序，架內(nèi)總裝對接及總裝架外為串行工序。

圖2 直升機部裝裝配流程圖

（3）模塊化裝配單元的確定。

基于模塊化裝配的部裝線策劃，是在傳統(tǒng)產(chǎn)品模塊化的基礎上，基于飛機產(chǎn)品弱剛性的特點，依據(jù)工裝定位、夾緊、保形的需要，將裝配工裝進行模塊化的設計、制造，并隨產(chǎn)品實現(xiàn)不同裝配站位間的轉(zhuǎn)移，使產(chǎn)品從組件向部件裝配、各部件對接的轉(zhuǎn)移過程避免工裝拆卸和產(chǎn)品二次定位，通過模塊化工裝隨產(chǎn)品移動，實現(xiàn)產(chǎn)品快速的站位轉(zhuǎn)移、減少應力釋放環(huán)節(jié)提升產(chǎn)品準確度，減少產(chǎn)品二次定位的誤差積累環(huán)節(jié)，提升產(chǎn)品裝配精度。所以直升機研制應在工藝策劃階段，充分考慮研制階段和批產(chǎn)階段的不同要求，以實現(xiàn)研制階段和小批生產(chǎn)的順利過渡為目標，在保證產(chǎn)品模塊化制造的同時，進行裝配工裝的模塊化設計、制造和應用。模塊化裝配單元的確定主要依據(jù)以下原則確定：

A.裝配單元為設計分離面或工藝分離面，結(jié)構(gòu)剛性較弱，應力釋放結(jié)構(gòu)變形較大，二次定位難度大。

B.裝配單元內(nèi)包含重要的系統(tǒng)接口，需要在整個機身結(jié)構(gòu)裝配過程中保證接口的準確度。

C.產(chǎn)品及裝配工裝結(jié)構(gòu)適合模塊化工裝設計，可通過吊車、AGV 車等移動方式依靠快速定位器進行準確、快速的站位轉(zhuǎn)移。

圖3 某型機模塊化裝配單元

（4）配套設備的選擇。

現(xiàn)代飛機專用數(shù)字化自動加工設備已經(jīng)普遍應用在大型客機裝配線，在進行新的直升機部裝線規(guī)劃時，從產(chǎn)品質(zhì)量提升，生產(chǎn)效率提高及工藝穩(wěn)定性的角度出發(fā)可以適當選擇適合直升機裝配特點，技術(shù)成熟度高的數(shù)字化、自動化設備進行直升機部裝工作，主要從以下方面考慮：

A. 選用的設備可有效提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率及工藝穩(wěn)定性；

B.選用的設備技術(shù)成熟度高，質(zhì)量穩(wěn)定性好；

C. 選用的設備可較好的適應直升機結(jié)構(gòu)特點，較好的與工裝、梯臺結(jié)合；

D.選用的設備具備較好的通用性，具有一定拓展應用空間。

3.工作梯臺規(guī)劃。

工作梯臺廣泛應用于飛機產(chǎn)品的裝配、測量、制孔、連接、檢驗等過程，一般都是圍繞產(chǎn)品和裝配工裝四周進行布置，是工人工作可達性和方便性所必須的輔助裝置。工作梯臺可分移動式平臺和固定式平臺兩種，為了便于模塊化設計和移動，采用可移動式工作平臺。

可移動式工作梯臺進行模塊化設計，應用時根據(jù)需要進行組合，避讓時可拆成小模塊移開。模塊化的工作梯臺，不僅制造工藝性好，也避免了大尺寸結(jié)構(gòu)的焊接，使用工藝性也得到提升。

可移動工作梯臺的形式與可移動裝配工裝一樣，有多種形式。依據(jù)工作梯臺的尺寸、重量合理規(guī)劃移動方式，可選擇人工手動移動、專用自動移動、通用設備移動方式等。

4.部裝線工藝布局。

部裝線工藝布局應充分考慮機身結(jié)構(gòu)的裝配流程，綜合考慮研制階段、批產(chǎn)階段的產(chǎn)能規(guī)劃，按站位管理模式進行生產(chǎn)線的整體工藝布局，并遵守以下原則進行：

A.工藝布置應符合工藝分工原則，與生產(chǎn)對象、生產(chǎn)批量相適應，盡量縮短工序周轉(zhuǎn)路線。

B.工藝布置時，要進行生產(chǎn)流程分析，按生產(chǎn)流程將廠房整體進行功能分區(qū)，合理規(guī)劃功能區(qū)生產(chǎn)面積，最大化的利用廠房空間。

C.適應廠房內(nèi)外運輸要求，線路短捷順直，工藝布局合理，物流高效。

D.功能區(qū)內(nèi)按工藝流程要求，進行設備和工裝等必備生產(chǎn)資料配置，滿足產(chǎn)品上下架、周轉(zhuǎn)以及不同工裝、設備同時開工和維護的空間。

E.實行工裝、設備定置管理，確保工作環(huán)境整潔、安全，工作人員相互之間交流方便，所需要的零件、工裝距離工作位置近，工作人員方便休息。

5.配套設施規(guī)劃.

配套設施包括壓縮空氣接口、電源接口、網(wǎng)絡接口等。傳統(tǒng)的裝配工裝固定不動，這些接口連接好后不會拆卸。采用模塊化的工裝及工作梯臺后，配套設施規(guī)劃的位置要綜合考慮工裝、工作梯臺移動需求，不同的工作站位應設置配套設施接口，或者依據(jù)工裝及工作梯臺的移動路徑進行匹配移動。

6.廠房規(guī)劃.

廠房規(guī)劃有兩種情況，一是利用現(xiàn)有廠房進行改造，二是按生產(chǎn)線需求新建廠房。前者是在現(xiàn)有廠房的基礎上規(guī)劃相應工藝布局，后者是依據(jù)理想的工藝布局進行廠房規(guī)劃，思路截然不同。不管采用那種形式，廠房規(guī)劃都要綜合考慮廠房尺寸、吊車參數(shù)、通道寬度、跨數(shù)與跨寬，地面平整度、地面承載力、物流大門、壓縮空氣設施、配電設施、弱電設施等，主要從以下幾方面進行規(guī)劃：

A.以預期的需求產(chǎn)量以及規(guī)劃的產(chǎn)能為基礎，以實現(xiàn)研制階段和小批生產(chǎn)的順利過渡，減少重復投資為目標，在研制階段整體考慮部裝生產(chǎn)線方案，提出工藝分離面、工裝品種、加工設備、工作梯臺及生產(chǎn)線物流、面積等需求，并依據(jù)項目整體規(guī)劃分階段實施。

B.充分考慮廠房的設備、設施配置情況，合理規(guī)劃生產(chǎn)線工藝布局，最大化利用資源，減少項目建設，降低改造費用。

C.合理建設廠房物流大門、物流通道，合理規(guī)劃零件庫房、組件裝配、部件裝配、架內(nèi)總裝對接及架外區(qū)域，合理規(guī)劃物流方向，縮短周轉(zhuǎn)距離，減少不必要的周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)和周期。

D.工裝、設備、工作梯臺布置要考慮產(chǎn)品上、下架及物流空間，在保證安全距離的前提下，盡量減少生產(chǎn)面積占用。

E.在完成廠房的規(guī)劃后，對廠房、設備、設施、工裝、工作梯臺等要素進行三維建模，進行生產(chǎn)線運行電子模型推演，驗證生產(chǎn)線布置的合理性。

7.生產(chǎn)線運行仿真。

生產(chǎn)線運行仿真是指應用計算機技術(shù)，結(jié)合部件裝配的工藝流程、制造資源等信息，建立生產(chǎn)線仿真模型。模型包括工藝裝備、物流設備、暫存區(qū)、檢測設備等實體模型和實際生產(chǎn)中的工藝流程、人員操作情況、設備運行狀況及各類生產(chǎn)決策數(shù)據(jù)等邏輯模型。對裝配線進行定量仿真分析，判斷生產(chǎn)線的瓶頸、生產(chǎn)能力、故障分析等指標，驗證裝配線是否滿足產(chǎn)能需求，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)對工裝數(shù)量、線邊緩存進行優(yōu)化。

8.實際效果評估。

直升機部裝生產(chǎn)線最終需要通過實際生產(chǎn)進行效果評估，評估分為兩個階段進行：

（1）功能驗證階段

在生產(chǎn)線建成投入使用后，通過2-3 架機進行生產(chǎn)線的功能驗證并依據(jù)實際使用情況進行功能優(yōu)化和完善。

（2）產(chǎn)能驗證階段

在完成功能驗證后，需要通過一定架次的批量生產(chǎn)，驗證生產(chǎn)線的產(chǎn)能規(guī)劃是否達到要求，識別生產(chǎn)線產(chǎn)能制約環(huán)節(jié)，并制定改進措施，以確保生產(chǎn)線產(chǎn)能需求。

三、結(jié)論

基于模塊化裝配的直升機部裝線策劃是基于現(xiàn)代化直升機產(chǎn)品設計、工藝設計及裝配技術(shù)基礎，以精益化管理為目標，考慮型號研制及批產(chǎn)的順利過渡連接，采用模塊化裝配的設計思路，統(tǒng)籌規(guī)劃工藝流程、裝配基準、裝配單元、協(xié)調(diào)方案、工藝布局及相應的工作梯臺及配套設施。通過模塊化裝配的部裝線建設，可優(yōu)化工藝流程，提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少工藝布局面積，提升設備利用率，有效的縮短生產(chǎn)周期，提升生產(chǎn)線效能。