飛機(jī)裝配智能制造體系構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)

許蔚麗

摘要：飛機(jī)智能裝配能力建設(shè)涉及領(lǐng)域多、范圍廣，多學(xué)科、多專業(yè)交叉融合特點(diǎn)顯著，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。近年來(lái)，飛機(jī)智能裝配能力建設(shè)已實(shí)現(xiàn)相當(dāng)程度的單點(diǎn)技術(shù)突破與應(yīng)用，但并未達(dá)到全局最優(yōu)，亟需采用科學(xué)的方法對(duì)智能裝配體系能力建設(shè)進(jìn)行整體規(guī)劃與全局優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)裝配;智能化;關(guān)鍵技術(shù)

前言

近年來(lái)，國(guó)際形勢(shì)變化劇烈，國(guó)家對(duì)航天復(fù)雜產(chǎn)品的要求，包括產(chǎn)品性能與生產(chǎn)效率越來(lái)越高，但是目前航天復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)仍在采用依靠人工裝配為主的生產(chǎn)模式，在型號(hào)批產(chǎn)數(shù)量越來(lái)越多的情況下，各生產(chǎn)廠、總裝廠面臨的生產(chǎn)壓力極大，產(chǎn)品質(zhì)量也越來(lái)越難以把控，更談不上能夠滿足戰(zhàn)時(shí)航天復(fù)雜產(chǎn)品的大量需求。目前裝配生產(chǎn)模式中存在的問(wèn)題，以及對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量、高效率的追求，對(duì)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變、制造技術(shù)革新兩方面都提出了變革和跨越式的發(fā)展要求，智能化創(chuàng)新研制模式的實(shí)施勢(shì)在必行。

1產(chǎn)品智能裝配面臨的主要問(wèn)題

從產(chǎn)品裝配未來(lái)發(fā)展方向來(lái)看，建設(shè)和使用基于機(jī)器人作業(yè)的智能化柔性裝配廠房車間是主要的發(fā)展趨勢(shì)。其具有良好的響應(yīng)內(nèi)部和外部變化的能力，可以適應(yīng)于多種產(chǎn)品，同時(shí)利用先進(jìn)傳感器技術(shù)，精準(zhǔn)獲取裝配信息與數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)裝配質(zhì)量實(shí)時(shí)分析與把控。但是，采用智能制造的方式進(jìn)行航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配生產(chǎn)，并非直接將機(jī)器人、MES（生產(chǎn)線管控軟件）、ERP等軟硬件直接搬進(jìn)航天復(fù)雜產(chǎn)品智能裝配生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試那么簡(jiǎn)單，而是需要從智能化設(shè)備和航天復(fù)雜產(chǎn)品兩方面入手。

a）裝配工藝難度增大。采用以機(jī)器人為主要生產(chǎn)力的智能化裝配工藝，主要裝配動(dòng)作由機(jī)器人和柔性工裝等自動(dòng)化設(shè)備完成。這就要求待生產(chǎn)產(chǎn)品的各個(gè)零件上需要設(shè)計(jì)合適的夾持和定位結(jié)構(gòu)，而目前零件上大都未進(jìn)行該項(xiàng)設(shè)計(jì)，因此采用機(jī)器人裝配時(shí)，需要額外進(jìn)行工藝工裝設(shè)計(jì)與調(diào)試，增加了產(chǎn)品裝配工藝難度。

b）生產(chǎn)效率降低。航天復(fù)雜產(chǎn)品具有裝配空間狹小、裝配零件多的特點(diǎn)，對(duì)于無(wú)法夾持的零件需要采用諸如真空吸附、電磁吸附等方式進(jìn)行夾取。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行速度提升時(shí)，上述夾持方式會(huì)導(dǎo)致零件晃動(dòng)，導(dǎo)致零件末端精度損失。因此，往往為保證裝配精度，需要犧牲機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度，從而降低了生產(chǎn)效率。

c）生產(chǎn)線成本增高，系統(tǒng)可靠性降低。為保證產(chǎn)品裝配精度與產(chǎn)品質(zhì)量，現(xiàn)階段進(jìn)行生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)零件額外設(shè)計(jì)二次定位工裝，或采取基于視覺(jué)的精度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。上述設(shè)計(jì)將額外增加生產(chǎn)線硬件設(shè)備及裝調(diào)工作量，增加生產(chǎn)線建設(shè)成本。同時(shí)，增加的軟硬件加大了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)可靠性。

2裝配生產(chǎn)線分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1裝配工藝設(shè)計(jì)

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)是基于三維數(shù)模，以數(shù)字量傳遞為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件工具、仿真平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝頂層策劃、工藝設(shè)計(jì)、建模仿真、工藝文件編制等過(guò)程的全面數(shù)字化。MBSE框架下的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)流程如下：

（1）從承接設(shè)計(jì)要求、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需求分析開(kāi)始，結(jié)合項(xiàng)目總體目標(biāo)以及當(dāng)前的工藝能力條件，開(kāi)展裝配工藝設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，完成頂層工藝策劃。

（2）根據(jù)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合工藝流程逐步開(kāi)展工藝分離面的劃分、MBOM頂層設(shè)計(jì)、容差分配方案設(shè)計(jì)、裝配流程設(shè)計(jì)、三維工藝布局設(shè)計(jì)、裝配工藝文件編制、工藝規(guī)范規(guī)劃與編制等分步設(shè)計(jì)，完成裝配工藝方案的初步設(shè)計(jì)。

（3）通過(guò)容差分析、布局產(chǎn)能仿真、裝配仿真、有限元等專業(yè)的CAM/CAE工具進(jìn)行建模與仿真，實(shí)現(xiàn)工藝仿真與工藝規(guī)劃的無(wú)縫集成，開(kāi)發(fā)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)工具，建立工藝知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)基于工藝知識(shí)庫(kù)的工藝文件結(jié)構(gòu)化、自動(dòng)化編制，提升工藝設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量。通過(guò)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)及使能工具的應(yīng)用，驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)以及工藝方案的合理性，完成裝配工藝方案的分步驗(yàn)證，并生成指導(dǎo)詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)性工藝文件。

（4）對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行架構(gòu)驗(yàn)證及最終確定。

2.2裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字化裝配系統(tǒng)的本質(zhì)是為實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵裝配工藝環(huán)節(jié)而構(gòu)建的復(fù)雜數(shù)字化集成系統(tǒng)。在MBSE設(shè)計(jì)框架下，數(shù)字化裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外部輸入來(lái)源于飛機(jī)大部件智能裝配生產(chǎn)線的功能和技術(shù)指標(biāo)分解，特別是關(guān)于調(diào)姿對(duì)合、制孔、锪窩等關(guān)鍵裝配工藝環(huán)節(jié)的功能和技術(shù)指標(biāo)要求。針對(duì)特定外部輸入，對(duì)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵裝配工藝環(huán)節(jié)所需的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為邏輯、參數(shù)定義、輸出結(jié)果進(jìn)行描述，從而建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型?；谙到y(tǒng)模型進(jìn)行機(jī)械、電子、軟件及通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中基于系統(tǒng)模型的輸出結(jié)果要求搭建仿真和物理測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證和需求符合性檢查，并將驗(yàn)證結(jié)果與需求的偏差反饋到設(shè)計(jì)端，促使設(shè)計(jì)優(yōu)化迭代，最終形成與需求一致的物理系統(tǒng)。

2.3數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的目的是為裝配質(zhì)量的保障與優(yōu)化提供精確、可靠、快速的數(shù)據(jù)反饋與支持?；贛BSE設(shè)計(jì)框架，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外部輸入來(lái)源于基于MBSE的飛機(jī)大部件智能裝配生產(chǎn)線的功能和技術(shù)指標(biāo)分解，主要包括被測(cè)特征（空間點(diǎn)、形貌等）、裝配環(huán)境要求、測(cè)量效率及測(cè)量精度等。根據(jù)這些技術(shù)指標(biāo)，從環(huán)境適應(yīng)性、測(cè)量精度、測(cè)量可達(dá)性、測(cè)量效率等方面對(duì)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具備的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化及系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的組成要素，如測(cè)量工藝規(guī)劃軟件、測(cè)量設(shè)備組網(wǎng)方案、測(cè)量自動(dòng)化系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于相關(guān)的數(shù)據(jù)模型和仿真軟件對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)化。最終，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化迭代減小設(shè)計(jì)指標(biāo)與輸出參數(shù)之間的差異，最終形成與需求一致或接近的物理系統(tǒng)。

結(jié)束語(yǔ)

飛機(jī)大部件智能裝配能力建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要采用科學(xué)的方法進(jìn)行整體的規(guī)劃建設(shè)與全局的持續(xù)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：中航飛機(jī)股份有限公司）