武器裝備智能化總裝測試制造管理模式研究

蔡亞楠、王永明、翟磊、荊泉 /中國運載火箭技術(shù)研究院

近年來，數(shù)字化技術(shù)在社會各領(lǐng)域日益得到大范圍應(yīng)用，其與制造業(yè)的融合催生了制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)快速發(fā)展，這對于提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率起到了重要作用。以航空領(lǐng)域為例，波音、空客等公司將以基于模型定義（MBD）為代表的數(shù)字化技術(shù)廣泛應(yīng)用在飛機制造技術(shù)上，大大提高了其自動化水平。中國商用飛機有限責任公司在借鑒國外先進航空企業(yè)技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品設(shè)計到生產(chǎn)的全流程大規(guī)模采用數(shù)字化技術(shù)，取得了C919首飛的巨大成功。同樣，其他制造業(yè)企業(yè)也越來越多地采用基于數(shù)字模型的設(shè)計制造體系，推動中國制造水平和產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提升。

黨的十八大以來，習(xí)近平總書記多次提到未來武器裝備必須堅持信息主導(dǎo)、體系建設(shè)，這對武器裝備的信息化水平和快速響應(yīng)能力提出了更高的要求，武器裝備總裝測試制造的高效、智能化水平對于提高質(zhì)量、縮短研制生產(chǎn)周期具有重要意義。筆者基于某軍工單位武器裝備總裝測試制造水平，分析了國內(nèi)外航空企業(yè)三維數(shù)字化設(shè)計制造一體化技術(shù)發(fā)展情況，提出了基于數(shù)字模型的武器裝備智能化總裝測試制造管理模式，為未來全方位建立研制、生產(chǎn)和管理的武器裝備總裝測試協(xié)同工作平臺，以及全面提高武器裝備綜合性能奠定基礎(chǔ)。

一、國內(nèi)武器裝備總裝測試制造現(xiàn)狀

為了適應(yīng)國家對武器裝備性能提出的新要求，某軍工單位積極采用三維工藝成組技術(shù)，面向結(jié)構(gòu)殼段產(chǎn)品嘗試建立柔性數(shù)字化生產(chǎn)線，取得了一定效果，但是由于信息化、智能化手段還未全面擴展，因此在總裝測試制造生產(chǎn)線建設(shè)上與國內(nèi)航空先進企業(yè)以及未來大批量快速研制生產(chǎn)的武器裝備需求相比還有很大的差距。

一是基于統(tǒng)一數(shù)字模型的設(shè)計制造協(xié)同研制水平有待提高。

隨著數(shù)字化三維設(shè)計軟件應(yīng)用的普及，在武器裝備型號上某軍工單位的產(chǎn)品設(shè)計手段已經(jīng)基本實現(xiàn)了數(shù)字化，但設(shè)計與工藝的結(jié)合及并行工作相對于傳統(tǒng)設(shè)計工藝串行的工作模式尚沒有實現(xiàn)實質(zhì)性改變。在一些新研項目中，工藝生產(chǎn)準備時間長、設(shè)計方案工藝可行性差以及工藝設(shè)計方案在生產(chǎn)過程中的反復(fù)更改給生產(chǎn)的效率、技術(shù)狀態(tài)的控制等帶來較多不利因素。由于設(shè)計與制造分屬于不同的單位，其所使用的PDM、PLM、CAD 等軟件不同，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計與工藝無法在同一平臺下有效協(xié)同，很難實現(xiàn)航空單位廣泛采用的基于MBD 技術(shù)的設(shè)計、工藝、物料、工裝等統(tǒng)一模型的協(xié)同工作，協(xié)同研制水平較低，產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計串行的工作現(xiàn)狀還無法根本改變，全面實現(xiàn)三維數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)仍然困難重重。

二是自動化制造技術(shù)和裝備集成能力需要提高。

近些年，某軍工單位所屬的武器裝備生產(chǎn)單位通過專項技改投入解決了一些生產(chǎn)瓶頸問題，提高了生產(chǎn)能力，但與未來大批量生產(chǎn)能力需求相比，無論是自動化的制造技術(shù)還是裝備能力，其數(shù)字化、信息化應(yīng)用水平均差距較大。在生產(chǎn)制造的很多環(huán)節(jié)，如部段裝配、部段總裝90%以上依靠手工操作，檢測設(shè)備和手段明顯落后，缺乏基于數(shù)字化的部段柔性自動對接系統(tǒng)、基于信息化的精確物料配送系統(tǒng)和基于統(tǒng)一模型的在線三維檢測、采集系統(tǒng)等，急需突破部分手工作坊式的落后生產(chǎn)方式。

三是生產(chǎn)線針對產(chǎn)品的通用化水平有待提高。

武器裝備具有市場化程度高、全要素競爭異常激烈、派生型號多、生產(chǎn)任務(wù)急等特點，一個項目有可能在2 年內(nèi)集中供應(yīng)產(chǎn)品，而后續(xù)幾年就可能隨任務(wù)需求暫緩生產(chǎn)，因此對生產(chǎn)組織管理和生產(chǎn)線的快速轉(zhuǎn)換提出了更高的要求，生產(chǎn)線建設(shè)需要統(tǒng)籌考慮各類產(chǎn)品之間的能力轉(zhuǎn)換、生產(chǎn)柔性以及相互兼容。

四是制造單位分散，制造總體抓總作用不明顯。

對于武器裝備產(chǎn)品而言，由于競爭擇優(yōu)、生產(chǎn)雙定點等原因，還未能做到對所有產(chǎn)品的制造全過程抓總，生產(chǎn)單位各自為戰(zhàn)，分別將制造任務(wù)大量再次外協(xié)到不同的外包單位的情況還存在，這就造成同一項目在生產(chǎn)終端管控力度不同，且在數(shù)字化、自動化設(shè)備的資源匹配度上也會出現(xiàn)較大的不一致，使得產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率參差不齊。

二、基于MBD的武器裝備智能化總裝測試制造管理模式

基于數(shù)字模型的總裝測試制造管理模式框架如圖1 所示。

1.設(shè)計—工藝協(xié)同工作模式

作為設(shè)計與制造之間重要的橋梁，先期要建立數(shù)字化協(xié)同工作平臺，實現(xiàn)設(shè)計源頭、生產(chǎn)工藝實現(xiàn)性、生產(chǎn)線設(shè)置、工藝仿真在同一平臺下并行工作，提高工作效率，有效縮短研制周期，其主要內(nèi)容如圖2 所示。

協(xié)同工作平臺要求?；谕粩?shù)字化設(shè)計平臺開展設(shè)計—工藝協(xié)同設(shè)計工作，設(shè)計與生產(chǎn)單位采用同一數(shù)字化設(shè)計軟件平臺，從而保證數(shù)字模型的唯一性、協(xié)同性。

工藝設(shè)計技術(shù)狀態(tài)控制要求。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建工藝設(shè)計結(jié)構(gòu)樹，在工藝設(shè)計過程中可引用非凍結(jié)、固化狀態(tài)的數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品設(shè)計文件完成最終狀態(tài)發(fā)布后，校核設(shè)計數(shù)據(jù)與工藝設(shè)計文件數(shù)據(jù)的一致性。

圖1 基于數(shù)字模型的總裝測試制造管理模式框架

圖2 設(shè)計—工藝協(xié)同工作模式內(nèi)容

設(shè)計—工藝協(xié)同工作時段劃分。協(xié)同工作分為方案產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計時段、主結(jié)構(gòu)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計時段、非主結(jié)構(gòu)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計時段、裝配產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計時段4 個時段。

設(shè)計—工藝協(xié)同工藝工作項目。按照協(xié)同工作時段劃分，在4個時段分別開展結(jié)構(gòu)方案產(chǎn)品工藝性審查、工裝方案規(guī)劃、設(shè)計數(shù)據(jù)工藝性審查、物資選型梳理及產(chǎn)品備料、開展工裝詳細設(shè)計、裝配產(chǎn)品工藝性審查、編制相應(yīng)的工藝文件；結(jié)合工位/工裝/工具開展裝配過程分析及仿真分析等。

數(shù)字化樣機工藝性評審。按照項目計劃要求，開展數(shù)字化樣機工藝性審查，主要包括方案數(shù)字化樣機工藝性審查、主結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機工藝性審查、非主結(jié)構(gòu)數(shù)字化樣機工藝性審查、裝配產(chǎn)品數(shù)字化樣機工藝性審查。

2.工藝設(shè)計智能化

搭建工藝知識庫系統(tǒng)，內(nèi)容包括工藝方法庫、制造資源庫、規(guī)則庫、典型產(chǎn)品庫等，將專家的工藝設(shè)計經(jīng)驗知識進行機構(gòu)化存儲，實現(xiàn)知識的積累和復(fù)用，并基于此實現(xiàn)工藝設(shè)計快速和智能化決策，顯著提升工藝設(shè)計的規(guī)范化水平，提高工藝設(shè)計效率和產(chǎn)品研制質(zhì)量。

3.工藝驗證仿真化

基于三維數(shù)字化工藝設(shè)計及產(chǎn)品、工裝等數(shù)字模型，開展生產(chǎn)線布局仿真、工藝過程仿真、裝配偏差仿真、人機工程仿真等，通過虛擬仿真驗證，實現(xiàn)對生產(chǎn)線布局、裝配過程等可視化評估和優(yōu)化，以大幅減少實物生產(chǎn)驗證，如傳統(tǒng)的工藝試驗和實物模裝等。

4.設(shè)備工裝柔性化

基于武器裝備的型譜規(guī)劃，通過“三化”設(shè)計，加裝柔性調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)裝配定位夾具、吊具、架車的模塊化、通用化、系列化，以兼容更多的產(chǎn)品規(guī)格，進而壓縮設(shè)備和工裝的種類，縮短工藝和生產(chǎn)準備時間。

5.倉儲物流自動化

通過搭建自動化立體倉庫、AGV 智能小車、物料跟蹤系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的集成平臺，實現(xiàn)原材料/工量具/成品件/半成品件在立體倉庫、裝配工位、檢測工位等的自動化儲存和智能化配送，真正實現(xiàn)精益化生產(chǎn)。

6.裝配協(xié)調(diào)數(shù)字化

基于MBD 技術(shù)開發(fā)數(shù)字化部段與部段之間、部段與工藝裝備之間的接口協(xié)調(diào)技術(shù)，通過采用數(shù)字化測量定位和接口數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)，配合數(shù)字化裝配生產(chǎn)線，代替模線樣板、標準鉆模等實物模擬量協(xié)調(diào)方式，以大幅減少協(xié)調(diào)工裝的使用和維護。

7.總裝對接自動化

通過建設(shè)部段自動對接裝配生產(chǎn)線，設(shè)置尾艙與發(fā)動機、發(fā)動機與儀器艙、頭部與體部等自動化裝配站位（由若干個數(shù)控定位器和激光跟蹤儀組成），實現(xiàn)部段與部段之間、大部段之間對接站位的自動化測量、調(diào)姿與對接裝配，實現(xiàn)產(chǎn)品總裝對接的自動化和柔性化，從而取代傳統(tǒng)的地面導(dǎo)軌+對接架車人工調(diào)整總裝對接方式。

8.總裝測試集成化

通過建設(shè)總裝移動生產(chǎn)線和數(shù)字化集成測試系統(tǒng)，減少人員在總裝測試過程中操作和測試的頻次，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動判讀和預(yù)警，最終達到智能總裝測試，減少人員操作帶來的安全風險。

9.質(zhì)量檢測數(shù)字化

在產(chǎn)品MBD 模型中集成測量工藝，采用激光跟蹤儀、照相測量、激光掃描測量等先進數(shù)字化大尺寸測量設(shè)備，在產(chǎn)品入廠接收檢驗站位、總裝工序站位等方面對進廠大部段結(jié)構(gòu)以及裝配過程中設(shè)計關(guān)注的關(guān)鍵特征進行測量，并通過自動化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)質(zhì)量測量數(shù)據(jù)的數(shù)字化自動收集與存儲。通過與供應(yīng)商交付數(shù)據(jù)進行對比，分析變化趨勢，積累產(chǎn)品制造裝配偏差趨勢，為穩(wěn)定批生產(chǎn)積累數(shù)據(jù)。

10.建立工藝標準體系框架

設(shè)置科學(xué)合理的工藝標準體系架構(gòu)也是總裝測試智能化的基礎(chǔ)建設(shè)手段之一，通過不同層級、不同專業(yè)工藝標準的建立，達到工藝管控通暢、有效。某武器裝備總裝測試的工藝標準體系框架如圖3 所示。

圖3 武器裝備總裝測試工藝標準體系框架圖

基于三維模型的智能化總裝測試集成體系已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，有效推動了軍工單位研制模式的轉(zhuǎn)型，成為其提高制造規(guī)模、效率和質(zhì)量的重要手段。但同時，該技術(shù)的應(yīng)用是一個長期而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前國內(nèi)外先進企業(yè)的應(yīng)用程度和水平參差不齊，即便是成功的案例也難以照搬來用，需要軍工單位結(jié)合自身信息化現(xiàn)狀、產(chǎn)品特點進行不斷的研究和探索，找到適合的模式不斷推進武器裝備產(chǎn)品從傳統(tǒng)制造向科學(xué)制造的轉(zhuǎn)變，大幅提高武器裝備性能，進而適應(yīng)未來的信息化作戰(zhàn)模式。