站位式飛機(jī)裝配柔性生產(chǎn)線研究

劉 穎

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安710089）

飛機(jī)裝配是按設(shè)計(jì)要求，將飛機(jī)零部組件按照設(shè)計(jì)和技術(shù)要求進(jìn)行定位連接，形成高一級(jí)裝配體或整架飛機(jī)的過程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于飛機(jī)產(chǎn)品存在大尺寸、外形復(fù)雜、零件數(shù)量巨大等特征，飛機(jī)裝配工作量約占飛機(jī)制造總工作量一半甚至更多。隨著社會(huì)對(duì)航空產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，飛機(jī)裝配逐漸成為飛機(jī)制造周期改進(jìn)的瓶頸。國(guó)內(nèi)外各大飛機(jī)制造公司為縮短生產(chǎn)周期、降低成本，對(duì)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化迭代，從傳統(tǒng)固定式手工裝配生產(chǎn)線、站位式半自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線到近年來的柔性裝配生產(chǎn)線。

本文主要介紹了飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了柔性裝配技術(shù)的發(fā)展，最后結(jié)合國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)現(xiàn)狀對(duì)站位式飛機(jī)裝配柔性生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線發(fā)展進(jìn)程

隨著航空業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)飛機(jī)的需求量大幅增長(zhǎng)，以固定工位配置剛性工裝的工作環(huán)境，以手工定位、制孔、裝配操作為主的操作方法，采用模擬量進(jìn)行協(xié)調(diào)量傳遞的傳統(tǒng)固定式站位飛機(jī)裝配生產(chǎn)線已無法滿足市場(chǎng)對(duì)飛機(jī)的需求。在此背景下，飛機(jī)裝配生產(chǎn)線從傳統(tǒng)固定式站位的手工裝配、單站位式的裝配模式，逐步改進(jìn)為多裝配站位，并按一定的節(jié)拍移動(dòng)、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的站位式裝配生產(chǎn)線。站位式裝配生產(chǎn)線的誕生顯著提高了飛機(jī)裝配效率，極大地降低了裝配成本，對(duì)于飛機(jī)研制和批量生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)的意義。20世紀(jì)80年代以來，隨著市場(chǎng)對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品個(gè)性化需求的不斷增加，飛機(jī)產(chǎn)品呈現(xiàn)多品種、小批量、質(zhì)量要求高等特征，為了更高效、更快速地適應(yīng)市場(chǎng)需求，就需要對(duì)目前飛機(jī)裝配生產(chǎn)線進(jìn)行持續(xù)深入改進(jìn)[1]。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突破性進(jìn)步，結(jié)合其技術(shù)成果飛機(jī)裝配技術(shù)發(fā)展出了計(jì)算機(jī)輔助裝配技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度模式以及各種創(chuàng)新裝配工藝技術(shù)?；谏鲜黾夹g(shù)進(jìn)步，國(guó)外先進(jìn)航空制造企業(yè)緊隨汽車柔性裝配制造業(yè)發(fā)展出了飛機(jī)柔性裝配技術(shù)，并在飛機(jī)研制過程中進(jìn)行了初步的應(yīng)用，得了較好的成效。（如表1）

表1 固定站位式飛機(jī)裝配與站位式飛機(jī)柔性裝配對(duì)比

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀分析

國(guó)外在柔性裝配生產(chǎn)線方面研究應(yīng)用較早，空客公司在A320、A340、A380等機(jī)型的機(jī)翼壁板裝配過程中，應(yīng)用了電磁鉚接動(dòng)力頭的柔性裝配技術(shù)，解決了機(jī)翼裝配過程中翼梁大型構(gòu)件的自動(dòng)化裝配問題。洛克希德·馬丁公司在JSF戰(zhàn)機(jī)原型機(jī)X-35的研制過程中充分應(yīng)用了柔性裝配技術(shù)，類似機(jī)身隔框的零件的柔性夾具的定位方法及裝配順序都相同，支持在同一車間生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了通用化制造，大大減少了工具和工裝，飛機(jī)裝配周期縮短了三分之二、工藝裝備則由350件減少到19件、制造成本降低了一半[2]。

波音公司的柔性裝配生產(chǎn)線技術(shù)已比較成熟。通過采用一種U型裝配生產(chǎn)線，F(xiàn)-22的裝配周期由16個(gè)月縮短為12個(gè)月，F(xiàn)-35的3種機(jī)型的裝配被設(shè)計(jì)在一條裝配線上進(jìn)行裝配，采用模塊組合柔性加工設(shè)備降低成本30%，同時(shí)還提高了裝配生產(chǎn)率，節(jié)省了裝配空間。

1.3 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析

近年來國(guó)內(nèi)在飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)領(lǐng)域有所突破，在自動(dòng)制孔、組件級(jí)裝配及部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)等多個(gè)單項(xiàng)技術(shù)上有了一定的研究應(yīng)用，在數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)技術(shù)方面，已采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)，在測(cè)量技術(shù)方面，激光跟蹤儀、照相測(cè)量、激光雷達(dá)等測(cè)量設(shè)備已經(jīng)用于飛機(jī)關(guān)鍵外形尺寸和位置測(cè)量以及飛機(jī)部件裝配型架裝配測(cè)量[3]。

但在柔性裝配生產(chǎn)線相關(guān)技術(shù)集成應(yīng)用上，國(guó)內(nèi)主要航空制造企業(yè)尚存在較多不足之處，對(duì)大型柔性裝配平臺(tái)集成應(yīng)用技術(shù)缺乏系統(tǒng)研究，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中缺乏對(duì)產(chǎn)品柔性裝配的應(yīng)用考慮，工藝設(shè)計(jì)過程仍沿用傳統(tǒng)的二維表達(dá)模式，需要對(duì)基于三維的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)化銜接，同時(shí)二維工藝表達(dá)模式難以滿足柔性裝配技術(shù)對(duì)大量結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)的需求，國(guó)內(nèi)技裝設(shè)計(jì)部門缺乏柔性裝配的研究。國(guó)內(nèi)主要的航空主制單位目前尚未建成自動(dòng)化柔性裝配生產(chǎn)線，與國(guó)外相比存在較大的差距。

2 柔性裝配技術(shù)分析

飛機(jī)柔性裝配技術(shù)是一種基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征全數(shù)字量定義，充分應(yīng)用柔性裝配規(guī)劃、數(shù)字化柔性工裝、信息集成技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)零部組件的精確定位裝配的裝配技術(shù)。通過對(duì)國(guó)外柔性裝配技術(shù)應(yīng)用效果的分析，柔性裝配飛機(jī)裝配生產(chǎn)線可有效提高裝配效率和準(zhǔn)確度，縮短裝配周期[4-7]。柔性裝配技術(shù)具有生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短、產(chǎn)品質(zhì)量高、對(duì)操作者依賴性弱等優(yōu)勢(shì)。下面對(duì)柔性裝配生產(chǎn)線必須具備的技術(shù)的組成進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹（如圖1）。

圖1 柔性裝配技術(shù)構(gòu)架

2.1 柔性裝配信息集成技術(shù)

以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM為基礎(chǔ)，配合設(shè)計(jì)端進(jìn)行面向裝配的數(shù)字化飛機(jī)產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)，對(duì)裝配過程的裝配工藝進(jìn)行仿真規(guī)劃、可裝配性分析，應(yīng)用仿真結(jié)論指導(dǎo)柔性工裝設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)層面實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)、工藝、工裝、裝配過程的全數(shù)字量傳遞，配合各類先進(jìn)的裝配機(jī)電一體化裝備數(shù)據(jù)采集、控制指令下發(fā)，實(shí)現(xiàn)柔性裝配系統(tǒng)中各組成部分間的信息管理與集成控制。

2.2 飛機(jī)柔性裝配規(guī)劃技術(shù)

在數(shù)字量飛機(jī)裝配規(guī)劃數(shù)據(jù)傳遞的前提下，通過分析設(shè)計(jì)、制造、容差分配與協(xié)調(diào)技術(shù)等柔性裝配影響因素，進(jìn)行柔性裝配影響因素分析與誤差預(yù)測(cè)、裝配過程仿真，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)和控制飛機(jī)部件裝配總誤差。應(yīng)用各類先進(jìn)的裝配連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)裝配過程的數(shù)字傳遞以及零部組件的自動(dòng)化連接，保證整個(gè)裝配生產(chǎn)線的自動(dòng)、高效運(yùn)行，從而保證飛機(jī)的自動(dòng)化裝配過程的質(zhì)量和效率。應(yīng)用數(shù)字化檢測(cè)裝備對(duì)裝配過程進(jìn)行精確測(cè)量和協(xié)調(diào)，保障裝配的準(zhǔn)確性。

2.3 數(shù)字化柔性工裝技術(shù)

在飛機(jī)數(shù)據(jù)數(shù)字量傳遞的前提下，研究柔性工裝的模塊化、參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工裝快速響應(yīng)，快速重構(gòu)以及數(shù)字化定位，同時(shí)柔性工裝的可重構(gòu)特性，使按單機(jī)型規(guī)劃的生產(chǎn)線可以在一定程度上適應(yīng)生產(chǎn)線的功能調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的低改造成本，提高復(fù)用率。

3 站位式飛機(jī)柔性裝配生產(chǎn)線探討

上文通過對(duì)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線發(fā)展歷程，國(guó)外裝配技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r以及柔性生產(chǎn)線技術(shù)特點(diǎn)的分析，柔性裝配生產(chǎn)線可有效地適應(yīng)生產(chǎn)訂單的不確定性。站位式生產(chǎn)線規(guī)劃將飛機(jī)裝配工作劃分為多個(gè)裝配單元，輔以柔性裝配生產(chǎn)線技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)工藝資源的快速調(diào)整，達(dá)到快速轉(zhuǎn)變生產(chǎn)線的生產(chǎn)模式，讓單條生產(chǎn)線在一定程度上可以滿足多機(jī)型的混線生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)產(chǎn)品在多品種、小批量條件下的生產(chǎn)。站位式柔性裝配生產(chǎn)線的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）采用數(shù)字化三維、柔性裝配工藝設(shè)計(jì)方式，分析各類飛機(jī)裝入零部組件裝配順序及調(diào)整方案、容差分配、自動(dòng)鉆鉚工藝技術(shù)、柔性工裝、設(shè)備、刀量具、工具及裝配空間環(huán)境等多方面因素，對(duì)工藝流程進(jìn)行柔性裝配過程可視化仿真，對(duì)整個(gè)裝配過程進(jìn)行全數(shù)字量傳遞，達(dá)到全面反映柔性裝配過程真實(shí)工況，優(yōu)化飛機(jī)裝配調(diào)整的目的。

（2）采用數(shù)字化柔性工裝控制技術(shù)，數(shù)字化柔性工裝較好地支撐了柔性裝配技術(shù)，其主要構(gòu)成支持調(diào)節(jié)或部分重組，確保單套工裝可適應(yīng)同系列、不同機(jī)型的裝配定位需求，同時(shí)對(duì)裝配精度也進(jìn)行了大幅優(yōu)化提升。在柔性工裝設(shè)計(jì)過程中，充分承接了產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)裝配質(zhì)量的要求，貫徹了柔性裝配質(zhì)量控制理念，為裝配質(zhì)量控制提供了基礎(chǔ)。

（3）充分應(yīng)用各類先進(jìn)的裝配連接設(shè)備，如柔性化可重構(gòu)制孔單元、可重構(gòu)末端執(zhí)行器、大部件集成對(duì)接平臺(tái)等先進(jìn)設(shè)備，為柔性生產(chǎn)提供裝配質(zhì)量、裝配效率的保障，輔以數(shù)字化三維、柔性裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)裝配過程的自動(dòng)化。

（4）充分應(yīng)用數(shù)字化檢測(cè)裝備，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取裝配對(duì)象的尺寸等幾何參數(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)化的數(shù)字化三維、柔性裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地獲取裝配對(duì)象的位置信息，為先進(jìn)的連接設(shè)備提供理論值、實(shí)際測(cè)量值，為柔性裝配過程中的準(zhǔn)確協(xié)調(diào)裝配控制提供調(diào)整依據(jù)。

（5）采用信息化手段集成柔性化工裝、先進(jìn)的裝配連接設(shè)備、數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備以及生產(chǎn)輔助設(shè)備，實(shí)時(shí)采集各類先進(jìn)數(shù)字化裝備的反饋數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字化三維、柔性裝配工藝設(shè)計(jì)輸出要求，對(duì)各類數(shù)字化裝備進(jìn)行統(tǒng)籌管理，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備、產(chǎn)品之間的信息互通，構(gòu)建數(shù)字時(shí)代的站位式飛機(jī)柔性裝配生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)裝配過程的有效控制。

綜上，站位式飛機(jī)柔性裝配生產(chǎn)線規(guī)劃是通過充分應(yīng)用數(shù)字化裝配技術(shù)、自動(dòng)定位與控制等技術(shù)，定義飛機(jī)的數(shù)字化裝配工藝流程，規(guī)劃生產(chǎn)線裝配方案，從而實(shí)現(xiàn)零部組件快速精確裝配的技術(shù)。通過應(yīng)用該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配工裝種類的減少、裝配效率的提高，從而縮短飛機(jī)裝配周期，降低成本，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)束語

站位式飛機(jī)柔性裝配生產(chǎn)線在提升裝配工裝復(fù)合利用率方面有著較大的優(yōu)勢(shì)，可以敏捷地應(yīng)對(duì)生產(chǎn)訂單的不確定性帶來的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期延長(zhǎng)的問題，同時(shí)，柔性裝配技術(shù)采用了大量先進(jìn)的軟硬件系統(tǒng)，極大促進(jìn)了裝配效率的提升。因此，站位式飛機(jī)柔性裝配生產(chǎn)線在面對(duì)不同訂單帶來的同型號(hào)、不同要求改進(jìn)改型飛機(jī)生產(chǎn)任務(wù)或同型號(hào)飛機(jī)管理優(yōu)化、工藝流程優(yōu)化帶來的生產(chǎn)組織方式調(diào)整時(shí)，生產(chǎn)線可在短期內(nèi)迅速重新組合，組織裝配能力進(jìn)行生產(chǎn)，提升裝配生產(chǎn)線的響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶市場(chǎng)需求的快速響應(yīng)，提升企業(yè)的生產(chǎn)組織靈活性和對(duì)變化的適應(yīng)性，從而不斷促進(jìn)航空制造業(yè)向模塊化、集成化、智能化、經(jīng)濟(jì)化和綠色化方向發(fā)展。