PHM技術(shù)在飛機裝配單元中的應(yīng)用分析

黃維

摘 要：本文從飛機裝配入手，剖析PHM技術(shù)，綜述其體系框架與工作流程。以某型飛機的尾翼制造為例，探討PHM技術(shù)的運用，分別從建構(gòu)集中管理平臺與檢測工裝變形兩個方面展開。以供參考。

關(guān)鍵詞：PHM技術(shù);飛機;裝配單元

引言：高效、高精度、智能及低成本為所有建設(shè)加工業(yè)務(wù)追求的目標(biāo)。飛機制造期間，收集、分析與預(yù)測多源數(shù)據(jù)，可有效提升裝配過程的品質(zhì)及效果，并利于減少各項成本的浪費量，達(dá)到資源的科學(xué)整合。利用現(xiàn)代科技手段，緩解甚至完全克服飛機裝配時的不確定性問題，減少維護的費用比例。

1 飛機裝配

裝配環(huán)節(jié)是飛機制造任務(wù)中主要工作之一，如今國內(nèi)在此方面逐漸形成智能化與數(shù)字化的特點。并且，在機器人技術(shù)自動制孔、柔性裝配、激光跟蹤等現(xiàn)代化系統(tǒng)的運用后，裝配過程更加高效，技術(shù)能力有所提升，滿足裝配環(huán)節(jié)對多元化功能的要求。在飛機更新?lián)Q代中，裝配工作的復(fù)雜性有所提升，干擾性因素也逐漸增多，造成裝配單元出現(xiàn)異常甚至直接失效的概率相應(yīng)提升，所以在飛機投入應(yīng)用后的保養(yǎng)維護中，費用量大幅度增多，提高了在生產(chǎn)全過程的成本的占比。

2 PHM技術(shù)剖析

現(xiàn)代信息科技的成熟，給PHM技術(shù)創(chuàng)造更多的成長機會。PHM技術(shù)是當(dāng)前軍民兩用的技術(shù)手段，目的是維護復(fù)雜系統(tǒng)可維修性、平穩(wěn)性、安全性以及控制周期成本等，如今航天、電子、核反應(yīng)堆等均有其身影，并得到若干工業(yè)領(lǐng)域中專業(yè)人士的注目。

2.1技術(shù)概述

PHM技術(shù)分成預(yù)測與健康管理兩項，其中預(yù)測是按照系統(tǒng)當(dāng)前與以往的性能情況，預(yù)測飛機對應(yīng)部件與整個系統(tǒng)的健康程度。而健康管理則基于判別及預(yù)測的數(shù)據(jù)結(jié)果，以及能運用的維修條件、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，生成最佳的維修方案。PHM技術(shù)最初開發(fā)的意圖是為讓視情維修能代替事后處理及定期維護。所謂的視情維修強調(diào)預(yù)防維修，將傳統(tǒng)被動式的工作形式轉(zhuǎn)變成先導(dǎo)化的保護任務(wù)。利用適宜的傳感裝置、數(shù)據(jù)算法與模型，對維修對象的應(yīng)用狀態(tài)進行評估，以及時采取有效手段，消除及把握潛在問題，確保飛機系統(tǒng)具備平穩(wěn)性與安全性，并能下調(diào)維護成本，避免額外經(jīng)濟資源消耗。PHM技術(shù)的成長道路上，通過外部與機內(nèi)檢測，并經(jīng)歷智能BIT及綜合診斷，最終形成PHM。升級完善中，使診斷及預(yù)測異常、系統(tǒng)集成三個層面模均得到發(fā)展，由原本部件級細(xì)化到系統(tǒng)級的運用程度。此外，維修模式從事后維修逐漸發(fā)展到狀態(tài)與智能層面上的維護，更準(zhǔn)確地保障設(shè)備健康運行。如今，維修工作的針對性有所提升，確實加深智能化的程度[1]。

2.2體系框架

單套PHM系統(tǒng)中有信息采集、處理與管理等部分。其一，信息采集為該系統(tǒng)的基礎(chǔ)性技術(shù)單元，是利用安裝于現(xiàn)場的傳感裝置，得到能反映系統(tǒng)健康情況的信息。其二，信息處理則是把所有采集到的信息加以歸納分類，此處涉及到設(shè)置數(shù)據(jù)格式、消除噪波與信息壓縮等，以方便后續(xù)提取應(yīng)用信息的需要。此外，信息融合在處理單元中處于深層次的位置，會面臨諸多繁雜的計算。信息融合是利用各數(shù)據(jù)之間存在的協(xié)作或者競爭關(guān)系，把通過類型的信息合并起來，并消除無保留價值的信息，將生成的數(shù)據(jù)資料，高精度地傳送至管理單元中。其三，管理單元為PHM系統(tǒng)核心部分，集合若干算法，還涉及到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的物理模型。利用異常推理預(yù)測以及健康評估，判斷系統(tǒng)里重要元部件及設(shè)備的運行狀態(tài)，估計應(yīng)用性能與今后可用年限。并制定解決問題的計劃，例如診斷信息文件、維修說明等，保障維修任務(wù)中各項準(zhǔn)備環(huán)節(jié)能穩(wěn)步推進。

2.3工作流程

PHM技術(shù)比較典型的運用是F-35戰(zhàn)斗機，具體的工作流程是：針對PHM系統(tǒng)內(nèi)組件、子系統(tǒng)等是數(shù)據(jù)采集處理，同時把信息傳給地面的PHM系統(tǒng)開展維修分析，以給出維修處理安排。最后通過工作規(guī)劃及資源管控整合，落實維修行為。按照美軍發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該戰(zhàn)斗機在裝載PHM系統(tǒng)后，故障不再復(fù)現(xiàn)率下調(diào)82%。維修工作的人力投入下降20%∽40%，出動架次率也在原本的基礎(chǔ)上提升25%。戰(zhàn)斗機應(yīng)用和保障成本控制在原本的半數(shù)左右，可飛行時間長達(dá)8000h。而國內(nèi)在PHM上的開發(fā)時間較短，但也獲得不小的成績，在高鐵、航空與導(dǎo)彈上都有涉獵。

2 飛機裝配單元中PHM技術(shù)的運用分析

以某型飛機為例，討論PHM技術(shù)的實際運用。該型號飛機的尾翼采用碳纖維復(fù)合型材質(zhì)，因為纖維本身的硬度大，并且熱導(dǎo)能力不強，制孔期間材料容易被刀具損傷，但同時制孔作業(yè)還是尾翼裝配過程中比較關(guān)鍵并耗費時間的一步。由此來看，制孔品質(zhì)與檢驗速度會影響到產(chǎn)品交付時間與制造費用。另外飛機的型架工裝為制作產(chǎn)品定位及生產(chǎn)的根本依據(jù)。筆者以某型飛機的尾翼裝配為分析對象，結(jié)合PHM技術(shù)理論和涉及到的關(guān)鍵工藝，提出用于裝配單元的PHM系統(tǒng)架構(gòu)，以增強對制孔裝置及品質(zhì)狀態(tài)等的管理力度。

2.1構(gòu)建集中管理平臺

通過信息集中管理平臺，可獲取數(shù)據(jù)保存、處理與可視化的效果，其寄托在B/S模式下，應(yīng)用簡便，有足夠的可擴展空間，具體分成三個模塊。首先，錄入單元，其是該管理平臺內(nèi)部信息的重要來源。運行期間，能將借助傳感裝置獲取的信息，導(dǎo)進平臺中。此外還包括不能通過自動采集的信息，利用人工完成錄入任務(wù)。其次，信息管理單元，把尾翼裝配期間涉及到的裝置、工裝、制孔品質(zhì)等具有各類特征的故障信息與預(yù)警信息，進行歸類與整合，并能直接生成分析決策資料。為飛機制造工程技術(shù)員比較清晰地了解制造模塊的工作情況，以及當(dāng)下制造生產(chǎn)資料，基于此進行整體性評估。最后，配置管理單元，此部分的職責(zé)功能是針對管理員，進行交互設(shè)計。通過數(shù)據(jù)檢索頁面，管理員能隨時查找所需的資料信息，根據(jù)制造裝配項目需要，完成刪改與增添等動作。此外，管理員也能按照自身的喜好，設(shè)置管理平臺頁面布局與整體風(fēng)格，適應(yīng)自己的操作習(xí)慣，提高管理動作的效率，降低失誤率[2]。

2.2檢測工裝變形處理

飛機尾翼制造的工裝體積偏大，普通單目及雙目的處理方式，無法輻射到尾翼工裝整體，為此應(yīng)當(dāng)設(shè)置多目的檢測分析系統(tǒng)，并開發(fā)出可供多目相繼應(yīng)用的全方位標(biāo)定方式。與此同時，在飛機制造中，為保證精準(zhǔn)度，要求不間斷地檢測工裝變形情況，所以會針對工裝上數(shù)個點及各個時間的坐標(biāo)，執(zhí)行測量動作，利用分析各點坐標(biāo)與位移情況，評估工裝的變形狀態(tài)。實際建造中，需要提前在工裝上設(shè)置檢測點，借助攝影測量的方式，對各個點進行掃描及識別。下一步利用圖像處理等有關(guān)技術(shù)，提煉出對應(yīng)點位的基本特征，此過程可用的圖像處理方式有去除背景、區(qū)域定位、編碼及解碼、邊緣擬合、形態(tài)學(xué)等。基于此，獲取目標(biāo)點的坐標(biāo)信息，借助公共點轉(zhuǎn)化的計算方式，確定理論層面的坐標(biāo)系中，各點對應(yīng)的坐標(biāo)描述結(jié)果。而后和之前制定工裝設(shè)計模型參數(shù)細(xì)致比對，得到二者之間的差值。最終利用工裝坐標(biāo)信息的偏差設(shè)置，評估工裝變形情況。

結(jié)束語：

本文以某型飛機為討論對象，基于故障預(yù)測及PHM技術(shù)的有關(guān)理論內(nèi)容，發(fā)揮此項技術(shù)的價值，保障飛機制孔設(shè)施的工作狀態(tài)，提升飛機制孔的品質(zhì)，把控好工裝的應(yīng)用效果，強化制造過程的管理力度，為飛機裝配構(gòu)建平穩(wěn)安全的單元運行空間。

參考文獻：

[1]李西寧，支劭偉，王悅舜，等.面向飛機裝配精準(zhǔn)定位的狀態(tài)感知技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2020，（Z1）：46-51.

[2]徐海峰.基于MBD的飛機數(shù)字化裝配工藝協(xié)同設(shè)計研究[D].導(dǎo)師：唐敦兵.南京航空航天大學(xué)，2019.

作者簡介：

黃維（1988.05-），男，漢族，籍貫：江蘇，最高學(xué)歷：本科，目前職稱：初級職稱，研究方向：飛機制造工藝裝備領(lǐng)域。