飞机自动化装配技术的发展

宋朝明

【摘  要】我国在自动装配领域各单点技术域上紧跟国外研究成果，突破了一系列关键技术并取得重要成果，特别是以数字化装配、装配仿真为代表的自动装配技术已实现工程应用。然而，飞机大部件自动装配能力建设涉及领域多、范围广，多学科、多专业交叉融合特点显著，是一材料用量比大幅提升，整体化结构大量使用，以数字化为基础的制造技术逐步取代以刚性定位、手工钻铆为主的工艺技术。

【关键词】飞机;自动化;装配技术

前言

一代飞机，一代技术，现代飞机功能要求朝着超机动、超巡航、长寿命、高可靠、高隐身的方向发展。新一代飞机在材料、结构、工艺、功能上都与上一代飞机有很大的差异，复合自动化、数字化装配系统建设方面，以清华大学、浙江大学、中国航空制造技术研究院为代表的单位，面向新一代飞机装配需求研发了飞机大部件对合、部件自动制孔等数字化装配系统，解决了装配过程中的瓶颈问题。

1装配生产线分系统设计

1.1装配工艺设计

数字化装配工艺设计是基于三维数模，以数字量传递为基础，通过软件工具、仿真平台来实现工艺顶层策划、工艺设计、建模仿真、工艺文件编制等过程的全面数字化。

MBSE框架下的数字化装配工艺设计流程如下：

（1）从承接设计要求、指导现场生产的需求分析开始，结合项目总体目标以及当前的工艺能力条件，开展装配工艺设计的总体架构设计，完成顶层工艺策划。

（2）根据总体架构设计，结合工艺流程逐步开展工艺分离面的划分、MBOM顶层设计、容差分配方案设计、装配流程设计、三维工艺布局设计、装配工艺文件编制、工艺规范规划与编制等分步设计，完成装配工艺方案的初步设计。

（3）通过容差分析、布局产能仿真、装配仿真、有限元等专业的CAM/CAE工具進行建模与仿真，实现工艺仿真与工艺规划的无缝集成，开发数字化工艺设计工具，建立工艺知识数据库及资源库，实现基于工艺知识库的工艺文件结构化、自动化编制，提升工艺设计效率及质量。

（4）对装配工艺设计进行架构验证及最终确定。

1.2工艺布局与物流设计

从产能指标、产品运输安全的需求分析开始，通过对工艺分离面、装配层次、装配方法等工艺方案及厂房面积、结构的需求分析，完成厂房工艺布局及物流设计的总体架构设计，然后对需求进行层层分解，以工艺流程为基础，结合生产周期逐步完成产能节拍、工位配比、工位布置、仓储系统设置、物流路径规划等分系统的设计，得到厂房工艺布局基本方案;通过数字化仿真分析工具从布局、流程、空间、人机效果等方面对各分系统进行仿真分析乃至优化，经过多轮迭代，找到最优解，确定满足工艺流程和生产节拍的布局与物流设计方案，在厂房面积、工位配置、物流路径等各方面达到精益化生产需求。利用QUSET软件，对总体布局规划、产品工艺流程、生产节拍、设备参数、装配线布局及物流规划等内容进行了仿真验证分析，具体如下：

（1）生产瓶颈分析：依据飞机装

配特点，采用设备负荷率分析方法进行生产线瓶颈分析，通常生产线中的瓶颈往往出现在设备负荷率相对较高的环节，具体表现为瓶颈设备加工繁忙，而其上游设备处于堵塞状态，其下游设备处于等待状态。

（2）节拍及产能分析：生产节拍是指生产线上连续出产两个相同产品之间的时间间隔，根据仿真后产品生产数据，可得到装配系统不同工序对应的工件产量及实际生产节拍，同时对工件通过主要工艺装备（包括设备、工装等）的情况进行统计，包括加工时间、阻塞时间、故障时间、闲置时间等，计算出不同状态在系统仿真运行过程中的占比，即可获得不同状态下设备的统计图，分析统计图可以直观评估设备利用率与设备负荷是否合理。

（3）对各分系统进行集成试验、集成验证及最终确定。

1.3装配系统设计

数字化装配系统的本质是为实现关键装配工艺环节而构建的复杂数字化集成系统。在MBSE设计框架下，数字化装配系统设计的外部输入来源于飞机大部件自动装配生产线的功能和技术指标分解，特别是关于调姿对合、制孔、锪窝等关键装配工艺环节的功能和技术指标要求。针对特定外部输入，对实现关键装配工艺环节所需的系统结构、行为逻辑、参数定义、输出结果进行描述，从而建立相应的系统模型。

2基于模型的飞机设计制造技术展望

本文通过基于MBD的飞机设计与制造技术研究与应用，形成了以外形为基准构建的三维数字样机，以数字样机为单一数据源支持所有承包商基于模型的设计制造体系构建，数字模型的连续传递也支持飞机全生命周期的试验、试飞和使用维护阶段的工作。从产品全生命周期研制流程来看，全三维数字化协同设计与制造体系的构建和应用，仅实现了面向制造的基于数据模型的产品设计和制造能力的突破，前端面向用户需求和后端面向服务基于数字模型的研制体系还需继续完成。未来需要重点突破面向方案设计的基于作战场景模型、功能模型和性能模型的研制，以及与用户、系统供应商的服务保障等方向，加强虚拟现实技术、“人工自动AI”技术在飞机研制中的开发与应用，将数字线索和数字孪生的概念真正落实到型号研制的产品设计、试验、制造等环节工程应用中，全面推动整个飞机研制数字化转型，再上一个新的高度。

结束语

飞机大部件自动装配能力建设是一项复杂的系统工程，需要采用科学的方法进行整体的规划建设与全局的持续优化。本文基于系统工程的思想理念，提出应用MBSE科学开展飞机自动装配体系能力建设的方法，并在成飞公司开展应用实践，取得了阶段性成果，初步实现智能制造中“精准执行、动态感知”的局部特征。在下一步工作中，将继续实践应用该方法，持续开展工艺大数据挖掘与决策分析、专家工艺数据库构建、增强现实辅助飞机智能装配、数字孪生等方面的研究，建成具有完整“精准执行、动态感知、实时分析、自主决策”特征的自动装配能力系统。

参考文献：

[1]王国磊，吴丹，陈恳.航空制造机器人现状与发展趋势[J].航空制造技术，2015，58（10）：26–30.

[2]陈雪梅，刘顺涛.飞机数字化装配技术发展与应用[J].航空制造技术，2014，57（1/2）：58–65.

（作者单位：中航飞机股份有限公司）