飞机装配智能制造体系构建及关键技术

许蔚丽

摘要：飞机智能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，是一项复杂的系统工程。近年来，飞机智能装配能力建设已实现相当程度的单点技术突破与应用，但并未达到全局最优，亟需采用科学的方法对智能装配体系能力建设进行整体规划与全局优化。

关键词：飞机装配;智能化;关键技术

前言

近年来，国际形势变化剧烈，国家对航天复杂产品的要求，包括产品性能与生产效率越来越高，但是目前航天复杂产品生产仍在采用依靠人工装配为主的生产模式，在型号批产数量越来越多的情况下，各生产厂、总装厂面临的生产压力极大，产品质量也越来越难以把控，更谈不上能够满足战时航天复杂产品的大量需求。目前装配生产模式中存在的问题，以及对产品高质量、高效率的追求，对生产模式转变、制造技术革新两方面都提出了变革和跨越式的发展要求，智能化创新研制模式的实施势在必行。

1产品智能装配面临的主要问题

从产品装配未来发展方向来看，建设和使用基于机器人作业的智能化柔性装配厂房车间是主要的发展趋势。其具有良好的响应内部和外部变化的能力，可以适应于多种产品，同时利用先进传感器技术，精准获取装配信息与数据，实现装配质量实时分析与把控。但是，采用智能制造的方式进行航天复杂产品装配生产，并非直接将机器人、MES（生产线管控软件）、ERP等软硬件直接搬进航天复杂产品智能装配生产线进行生产调试那么简单，而是需要从智能化设备和航天复杂产品两方面入手。

a）装配工艺难度增大。采用以机器人为主要生产力的智能化装配工艺，主要装配动作由机器人和柔性工装等自动化设备完成。这就要求待生产产品的各个零件上需要设计合适的夹持和定位结构，而目前零件上大都未进行该项设计，因此采用机器人装配时，需要额外进行工艺工装设计与调试，增加了产品装配工艺难度。

b）生产效率降低。航天复杂产品具有装配空间狭小、装配零件多的特点，对于无法夹持的零件需要采用诸如真空吸附、电磁吸附等方式进行夹取。当机器人运行速度提升时，上述夹持方式会导致零件晃动，导致零件末端精度损失。因此，往往为保证装配精度，需要牺牲机器人运动速度，从而降低了生产效率。

c）生产线成本增高，系统可靠性降低。为保证产品装配精度与产品质量，现阶段进行生产线设计时，需要针对零件额外设计二次定位工装，或采取基于视觉的精度补偿机构。上述设计将额外增加生产线硬件设备及装调工作量，增加生产线建设成本。同时，增加的软硬件加大了系统复杂度，降低了系统可靠性。

2装配生产线分系统设计

2.1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）根據总体架构设计，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工具进行建模与仿真，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。通过数字化工艺设计平台及使能工具的应用，验证工艺设计以及工艺方案的合理性，完成装配工艺方案的分步验证，并生成指导详细工艺设计、现场作业生产的指导性工艺文件。

（4）对装配工艺设计进行架构验证及最终确定。

2.2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智能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。基于系统模型进行机械、电子、软件及通信网络设计，在设计过程中基于系统模型的输出结果要求搭建仿真和物理测试平台进行测试验证和需求符合性检查，并将验证结果与需求的偏差反馈到设计端，促使设计优化迭代，最终形成与需求一致的物理系统。

2.3数字化测量系统设计

数字化测量系统的目的是为装配质量的保障与优化提供精确、可靠、快速的数据反馈与支持。基于MBSE设计框架，数字化测量系统设计的外部输入来源于基于MBSE的飞机大部件智能装配生产线的功能和技术指标分解，主要包括被测特征（空间点、形貌等）、装配环境要求、测量效率及测量精度等。根据这些技术指标，从环境适应性、测量精度、测量可达性、测量效率等方面对数字化测量系统应具备的技术指标进行细化及系统架构设计。在此基础上，对数字化测量系统的组成要素，如测量工艺规划软件、测量设备组网方案、测量自动化系统等进行设计，并基于相关的数据模型和仿真软件对系统设计方案进行验证及优化。最终，通过设计优化迭代减小设计指标与输出参数之间的差异，最终形成与需求一致或接近的物理系统。

结束语

飞机大部件智能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。

参考文献：

[1]  王焱，王湘念，王晓丽，等.智能生产系统构建方法及其关键技术研究[J].航空制造技术，2018，61（1/2）：16–24.

[2]  孔祥芬，蔡峻青，张利寒，等.大数据在航空系统的研究现状与发展趋势[J].航空学报，2018，39（12）：8–23

（作者单位：中航飞机股份有限公司）