飞机装配工艺样机构建关键技术研究

2022-12-31辛森

科技创新与应用 2022年34期

辛森

（空装驻西安地区某军事代表室，西安 710089）

随着现代飞行器的制造工艺趋向于集成，急需构建一套完备的数据协同传递模型，以缩短发布周期，降低制造成本。在飞机制造业中，产品的设计意向需要传达到整个生产流程中，而由设计所签发的飞机产品的设计模式只包括工艺参数的一小部分，并未与工艺特征及3D建模建立联系，这对工艺过程中工艺资讯的传达与发布都是不利的，因此，要结合实际的技术条件、实际生产能力、工艺技术要求及个人的设计实践，对其进行工艺加工和重新设计。科学、高效地进行流程管理，是我国目前航空工业生产需要注重的方面。在我国的样板工程中，以组装过程信息的建模、表达和传递为研究目标，建立了基于原型的飞机组装过程模型，并在此基础上进一步探讨了该模型的构造技术，并对各种过程信息的建模与表达方式进行了探讨。通过对制造过程数据的分析，提出了一种基于数据的加工过程的数据传输模型，研制出了一套完整的组装过程原型模型。

1 现代飞机装配技术的发展

随着计算机技术信息化和自动化技术的不断发展及在生产中的运用，使得传统生产方式产生了巨大的变化。电子产品的数字化是企业技术发展的一个主要指标。应用实例证明，采用数字化技术可以缩短产品开发周期，降低开发成本，提高产品质量，为构建现代化产品开发体系奠定了坚实的基础。目前，波音、空客等国外飞机制造公司已基本形成了飞机设计、制造和管理的全三维数字化集成系统，使生产品质得到改善。随着与外国航空公司的联合，国内的航空公司开始引入或研发一批数字化的软件和数字化装备，逐步将数字化设计、制造和管理等技术引入到产品研发中来，大大缩短了研发周期，提高了产品质量，促进了我国飞机研制数字化、智能化的发展。

1.1 工艺设计与装配

CAD工艺设计是CAD与CAM之间的桥梁与纽带，是CAD与CAM的重要组成部分。当前，CAPP（计算机辅助工艺过程设计）技术在装备制造业中的应用，主要是根据设计者所提供的三维模型，并根据生产单位的具体情况，对其进行工艺规划，最后得出的工艺方案是静态的。在推进到生产现场后，操作人员根据生产计划的要求进行生产，如果不能通过检验，则是由于工艺设计中的哪一个环节出现了问题。目前尚无一套行之有效的检测方法，且在加工过程中尚无完善的控制方法可实现产品与工艺间的实时交互调节。飞机装配过程设计是飞机制造过程中的一个重要环节，其装配质量、装配效率、开发周期和使用寿命等多个方面都有很大的需求，而对其进行优化则必须借助产品的全寿命周期数据，从而对飞机产品生产过程中产生的各种信息进行有效的分析与优化。本文正是针对以上问题，提出了以数字孪生为基础的飞机组装工艺技术，将实际生产和虚拟制造有机地结合起来，实现对产品的预测和生产过程的无缝映射。减少了大量的现场实际作业时间，提高了飞机的质量，并根据实际生产条件进行了计划和工艺参数的设计。对航空总装工业来说，由于其涉及到的工艺类型太多，涉及到的工艺参数太多，对工艺设计、工艺制造等各个环节的集成化程度要求都很高，目前采用的数据传输方法还不能完全满足生产过程中的信息流动，造成了信息的孤岛和不协调。传统的CAPP从CAD系统中获取产品设计信息，并根据工艺设计师的经验，制订相应的工艺方案，提高了工艺设计的效率，但因为组装工艺方案是静态的，不可能对后续的分析和优化工作进行全面的分析和优化，所以在组装过程中，技术协调性的问题比数据结构复杂，造成了大量的返工、返修和报废，严重地影响了飞机的研发进度和质量。

1.2 自动化制孔与连接技术

采用全自动打孔器实现自动精加工，提高零件的表面质量、配合性能和结构形式等工艺条件，能有效地适应现代化生产的高寿命、高质量、高效率和低成本需求。采用全自动联接装置，可大大改善作业效能和联接品质的稳定。在科技的飞速发展下，制造孔口的数字加工装置已经从结构简单、功能单一的CNC发展到了从结构到功能高度集成的数字冲孔接头组装中心。数字移动流水线技术可根据在生产线上的飞行器实现一体化的在线检测技术，这一技术的实现主要包括2个方面的内容：一是光缆，二是网络。采用计算机技术、信号分析与控制技术及计算机自动技术相结合，通过现场的仿真控制装置，按照指定的测试程序，对其进行迅速、精确的测试。通过对电缆、系统的导通、绝缘、耐压、总线检查和智能定位等功能的检测，实现线缆和系统功能的数字化、自动化、智能化和一体化，提高检测的效率，减轻劳动强度和人为的错误，减少组装时间。自动组装流水线在民用飞机、F-35和A380等飞机的制造中都有一定的应用。改变了以往的大批量组装生产模式，改为单个零件流水作业，极大地减少了飞机组装的工期，减少了生产费用，改善了产品的组装品质。

2 智能制造特征分析

智能化制造是以感知、网络、自动化和人工智能等为核心，以智能化的感知、人机交互和决策与执行为基础，实现产品设计、生产、管理和服务等制造过程的智能化，其是信息技术、智能技术和设备制造业技术的高度整合和综合。智能化生产具有状态感知、实时分析、自主决策、高度集成和精确实施等特点。

2.1 认知状况

通过对制造车间人员、设备、模具、材料、工具和量具等多种制造因素的全方位的认识，从而使制造过程中物与物、物与人及人与人大量联系成为制造智慧制造的基石。利用各种不同的传感器和无线网路，可以使生产资源互联互通，保证生产流程可以实时、准确和可靠地获得生产流程中的多种信息。

2.2 即时性

生产资料是所有的决定和行动的源头和基础。利用生产工艺感知技术获取各种生产资料，实时检测、实时传输、实时处理和实时分析生产过程中的大量生产数据，将多源、异构和分散的生产现场数据转换为可视化生产信息，实现精确生产和生产的精确决策。

2.3 自我决定

“智能”是指知识与智慧的结合体，其是智慧得以实施的根本，而智慧则是获得并应用其解决问题的技能。其不但可以运用已有的知识来引导生产的行动，而且还具备自我学习的能力，可以在生产的过程中，持续地丰富生产知识，并对生产环境和生产体系的知识进行收集和了解，对自己的判断力和行动进行自我规划。在常规制造体系中，人是决策主体，拥有对各种“制造资源”进行控制的生产活动，而制造设备、工具等不具备分析、推理、判断、构思和决策等先进的生产活动。而智能生产是一种“制造资源”，其具备一定程度的感知、分析和决策能力，其可以让人与物联合起来，形成决策的整体，推动信息与实体的深度整合。组装工艺的编制主要是根据产品的设计图，根据产品的具体特点，对产品的组装工艺进行规划，并对其进行工艺参数的确定。航空工业生产中，由于其生产过程的复杂性、加工过程的多样性及影响其性能的诸多要素的大量数据。工艺设计、工艺制造等各个环节对工艺信息的整合程度要求都很高，而目前的数据传输模式还不能完全满足整个生产流程中的信息流动，导致了“信息的孤立”和“交互”。传统CAPP从CAD中获取产品的设计资料，通过对工艺设计者的工作经验进行归纳和分析，从而帮助制订出相关的工艺方案。然而，由于已制定的组装工艺计划属于静态文档，不能完全地对后续工作进行分析和优化，因此在装配中的技术协调性问题比资料构成的问题更多，而且造成了大量的返工和报废现象。对飞行器开发的进程和品质造成了很大的阻碍。

2.4 高度集成

在制造业实现自动化、数字化和信息化的进程中，集成已经是制造体系的一种主要体现，其包括：集成硬件、控制软件、研发设计与制造、管理与控制一体化和产供销一体化，集成了PDM/ERP/CAPP/MES等多个领域。在智能化制造方面，集成的范围越来越大，其既包含了制造流程的硬件资源、软件信息系统，也包含了产品研发、设计、制造、运营、管理和服务等多个生产环节的集成。通过整合生产资源、功能和信息等，实现资源、数据和知识的充分交流，实现集中、高效和方便的管理。

2.5 精准执行

制造活动的精确实施是制造过程中的关键环节，包括生产过程中的信息交互感知、实时采集和分析海量制造数据，以及生产过程中的自主决策等。数字化、自动化、智能加工设备、测试设备、装夹设备和储运设备等是实现智能加工的基础设备，通过传感器、射频识别（RFⅠD）等设备获取的实时信息是实现加工工艺精度的关键。准确的制造过程不仅可以确保产品的生产过程和整个生产过程处于最优的工作状态，而且还可以使产品的智能制造成为可能。

3 飞机装配智能制造体系构建

航空组装过程中零件的种类繁多，其对组装精度和装配精度要求较高。针对目前国内飞机总装自动化水平低、车间管理技术水平低等问题，提出了基于精益生产理念的航空总装自动化、车间自动化及智能组装工装的开发与集成。针对飞机装配过程中的智能装配设备、动态组网、实时采集和管理、飞机装配过程的自主决策与实施最优的集成方案，解决飞机装配过程的智能技术应用集成问题，形成可扩展、可配置的“飞机智能装配”应用系统，实现飞机装配过程和管理的自动化、数字化与可视化，从价值链、企业层、车间层和设备层4个层面改进状态感知、实时分析、自主决策和精准执行等能力，为航空产业的智能制造提供技术支持。智能制造体系主要由技术支撑层、智能设备载体层、数据采集分析层、生产执行层和优化层，以及企业信息集成层组成。

3.1 智能设备载体层

智能设备载体层主要由智能连接服务平台、智能牵引绳及支撑服务平台、智能发动机安装平台、智能座椅安装平台、智能起落架安装平台、智能检测及故障测试系统、智能常用工具、智能管理系统、智能原料配送系统和毫米波雷达检测系统等组成，为飞机的智能组装、智能精准测量和智能管理方案等提供了必备机器设备，是飞机智能组装的系统配置载体。

3.2 数据采集分析层

为采集到多源生产资料，数据采集分析层依据各种感应器、rfid标记，对现场生产要素的各种情况、操作和操纵等技术指标进行采集，实现了设备的互连和互感，确保在飞机的整个安装过程中，对多源信息的即时、精准和可靠地获取。另外，在获得加工工艺的基础上，将来自于多源、分散的同构传感现场的现场资料转化为可用于生产实施的全流程管理的标准化生产资料。从定义多源数据关联、建立即时数据实体建模、建立数据集成规范、在生产实施自然环境中实现多源数据集成和实现最终数据集成。并转化为能够即时执行生产全程实时监测和改进的生产管理资讯。

3.3 生产执行层与优化层

在生产过程优化层面，根据收集到的各种生产资料，在航空装配过程中，进行航空装配过程建模与仿真优化、生产过程实时监控、设备运行监控和物料配送等方面的优化设计、航空装配过程的实时监控。

4 飞机数字化装配技术

数字化装配技术包括数字化装配、柔性装配、光学检测和反馈与数字化集成控制等。航空零件结构复杂，零件组成庞大，装配精度高，这些特点在飞机的数字化装配技术中得到了体现。数字化装配技术包括飞机装配建模、装配序列建模、装配路径规划和装配流程解析4大功能。在航空产品的组装建模中，首先要对其进行三维组装，再进行公差、约束和装配性的计算；其次，对飞机组装过程进行初步设计，并对其进行路线优化；最后，利用某一重要零件作为参考，对剩余的零件进行动态模拟，实现对飞行器的装配过程的可视化。从而验证了飞机组装工艺的合理性，从而使其达到最佳组装工艺。

4.1 飞机装配过程建模与仿真优化技术

针对飞机组装工艺的具体要求，给出了该工艺模型和模拟优化技术的总体框架。飞机组装工艺的建模和模拟优化技术是一种先进的系统评估和优化方法，能够全面分析、评价和优化整个制造体系。首先，将装配路线规划、装配物料清单和装配路径规划相融合，采用1∶1的多颗粒度造型技术建立装配生产线1∶1的虚拟造型，通过仿真评估模块对装配过程的效果进行评估，以保证装配模式可以达到后期的仿真和最佳化需求。其次，对组装过程进行研究，并找出装配瓶颈。然后，按照设计的需求进行优化，并对模型进行修正，直至达到设计的要求为止。通过制造执行系统（MES系统）对符合要求的组装工艺进行实时模拟。