数字化技术在飞机装配中的应用研究

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 飞机装配数字化技术的应用，使我国航空产品的开发发生观念性的改变，促进企业管理体制、型号研制过程的一系列变革，并向着开放式的、具有快速应变能力物创新能力的现代型企业方向发展 . 一、国内外飞机装配技术现状 1.1 国内现状 我国的飞机装配技术和组织管理方式，虽然在局部上采用了较先进的技术，如利用激光跟踪仪或计算机辅助经纬仪(Computer Aided Theodolite，CAT)技术安装型架，少数采用了自动钻铆技术，简化了装配型架结构。但与发达国家相比还存在较大差距，主要表现在： (1)上述技术尚不配套，应用上不成熟，加上我国多年来对飞机装配技术缺乏研究，资金投入不足，仅满足于能把飞机制造出来，目前飞机装配还是沿袭着过去几十年来批生产的手工作业模式； (2)飞机的设计制造仍主要采用串行模式，制造模式未实现根本转变； (3)数字化技术的应用规模较小，还未实现一个完整型号的全面数字化； (4)各环节虽然已实现数字量传递，但仍存在信息孤岛现象，未打通飞机数字化设计制造生产线，模拟量传递依然大量存在； (5)工装、工艺设计与产品设计脱节，未能充分实现并行工程，造成飞机装配协调困难，返工率高； (6)在装配技术方面，虽然局部采用了数字化技术，如在协调方式上局部采用了数字量传递方法，但模拟量传递仍然是当前众多企业飞机制造的主要协调方法； (7)采用专用工装装配，光学仪器测量安装仍是目前飞机装配的主要手段，未能在数字化装配技术方面实现新的突破，导致飞机制造成本居高不下； (8)装配工人在现场工作需要仔细翻阅大量的图纸、工艺文件，而且经常会出现工作上的失误，造成装配质量问题，影响装配周期。 1.2 国外现状 飞机产品数字化设计制造技术是 20 世纪 80 年代后期以来，随着 CAD/CAM 、计算机信息和网络技术的发展，以美国为首的西方发达国家开始研究并首先采用的一项新技术。这项技术以全面采用数字化产品定义、数字化预装配、产品数据管理、并行工程和虚拟制造技术为主要标志，从根本上改变了飞机传统的设计与制造方式，大幅度地提高了飞机设计制造技术水平。美国波音 777 飞机的研制，由于全面采用了该项新技术，使研制周期缩短 50% ，出错返工率减少 75% ，成本降低 25% ，成为数字化设计制造技术在飞机研制中应用的标志和里程碑。 目前，以波音公司为代表的飞机设计制造公司的数字化技术已经成熟应用到多种飞机的研制过程中，并取得了很好的效益。 (1) 洛克希德 · 马丁公司在研制 JSF 战斗机 X-35 过程中明确提出：要使 JSF 飞机装配制造过程的周期缩短 67% ，其中单架周期要从 15 个月缩短到 5 个月；工艺装备由 350 件减少到 19 件，即减少 95% ；制造成本降低 50% 等，此外，洛克希德 · 马丁公司在 JSF 装配中还应用了一种十分先进的龙门钻削系统(JGADS)，它使用激光定位、电磁马达和 “ 压脚 ” (pressure foot)进行精密钻孔，加快了装配过程，形成紧配合，产生光谱表面，不仅减少了摩擦，还满足了 JSF 耐久性需求，其钻孔出错率仅为百万分之三，优于世界钻孔百万分之三点四的质量标准，而且在处理大型零件时能容易地拆卸、移动和重新装配，还取消了 75% 的钻孔工具和工装，使部件的安装工作节省了 90% 的时间。 (2) 波音公司在研制 X-32 机时也是如此，当零部件汇集到 JSF 方案验证机总装基地 —— 加利福尼亚州帕姆戴尔时，已见不到通常陪伴在飞机生产线上的巨大型架，取而代之的是一种通用支架，用它支撑 JSF 的主要部件，利用 4 部 Zeiss 激光跟踪仪对它们进行空间定位和其他装配工作，并取得了很好的效果。在 X-45 无人驾驶战斗机项目中也采用了这一先进技术。随着 X-32 装配工作的进展，工人们开始佩带一种挂在腰间的微型计算机，该机通过单目镜片，能把装配顺序和装配好的部件状态投射到正在装配部件的上方，让工人方便直观地进行装配工作，无需再细读图纸，翻阅工艺文件，使装配周期缩短 50% ，成本降低 30% ～ 40% 。 洛克希德 · 马丁和波音等飞机制造公司在飞机装配技术方面采取了以下的技术措施： · 设计制造并重，产品设计与装配设计紧密结合，实施并行工程。 · 在生产组织和管理上广泛采用精益生产的思想和方法，精简了工作业务流程。 · 全面采用数字化设计制造技术，大范围进行数字装配过程仿真模拟。 · 建立单一产品数据源，实现工程 BOM 、制造 BOM 以及维护 BOM 的有效转换，保证数据传递过程中的一致性。 · 普遍采用数控自动钻铆技术，大幅度提高了铆接质量和进度。 · 采用计算机辅助光学仪器（激光跟踪仪、电子全站仪）进行飞机定位测量和直接安装技术。 · 大幅度简化工装，采用统一结构的动态工夹具的设计和使用技术，甚至不用专门型架，便可直接进行飞机装配安装工作。 · 利用先进的装配互换协调技术，尽量减少在装配过程中使用连接件，段件对合时不再钻孔。 · 建立了基于模块的飞机构型方法，具有完善的更改管理措施，已形成了数字化制造技术体系。 · 装配过程的工艺补偿件等采用液态垫片等先进技术手段。 通过对国内外装配技术现状的比较，我们可以得出如下结论： 数字化技术的应用不仅从软、硬件的角度出发，更重要的是融合了所有设计、制造的数字化过程，以产品数据集为中心，利用数字化设备和装配仿真技术，使生产线上的产品在装配过程中真正得到有效控制。利用该技术可以建立起一套有效的产品结构及产品发放过程控制机制，建立相关的工作规范和制度，保证飞机装配所需的数字量信息的正确传递。 二、数字化技术应用研究内容 2.1 建立飞机数字化装配协调体系 数字化装配是飞机数字化协调体系的有机组成部分。建立数字化装配协调体系，需要从以下几个方面考虑： (1) 建立基于企业网的协同工作环境。 建立企业内部的网络化协同工作环境，其范围要涵盖设计部门、工装设计制造部门、零部件制造部门、装配部门等主要产品模型的使用单位。以便装配部门能够及时有效地与上述部门进行沟通和协同。 (2) 飞机产品结构管理与控制技术。 由于一种基本型号的飞机有众多改型，为了解决重用性的问题，需要进行产品的构型管理，实现按照架次管理的要求。 (3) 建立企业各部门间通过网络进行协调的管理规范。 必须建立一整套的规范来约束企业各部门之间的工作，包括数字签名审核制度、工作流控制制度等内容，使飞机装配可以通过工作流来驱动工程设计与制造事件，实现数字化装配过程的自动化。 2.2 面向装配的并行数字化定义技术 数字化装配应从数字化预装配(Digital Pre-Assembly,DPA)开始，其基础是并行数字化定义环境，在面向装配的设计 (Design For Assembly ， DFA) 和分析环境中，需要包含的主要功能为：产品定义系统、早期计划、工厂工作流程模拟、基于文本 /3D 模型的工艺计划、装配分析、人机工程模型、人机工程分析、人机工程模拟、数字化质量保证、成本和效率核算、 3D 工作指令向 MES 系统传递、执行。 在进行并行的产品数字化定义结束前，需要完成产品结构件的建模、产品结构的工艺分析、数字样机装配仿真、数字化装配过程设计 (Digital Assembly Sequence ， DAS) 以及数字化工艺装备定义(Digital Tool Definition,DTD)等工作。而装配仿真、装配过程设计和工装设计直接影响到产品的可装配性，因此，实现并行产品数字化定义将能有效地减少因设计错误或返工引起的更改，从而提高装配件生产质量，缩短装配周期，降低生产成本。 2.3 建立包含数字化装配仿真过程 在内的并行设计规范 需要为并行数字化设计建立设计规范，明确设计人员与工艺人员的分工和责任，确定设计人员与工艺人员进行数字化设计和装配模拟仿真的工作内容和基本方法。 (1) 产品结构的模块化设计。 在并行产品设计过程中，需要采用模块化设计的方法，结合结构设计、工艺设计、工装设计以及系统设计、燃油系统设计人员，按照模块化思路进行组织，实现设计过程和装配过程的部件化、节奏化，使飞机上每个系统的工作分散到各个总装站上陆续完成。应尽可能把系统安装、调整和试验工作安排在部件装配阶段完成，以减少部件装配过程中系统检查的等待时间。 (2) 产品结构的广义数字化定义。 明确并行工作组内的装配工艺设计人员与其他设计人员进行协同产品设计开发的内容与方法，以确保制造过程中数据信息的完整性和广泛性。 (3) 装配设计可视化协同仿真平台。 在开展并行设计过程中，建立并行产品设计环境下的装配仿真系统需要的环境如下图所示。图中， PDM 系统为协同设计提供必要的基础集成环境。装配工艺人员只有通过 PDM 系统，才能访问到存在于预发放数据库和发放数据库中的产品模型，并通过 PDM 的网络通信协同功能，进行异地并行预装配，装配过程设计才能及时、准确地访问到所需要的数据。 (4) 制定适应于数字化装配的新的飞机结构方案。 寻求不用专用型架直接装配飞机主要结构件的数字化装配方法，相应地对适合这种装配方法的飞机结构提出建议。 (5) 协同环境下的产品模型数据管理技术。 协同环境面临着产品异地数据不一致的问题，需要采用产品数据管理系统来统一管理异地的产品数据。应用产品管理技术解决产品数据唯一性，实现单一产品数据源管理的要求。 2.4 数字化装配仿真、协调与数字化 装配过程优化设计 飞机数字化预装配是在数字化产品定义 (Digital Product Definition, DPD) 的基础上利用计算机模拟装配的过程。它主要用于在研制过程中及时进行静动态界面设计和干涉检查、工艺性检查、可拆卸性检查和可维护性检查。采用数字化装配技术可以有效地评价产品的可装配性，减少因设计原因造成的更改或返工，缩短研制周期，降低产品成本，提高产品竞争能力。 产品的数字化装配过程设计分为：装配顺序的生成和优化；装配路径规划和优化；容差分析与综合；装配过程仿真模拟。首先利用装配过程模拟软件对产品的部件进行装配过程定义，确定部件所属各零组件的装配顺序；而后模拟工厂现有装配条件和工段工作安排，进行装配路径的调整和优化；最后在数字化装配仿真系统中进行装配过程仿真，即利用仿真软件的人机工程等虚拟现实技术，确定装配过程的可操作性和合理性，解决数字化产品模型装配过程中所遇到的干涉问题。 数字化装配技术涉及特征技术、仿真技术、计算机虚拟现实技术、知识工程、 CAD/CAM 系统集成技术等多个领域。 数字化装配与仿真技术的应用主要从以下几个方面展开。 (1) 建立数字化预装配以及装配过程模拟规范体系。 根据国标、航标以及工厂标准化的要求，建立全数字环境下结构产品预装配的方法和使用管理的标准和技术规范，包括数字化预装配标准体系、三维建模存取、装配模型建立规范、数字化预装配空间干涉运动干涉分析规范、并行工作管理规范以及工作流程管理规范等。这些都是进行数字化预装配工作的基础。 (2) 数字化产品装配模型集成仿真技术。 利用数字化样机模型、工装模型、装配工艺过程模型，实现装配模型的集成分析技术，其内容包含产品与产品之间、产品与工装之间的干涉检查技术以及运动分析技术等内容。根据数字化预装配软件所提供的功能，设计人员能够以最小的代价解决产品零件与工装零件之间本身存在的问题。 (3) 数字化装配过程模型的建立。 数字化装配过程模型可以根据数字化装配生产线可视化装配过程的不同要求采取不同的方式。对于装配生产线以动画过程为指令核心的装配要求，可以利用数字化装配仿真软件建立动画模型；对于那些需要文字工作指令以及图解装配过程分解说明的装配模型，也可以由数字化装配过程仿真系统建立，并提交给产品数据管理系统管理。数字化装配过程模型的建立过程包括：早期计划、装配过程模拟、标准时间分析、装配工艺模型、产品资源、工作计划、目标成本分析等。 (4) 数字化装配过程的优化技术与知识库的建立。 数字化装配优化与拆卸仿真技术主要是工艺人员将自身在长期装配飞机的实践过程中积累的经验应用到装配仿真环境中，并建立相关的装配工艺过程知识库，从而实现工艺人员知识在数字化生产过程中的应用。 (5) 装配模型管理技术。 在现有的 PDM 系统基础上，根据实际需要进行二次开发工作，提供数字化预装配工作中的产品数据管理和过程管理，并通过 PDM 系统建立单一产品数据源，支持飞机产品多专业并行设计的信息共享问题。 (6) 数字化预装配中的人机工程。 由于所有的机械产品都是与人有关的，所以数字化预装配的设计与仿真过程必须与人机工程的原则结合起来，进行人在数字样机环境中的闭环性能仿真。 采用数字化预装配方法的基本过程是，各相关设计人员从并行产品设计组内的共享数据库中提取相关的模型，并进行两方面的工作。第一，在飞机的设计阶段，对飞机空间结构、机构运动和装配工艺以及人机工程进行分析，确保产品的无干涉和可装配等特性；第二，对局部样机进行系统优化，实现对产品的空间结构优化、机构运动优化、装配模拟优化以及数字样机的整体优化。在完成上述工作后，向结构设计人员提出修改意见，或者批准通过预装配检验。在并行产品定义过程中，只有通过了数字化预装配，并解决了所有干涉和接口匹配问题后，才可以批准设计的发放状态。 2.5 适合数字化装配生产线的工装设计制造技术 在数字化设计和装配生产条件下，型架的结构、安装技术、检验与维护技术需要适应飞机产品新的装配方法和装配过程，以达到与数字化装配过程的相互协调。 (1) 适合数字化装配的型架结构。 在面向装配的产品设计的环境下，产品自身逐步起到安装定位的作用，因此，可以逐步简化型架的结构，使其起到仅仅对主要结构产品的支撑定位作用，方便飞机的装配工作。 简化装配型架结构需要装配工艺人员与工装设计人员、产品结构设计人员一同确定，建立满足结构产品自身建立安装定位信息要求的产品模型和型架模型。 (2) 数字化型架的安装方法。 采用数字化方法装配型架，需要在型架零部件上给出定位孔，以便为利用激光跟踪仪的型架安装提供零件的定位基准。 2.6 制造关键特性的传递与 AQS 数字化技术的应用将会为制造和检验过程带来较大的改变。在传统条件下，装配完成后可以由工装、标准量具等模拟量设备进行产品的测量与检验。在数字化制造条件下，由于数控技术以及激光跟踪仪等对飞机部段件产品的直接安装技术的应用，减少了必要的型架、量具等工具，因此，需要改变现有的质量控制方法和体系。制造关键特性的传递与先进质量体系(Advanced Quality System,AQS)是适应产品数字化装配生产的有效质量控制手段，在企业的整个设计制造过程中，需要贯彻执行，因此，如何推进 AQS 在数字化装配生产中的实施是数字化装配过程中需要解决的重要问题，其主要内容包含以下几个方面。 (1) 制造关键特性的定义。 制造关键特性是反映产品几何外形要求的信息，通常以公差、轮廓度、位置度等形式的信息出现。关键特性(Key Characteristics,KC)的定义是，设计人员、工艺人员以及质量管理人员一同确定的前述并行产品设计过程中的重要工作内容。制造关键特性是在飞机试制过程中不断完善的，需要及时地调整与修改，以适应产品在不同生产环境下带来的变化。 (2) 制造关键特性的控制技术。 AQS 最早由波音公司提出，以解决日益突出的生产波动带来的质量问题。其基本方法是通过对影响产品关键特性的硬件波动源采取控制（即硬件可变性控制， Hardware Variability Control ， HVC)来达到提高产品质量稳定性的要求。 (3) 装配生产中的 AQS 应用。 在装配生产中，应用 AQS 来实现数字化装配质量的提高。首先，装配车间的质量管理系统根据设计部门给出的关键特性制定 AQS 检验计划，而后在质量现场采用常规检验手段和数字化手段进行产品质量的检测，对于发现产品质量异常的现象，需要通过分析影响关键特性的硬件波动源，提出返工或修改意见，直至质量达到设计要求。 2.7 装配现场的数字化应用技术 为解决目前装配生产中数字化不连续和数字化率不高的问题，需要从网络环境改造和现场计算机应用着手，建立从企业数据服务中心到车间现场的网络环境，将装配过程指令、产品结构表、装配检验模型等信息内容直接传递到操作现场，最大限度地提高工作效率。 装配现场的数字化应用技术主要包括以下 3 个方面： (1) 数字化装配与型架返修技术。 利用激光跟踪仪以及基于网络的数字化环境，确定型架装配车间的安装与检验，以保证利用工装进行协调传递的准确性。同时，需要利用激光跟踪仪等设备进行飞机部件的直接安装或装配型架的安装、飞机的最终总装配以及飞机的全机测量等工作，从而提高飞机装配的整体质量。 (2) 数字化铆接技术。 铆接仍是飞机装配过程中的主要连接技术。为提高铆接质量和速度，需要引进自动钻铆机，由于直升机结构产品的自身特点，与其相配套的数控托架一般需要重新设计，目前国内自行研制的数控托架的实际应用还有较多问题，因此还需要进一步研究解决。 此外，由于 CAD 模型与数控铆接机模型表达不同，因此还需要实现 CAD 模型到数控铆接模型的自动转换，以保证数控铆接技术的应用效率。 (3) 现场工人的可视化装配技术。 要实现数字化装配，必须建立有效的数字量传递机制，将产品几何信息和非几何属性信息（如装配顺序说明或动画、装配产品结构等信息）传递到操作者手中，并且操作者能够采用某种可视化技术读取这些信息。这就要求建立生产现场工人通信系统和可视化阅览系统，需要解决的问题是现场工人的移动通信技术和操作可视化技术，使工人能够准确、迅速地查阅装配过程中需要的信息，提高装配的准确性和装配效率，缩短装配时间，降低装配成本。 (4) 数字化整机水平测量。 整机装配完成后，采用数字化设备进行全机水平测量。需要根据 AQS 中确定的方法和检测内容，将全机测量模型传递到装配生产的数字化设备上，按照数字化检验要求，进行全机水平测量。 技术途径 根据研究内容，采取的技术途径如下： (1) 通过设计制造过程分析、优化，建立并行工作模式，组建 IPT 协同工作组，通过扩大企业现有网络条件，连接结构设计人员、装配工艺设计人员，实现数字化预装配、数字化装配过程设计与产品结构设计的集成。 (2) 引进国外先进软件系统、设备和相关技术，消化并解决应用中的技术难点，进行二次开发工作，建立飞机装配的数字化设计制造系统。 (3) 针对关键技术进行攻关，解决飞机数字化装配中的关键技术问题。 (4) 建立健全数字化应用技术规范，为飞机数字化装配提供必要的标准和规范体系。 (5) 建立飞机制造业的数字化传递体系，实现整个设计制造过程的数字化。 关键技术 在飞机数字化装配生产各环节中，需要在以下关键技术上实现突破： (1) 面向装配的模块化并行产品定义技术 : · 模块的定义与划分； · 并行设计规范； · 广义数字化定义的内容和方法。 (2) 数字化装配过程设计 : · 自动探查和避开路径障碍，实时确定线性装配、拆卸路径； · 数字化装配工艺模型的建立： · 数字化装配过程优化分析与拆卸仿真技术。 (3) 制造关键特性的传递与 AQS: · 制造关键特性的定义； · 硬件可变波动控制技术。 (4) 型架数字化装配与返修技术 : · 激光跟踪仪的型架装配与返修技术。 (5) 数字化铆接技术 : · 数控钻铆托架的研制与应用： · 复合材料结构件数控钻铆技术； · 与 CAD 接口技术。 (6) 数字化装配过程中的产品数据管理技术 : · EBOM 到 MBOM 转换一致性控制技术； · 各数字化系统的集成技术。 实施方案 实现飞机数字化装配需要从两个主要方面着手：一方面，需要建立数字化装配仿真和数字化装配过程设计的软硬件环境及其相应的规范体系；另一方面，需要利用数字化设备改造现有的飞机装配生产线，建立现场可视化装配环境和数控钻铆工作中心。 具体内容包括： · 建立数字化装配仿真环境： · 建立并行设计网络及共享数据库环境； · 建立数字化装配仿真的相关标准及其规范体系； · 建立数控钻铆工作中心； · 建立以激光跟踪仪为辅助工具的飞机装配检验系统； · 建立飞机装配现场工人可视化信息系统； · 制定数字化设备的工作规范。 效益分析 飞机装配数字化技术的应用将使我公司飞机制造技术水平实现重大突破，使我国航空产品的开发发生观念性的改变，促进企业管理体制、型号研制过程的一系列变革，并向着开放式的、具有快速应变能力和创新能力的现代型企业方向发展。飞机的装配周期预计可缩短 50% ；研制成本预计比采用串行为主的装配方式节约 30 ％～ 40 ％；通过数字化预装配和装配过程仿真与优化技术替代零部件装配试验，预计可降低开发成本 30% 以上；有效地减少装配缺陷和产品的故障率；减少装配过程反复，减少人为差错 80%；减少因装配干涉等问题而进行的重新设计和工程更改；提高信息和资源的共享，减少资源的浪费；将强化各部门的协调能力，实施并行工程，减少技术决策风险，降低技术协调成本；可提高企业在产品开发研制方面的快速应变能力，适应激烈的市场竞争和不同的用户需求；提高产品的技术创新能力，缩小我国飞机行业型号研制能力与国际先进水平的差距，提高国际竞争能力和在国际合作项目中的参与地位；为新型号的研制开发奠定坚实的技术基础。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/20/2005)