飛機數(shù)字化裝配技術應用探討

初桂蘭

(中航飛機股份有限公司西安飛機分公司 培訓中心，陜西 西安 710089)

摘要：介紹了飛機數(shù)字化裝配技術在國外的應用情況，通過調(diào)查，總結了數(shù)字化裝配技術在國內(nèi)的應用范圍、特點和成效，分析了國內(nèi)與國外數(shù)字化裝配技術存在的差距，提出了國內(nèi)飛機數(shù)字化裝配技術發(fā)展的對策。

關鍵詞：數(shù)字化；裝配仿真；柔性裝配；可視化裝配

收稿日期：2014-10-30

作者簡介：初桂蘭(1963-)，女，山東淄博人，高級講師，從事航空制造技術教學研究。

中圖分類號：V262.4+3文獻標識碼：A

0引言

數(shù)字化技術的應用是飛機研制發(fā)展史上的一次重大飛躍。數(shù)字化裝配技術由數(shù)字化裝配工藝技術、柔性工裝技術、激光檢測與補償技術、數(shù)字化鉆鉚技術、數(shù)字化數(shù)據(jù)管理以及集成技術等組成[1]。數(shù)字化技術和數(shù)字化裝配已經(jīng)在波音公司、空中客車公司、洛克希德—馬丁公司等國外著名航空制造公司的新一代飛機的研究發(fā)展中獲得了大規(guī)模的應用。國內(nèi)雖然起步較晚，但隨著計算機網(wǎng)絡環(huán)境的建設，特別是“十五”以來在計算機技術在國際轉包項目、改進型飛機和新飛機型號研制中的探索應用，促進了國內(nèi)數(shù)字化技術和數(shù)字化裝配技術的發(fā)展。

1國外數(shù)字化飛機裝配技術應用現(xiàn)狀

波音公司首次將數(shù)字化技術及數(shù)字化裝配技術全面應用到B777飛機整機的研制上，建立了國際上第一條飛機數(shù)字化裝配移動生產(chǎn)線，并取得了顯著地效果。飛機生產(chǎn)周期縮短50%、出錯返工率減少75%、成本降低25%，這成為數(shù)字化技術在飛機研制中應用的標志和里程碑。隨后，數(shù)字化技術在飛機裝配中獲得了廣泛的應用。波音7E7飛機、洛克希德—馬丁公司的JSF聯(lián)合戰(zhàn)斗機、法國的幻影7X飛機系列、空客公司的A400M軍用運輸機、A380飛機等均全部或大規(guī)模地采用了數(shù)字化技術[2-3]。

從最初的使用孔定位減少工裝，到通過建設柔性裝配單元逐漸實現(xiàn)柔性化裝配，到形成移動生產(chǎn)線。據(jù)有關數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，數(shù)字化技術的運用，使典型部件裝配周期縮短了60%，飛機裝配周期縮短10%以上，裝配工藝設計周期縮短了30%-50%，裝配返工率減少50%，裝配成本減少20%-30%，全面提高飛機裝配質(zhì)量，極大限度滿足客戶要求。這個發(fā)展過程使飛機的裝配技術發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

2國內(nèi)數(shù)字化裝配技術應用現(xiàn)狀

國內(nèi)數(shù)字化技術研究與應用起源于80年代初，近年來大規(guī)模地計算機網(wǎng)絡環(huán)境建設和加大對國外先進裝配制造技術以及數(shù)字化管理技術的研究，為數(shù)字化技術的實際應用奠定了基礎。我們先后在波音轉包項目、新舟系列、支線客機等項目上進行了數(shù)字化裝配技術的應用實踐。

2.1轉包項目中數(shù)字化裝配應用現(xiàn)狀

在轉包項目生產(chǎn)中，波音公司采用了數(shù)字化設計技術，產(chǎn)品采用數(shù)字化定義(DPD)。波音公司首次向西飛公司提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)集(包括三維產(chǎn)品數(shù)模和二維圖紙)作為制造依據(jù)，國內(nèi)才開始了數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)的應用。這改變了以往用二維圖紙作為制造依據(jù)的傳統(tǒng)，開始以產(chǎn)品數(shù)模作為產(chǎn)品制造依據(jù)(二維圖僅供參考)；外商不在像其他的轉包項目一樣向西飛公司提供標準工藝裝配作為工裝設計、制造、檢測、協(xié)調(diào)依據(jù)，首次嘗試了以數(shù)字化協(xié)調(diào)為主、輔以少量標準平板的協(xié)調(diào)方法；產(chǎn)品結構發(fā)生了變化：采用了整體機加肋、整體梁等替代了以往由機加零件和鈑金零件組成的鉚接組合件，肋、梁實現(xiàn)了無余量裝配；裝配的定位方式由原組合式外定位(外形定位)方式改成了分散式內(nèi)定位(骨架定位)；采用孔定位方式減少了工裝，簡化了行架結構，工裝設計局部引入了數(shù)字量傳遞的概念和技術。隨著網(wǎng)絡環(huán)境的建設，產(chǎn)品的數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)、技術文件實現(xiàn)了網(wǎng)上查詢與共享；隨著CAPP、ERP的廣泛應用和CAPP與ERP的集成，近年來實現(xiàn)了AO網(wǎng)絡化的編制、流程管理、出版、生產(chǎn)過程記錄、工序檢查和完工記錄等，B737項目裝配現(xiàn)場已經(jīng)實現(xiàn)了無紙化管理[4]。

2.2新舟系列飛機局部應用數(shù)字化技術

MA60等飛機對改進部分應用CATIA V5進行了設計。在工裝設計中，采用CATIA V5進行了三維設計，工裝模型和圖紙數(shù)據(jù)發(fā)布在網(wǎng)絡上實現(xiàn)共享；工裝及型架的定位件采用了數(shù)控加工和數(shù)控檢測，使用激光跟蹤儀進行整體安裝和檢測。產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)及各類技術文件等實現(xiàn)了網(wǎng)上共享。為以后實施數(shù)字化裝配奠定了基礎。

2.3支線客機應用數(shù)字化裝配制造技術

ARJ21是按照世界上最新技術設計、擁有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權的70至90座級的中、短航程支線飛機。在ARJ21飛機的研制中，中航第一飛機技術院基于統(tǒng)一的CPC數(shù)據(jù)平臺(數(shù)字化協(xié)同工作平臺)，初步建立了國內(nèi)一院四廠、國際19家供應商的協(xié)同數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)，對多企業(yè)的協(xié)同研制產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術進行了初步探索和應用研究，并取得了顯著地成果：構建了計算機網(wǎng)絡化工作環(huán)境——數(shù)字化協(xié)同工作平臺(CPC)，全面應用產(chǎn)品數(shù)字化定義(DPD)、數(shù)字化預裝配(DPA)、全機電子樣板和并行工程等技術；制訂了數(shù)字化定義、電子樣機、產(chǎn)品數(shù)據(jù)集、并行工程等有關的規(guī)范。改變了傳統(tǒng)的模線樣板/標準樣件工作法，采用了數(shù)字化的裝配協(xié)調(diào)技術。根據(jù)工廠的數(shù)控加工、安裝和數(shù)控檢測能力確定了以工程數(shù)據(jù)集作為制造協(xié)調(diào)的原始依據(jù)，以數(shù)字量協(xié)調(diào)為主、標工協(xié)調(diào)為輔的協(xié)調(diào)原則：對外形復雜的部位的協(xié)調(diào)(產(chǎn)品間、產(chǎn)品與工裝、工裝間)采用數(shù)字化協(xié)調(diào)(即采用數(shù)控加工、數(shù)控檢測和激光測量定位技術)；對空間復雜交點或運動軌跡的協(xié)調(diào)采用標準量規(guī)和標準平板協(xié)調(diào)，量規(guī)和平板加工采用數(shù)控加工、數(shù)控檢測盒激光測量定位技術。這雖為數(shù)字化裝配應用和研發(fā)奠定了基礎，但無論是總裝廠上飛，還是大部件供應商，其飛機部件裝配和飛機總裝仍采用了傳統(tǒng)的裝配、檢測方法[5]。

綜上所述，西飛數(shù)字化環(huán)境建設形成了一定的規(guī)模；某些數(shù)字化裝配工藝設計的關鍵技術已經(jīng)取得了突破；CAPP與ERP獲得了廣泛的應用；積累了一定的數(shù)據(jù)管理的經(jīng)驗，為大部分數(shù)字化裝配、對接和檢測等關鍵技術的產(chǎn)業(yè)化應用研究創(chuàng)造了條件。

3國內(nèi)數(shù)字化裝配技術與國外的差距

國外飛機產(chǎn)品因全面采用數(shù)字化技術，促進了數(shù)字化裝配技術的快速發(fā)展：由最初使用孔定位(減少工裝)發(fā)展到通過建設柔性裝配單元逐漸實現(xiàn)柔性化裝配，如A320-340、新一代B737和B757、B767等的壁板自動鉆鉚系統(tǒng)、翼梁自動裝配系統(tǒng)；在柔性裝配單元實施應用的基礎上，B777和A380已基本建成了移動生產(chǎn)線，實現(xiàn)了大部分自動對接、數(shù)字化精確安裝和整機檢測。數(shù)字化技術已發(fā)展到我們認為難以實現(xiàn)數(shù)字化、自動化的飛機裝配中。

綜上所述，我國的飛機主機所、主機廠在數(shù)字化技術研究和應用方面，進行了大量的探索研究，取得了工程應用的突破：改進型飛機的研制和局部采用電子樣機，突破了數(shù)字化設計的關鍵技術，數(shù)字化在設計上的應用已比較成熟，但制造上的應用還有較長的路要走。主機廠雖然在數(shù)字化環(huán)境建設形成了一定的規(guī)模，廣泛應用了CAPP和ERP、提高了飛機裝配制造工藝快速設計的能力和裝配現(xiàn)場的無紙化管理，推動了企業(yè)裝配生產(chǎn)的科技進步，但與國外先進水平相比較，飛機數(shù)字化裝配的整體水平偏弱，主要的差距有：

第一，飛機設計單位與飛機制造單位未建立統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)平臺，工藝設計與產(chǎn)品設計、工裝設計與產(chǎn)品設計脫節(jié)，妨礙了并行工程的充分實施。

第二，國家多年來飛機數(shù)字化裝配技術研究資金投入不足、技術引進不配套。存在重視產(chǎn)品數(shù)字化設計軟件引進、忽視數(shù)字化裝配工藝設計、裝配過程仿真與數(shù)字化檢測軟件的引進；重視引進了少量的自動鉆鉚機、忽視配套設備——柔性數(shù)控托架的引進，導致自動鉆鉚仍然是半自動化。

第三，沒有建立柔性裝配單元、沒有打通飛機數(shù)字化裝配生產(chǎn)線。國內(nèi)飛機裝配過程仍然處于半自動、半手動的操作方式，柔性工程設計處于理論研究階段，沒有局部應用的實例，沒有建立壁板、梁、框的柔性裝配單元。

改進型飛機與新機采用了不同的裝配制造協(xié)調(diào)原則，對改進型飛機仍然以模擬量傳遞為主、局部采用了數(shù)字量傳遞方法,對全新研制的飛機，考慮到計算機軟件、生產(chǎn)設施等多種因素的限制其裝配協(xié)調(diào)方法以數(shù)字量傳遞為主、模擬量為輔。通過實踐證明現(xiàn)階段的協(xié)調(diào)原則是有效的，這與我國現(xiàn)階段飛機裝配的技術發(fā)展水平相適應[6]。

第四，我國飛機裝配的生產(chǎn)組織管理模式未發(fā)生根本性變化，飛機裝配的技術、生產(chǎn)、質(zhì)量控制體系還是沿襲著過去幾十年來批生產(chǎn)的手工作業(yè)模式，飛機裝配技術、生產(chǎn)、安裝、檢測手工勞動工作量很大，因此效率較低。

4提高數(shù)字化裝配技術的發(fā)展對策

全面采用數(shù)字化技術，實施飛機產(chǎn)品數(shù)據(jù)全壽命管理，采用自動化裝配技術，建立裝配移動生產(chǎn)線是飛機裝配技術發(fā)展的趨勢。從國外數(shù)字化裝配技術和產(chǎn)品發(fā)揮在那的歷程看，我國的數(shù)字化裝配技術發(fā)展必須進行統(tǒng)一規(guī)劃，分階段實施。結合MA系列、ARJ21等工程的研制全面應用數(shù)字化技術；有選擇有計劃地突破數(shù)字化裝配的關鍵技術，在工程驗證的基礎上建立和完善相應的數(shù)字化裝配、制造、檢測和過程管理的規(guī)范；經(jīng)過5至10年的努力，建成部件數(shù)字化裝配的柔性單元和總裝的移動生產(chǎn)線。為實現(xiàn)此目標，需要采取以下對策：

第一，組建由設計部門、制造部門、科研機構和高等院校等不同單位的專家組成的聯(lián)合攻關團隊。系統(tǒng)化研究和總結國內(nèi)外數(shù)字化技術應用的成功經(jīng)驗，吸取其發(fā)展過程中的教訓，制訂好數(shù)字化技術、數(shù)字化裝配應用的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，技術發(fā)展策略。統(tǒng)一部署和協(xié)調(diào)數(shù)字化技術的實施和計劃，做到有序、協(xié)調(diào)，可持續(xù)突破關鍵技術，為產(chǎn)業(yè)化奠定基礎。

第二，整合廠、所數(shù)字化技術發(fā)展的資源，打通廠所數(shù)字化產(chǎn)品設計、工藝設計協(xié)同工作的平臺；制訂或完善相關的規(guī)范與制度，深化工藝設計與產(chǎn)品設計、工裝設計與產(chǎn)品設計的并行工程，通過機構重組和流程優(yōu)化真正建立并行工程的支持機制[7]。

第三，加大數(shù)字化裝配技術產(chǎn)業(yè)化研究的投資力度，引進數(shù)字化裝配工藝設計、裝配過程仿真與數(shù)字化檢測軟件；通過可行論證投資建設飛機壁板自動鉆鉚裝配單元、翼梁自動鉆鉚裝配單元；引進國外柔性工裝設計軟件和典型的柔性裝配單元，通過使用、消化，研究建立柔性工裝設計體系；深入開展飛機裝配的數(shù)字化仿真與驗證、數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術研究，形成數(shù)字化裝配的規(guī)范、制度和標準[8]。

第四，選擇典型，如機身對接或機身機翼對接，嘗試打通飛機數(shù)字化裝配生產(chǎn)線，并制訂相應設計、制造、裝配、安裝、檢測和生產(chǎn)線管理等規(guī)范條例。

第五，在數(shù)字化裝配技術應用驗證的基礎上，重組和優(yōu)化數(shù)字化裝配設計流程，變革生產(chǎn)線組織管理模式，為數(shù)字化裝配生產(chǎn)線的深入應用奠定堅實的基礎。

5結語

全面采用數(shù)字化裝配技術，實施飛機產(chǎn)品數(shù)據(jù)全壽命管理，建立裝配移動生產(chǎn)線是飛機裝配數(shù)字化發(fā)展的趨勢。國內(nèi)數(shù)字化裝配應用的軟硬件環(huán)境建設已初具規(guī)模，數(shù)字化裝配理論和工程應用研究已經(jīng)開始，數(shù)字化裝配技術的發(fā)展空間十分廣闊。

高起點的ARJ、MA系列等新一代飛機產(chǎn)品的立項研制，將對數(shù)字化裝配應用的探索研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展創(chuàng)造了有利的發(fā)展時機。通過組合新機的研制分步實施并產(chǎn)業(yè)化，相信經(jīng)過五至十年的努力最終將會建成先進的數(shù)字化裝配生產(chǎn)線。這將使我國飛機裝配的技術水平實現(xiàn)重大突破，推進企業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

參考文獻

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[責任編輯、校對：張朋毅]

Discussion on the Application of Digital Assembly Technique

of Aircrafts

CHUGui-lan

(Training Department, AVIC Aircraft XAC, Xi'an 710089, China)

Abstract：This paper presents the overseas applications of aircraft digital assembly technique, and summarizes the domestic application scope, feature, and effect of the technique through investigation, analyzes the gap between domestic and overseas applications, and proposes the tactics for the development of the technique at home.

Key words：digitalization; assembly emulation; flexible assembly; visual assembly