宋利康，朱永國,2，劉春鋒，曾 天

（1.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330024；2.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

飛機(jī)裝配技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了手工裝配、半自動裝配、自動裝配和數(shù)字化裝配等幾個發(fā)展階段。目前，數(shù)字化裝配技術(shù)已在全球興起，已在包括我國在內(nèi)的多個國家得到初步應(yīng)用，取得了一定的成效。數(shù)字化裝配技術(shù)不僅包括裝配仿真、數(shù)字化工藝制定、數(shù)字化柔性工裝等，而且是數(shù)字化自動鉆鉚和集成控制等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。數(shù)字化裝配技術(shù)將模擬量傳遞變革為數(shù)字量傳遞[1]。20世紀(jì)80年代開始，國外先進(jìn)航空制造企業(yè)初步將數(shù)字化裝配技術(shù)運(yùn)用于飛機(jī)制造中。美國EI公司將機(jī)器人自動鉆削系統(tǒng)用于波音F/A-18E/F的機(jī)翼后緣襟翼的制孔和锪窩。德國寶捷公司研發(fā)了用于飛機(jī)貨艙門制孔的機(jī)器人裝配系統(tǒng)?？湛蛯㈦姶陪T接和柔性裝配工裝進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了翼梁大型構(gòu)件的自動化鉚接裝配[2]。航空航天產(chǎn)品制造逐步采用基于模型的定義（Model-Based Definition，MBD）技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)與建模[3]，利用MBD技術(shù)將工藝、工裝、檢測、質(zhì)量等信息集成到產(chǎn)品的三維實(shí)體模型中，并將該三維實(shí)體模型作為生產(chǎn)、制造、檢驗(yàn)等的唯一數(shù)據(jù)源，在不同的部門之間進(jìn)行共享和共用[4-6]。數(shù)字化裝配技術(shù)對飛機(jī)裝配效率、裝配質(zhì)量的提高作用已日益凸顯出來，并驅(qū)動研究機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行更廣泛的研究和更深入的應(yīng)用。大飛機(jī)具有尺寸大、零件數(shù)量多、裝配精度高、協(xié)調(diào)過程復(fù)雜、裝配周期長等特點(diǎn)。當(dāng)前，我國大飛機(jī)的研制已取得階段性的進(jìn)展（C919大型客機(jī)首架機(jī)正式下線），但數(shù)字化裝配水平仍有待提高，為保證大飛機(jī)裝配精度，提高裝配效率，縮短制造周期，在后續(xù)設(shè)計(jì)定型、批產(chǎn)過程中，數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用還需加強(qiáng)和完善[7]。為此，針對大飛機(jī)研制需要，本文從面向MBD的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)、數(shù)字化裝配過程仿真、三維裝配工藝數(shù)據(jù)的現(xiàn)場應(yīng)用和板件數(shù)字化自動鉆鉚方面，研究大飛機(jī)研制中亟待解決的數(shù)字化裝配技術(shù)，并提出關(guān)鍵技術(shù)的解決方案和應(yīng)用方法。

面向MBD的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)方法

采用MBD技術(shù)后，裝配工藝設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源發(fā)生了根本性的變化，工藝人員直接依據(jù)MBD 模型開展三維工藝設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)方式方法與傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)存在本質(zhì)差異[8]。

1 MBD裝配工藝模型構(gòu)建方法

飛機(jī)裝配過程中存在大量的零件、組件和部件等裝配件，需要明確裝配件的交付技術(shù)狀態(tài)，工藝規(guī)劃也會產(chǎn)生眾多指導(dǎo)詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)的指令性信息和制造技術(shù)要求。采用MBD技術(shù)后，這些信息都將以MBD形式表達(dá)在三維數(shù)字化模型中，形成裝配工藝模型，用以指導(dǎo)工裝、工藝設(shè)計(jì)，并作為生產(chǎn)控制與管理的技術(shù)依據(jù)。此外，也將作為生產(chǎn)單位之間零部件交接時的唯一技術(shù)依據(jù)。裝配工藝模型是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門發(fā)放MBD設(shè)計(jì)數(shù)模后，由工藝設(shè)計(jì)部門經(jīng)過工藝路線分工、工藝分離面劃分、生成指令性裝配順序、零組件主要工序安排、確定定位計(jì)劃和協(xié)調(diào)方法等步驟，并在提出產(chǎn)品零部件最終交付狀態(tài)和完工狀態(tài)的基礎(chǔ)上建立起來的。MBD工藝模型構(gòu)建流程如圖1所示。

2 面向MBD的裝配工藝仿真

飛機(jī)裝配仿真是在MBD模型的基礎(chǔ)上，利用Delmia等數(shù)字化裝配仿真系統(tǒng)建立裝配資源模型，搭建裝配環(huán)境，引入人機(jī)工程。如圖2、圖3所示在虛擬環(huán)境下對裝配過程、裝配工藝進(jìn)行可視化、數(shù)字化的仿真，分析和評價裝配工藝，評估裝配現(xiàn)場的人機(jī)工程現(xiàn)狀。

3 面向MBD的數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)

目前常用的互換協(xié)調(diào)方法是數(shù)字量傳遞協(xié)調(diào)法和模擬量與數(shù)字量相結(jié)合的混合協(xié)調(diào)法。數(shù)字量傳遞協(xié)調(diào)方法是利用MBD建模、數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)、零部件數(shù)控加工與測量、數(shù)字化測量裝配等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化協(xié)調(diào)要求。在裝配協(xié)調(diào)方案的制定過程中，需要確定協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)工裝類型、標(biāo)準(zhǔn)工裝之間的協(xié)調(diào)關(guān)系、標(biāo)準(zhǔn)工裝與其余工裝之間的協(xié)調(diào)關(guān)系圖表等。圖4所示為面向MBD的數(shù)字化協(xié)調(diào)方法。

圖1 MBD工藝模型構(gòu)建流程Fig.1 Constructing procedure of MBD process model

圖2 前段客艙地板骨架資源模型Fig.2 Resource model of anterior segment cabin floor skeleton

圖3 縱向隔板無通路仿真示意圖Fig.3 Schematic simulation diagram of vertical separated boards with no-pathway

圖4 面向MBD的數(shù)字化協(xié)調(diào)方法Fig.4 Digital coordination method oriented to MBD

為了保證數(shù)字化協(xié)調(diào)要素之間的協(xié)調(diào)要求，需要由集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)（Integrated Product Team，IPT）在設(shè)計(jì)階段提出協(xié)調(diào)要素的交付要求，以保證部段、零組件之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。對于交點(diǎn)類協(xié)調(diào)，IPT需提出部段交點(diǎn)交付要求，包括基準(zhǔn)孔軸線位置、協(xié)調(diào)交點(diǎn)孔徑、協(xié)調(diào)端面等，并給出測量容差等要求。對于零組件制造，需提出尺寸、形位公差及容差等要求，裝配工裝的定位特征以及工裝檢查等要求。對于鈑金件及外形類機(jī)加件，需提出外形輪廓度、鈑金件制造工裝的定位特征和鈑金件裝配特征容差等要求，同時要給出裝配工裝的定位特征，鈑金件裝配工裝的功能性檢查容差及測量要求。

數(shù)字化裝配過程仿真

裝配過程仿真是在數(shù)字化三維虛擬空間內(nèi)，融入知識工程，對裝配件、工裝、工藝過程用數(shù)字化模型表示的全部行為[9]。針對大飛機(jī)裝配過程復(fù)雜的特點(diǎn)，進(jìn)行裝配過程建模、裝配過程優(yōu)化、在線仿真與可視化、系統(tǒng)集成等技術(shù)研究，建立裝配仿真分析與優(yōu)化的資源庫和知識庫，實(shí)現(xiàn)裝配過程的實(shí)時跟蹤、精確管理和智能控制。

1 基于仿真模型的裝配評估、分析與優(yōu)化

如圖5所示，在基于虛擬仿真的裝配過程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，將決策機(jī)制、專家系統(tǒng)等引入虛擬仿真中，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)性能預(yù)測、裝配過程優(yōu)化等功能。設(shè)計(jì)人員不再直接面對仿真模塊所提供的各種類型的海量數(shù)據(jù)，把繁瑣的計(jì)算、搜索甚至決策任務(wù)部分或完全交給計(jì)算機(jī)。

2 在線仿真與裝配過程可視化

利用條碼掃描、人機(jī)交互、傳感器采集、讀寫器采集和數(shù)據(jù)網(wǎng)卡采集等實(shí)時數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將傳統(tǒng)的車間資源進(jìn)行標(biāo)識，利用車間數(shù)據(jù)總線或局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與裝配資源的實(shí)時數(shù)據(jù)交換。將信息采集系統(tǒng)和裝配裝備相結(jié)合，綜合應(yīng)用在線裝配過程仿真、可視化檢測與控制等技術(shù)，對仿真模型、運(yùn)行參數(shù)、控制策略、分析評估等內(nèi)容進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)基于裝配現(xiàn)場狀態(tài)的參數(shù)化驅(qū)動仿真。

3 面向裝配仿真的知識驅(qū)動技術(shù)

在仿真建模過程中，建立模型設(shè)計(jì)知識庫、仿真知識庫、仿真運(yùn)行知識庫、系統(tǒng)控制知識庫，利用建模專家系統(tǒng)和知識庫為用戶提供技術(shù)支撐。采用推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)工藝布局仿真、工藝流程仿真和工序仿真模型的建立。

圖5 裝配智能優(yōu)化流程Fig.5 Intelligent optimization flow for assembly

三維裝配工藝數(shù)據(jù)的現(xiàn)場應(yīng)用

采用MBD技術(shù)后，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果是三維數(shù)模，不再是紙質(zhì)工程圖；同時，產(chǎn)品裝配工藝數(shù)據(jù)也是數(shù)字形式。因此，裝配操作人員的工作依據(jù)與工作方式將發(fā)生深刻變化。

（1）裝配工藝數(shù)據(jù)組織應(yīng)滿足裝配工藝管理對裝配工藝數(shù)據(jù)的全面需求。裝配工藝數(shù)據(jù)應(yīng)該直觀、清楚地反映出產(chǎn)品裝配工藝流程，得到裝配工藝流程中裝配工藝資源的需求關(guān)系以及輸入、輸出的詳細(xì)零部件，并實(shí)現(xiàn)裝配件、裝配工藝、裝配資源3者之間的相互追溯，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理提供技術(shù)支持。

（2）三維數(shù)字化模型應(yīng)包含設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)等各部門所需的產(chǎn)品特征和制造信息，成為設(shè)計(jì)制造的唯一技術(shù)依據(jù)。MBD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維數(shù)字化、無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)制造技術(shù)，徹底轉(zhuǎn)變了飛機(jī)產(chǎn)品的傳統(tǒng)研制模式和研制流程。

（3）在MBD技術(shù)條件下，數(shù)字化裝配工藝策劃和裝配工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)工作須在適應(yīng)MBD技術(shù)要求的工藝設(shè)計(jì)與管理平臺的支持下進(jìn)行，直接依據(jù)三維實(shí)體模型開展三維工藝編制工作，改變了以往同時依據(jù)二維工程圖紙和三維實(shí)體模型進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)品裝配工藝和零件加工工藝設(shè)計(jì)的方法，真正實(shí)現(xiàn)無圖紙環(huán)境下的全三維制造（圖6～圖9）。

板件數(shù)字化自動鉆鉚技術(shù)

依據(jù)大飛機(jī)尺寸大的特點(diǎn)，大飛機(jī)的大部件，如前、中、后機(jī)身，機(jī)翼等均適宜于板件化生產(chǎn)模式。板件化裝配開敞性好，可采用單壁板、多壁板/大壁板和筒段等自動鉆鉚裝配技術(shù)。數(shù)字化自動鉆鉚技術(shù)是指在裝配過程中利用數(shù)字化柔性裝備完成定位、夾緊、鉆孔、锪窩、涂膠、送釘、鉚接等工作[10]。要將數(shù)字化自動鉚接技術(shù)成功應(yīng)用于大飛機(jī)的板件裝配，除了要解決誤差補(bǔ)償、高精度控制、柔性工裝、鉆鉚裝備、夾持點(diǎn)布局等技術(shù)難題[11-12]，還需攻克數(shù)字化自動鉆鉚的配套技術(shù)。

（1）面向數(shù)字化自動鉆鉚的結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)數(shù)字化自動鉆鉚裝配的要求，應(yīng)用并行工程和數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)，使工藝與設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，對鉚接裝配件、裝配工藝分離面的劃分、裝配定位基準(zhǔn)及定位技術(shù)方法的選擇與確定等進(jìn)行分析，制定滿足數(shù)字化自動鉆鉚裝配的結(jié)構(gòu)工藝要求，形成面向數(shù)字化自動鉆鉚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝規(guī)范。

圖6 工序內(nèi)容表示Fig.6 Representation of process contents

圖7 MBD工藝模型中的測量計(jì)劃描述Fig.7 Description of measurement program in MBD process model

圖8 配套零組件列表表示Fig.8 Representation of matched component list

圖9 完工狀態(tài)描述Fig.9 State description of completion

（2）面向數(shù)字化自動鉆鉚的工藝設(shè)計(jì)方法。

通過對板件工藝特征的深入分析，結(jié)合自動鉆鉚技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)要求，制定適用于大飛機(jī)板件鉚接裝配的數(shù)字化協(xié)調(diào)工藝方案。以三維MBD數(shù)模為基礎(chǔ)，采用數(shù)字標(biāo)工協(xié)調(diào)技術(shù)，選擇先進(jìn)的裝配工裝形式，設(shè)計(jì)可靠的裝配工裝。

（3）面向數(shù)字化自動鉆鉚的數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)。

根據(jù)板件設(shè)計(jì)特點(diǎn)與數(shù)字化裝配技術(shù)要求，對板件數(shù)字化裝配的協(xié)調(diào)工藝技術(shù)進(jìn)行全面的分析研究。綜合運(yùn)用數(shù)字化容差分配、關(guān)鍵特性分析與控制技術(shù)、數(shù)字標(biāo)工等技術(shù)，對板件的各制造、裝配環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)路線進(jìn)行全面分析，制訂可行的協(xié)調(diào)方案和技術(shù)流程。

結(jié)束語

數(shù)字化裝配是飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展方向，對其研究具有非常重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。研究和發(fā)展數(shù)字化裝配技術(shù)，不僅要攻克數(shù)字化裝配各項(xiàng)子技術(shù)，更要對各項(xiàng)數(shù)字化裝配子技術(shù)進(jìn)行集成，還需打通數(shù)字化裝配技術(shù)與其他飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)之間的數(shù)據(jù)流。明確數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用規(guī)范體系，并建立與之相適應(yīng)的工藝過程和組織模式，盡可能地提高數(shù)字化裝配技術(shù)的工程應(yīng)用價值。

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