（西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，西安 710072）

2015年11月2日，首架國產(chǎn)大型客機(jī)C919在上海總裝基地正式下線，這標(biāo)志著中國成為世界上少數(shù)幾個擁有研制大飛機(jī)能力的國家。2015年11月29日，我國自主研制的新支線客機(jī)ARJ21首架機(jī)正式交付，標(biāo)志著國內(nèi)航線上將首次擁有我國自己研制的噴氣式支線客機(jī)。

近幾年，我國在C919、ARJ21及其他型號飛機(jī)的研制中，廣泛采用了數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與仿真、數(shù)字化定位與調(diào)姿控制、自動化制孔與連接等數(shù)字化技術(shù)，尤其在飛機(jī)數(shù)字化裝配方面，對數(shù)字化三維工藝設(shè)計、數(shù)字化協(xié)調(diào)、數(shù)字化檢測、組件數(shù)字化裝配技術(shù)及裝備、部件數(shù)字化裝配技術(shù)及裝備、飛機(jī)總裝數(shù)字化技術(shù)及裝備以及移動生產(chǎn)線技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研發(fā)了一系列數(shù)字化裝備，并在型號研制過程成功應(yīng)用，取得了顯著效果。波音、空客等歐美航空巨頭已經(jīng)在飛機(jī)生產(chǎn)中廣泛采用數(shù)字化裝配技術(shù)，并已形成數(shù)字化移動生產(chǎn)線，大大提高了飛機(jī)的裝配質(zhì)量和效率。

縱觀飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合“中國制造2025”制造業(yè)的發(fā)展方向，可以看出飛機(jī)裝配技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了剛性裝配、柔性裝配、數(shù)字化裝配的發(fā)展歷程，智能制造技術(shù)是新的產(chǎn)業(yè)革命的核心技術(shù)，代表著未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向。根據(jù)飛機(jī)小批量、多品種的研制生產(chǎn)模式以及大尺寸、高精度的產(chǎn)品要求，飛機(jī)裝配未來的發(fā)展方向?qū)⑹侵悄苎b配，如圖1所示。

飛機(jī)數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

飛機(jī)數(shù)字化裝配是以數(shù)字量作為產(chǎn)品定位與協(xié)調(diào)的依據(jù)，由數(shù)字化測量設(shè)備對飛機(jī)產(chǎn)品的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時測量，通過數(shù)控定位器組的協(xié)同運(yùn)動實(shí)現(xiàn)對裝配件的入位、調(diào)姿與對接，由數(shù)字化鉆鉚設(shè)備實(shí)現(xiàn)對組/部件的制孔與連接。這樣，多個單元的協(xié)同工作共同實(shí)現(xiàn)飛機(jī)產(chǎn)品的定位、調(diào)姿、制孔、連接等工藝過程[1]。飛機(jī)數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)主要包括數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與仿真技術(shù)、數(shù)字化定位與調(diào)姿控制技術(shù)、自動化制孔與連接技術(shù)。

1 數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與仿真技術(shù)

飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與仿真是將數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)、裝配工藝規(guī)劃與裝配仿真相結(jié)合，采用仿真式三維裝配指令規(guī)劃方法，在三維環(huán)境下，以三維數(shù)字化模型為單一數(shù)據(jù)源，以裝配仿真為手段，在進(jìn)行裝配仿真的同時完成對裝配工藝、裝配指令的規(guī)劃，并通過制定三維裝配指令模板生成可用于指導(dǎo)裝配現(xiàn)場工作的三維裝配指令。

國外航空企業(yè)通過由三維設(shè)計模型生成的車間工作指導(dǎo)書為作業(yè)人員提供可視化、數(shù)字化的三維圖形等工藝信息，開創(chuàng)了飛機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計制造一體化的嶄新模式[2]。國內(nèi)各航空制造廠所在DELMIA DPE中開展組/部件數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃，在DELMIA DPM中開展裝配工藝仿真驗證工作。同時，通過使用DELMIA及3DVIA Composer 解決方案，成功構(gòu)建了“數(shù)字化裝配工藝設(shè)計和仿真系統(tǒng)”和“生產(chǎn)現(xiàn)場可視化系統(tǒng)”[1,3]。某飛機(jī)制造廠數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與仿真平臺總體功能框架如圖2所示。

2 數(shù)字化定位與調(diào)姿控制技術(shù)

飛機(jī)數(shù)字化定位與調(diào)姿控制技術(shù)指針對飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、定位要求，借助數(shù)字化測量、控制設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行飛機(jī)零部件準(zhǔn)確定位。飛機(jī)數(shù)字化定位與調(diào)姿控制系統(tǒng)（圖3）主要包括機(jī)械隨動定位裝置、數(shù)字化測量單元、定位誤差分析與補(bǔ)償單元、集成控制單元。在控制機(jī)械隨動裝置進(jìn)行零部件定位的同時，數(shù)字化測量單元對零部件運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時測量并采集數(shù)據(jù)，定位誤差分析與補(bǔ)償單元將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并與裝配工藝設(shè)計信息中裝配工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，生成定位補(bǔ)償數(shù)據(jù)，返回到集成控制單元，對零件進(jìn)行定位補(bǔ)償。如此迭代，直至飛機(jī)產(chǎn)品定位誤差滿足定位精度要求。圖4和5為C919總裝過程的數(shù)字化定位與調(diào)姿。

3 自動化制孔與連接技術(shù)

自動化制孔利用自動化制孔裝備進(jìn)行自動精密制孔，改善各連接點(diǎn)的技術(shù)狀態(tài)（表面質(zhì)量、配合性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式等），可以很好地滿足現(xiàn)代飛機(jī)制造高壽命、高質(zhì)量、高效率、低成本的要求。國內(nèi)外典型自動制孔設(shè)備和系統(tǒng)如圖6所示。

自動化連接采用先進(jìn)連接技術(shù)，如干涉配合鉚接、電磁鉚接、新型緊固件、孔擠壓強(qiáng)化等提高連接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能與可靠性，減輕結(jié)構(gòu)重量。自動化連接設(shè)備能顯著提高工作效率及連接質(zhì)量的穩(wěn)定性。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字化制孔連接裝備由原來結(jié)構(gòu)簡單、功能單一的數(shù)控機(jī)床發(fā)展成為裝配工裝與制孔連接設(shè)備從結(jié)構(gòu)到功能都高度一體化的數(shù)字化制孔連接裝配中心（圖7）。

圖1 飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展階段Fig.1 Development stages of aircraft assembly technology

圖2 工藝規(guī)劃與仿真平臺總體功能框架Fig.2 General function framework of process planning and simulation platform

圖3 數(shù)字化定位與調(diào)姿控制系統(tǒng)Fig.3 Control system of digital location and attitude adjustment

數(shù)字化移動裝配線技術(shù)

按照飛機(jī)在裝配線上的移動方式劃分，移動裝配線主要有兩種：脈動移動式和連續(xù)移動式[4]。脈動移動式是指根據(jù)裝配工藝和節(jié)拍將飛機(jī)裝配分成多個站位，依次移動到幾個不同的站位在一定時間（裝配節(jié)拍或間歇時間）內(nèi)由專門的小組進(jìn)行專項生產(chǎn)，完成裝配任務(wù)。連續(xù)移動式是指在整個裝配過程中，生產(chǎn)線連續(xù)布置，相鄰工序無縫連接，生產(chǎn)線沒有截斷或分流，飛機(jī)始終以平穩(wěn)的速度在裝配線上移動。飛機(jī)移動裝配線的關(guān)鍵技術(shù)主要包括數(shù)字化管控技術(shù)、數(shù)字化工藝均衡與仿真優(yōu)化技術(shù)、數(shù)字化集成在線檢測技術(shù)。

1 移動裝配線數(shù)字化管控技術(shù)

以拉動式精益生產(chǎn)模式為引導(dǎo)，基于生產(chǎn)線建模與仿真、作業(yè)計劃規(guī)劃與調(diào)度、生產(chǎn)線現(xiàn)場信息采集與可視化看板、庫存管理與物料配送、現(xiàn)場多余物識別與控制、質(zhì)量信息分析與問題管理、生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)評價與優(yōu)化等，構(gòu)建飛機(jī)移動裝配線數(shù)字化管控平臺，保障飛機(jī)移動裝配線的穩(wěn)定、高效、持續(xù)運(yùn)行，提高飛機(jī)移動裝配線數(shù)字化管控水平（圖8）。

圖4 前機(jī)身與中機(jī)身調(diào)姿對接Fig.4 Attitude adjustment and butt joint of the forward fuselage and the main fuselage

圖5 機(jī)翼與機(jī)身調(diào)姿對接Fig.5 Attitude adjustment and butt joint of wing and fuselage

圖6 自動化制孔設(shè)備和系統(tǒng)Fig.6 Automatic hole making equipment and system

圖7 飛機(jī)裝配自動鉆鉚系統(tǒng)Fig.7 Automatic drill-riveting system for aircraft assembly

圖8 飛機(jī)移動裝配線數(shù)字化管控系統(tǒng)Fig.8 Digital management and control system of aircraft moving assembly line

2 數(shù)字化工藝均衡與仿真優(yōu)化技術(shù)

在可視化生產(chǎn)線建模與仿真基礎(chǔ)上，建立面向可變動產(chǎn)能需求的裝配產(chǎn)能分析方法，研究裝配現(xiàn)場工裝、設(shè)備、產(chǎn)品和人員等資源的快速優(yōu)化配置方法，制定不同節(jié)拍下的裝配工藝最優(yōu)化方案；以站位、資源、工種、人員等協(xié)同作業(yè)影響因素為約束，將現(xiàn)有的串行裝配作業(yè)序列重組為裝配作業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)并行化；根據(jù)飛機(jī)裝配中產(chǎn)品、資源、人員等實(shí)際情況以及裝配線的工作特性，建立裝配作業(yè)工時計算模型，為標(biāo)準(zhǔn)裝配作業(yè)劃分合理的工時；對移動生產(chǎn)線進(jìn)行可靠性和復(fù)雜度分析，根據(jù)裝配生產(chǎn)工藝特性最優(yōu)評估準(zhǔn)則，進(jìn)一步對工藝優(yōu)化提出指導(dǎo)性意見，對減少裝配生產(chǎn)線的故障停線次數(shù)，保證生產(chǎn)過程平順化、增強(qiáng)管理的有序性等有重要意義。數(shù)字化工藝均衡與仿真優(yōu)化技術(shù)路線見圖9。

圖9 工藝均衡與仿真優(yōu)化技術(shù)路線Fig.9 Technical route of process equilibrium and simulation optimization

3 集成在線檢測技術(shù)

飛機(jī)數(shù)字化裝配集成在線檢測技術(shù)面向兩個對象：一是線纜，二是系統(tǒng)功能。綜合計算機(jī)技術(shù)、信號分析與處理技術(shù)以及自動化控制技術(shù)，利用機(jī)上環(huán)境、模擬控制設(shè)備，按照既定程序進(jìn)行相關(guān)檢查試驗，通過合理判斷使檢測過程快速、準(zhǔn)確，從而達(dá)到檢測過程中故障快速診斷、分析和定位，實(shí)現(xiàn)全機(jī)線纜的導(dǎo)通、絕緣檢查、耐壓檢查、總線檢查和故障智能定位，以及機(jī)上航電、機(jī)電、供電、飛控、任務(wù)系統(tǒng)實(shí)時在線功能檢測，達(dá)到線纜、系統(tǒng)功能檢測數(shù)字化、自動化、智能化和一體化，提高檢測效率，降低工作量，減少人為操作差錯和故障，縮短飛機(jī)裝配周期(圖10）。

圖10 飛機(jī)裝配數(shù)字化集成在線檢測系統(tǒng)Fig.10 Digital integrated on-line detection system for aircraft assembly

波音系列民機(jī)、F-35及A380等生產(chǎn)中不同程度地采用了移動裝配生產(chǎn)線（圖11）。將傳統(tǒng)批量裝配生產(chǎn)方式變革為單件流拉動式生產(chǎn)方式，從而大大縮短飛機(jī)總裝時間，降低了飛機(jī)制造成本，提高了裝配質(zhì)量[5-6]。反觀國內(nèi)航空企業(yè)，僅取得了數(shù)字化裝配技術(shù)與關(guān)鍵裝備“點(diǎn)”的突破，結(jié)合新舟系列、新支線客機(jī)、大飛機(jī)等工程，數(shù)字化裝配單元及數(shù)字化移動裝配線正在研究與規(guī)劃（圖12）。

圖11 波音737總裝移動生產(chǎn)線Fig.11 Moving final assembly line of Boeing 737

圖12 大客C919總裝生產(chǎn)線Fig.12 Final assembly line of C919 large passenger aircraft

飛機(jī)裝配智能化技術(shù)

當(dāng)前，以網(wǎng)絡(luò)化智能制造為核心的第四次工業(yè)革命正席卷全球，基于CPS的飛機(jī)智能裝配必將是世界各國爭奪技術(shù)領(lǐng)先的戰(zhàn)略高地[7]。針對現(xiàn)在大部分型號飛機(jī)具有批量少、種類多以及系列化等特點(diǎn)的需求，研究飛機(jī)智能裝配技術(shù)與智能裝配系統(tǒng)必將對飛機(jī)裝配水平的提升以及航空制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展起到極其重要的推動作用。

1 智能裝配特征分析

智能裝配（Intelligent Assembly,IA）是數(shù)字化裝配向更高階段發(fā)展的必然產(chǎn)物。飛機(jī)智能裝配涉及傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，是控制、計算機(jī)、人工智能等多學(xué)科交叉融合的高新技術(shù)[8-9]。通過逐次構(gòu)建智能化的裝配單元、裝配車間，基于信息物理融合系統(tǒng)，進(jìn)行裝配系統(tǒng)的智能感知、實(shí)時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行，完成飛機(jī)裝配過程的智能化，引領(lǐng)飛機(jī)先進(jìn)制造模式的發(fā)展。飛機(jī)智能裝配特征如圖13所示。

（1）智能感知。

基于計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)和激光跟蹤儀與iGPS技術(shù)結(jié)合的智能感知技術(shù)，通過配置各類傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)場人員、設(shè)備、工裝、物料、量具等多類制造要素進(jìn)行全面感知，實(shí)現(xiàn)裝配過程中人與資源的深度互聯(lián)，從而確保裝配過程多源信息的實(shí)時、精確和可靠獲取。智能制造系統(tǒng)的感知互聯(lián)覆蓋全部制造資源以及裝配活動全過程。智能感知是實(shí)現(xiàn)智能裝配的基礎(chǔ)。

（2）實(shí)時分析。

基于云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的實(shí)時分析技術(shù)，對裝配過程中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時檢測、傳輸與分發(fā)、處理與融合等；然后將多源、異構(gòu)、分散的裝配現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用于精準(zhǔn)執(zhí)行和智能決策的可視化制造信息。實(shí)時分析是智能工裝的重要組成部分，對裝配過程的自主決策及精準(zhǔn)執(zhí)行起著決定性的作用。

（3）自主決策。

“智能”是知識和智力的總和，知識是實(shí)現(xiàn)智能的基礎(chǔ)，智力是獲取和運(yùn)用知識求解的能力[9]。智能裝配不僅僅是利用現(xiàn)有的知識庫指導(dǎo)裝配行為，同時具有自學(xué)習(xí)功能，能夠在裝配過程中不斷地充實(shí)知識庫，更重要的是還有搜集與理解制造環(huán)境信息和工裝系統(tǒng)本身的信息，并自行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。

（4）精準(zhǔn)執(zhí)行。

精準(zhǔn)執(zhí)行是實(shí)現(xiàn)智能裝配的最終落腳點(diǎn)，資源的互聯(lián)感知、海量數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與分析、制造過程中的自主決策都是為實(shí)現(xiàn)智能執(zhí)行服務(wù)的。通過傳感器、RFID 等獲取的裝配過程實(shí)時數(shù)據(jù)是精準(zhǔn)執(zhí)行的來源和依據(jù)，裝備運(yùn)行的監(jiān)測控制、裝配過程的調(diào)度優(yōu)化、裝配零件的準(zhǔn)確配送、產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時檢測等是表現(xiàn)形式。裝配過程的精準(zhǔn)執(zhí)行是使裝配過程和裝配系統(tǒng)處于最優(yōu)效能狀態(tài)的保障，是實(shí)現(xiàn)智能裝配的重要體現(xiàn)。

圖13 飛機(jī)智能裝配特征Fig.13 Features of aircraft intelligent assembly

圖14 基于CPS的飛機(jī)裝配智能車間Fig.14 Intelligent workshop for aircraft assembly based on CPS

綜上所述，飛機(jī)裝配首先是要保證裝配準(zhǔn)確度，影響飛機(jī)裝配準(zhǔn)確度的因素主要有裝配對象、工裝狀態(tài)以及環(huán)境信息。飛機(jī)智能裝配，就是通過對各影響因素的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行感知并作出精準(zhǔn)響應(yīng)，保證裝配準(zhǔn)確度，從而提高裝配質(zhì)量和裝配效率。

2 基于CPS的飛機(jī)智能裝配系統(tǒng)

飛機(jī)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、幾何精度和整體性能要求高、制造路線長、多品種小批量等的特點(diǎn)，使得飛機(jī)裝配對工藝裝備的性能與制造過程的跟蹤優(yōu)化以及靈活柔性化生產(chǎn)組織模式等有迫切的需求。飛機(jī)智能裝配的核心是信息物理融合，CPS不僅能支持物理設(shè)備和制造過程的精確控制，而且可以解決信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合問題，以支持裝配系統(tǒng)的智能感知、實(shí)時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行[10-12]。其融合包括兩個維度：

（1）物理資源虛擬化映射：基于統(tǒng)一的模型，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對物理資源進(jìn)行虛擬化封裝和集中統(tǒng)一管理，以支持設(shè)備資源的動態(tài)調(diào)度和動態(tài)監(jiān)控。

（2）信息系統(tǒng)與物理設(shè)備的信息雙向傳遞：信息系統(tǒng)向物理設(shè)備傳遞的信息包括虛擬產(chǎn)品設(shè)計信息（數(shù)字化模型信息、工藝制造信息、NC代碼等）和指令控制信息（對機(jī)器設(shè)備的決策控制信息和優(yōu)化調(diào)整參數(shù)等）；物理設(shè)備向信息系統(tǒng)傳遞的信息包括設(shè)備執(zhí)行狀態(tài)和執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)。

飛機(jī)裝配智能車間將先進(jìn)工藝技術(shù)、先進(jìn)管理理念集成融合到裝配過程，實(shí)現(xiàn)基于知識的裝配過程全面優(yōu)化，基于信息流、物流集成的智能化生產(chǎn)管控，以提高智能裝配單元/車間運(yùn)行效率，提升產(chǎn)品裝配質(zhì)量和效率?；贑PS的飛機(jī)裝配智能車間如圖14所示。

結(jié)束語

本文對數(shù)字化裝配技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了回顧、總結(jié)，介紹了數(shù)字化裝配技術(shù)的典型應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)；分析了智能裝配的基本特征，指出智能感知、實(shí)時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種基于CPS的飛機(jī)智能裝配系統(tǒng)的總體架構(gòu)。深入研究并逐步應(yīng)用飛機(jī)裝配數(shù)字化和智能化技術(shù)，在提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的同時，更能促進(jìn)我國飛機(jī)裝配技術(shù)水平的不斷提高。

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