（西北工業(yè)大學現(xiàn)代設計與集成制造技術教育部重點實驗室，西安 710072）

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

近幾年，我國在C919、ARJ21及其他型號飛機的研制中，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，尤其在飛機數(shù)字化裝配方面，對數(shù)字化三維工藝設計、數(shù)字化協(xié)調(diào)、數(shù)字化檢測、組件數(shù)字化裝配技術及裝備、部件數(shù)字化裝配技術及裝備、飛機總裝數(shù)字化技術及裝備以及移動生產(chǎn)線技術進行了深入研究，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)在飛機生產(chǎn)中廣泛采用數(shù)字化裝配技術，并已形成數(shù)字化移動生產(chǎn)線，大大提高了飛機的裝配質(zhì)量和效率。

縱觀飛機裝配技術的發(fā)展，結合“中國制造2025”制造業(yè)的發(fā)展方向，可以看出飛機裝配技術已經(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，智能制造技術是新的產(chǎn)業(yè)革命的核心技術，代表著未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向。根據(jù)飛機小批量、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，飛機裝配未來的發(fā)展方向將是智能裝配，如圖1所示。

飛機數(shù)字化裝配關鍵技術及應用

飛機數(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)字化測量設備對飛機產(chǎn)品的姿態(tài)進行實時測量，通過數(shù)控定位器組的協(xié)同運動實現(xiàn)對裝配件的入位、調(diào)姿與對接，由數(shù)字化鉆鉚設備實現(xiàn)對組/部件的制孔與連接。這樣，多個單元的協(xié)同工作共同實現(xiàn)飛機產(chǎn)品的定位、調(diào)姿、制孔、連接等工藝過程[1]。飛機數(shù)字化裝配關鍵技術主要包括數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與仿真技術、數(shù)字化定位與調(diào)姿控制技術、自動化制孔與連接技術。

1 數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃與仿真技術

飛機數(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)通過由三維設計模型生成的車間工作指導書為作業(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)了飛機三維數(shù)字化設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，成功構建了“數(shù)字化裝配工藝設計和仿真系統(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

飛機數(shù)字化定位與調(diào)姿控制技術指針對飛機產(chǎn)品結構特點、定位要求，借助數(shù)字化測量、控制設備或系統(tǒng)進行飛機零部件準確定位。飛機數(shù)字化定位與調(diào)姿控制系統(tǒng)（圖3）主要包括機械隨動定位裝置、數(shù)字化測量單元、定位誤差分析與補償單元、集成控制單元。在控制機械隨動裝置進行零部件定位的同時，數(shù)字化測量單元對零部件運行狀態(tài)實時測量并采集數(shù)據(jù)，定位誤差分析與補償單元將這些數(shù)據(jù)進行轉換運算，并與裝配工藝設計信息中裝配工藝數(shù)據(jù)進行比較，生成定位補償數(shù)據(jù)，返回到集成控制單元，對零件進行定位補償。如此迭代，直至飛機產(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

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

自動化連接采用先進連接技術，如干涉配合鉚接、電磁鉚接、新型緊固件、孔擠壓強化等提高連接結構抗疲勞性能與可靠性，減輕結構重量。自動化連接設備能顯著提高工作效率及連接質(zhì)量的穩(wěn)定性。隨著科學技術的迅速發(fā)展，數(shù)字化制孔連接裝備由原來結構簡單、功能單一的數(shù)控機床發(fā)展成為裝配工裝與制孔連接設備從結構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 飛機裝配技術的發(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

按照飛機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)由專門的小組進行專項生產(chǎn)，完成裝配任務。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，飛機始終以平穩(wěn)的速度在裝配線上移動。飛機移動裝配線的關鍵技術主要包括數(shù)字化管控技術、數(shù)字化工藝均衡與仿真優(yōu)化技術、數(shù)字化集成在線檢測技術。

1 移動裝配線數(shù)字化管控技術

以拉動式精益生產(chǎn)模式為引導，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)線運行狀態(tài)評價與優(yōu)化等，構建飛機移動裝配線數(shù)字化管控平臺，保障飛機移動裝配線的穩(wěn)定、高效、持續(xù)運行，提高飛機移動裝配線數(shù)字化管控水平（圖8）。

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

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

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

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

圖8 飛機移動裝配線數(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

在可視化生產(chǎn)線建模與仿真基礎上，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，實現(xiàn)裝配作業(yè)并行化；根據(jù)飛機裝配中產(chǎn)品、資源、人員等實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，為標準裝配作業(yè)劃分合理的工時；對移動生產(chǎn)線進行可靠性和復雜度分析，根據(jù)裝配生產(chǎn)工藝特性最優(yōu)評估準則，進一步對工藝優(yōu)化提出指導性意見，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)化技術路線見圖9。

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

3 集成在線檢測技術

飛機數(shù)字化裝配集成在線檢測技術面向兩個對象：一是線纜，二是系統(tǒng)功能。綜合計算機技術、信號分析與處理技術以及自動化控制技術，利用機上環(huán)境、模擬控制設備，按照既定程序進行相關檢查試驗，通過合理判斷使檢測過程快速、準確，從而達到檢測過程中故障快速診斷、分析和定位，實現(xiàn)全機線纜的導通、絕緣檢查、耐壓檢查、總線檢查和故障智能定位，以及機上航電、機電、供電、飛控、任務系統(tǒng)實時在線功能檢測，達到線纜、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，縮短飛機裝配周期(圖10）。

圖10 飛機裝配數(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、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，從而大大縮短飛機總裝時間，降低了飛機制造成本，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)字化裝配技術與關鍵裝備“點”的突破，結合新舟系列、新支線客機、大飛機等工程，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

飛機裝配智能化技術

當前，以網(wǎng)絡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的飛機智能裝配必將是世界各國爭奪技術領先的戰(zhàn)略高地[7]。針對現(xiàn)在大部分型號飛機具有批量少、種類多以及系列化等特點的需求，研究飛機智能裝配技術與智能裝配系統(tǒng)必將對飛機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。飛機智能裝配涉及傳感器技術、網(wǎng)絡技術、自動化技術等先進技術，是控制、計算機、人工智能等多學科交叉融合的高新技術[8-9]。通過逐次構建智能化的裝配單元、裝配車間，基于信息物理融合系統(tǒng)，進行裝配系統(tǒng)的智能感知、實時分析、自主決策和精準執(zhí)行，完成飛機裝配過程的智能化，引領飛機先進制造模式的發(fā)展。飛機智能裝配特征如圖13所示。

（1）智能感知。

基于計算機技術、傳感器技術、RFID（Radio Frequency Identification）技術和激光跟蹤儀與iGPS技術結合的智能感知技術，通過配置各類傳感器和無線網(wǎng)絡，對現(xiàn)場人員、設備、工裝、物料、量具等多類制造要素進行全面感知，實現(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。智能感知是實現(xiàn)智能裝配的基礎。

（2）實時分析。

基于云計算、大數(shù)據(jù)技術的實時分析技術，對裝配過程中的海量數(shù)據(jù)進行實時檢測、傳輸與分發(fā)、處理與融合等；然后將多源、異構、分散的裝配現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉化為可用于精準執(zhí)行和智能決策的可視化制造信息。實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，知識是實現(xiàn)智能的基礎，智力是獲取和運用知識求解的能力[9]。智能裝配不僅僅是利用現(xiàn)有的知識庫指導裝配行為，同時具有自學習功能，能夠在裝配過程中不斷地充實知識庫，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）精準執(zhí)行。

精準執(zhí)行是實現(xiàn)智能裝配的最終落腳點，資源的互聯(lián)感知、海量數(shù)據(jù)的實時采集與分析、制造過程中的自主決策都是為實現(xiàn)智能執(zhí)行服務的。通過傳感器、RFID 等獲取的裝配過程實時數(shù)據(jù)是精準執(zhí)行的來源和依據(jù)，裝備運行的監(jiān)測控制、裝配過程的調(diào)度優(yōu)化、裝配零件的準確配送、產(chǎn)品質(zhì)量的實時檢測等是表現(xiàn)形式。裝配過程的精準執(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，是實現(xiàn)智能裝配的重要體現(xiàn)。

圖13 飛機智能裝配特征Fig.13 Features of aircraft intelligent assembly

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

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

2 基于CPS的飛機智能裝配系統(tǒng)

飛機部件結構復雜、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，使得飛機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。飛機智能裝配的核心是信息物理融合，CPS不僅能支持物理設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、實時分析、自主決策和精準執(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，對物理資源進行虛擬化封裝和集中統(tǒng)一管理，以支持設備資源的動態(tài)調(diào)度和動態(tài)監(jiān)控。

（2）信息系統(tǒng)與物理設備的信息雙向傳遞：信息系統(tǒng)向物理設備傳遞的信息包括虛擬產(chǎn)品設計信息（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（對機器設備的決策控制信息和優(yōu)化調(diào)整參數(shù)等）；物理設備向信息系統(tǒng)傳遞的信息包括設備執(zhí)行狀態(tài)和執(zhí)行結果數(shù)據(jù)。

飛機裝配智能車間將先進工藝技術、先進管理理念集成融合到裝配過程，實現(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/車間運行效率，提升產(chǎn)品裝配質(zhì)量和效率?；贑PS的飛機裝配智能車間如圖14所示。

結束語

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

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