武 鵬，張一哲，聞敬謙，王春陽(yáng)，高 佩

（1.航空工業(yè)江西洪都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，南昌 330001；2. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081）

線束是由導(dǎo)線、端子、絕緣護(hù)套和絕緣捆扎材料按一定設(shè)計(jì)要求裝配而成的一種接線部件，在各電氣系統(tǒng)間起著傳遞電力與信號(hào)的作用。線束的可靠性直接影響到系統(tǒng)的可靠性，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由線纜類(lèi)零件引發(fā)的故障約占某型號(hào)產(chǎn)品總故障率的20%[1]。

經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，航空企業(yè)逐步建立起以產(chǎn)品數(shù)字化模型、數(shù)字化協(xié)同和業(yè)務(wù)過(guò)程集成的先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)制造體系，有效提高了企業(yè)的研制水平。當(dāng)前制造業(yè)正開(kāi)展向智能化發(fā)展的變革，利用信息、網(wǎng)絡(luò)、傳感等技術(shù)將數(shù)字化模型與實(shí)物產(chǎn)品制造進(jìn)行深度融合，數(shù)字及智能化的制造和生產(chǎn)將成為未來(lái)的發(fā)展方向[2]。線束產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、裝配技術(shù)相關(guān)研究已取得豐碩成果，但受生產(chǎn)模式的限制，航空線束產(chǎn)品制造過(guò)程的自動(dòng)化、數(shù)字化程度不夠，基于模型的制造技術(shù)尚不成熟，產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和實(shí)物制造水平間存在落差，與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)還存在較大差距。

本文對(duì)航空線束制造現(xiàn)狀開(kāi)展分析，提出制約數(shù)字化制造的關(guān)鍵問(wèn)題，并結(jié)合航空產(chǎn)品生產(chǎn)方式從工藝方法、軟件系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備幾方面給出加強(qiáng)航空線束的數(shù)字化建設(shè)的解決方法，以提升生產(chǎn)柔性和快速響應(yīng)能力，促進(jìn)航空線束實(shí)現(xiàn)智能化制造。

1 研究現(xiàn)狀

區(qū)別于剛性實(shí)體，線纜具有柔性可變的物性特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從線束的數(shù)學(xué)建模、布局設(shè)計(jì)、裝配仿真與故障檢測(cè)幾個(gè)方面開(kāi)展了相關(guān)的研究，實(shí)現(xiàn)了線纜的數(shù)字化設(shè)計(jì)。

針對(duì)柔性線束在裝配規(guī)劃中的空間位姿和干涉碰撞問(wèn)題，專(zhuān)家學(xué)者建立了線束的幾何模型和物理模型：德國(guó)學(xué)者Loock等[3]于2001年提出的質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型、北京理工大學(xué)劉檢華等[4]提出的彈性細(xì)桿模型、中國(guó)工程物理研究所的魏發(fā)遠(yuǎn)等[5]提出的蛇形機(jī)器人模型、美國(guó)學(xué)者Ardelean等[6]建立的基于航天器線纜動(dòng)態(tài)特性的有限元模型等，這些實(shí)體模型表達(dá)了線束的幾何形態(tài)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理特性信息。

在商用軟件方面，主流建模軟件提供線纜的三維建模工具，如Pro/E平臺(tái)的Pro/CABLING，UG平臺(tái)的UG/Wiring[7]，CATIA平臺(tái)的ECR（Electrical Cableway Routing），以便于確定線纜在運(yùn)載設(shè)備上的走線路徑、結(jié)構(gòu)分支、卡緊位置和實(shí)際長(zhǎng)度等信息，在布線算法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面，Park等[8]開(kāi)發(fā)了一種多agent系統(tǒng)，Conru和Cutkosky[9]在其基礎(chǔ)上整理出一整套算法實(shí)現(xiàn)線束自動(dòng)化布局，Petrie等[10]開(kāi)發(fā)了一套基于協(xié)同的布線設(shè)計(jì)工具“Next-Link”，Cerezuela等[11]開(kāi)發(fā)了基于概念知識(shí)的線束輔助設(shè)計(jì)決策支持系統(tǒng)，以及在虛擬樣機(jī)中進(jìn)行沉浸式人機(jī)交互布線設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)研究。此外，專(zhuān)業(yè)的線纜設(shè)計(jì)工具，如Mentor公司的CHS軟件實(shí)現(xiàn)了線纜的電氣邏輯設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工藝文件生成等功能。

以上研究和軟件從線纜的物性建模、布局算法以及電氣設(shè)計(jì)等方面為線纜數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了有力的方法和工具支持。但相關(guān)模型對(duì)實(shí)際線纜進(jìn)行了簡(jiǎn)化，數(shù)字樣機(jī)中測(cè)量的精度不足，實(shí)際布線環(huán)境中仍需對(duì)模擬獲得的參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。另一方面，針對(duì)航空線束實(shí)物制造的研究較少，當(dāng)前航空線纜生產(chǎn)過(guò)程中缺乏對(duì)加工數(shù)據(jù)的有效采集，工人在手工制造時(shí)偏向于留出較大余量，造成航空線束數(shù)字化設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)相脫節(jié)，難以發(fā)揮數(shù)字化制造能力。

2 航空線束制造能力瓶頸分析

我國(guó)航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)管理等方面取得了良好成效，形成了信息化的基礎(chǔ)環(huán)境。但航空產(chǎn)品由于單件小批量生產(chǎn)模式的限制，難以大規(guī)模利用設(shè)備建立自動(dòng)化生產(chǎn)流程。而且線束作為電子設(shè)備傳遞信號(hào)的神經(jīng)系統(tǒng)和輸送電力的血液系統(tǒng)，更是具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)變更頻繁的特點(diǎn)，相關(guān)零部件也有型號(hào)匹配要求?，F(xiàn)有的線纜加工設(shè)備主要為大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)計(jì)，無(wú)法滿(mǎn)足航空線束對(duì)生產(chǎn)的高柔性要求，航空線束長(zhǎng)期以來(lái)主要采用手工方式進(jìn)行加工和制造。

航空線束工藝流程主要可分為生產(chǎn)準(zhǔn)備、布線、端接3個(gè)階段。航空線束結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只有在完成布線并捆扎后才能對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行端接處理，包括導(dǎo)線剪齊、套標(biāo)識(shí)、死接頭處理、屏蔽處理、接觸偶?jí)航雍碗娺B接器插接等工作。生產(chǎn)準(zhǔn)備階段采用激光印字機(jī)在導(dǎo)線絕緣層打印導(dǎo)線編號(hào)，但生產(chǎn)過(guò)程中仍需要人工進(jìn)行識(shí)別每根導(dǎo)線信息，依據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行制造，相關(guān)設(shè)備難以獲取導(dǎo)線信息，而依賴(lài)人工調(diào)整設(shè)備參數(shù)無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)效率要求。航空線束制造水平不高主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）設(shè)備利用率低。

現(xiàn)有的自動(dòng)剝線機(jī)、端子壓接機(jī)等設(shè)備按照設(shè)定的參數(shù)工作，需人工識(shí)別導(dǎo)線、查閱作業(yè)指導(dǎo)書(shū)后調(diào)整設(shè)備參數(shù)，復(fù)雜的操作過(guò)程導(dǎo)致設(shè)備難以利用。

（2）制造信息難以采集。

當(dāng)前制造過(guò)程中實(shí)物導(dǎo)線的識(shí)別、加工方式的確定均需人工參與，導(dǎo)致加工人員的作業(yè)負(fù)荷較大，難以及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行信息采集，不利于生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量依賴(lài)于個(gè)人。

線纜的柔性特點(diǎn)決定其長(zhǎng)度、齊整度、壓機(jī)質(zhì)量等加工特性不易于檢測(cè)，因此，手工制造為主的加工方式下產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性很大程度上依賴(lài)于加工人員的水平、經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心。

（4）設(shè)計(jì)與制造脫節(jié)。

盡管設(shè)計(jì)階段應(yīng)用專(zhuān)業(yè)軟件建立了線束的數(shù)字化模型，但到生產(chǎn)環(huán)節(jié)仍需轉(zhuǎn)化為工人易于理解的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)發(fā)生更改不能及時(shí)傳遞到制造環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過(guò)程信息也無(wú)法反饋設(shè)計(jì)，難以適應(yīng)當(dāng)前多型號(hào)快速研制的需求。

導(dǎo)致上述現(xiàn)象的根本原因是生產(chǎn)過(guò)程中信息的紙質(zhì)傳遞和以手工為主的加工方式，而當(dāng)前航空企業(yè)面臨著多種型號(hào)敏捷研制的挑戰(zhàn)，航空線束制造迫切需要應(yīng)用加工設(shè)備以提高生產(chǎn)能力，如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化、自動(dòng)化已成為制約航空線束提高制造能力的瓶頸。

3 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造面臨的問(wèn)題

大規(guī)模生產(chǎn)模式下，導(dǎo)線按工序、規(guī)格集中完成加工，相關(guān)的設(shè)備更偏向于提高生產(chǎn)效率。以汽車(chē)線纜為例，采用流水線形式進(jìn)行生產(chǎn)，各工序?qū)I(yè)化程度高，切線、焊接、端子壓接等均有專(zhuān)用設(shè)備，每個(gè)設(shè)備可連續(xù)完成大量導(dǎo)線的加工，相對(duì)更換導(dǎo)線、調(diào)整參數(shù)所占時(shí)間較少，因此設(shè)備均獨(dú)立工作。

航空產(chǎn)品采用單架小批量生產(chǎn)模式，但航空線束包含的導(dǎo)線數(shù)量巨大、種類(lèi)繁雜，一架商用噴氣式寬體飛機(jī)的連接線總長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)了150km，一架直升飛機(jī)的電氣系統(tǒng)平均有兩萬(wàn)條連接線，不僅工作強(qiáng)度大而且要求更為嚴(yán)格。另一方面，航空線束涉及多種規(guī)格導(dǎo)線，不同規(guī)格、不同端點(diǎn)的加工要求不同，導(dǎo)線在布線、端接等工序中的加工順序可互換，生產(chǎn)過(guò)程具有高柔性要求，當(dāng)前自動(dòng)切線機(jī)、激光印字機(jī)、剝線機(jī)等專(zhuān)業(yè)化線束加工設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足制造的柔性要求。

對(duì)比大規(guī)模生產(chǎn)模式，航空線纜工藝參數(shù)變化大、加工復(fù)雜程度高，利用自動(dòng)化的加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造主要面臨以下問(wèn)題：

（1）加工實(shí)物的標(biāo)識(shí)問(wèn)題。航空線束制造過(guò)程的柔性要求相關(guān)設(shè)備根據(jù)被加工對(duì)象調(diào)整參數(shù)，首先需要對(duì)被加工的實(shí)物進(jìn)行有效的標(biāo)識(shí)，以便于設(shè)備能夠識(shí)別；

（2）加工設(shè)備的制造柔性問(wèn)題。相關(guān)的專(zhuān)業(yè)設(shè)備應(yīng)能夠識(shí)別被加工對(duì)象，獲取相應(yīng)的制造信息并調(diào)整其參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)針對(duì)加工對(duì)象的柔性化制造；

（3）面向人機(jī)協(xié)同的工藝改進(jìn)問(wèn)題。應(yīng)用專(zhuān)業(yè)化加工設(shè)備需要對(duì)當(dāng)前面向人工作業(yè)方式的工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，綜合考慮人—機(jī)協(xié)同進(jìn)行工作的特點(diǎn)，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足人員和設(shè)備的操作需求；

（4）工藝信息的精細(xì)化服務(wù)問(wèn)題。柔性制造要求針對(duì)不同的加工設(shè)備、不同加工對(duì)象和不同加工要求及時(shí)提供工藝信息，實(shí)現(xiàn)工藝信息的實(shí)時(shí)在線精準(zhǔn)服務(wù)。

綜合以上分析，實(shí)現(xiàn)航空線束的數(shù)字化制造需綜合考慮工藝方法、加工技術(shù)、設(shè)備能力以及管理方式，其中，被加工實(shí)物的標(biāo)識(shí)和識(shí)別是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化柔性制造的基礎(chǔ)。實(shí)物標(biāo)識(shí)既要有利于人工操作又要便于設(shè)備識(shí)別和利用，同時(shí)也是被加工對(duì)象與加工信息的聯(lián)系紐帶，直接影響到信息服務(wù)方式和軟件系統(tǒng)的架構(gòu)。

4 航空線束數(shù)字化制造系統(tǒng)框架

根據(jù)以上分析，針對(duì)單件小批的生產(chǎn)方式和敏捷柔性的生產(chǎn)特點(diǎn)，航空線束制造需結(jié)合傳感技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)，從硬件設(shè)備、產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過(guò)程管控3方面綜合開(kāi)展數(shù)字化制造建設(shè)，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 航空線束數(shù)字化制造總體框架Fig.1 Framework for digital manufacturing of aircraft wire harness

航空線束數(shù)字化框架主要從以下3方面解決當(dāng)前制造面臨的問(wèn)題：

（1）統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。以電氣邏輯信息和數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)構(gòu)建航空線束產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，附加面向制造和檢測(cè)的工藝信息以及制造信息，形成統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。

（2）輔助加工設(shè)備的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)導(dǎo)線增加線卡的方式對(duì)實(shí)物進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造以便能夠識(shí)別導(dǎo)線相關(guān)信息，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輔助布線和檢測(cè)。

（3）信息系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)。利用物聯(lián)感知技術(shù)獲得加工過(guò)程數(shù)據(jù)，采用工作流技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的透明化，實(shí)時(shí)推送物料、工具信息。

4.1 統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型

航空線束由導(dǎo)線與電連接器等元器件構(gòu)成，其中導(dǎo)線是信號(hào)和能量傳輸?shù)妮d體，根據(jù)其包含的芯線數(shù)目及功能可分為單芯線、多芯線、雙絞線、引出線、屏蔽線等多種類(lèi)型；電連接器是用來(lái)連接兩個(gè)有源設(shè)備的元器件，可分為電連接器及尾附件兩個(gè)相互匹配的部件；另外，依附于線束或電連接器，還有起標(biāo)識(shí)、固定或保護(hù)作用的附屬件，如標(biāo)識(shí)套管、焊錫環(huán)、卡箍等。

分析線束的組成結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)間的從屬、匹配、連通關(guān)系，可以獲得線束本體的主要概念，如端子、電連接器、后附件、接觸偶、導(dǎo)線、單芯線、多芯線、屏蔽線、引出線、焊錫環(huán)、死接頭、標(biāo)識(shí)套管等，建立航空線束產(chǎn)品的本體模型，對(duì)線束的組成、結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系及加工約束進(jìn)行描述，以便于設(shè)計(jì)、工藝以及制造等不同系統(tǒng)的應(yīng)用和交互。

以航空線束領(lǐng)域本體為基礎(chǔ)，可將工藝知識(shí)和制造約束以規(guī)則的形式進(jìn)行語(yǔ)義化描述，實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則推理的輔助工藝決策，促進(jìn)知識(shí)的共享與復(fù)用。

4.2 輔助加工設(shè)備的應(yīng)用

航空線束結(jié)構(gòu)復(fù)雜、連接關(guān)系眾多，布線工藝需要結(jié)合線束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣連接關(guān)系進(jìn)行制造，往往需多人合作進(jìn)行相關(guān)信息和被加工物的敷設(shè)。為提高信息利用效率，以導(dǎo)線的標(biāo)記和識(shí)別為基礎(chǔ)，建立人、機(jī)、物、信息相融合的數(shù)字化布線流程。

如圖2所示，通過(guò)在待加工的導(dǎo)線上加裝印有條碼的卡線器作為該導(dǎo)線的標(biāo)識(shí)，以此建立與線號(hào)、連接關(guān)系等信息的關(guān)聯(lián)，并在布線工序中利用改進(jìn)的光電輔助布線板顯示待加工的導(dǎo)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

數(shù)字化布線流程中操作人員不再需要讀取紙質(zhì)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，按照輔助布線板提示信息即可完成布線，有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化制造。

4.3 信息系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)

基于工作流技術(shù)對(duì)航空線束工藝流程進(jìn)行建模，利用事件將業(yè)務(wù)活動(dòng)的執(zhí)行人、輸入輸出信息、消耗資源和工序流程關(guān)聯(lián)起來(lái)，以流程任務(wù)驅(qū)動(dòng)工序過(guò)程，并完成相關(guān)信息的采集?；诠ぷ髁鞯纳a(chǎn)過(guò)程管理如圖3所示，由工長(zhǎng)啟動(dòng)生產(chǎn)流程后，相關(guān)生產(chǎn)人員依次完成領(lǐng)料、劃線、端接和導(dǎo)通測(cè)試的工序。

通過(guò)建立線束制造過(guò)程的工作流模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)架次相關(guān)的線束制造過(guò)程可視化管控，便于實(shí)時(shí)掌握線束生產(chǎn)進(jìn)度。

圖2 航空線束數(shù)字化布線流程Fig.2 Aircraft wire harness digital routing process

圖3 工作流驅(qū)動(dòng)的航空線束生產(chǎn)過(guò)程管理Fig.3 Process management of aircraft wire harness production driven by workflow

5 結(jié)論

近幾年我國(guó)航空制造業(yè)大力推行數(shù)字化工程，在一定程度上取得了良好的效果，促進(jìn)了生產(chǎn)水平的提高和相關(guān)技術(shù)的提升。航空線束涉及電氣和機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域，生產(chǎn)以手工方式為主，數(shù)字化和自動(dòng)化水平較低，本文對(duì)線纜產(chǎn)品數(shù)據(jù)建模以及制造過(guò)程數(shù)字化進(jìn)行了探討，給出了軟件系統(tǒng)結(jié)合硬件支持的解決方案，對(duì)于開(kāi)展柔性線纜的智能制造提供可行的工程途徑。

參 考 文 獻(xiàn)

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