張尚安 張力民

摘 要：隨著數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，使飛機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)發(fā)生了觀念性的改變，同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)了航空企業(yè)管理體制、飛機(jī)研制模式的一系列變革。特別是近年來(lái)，數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)在裝配協(xié)調(diào)、裝配過(guò)程設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，使得航空產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、質(zhì)量得到了明顯的提高，進(jìn)一步提升了企業(yè)的綜合效力和競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字量；裝配協(xié)調(diào)；裝配過(guò)程

中圖分類(lèi)號(hào)：V271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0054-02

1 國(guó)內(nèi)外飛機(jī)裝配技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)的飛機(jī)裝配雖然在局部上采用了數(shù)字化的技術(shù)：零件制造部分應(yīng)用了數(shù)控加工與數(shù)字化測(cè)量。部件裝配部分采用數(shù)字化設(shè)計(jì)裝配工裝，并采用數(shù)字化制造及安裝。大部件對(duì)接采用數(shù)控定位器及機(jī)器人，大大提高了飛機(jī)制造效率與質(zhì)量，但與波音、空客等著名航空企業(yè)相比，仍然存在巨大差距。主要表現(xiàn)在：

（1）上述技術(shù)體系不健全，應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累不足，另外我國(guó)飛機(jī)研制進(jìn)度急，行政指揮權(quán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于技術(shù)指揮，同時(shí)先期投入不夠，導(dǎo)致成熟經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用大于技術(shù)創(chuàng)新，手工作仍然占有較大比例；（2）飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造雖然采用了聯(lián)合并行工作，但設(shè)計(jì)、制造等部門(mén)相對(duì)獨(dú)立，制造管理模式未實(shí)現(xiàn)根本轉(zhuǎn)變；（3）數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用不徹底，工程信息沒(méi)有全面采用數(shù)字化定義，且相應(yīng)的工藝信息沒(méi)有及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)部門(mén)，未形成完整的、廣泛的產(chǎn)品數(shù)字化定義，還未實(shí)現(xiàn)面向制造及裝配的飛機(jī)設(shè)計(jì)；（4）在裝配協(xié)調(diào)技術(shù)方面，雖然也采用了數(shù)字化量協(xié)調(diào)，用協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集或三維數(shù)摸直接用于裝配協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，但模線-樣板法等模擬量的裝配協(xié)調(diào)依然大量存在，特別是飛機(jī)改型，如在有協(xié)調(diào)要求的結(jié)構(gòu)件上，部分機(jī)加件依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)模采用數(shù)控設(shè)備加工，零件制造質(zhì)量好，而與之相協(xié)調(diào)的鈑金零件依然按照模線樣板、樣件等傳統(tǒng)方法協(xié)調(diào)，這樣協(xié)調(diào)路徑長(zhǎng)、工藝裝備數(shù)量多，且鈑金零件制造準(zhǔn)確度差，進(jìn)而使得裝配時(shí)互換協(xié)調(diào)性難以保證；

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代后期，以美國(guó)波音公司、洛克希德·馬丁公司和歐洲空客公司等為代表的先進(jìn)飛機(jī)制造公司均開(kāi)始使用數(shù)字化裝配技術(shù)。波音787、空客A380等新型民機(jī)的生產(chǎn)研制過(guò)程，充分體現(xiàn)了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家飛機(jī)制造過(guò)程中數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)的F35采用了基于AR技術(shù)和人機(jī)工程的數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)仿真技術(shù)，采用了先進(jìn)的測(cè)量手段，保證測(cè)量結(jié)果的精確度。各型號(hào)飛機(jī)依據(jù)精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果和數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)仿真裝配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)裝配誤差精準(zhǔn)控制和大部件對(duì)接的精準(zhǔn)控形。

以波音、空客為代表的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、協(xié)調(diào)、裝配、對(duì)接已經(jīng)成熟應(yīng)用到多種飛機(jī)的研制過(guò)程中，與傳統(tǒng)飛機(jī)研制表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)。經(jīng)研究了解，這些企業(yè)在數(shù)字化制造、裝配協(xié)調(diào)技術(shù)方面采取了有效的技術(shù)實(shí)施路徑與可靠措施：

設(shè)計(jì)制造一體化程度高，完全打破傳統(tǒng)串行工作模式為并行工作模式。

三維設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造及測(cè)量技術(shù)全面應(yīng)用，過(guò)程仿真穿插在整個(gè)研制流程中。

基于唯一數(shù)據(jù)源，進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)與信息提取應(yīng)用，保證飛機(jī)數(shù)據(jù)的一直性、正確性及可利用性。

自動(dòng)化設(shè)備、數(shù)字化測(cè)量、基點(diǎn)一體化工裝大量應(yīng)用，有效保障了飛機(jī)制造效率及實(shí)物質(zhì)量。

飛機(jī)裝配協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)大量采用數(shù)字量，減少協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)化誤差積累，裝配過(guò)程盡量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，減少人為因素。

形成了較為完備的數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)體系，保障了飛機(jī)研制、批產(chǎn)及改進(jìn)的有效進(jìn)行。

綜上：數(shù)字化（設(shè)計(jì)、制造、協(xié)調(diào)、裝配及對(duì)接）技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)是過(guò)程執(zhí)行、控制，充分應(yīng)用虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行防差錯(cuò)設(shè)計(jì)，有效利用數(shù)字化工裝設(shè)備、采用數(shù)字化的測(cè)量手段，依托完整有效的技術(shù)與管理規(guī)范體系，保障飛機(jī)研制全過(guò)程的高消、可控。

2 數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)應(yīng)用研究?jī)?nèi)容

2.1 建立產(chǎn)品的數(shù)字化定義

在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，由設(shè)計(jì)部門(mén)構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)據(jù)集即飛機(jī)理論外形、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)全機(jī)數(shù)字化定義，產(chǎn)品完整的數(shù)字化定義由三維數(shù)模3D、輔以技術(shù)文件、結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)等組成，其內(nèi)容不僅包括產(chǎn)品外形、結(jié)構(gòu)形狀、相對(duì)位置、連接形式等幾何信息和制造公差、熱表處理等信息的定義，同時(shí)還包括零組件的裝配關(guān)系、材料、尺寸、裝機(jī)數(shù)量等數(shù)據(jù)定義。

2.2 建立面向制造裝配的并行工程定義

所有飛機(jī)裝配應(yīng)以3D為基準(zhǔn)，從仿真預(yù)先裝配（Digital Pre-Assembly，DPA）開(kāi)展，在面向飛機(jī)裝配的設(shè)計(jì)（Design For Assembly，DFA）和應(yīng)用分析場(chǎng)景中，規(guī)劃實(shí)施關(guān)鍵工作：統(tǒng)一產(chǎn)品定義系統(tǒng)、早期工藝規(guī)劃、裝配流程及運(yùn)動(dòng)模擬、裝配可行性分析、數(shù)字化預(yù)裝配、數(shù)字化質(zhì)量保證。

設(shè)計(jì)階段，工藝提早介入，進(jìn)行并行產(chǎn)品數(shù)字化定義。并行工作期間，工藝將定位孔、裝配協(xié)調(diào)孔、裝配對(duì)零件狀態(tài)要求等工藝信息要提供給設(shè)計(jì)，由設(shè)計(jì)部門(mén)將上述工藝信息納入設(shè)計(jì)模型，建立產(chǎn)品廣泛的、完整的數(shù)字化定義，確保飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的完整性、一致性及準(zhǔn)確性。

在產(chǎn)品數(shù)字化定義時(shí)，還要完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝性分析、數(shù)字化預(yù)裝配、產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)軌跡模擬、數(shù)字化裝配過(guò)程設(shè)計(jì)（Digital Assembly Sequence，DAS）以及數(shù)字化工藝裝備定義（Digital Tool Definition，DTD）等工作。而預(yù)裝配、模擬產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)軌跡、裝配過(guò)程設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行干涉檢查，同時(shí)還可以檢查產(chǎn)品的可裝配性，因此，實(shí)現(xiàn)并行產(chǎn)品數(shù)字化定義將能提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可預(yù)防由于工程更改造成的工藝、生產(chǎn)更改，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短裝配周期，降低生產(chǎn)成本，更好地提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3 建章立制，規(guī)范工作環(huán)境、工作流程

（1）構(gòu)建共享共用的聯(lián)合協(xié)同工作平臺(tái)。構(gòu)建共享共用的聯(lián)合協(xié)同工作平臺(tái)，滿足設(shè)計(jì)、工裝、零件制造與飛機(jī)裝配工藝等工作使用需求。確保工程設(shè)計(jì)與制造工藝的工作環(huán)境同意，方便各工作單位的協(xié)同與溝通，在統(tǒng)一坐標(biāo)系下進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配并模擬產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)軌跡。（2）規(guī)范飛機(jī)產(chǎn)品構(gòu)型管理與控制。針對(duì)基本型飛機(jī)產(chǎn)品的客戶化改進(jìn)、改型，滿足通用產(chǎn)品的重復(fù)利用，應(yīng)該由工程設(shè)計(jì)部門(mén)規(guī)劃全系產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)行有效飛機(jī)產(chǎn)品構(gòu)型配置管理，滿足飛機(jī)單機(jī)狀態(tài)管理。對(duì)于更改部分，及時(shí)將更改信息進(jìn)行發(fā)布，同時(shí)在部件裝配之前，通過(guò)協(xié)同工作環(huán)境提供單機(jī)工程零組件結(jié)構(gòu)清單及有效設(shè)計(jì)文檔等工程信息。（3）規(guī)劃實(shí)施高效的工作管理規(guī)范制度。各有關(guān)單位的工作應(yīng)在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)管理規(guī)范下運(yùn)行，形成規(guī)范、有效及可控的工作流程機(jī)制，包括定義審簽、控制標(biāo)準(zhǔn)及流程，實(shí)現(xiàn)流程驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、制造實(shí)施工作機(jī)制，及時(shí)將裝配過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題反饋給設(shè)計(jì)、零件制造單位以及相關(guān)業(yè)務(wù)部門(mén)，滿足工作流程的啟動(dòng)、實(shí)施及封閉循環(huán)。

2.4 數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)

飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，零組件數(shù)量多，裝配過(guò)程協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)多，為保證飛機(jī)產(chǎn)品裝配的準(zhǔn)確性和裝配協(xié)調(diào)互換性，在裝配制造過(guò)程中需要采用相應(yīng)的裝配協(xié)調(diào)技術(shù)和方法以及大量的工藝裝備。

2.4.1 傳統(tǒng)的裝配協(xié)調(diào)方法

飛機(jī)制造業(yè)傳統(tǒng)的裝配協(xié)調(diào)方法采用模擬量傳遞，即以飛機(jī)理論外形為基準(zhǔn)，繪制理論模線、結(jié)構(gòu)模線，再以模線為依據(jù)設(shè)計(jì)制造外形樣板、標(biāo)準(zhǔn)樣件、局部樣件等，以此作為零件制造工裝、裝配型架、檢驗(yàn)工裝等的制造依據(jù)，最后加工零件，完成飛機(jī)零組件裝配。整個(gè)協(xié)調(diào)制造過(guò)程中采用相互聯(lián)系的制造原則，通過(guò)模線、樣件、樣板、過(guò)渡模等實(shí)物模擬量來(lái)傳遞產(chǎn)品的形狀、尺寸和相對(duì)位置，以獲得工藝裝備之間、零組件與工藝裝備之間、零組件之間的協(xié)調(diào)性和互換性。

2.4.2 數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)

飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用CAD技術(shù)，設(shè)計(jì)部門(mén)建立飛機(jī)幾何模型，形成工程數(shù)據(jù)集，同時(shí)飛機(jī)制造采用CAM技術(shù)，這就出現(xiàn)了以飛機(jī)理論外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等模型為原始依據(jù)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)。這種協(xié)調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)是應(yīng)用獨(dú)立制造原則，將統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)集直接傳遞給數(shù)控設(shè)備，工藝裝備、零組件采用數(shù)控加工、數(shù)字化檢測(cè)，裝配采用數(shù)字化定位調(diào)整及檢測(cè)確認(rèn)，大大減少了過(guò)程轉(zhuǎn)換，提高了制造裝配一致性及工作效率。

2.5 裝配過(guò)程優(yōu)化

通過(guò)并行工程，對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品各部件進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配，即基于模型定義MBD（Model Based Definition）的基礎(chǔ)上實(shí)施虛擬裝配仿真的過(guò)程。數(shù)字化裝配仿真設(shè)計(jì)主要是利用三維設(shè)計(jì)數(shù)模、工裝數(shù)模、設(shè)備、工具數(shù)模以及標(biāo)準(zhǔn)化的人體模型進(jìn)行產(chǎn)品預(yù)裝配，全面檢查設(shè)計(jì)、工裝、工藝的合理性及可操作性，并將相應(yīng)的工藝裝配信息及時(shí)反饋給工程設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)部門(mén)及有關(guān)工藝人員，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提前預(yù)防、過(guò)程控制，可大大減少返工浪費(fèi)、預(yù)防產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生，減少飛機(jī)研制周期、提高飛機(jī)研制經(jīng)濟(jì)性，提高飛機(jī)研制效率及飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量。

虛擬裝配仿真設(shè)計(jì)分為：裝配流程的產(chǎn)生和優(yōu)化；裝配路徑規(guī)劃和優(yōu)化；重組過(guò)程驗(yàn)證。首先對(duì)飛機(jī)部件進(jìn)行裝配過(guò)程規(guī)劃定義，確定各零組、部件件的裝配順序，按照裝配順序?qū)Ω髁憬M件進(jìn)行重組，建立新的裝配模型；然后根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境、條件及生產(chǎn)速率，進(jìn)行裝配順序、裝配資源的調(diào)整和優(yōu)化；最后虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，確定工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的操作性、合理性及經(jīng)濟(jì)性，解決數(shù)字化產(chǎn)品模型裝配過(guò)程中所遇到的碰撞問(wèn)題、間隙問(wèn)題并多次迭代優(yōu)化，最總按部件確定完整的裝配過(guò)程；裝配順序和裝配過(guò)程依據(jù)設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)樹(shù)EBOM和三維模型3D生成，保證設(shè)計(jì)、制造的符合性、一致性和統(tǒng)一性，通過(guò)通過(guò)與設(shè)計(jì)信息進(jìn)行對(duì)比檢查，驗(yàn)證重組過(guò)程的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

研究飛機(jī)產(chǎn)品的數(shù)字化協(xié)調(diào)裝配技術(shù)，建立全機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化定義是必不可少的。只有工程部門(mén)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完整的數(shù)字化定義，形成統(tǒng)一工程數(shù)據(jù)集，改變傳統(tǒng)的制造管理流程，建立各部門(mén)之間協(xié)同工作環(huán)境，才能使數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)得以更好地實(shí)現(xiàn)。隨著我公司數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，各類(lèi)管理規(guī)范的不斷完善，數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)和數(shù)字化裝配將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，由此而帶來(lái)的優(yōu)越性將不斷顯現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)和數(shù)字化裝配也必將得到更快的發(fā)展和完善，更好地適應(yīng)航空產(chǎn)品的多品種、小批量、交付周期短的市場(chǎng)需求，為今后大型飛機(jī)的研制夯實(shí)基礎(chǔ)，提高我公司的整體制造水平。