丁雪頌，徐大淼

(北京通用航空江西直升機(jī)有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

傳統(tǒng)的直升機(jī)裝配采用剛性工裝定位，手工裝配連接，基于模擬量傳遞的互換和分散手工作坊式生產(chǎn)。自20世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造(CAD/CAM)技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)在現(xiàn)代直升機(jī)制造中得到廣泛的應(yīng)用，直升機(jī)制造進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代[1]。北京通用航空江西直升機(jī)有限公司研制了一條輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線(圖1)。由于公司產(chǎn)品生產(chǎn)仍處于起步階段，某些型號(hào)機(jī)型還處于取證、定型、試飛與研制階段，選擇裝配生產(chǎn)線總體方案時(shí)，考慮在一般機(jī)械產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加一定的柔性功能，將裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)成脈動(dòng)式裝配生產(chǎn)線。這樣，同一條生產(chǎn)線既能用于不同型號(hào)，還能用于同型號(hào)改進(jìn)型系列機(jī)型的產(chǎn)品裝配，從而滿足對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量的要求。同時(shí)，生產(chǎn)線建設(shè)以少投入、低成本、高質(zhì)量，不追求高度自動(dòng)化為原則，對(duì)原有車間的平面布置及流程、信息管理等不做大的調(diào)整和變動(dòng)。本文介紹該生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，并以JH-1無人直升機(jī)制造為例進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 生產(chǎn)線全景效果圖

1 輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)

裝配生產(chǎn)線的構(gòu)成基本由直線輸送裝置、柔性工裝安裝平臺(tái)、數(shù)字化測量檢驗(yàn)設(shè)備、自動(dòng)化裝配機(jī)器人、信息化集成管理系統(tǒng)以及某型號(hào)機(jī)型專用工裝及通用輔助工裝等模塊組合集成。

1.1 移動(dòng)方式設(shè)計(jì)

如圖2 所示，移動(dòng)方式采用低成本脈動(dòng)式線性移動(dòng)系統(tǒng)。脈動(dòng)式線性移動(dòng)系統(tǒng)為臺(tái)式架構(gòu)，主要由機(jī)架、輥輪、拖動(dòng)電機(jī)組成，通過人工操作機(jī)電一體控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)輕型直升機(jī)部件在站點(diǎn)之間平穩(wěn)直線移動(dòng)。

圖2 輥床式輸送系統(tǒng)

脈動(dòng)節(jié)拍時(shí)間以及站位數(shù)量可以根據(jù)不同機(jī)型裝配需求進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，當(dāng)某個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時(shí)，整個(gè)生產(chǎn)線可以不移動(dòng)，或者留給下個(gè)站位去解決。當(dāng)所有站位工作指令完成后，可自動(dòng)執(zhí)行一次脈動(dòng)節(jié)拍運(yùn)行。因此，該移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能充分滿足多型號(hào)直升機(jī)對(duì)生產(chǎn)線的柔性要求。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)裝配生產(chǎn)線的有效監(jiān)控和高效運(yùn)行，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)具有管理級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)三級(jí)遞階控制模式，其總體控制見圖3。

裝配生產(chǎn)線控制核心單元為西門子OMRON PLC CP 系列CP1H CPU 單元，傳感器將檢測信號(hào)傳送到PLC 進(jìn)行信息處理，PLC 對(duì)電機(jī)控制器、繼電器發(fā)出指令，電機(jī)控制器、繼電器接到命令后控制電機(jī)、氣缸、液壓缸等執(zhí)行動(dòng)作，完成裝配線的自動(dòng)化運(yùn)作。

圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

為了讓操作者工作方便，同時(shí)在工位上并聯(lián)匹配：手自動(dòng)旋鈕—控制整個(gè)輥床工位的手動(dòng)或自動(dòng)；前進(jìn)、后退按鈕—在輥床手動(dòng)條件下控制輥床前進(jìn)、后退；急停按鈕—急停按鈕拍下，整條生產(chǎn)線停止所有動(dòng)作；光柵裝置—在機(jī)器人周邊安裝光柵，輥床上光電被擋住，機(jī)器人會(huì)馬上停止工作并報(bào)警，警報(bào)解除后，可按復(fù)位按鈕復(fù)位。

在生產(chǎn)線還配有警示燈具：綠色塔燈常亮表示安全，輥床動(dòng)作完成，不再動(dòng)作，可以上前工作；綠燈閃爍表示本工位輥床是在手動(dòng)狀態(tài)；紅色塔燈常亮表示危險(xiǎn)，輥床正在動(dòng)作中；紅燈閃爍表示處于急停狀態(tài)。

系統(tǒng)軟件是基于CX Programmer的邏輯控制平臺(tái)，整條生產(chǎn)線完成裝配任務(wù)的邏輯流程見圖4所示。

圖4 裝配邏輯流程圖

1.3 柔性化工裝設(shè)計(jì)

裝配工裝是用來提高直升機(jī)產(chǎn)品裝配質(zhì)量和效率的一種專業(yè)設(shè)備及通用設(shè)備，其設(shè)計(jì)制造、安裝生產(chǎn)周期直接影響產(chǎn)品研制速度。柔性工裝能降低工裝制造成本，縮短工裝準(zhǔn)備周期，同時(shí)大幅度提高裝配生產(chǎn)效率，并能對(duì)客戶多樣化需求做出快速反應(yīng)，提高市場競爭力。

為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)型工裝在長72m、寬10m的輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線上快速柔性切換，將中央底板、大底板、立柱設(shè)計(jì)成模塊化的柔性孔系結(jié)構(gòu)，柔性孔系由∮12 的銷孔和M12 的螺孔均勻分布，間距100mm，見圖5 所示。

圖5 柔性化孔系結(jié)構(gòu)

不同的機(jī)型通過不同的過渡板依托100mm間距定位孔即可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸坐標(biāo)系的精準(zhǔn)定位，從而實(shí)現(xiàn)工裝在裝配生產(chǎn)線上柔性切換[2]。例如JH-1無人直升機(jī)在生產(chǎn)線上的裝配，根據(jù)其站位定位、裝配需求設(shè)計(jì)制造專用工裝及通用工裝見圖6所示。

圖6 JH-1無人直升機(jī)專用工裝及通用工裝示意圖

1.4 配置機(jī)器人自動(dòng)化裝配設(shè)備

在生產(chǎn)線上配置2臺(tái)通用型R-2000iC/165F型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人(圖7)及3臺(tái)ARMTECDA 200系列助力臂機(jī)械手(圖8)。裝配機(jī)器人及助力臂機(jī)械手在裝配生產(chǎn)線上布置的位置，可根據(jù)不同機(jī)型所設(shè)計(jì)的工藝流程要求，通過生產(chǎn)線地板上的三坐標(biāo)孔系與機(jī)器人及助力臂機(jī)械手本體底座上的標(biāo)準(zhǔn)孔相對(duì)合，精準(zhǔn)定位于生產(chǎn)線的某個(gè)站位上。

裝配機(jī)器人操作應(yīng)用必須與直升機(jī)特定工序所需的專用工裝配套使用才能完成。以JH-1無人直升機(jī)在裝配生產(chǎn)線上站位2—“主旋翼軸安裝”工序?yàn)槔?/p>

1)使用通用性放置架工裝將主旋翼軸工件推至指定的正確地點(diǎn)。

2)將裝配主旋翼軸的專用夾具安裝于機(jī)器人手臂頭上，見圖9所示。

圖9 主旋翼軸運(yùn)送專用夾具示意圖

3)上道工位所有裝配、安裝工作已經(jīng)完成，生產(chǎn)線按節(jié)拍要求移至第二工位，安全鎖定，并且工件已精準(zhǔn)定位。

4)啟動(dòng)機(jī)器人，人機(jī)界面顯示屏指示燈均顯正常狀態(tài)下，按下手柄按鈕，機(jī)器人手臂自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)至生產(chǎn)線外放置架位置，通過傳感器獲取主旋翼軸組件的信號(hào)，然后，自動(dòng)抓取、移動(dòng)至生產(chǎn)線內(nèi)的指定位置進(jìn)行裝配。完成工序后，再次按下按鈕，機(jī)器人松開主旋翼軸組件，離開生產(chǎn)線上方回到原點(diǎn)。

助力臂機(jī)械手操作應(yīng)用須在機(jī)械手的操作端頭裝有專用吸盤來抓取搬運(yùn)整流罩，或者更換專用吊具吊運(yùn)發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架等部件或成品件至生產(chǎn)線上。

1.5 配置自動(dòng)化檢測設(shè)備

先進(jìn)的檢測設(shè)備對(duì)提高直升機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量、質(zhì)量檔案追溯以及售后服務(wù)至關(guān)重要。在輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線上配置自動(dòng)化氣密性檢測工具與設(shè)備，見圖10。

1.6 信息化集成管理平臺(tái)

輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線研制過程必然推進(jìn)公司工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)的建設(shè)。以裝配生產(chǎn)線的管理需求為切入點(diǎn)，留有多余度接口與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總線無縫連接，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、裝配、檢驗(yàn)和現(xiàn)場管理各裝配生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息的高度集成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配生產(chǎn)線流程的支持和監(jiān)控，使工程流、物流、信息流通暢運(yùn)行。硬件架構(gòu)見圖11和圖12。

圖10 ATEQ氣密性檢測設(shè)備

圖11 管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

圖12 生產(chǎn)線硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

裝配生產(chǎn)線信息集成后，流程畫面直觀清晰(見圖13)，并通過智能管理系統(tǒng)DFIMS獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過WEB查詢獲得歷史數(shù)據(jù)，通過瀏覽器查看及發(fā)布報(bào)表、設(shè)備狀態(tài)和實(shí)時(shí)KPI[4]。

圖13 生產(chǎn)線主管視圖

2 輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線運(yùn)行驗(yàn)證

根據(jù)公司主要直升機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制、工藝準(zhǔn)備狀態(tài)、經(jīng)營規(guī)劃、市場需求、訂貨量大小以及所需資金投入等因素的綜合論證，最后確定以JH-1無人直升機(jī)作為輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線的驗(yàn)證機(jī)型。

2.1 JH-1無人直升機(jī)裝配工藝流程

根據(jù)JH-1無人直升機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求、工藝方案、質(zhì)量控制規(guī)范以及產(chǎn)量批量要求，JH-1無人直升機(jī)在裝配生產(chǎn)線上的工藝流程及平面布置見圖14和圖15。

JH-1無人直升機(jī)裝配由12個(gè)站位組成，各站位具體的裝配工作內(nèi)容如下：

1站位：將起落架定位在流水線平臺(tái)；飛機(jī)骨架與起落架通過4個(gè)螺栓固定；將改裝的發(fā)動(dòng)機(jī)放入骨架安裝并固定。

圖14 JH-1無人直升機(jī)工藝流程圖

圖15 裝配平面布置圖

2站位：主減速器安裝；主旋翼軸(旋翼軸上帶有自動(dòng)傾斜儀、自動(dòng)傾斜儀控制舵機(jī)模塊等部件)安裝；自動(dòng)傾斜安裝；自動(dòng)傾斜儀控制舵機(jī)安裝。

3站位：發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪安裝；主輸出軸安裝；發(fā)動(dòng)機(jī)附件(包括排氣管、空濾、骨架擋桿、油泵等)安裝；皮帶輪調(diào)節(jié)組件安裝。

4站位：滑油風(fēng)扇安裝；滑油罐安裝；油管及冷卻液管安裝。

5站位：油箱安裝及油管連接；尾槳舵機(jī)、油門舵機(jī)安裝；油門鋼索安裝；導(dǎo)線敷設(shè)。

6站位：尾梁安裝；平尾安裝。

7站位：尾傳動(dòng)軸連接；尾減速器固定；尾槳葉安裝及角度調(diào)整；尾槳鋼索安裝及調(diào)整。

8站位：發(fā)動(dòng)機(jī)滑油，尾減速器、主減速器滑油，冷卻液，離合器油添加。

9站位：電氣系統(tǒng)電纜導(dǎo)通、絕緣，系統(tǒng)功能性試驗(yàn)、檢測、調(diào)整。

10站位：整流罩修配及安裝。

11站位：槳轂及槳葉安裝。

12站位：系統(tǒng)總檢。

2.2 JH-1無人直升機(jī)生產(chǎn)節(jié)拍及機(jī)器人、電子看板布局確定

根據(jù)無人直升機(jī)站位上的勞動(dòng)強(qiáng)度、質(zhì)量要求以及站位工作節(jié)拍的基本平衡，將機(jī)器人布局于第1、2站位，完成發(fā)動(dòng)機(jī)及主旋翼軸安裝工作；將助力臂布局于第10、11站位，完成槳葉及整流罩的吊運(yùn)安裝工作；按生產(chǎn)調(diào)度要求，將6塊顯示屏布置于第2、3、5、7、10、12站位上。

2.3 JH-1無人直升機(jī)裝配運(yùn)行驗(yàn)證

在上述工作流程完成的基礎(chǔ)上，按JH-1無人直升機(jī)的具體要求，對(duì)輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)地安裝、調(diào)試、投入運(yùn)行，各站點(diǎn)工作情況均正常。

1)6個(gè)站位有電子看板，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)工位完成情況及計(jì)劃節(jié)點(diǎn)進(jìn)度，并與公司智能管理系統(tǒng)DFIMS、互聯(lián)網(wǎng)接口相連接，提供整體運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，建立統(tǒng)一的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及統(tǒng)計(jì)查詢報(bào)表，能實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)200架機(jī)的裝配目標(biāo)。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝工序及旋翼軸安裝工序使用了日本FANUC公司的兩臺(tái)R-2000iC/165F、R-2000iC/210F型機(jī)器人。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝工序原先需要4至5個(gè)人工作3、4個(gè)小時(shí)才可完成，現(xiàn)在只需一個(gè)人半個(gè)小時(shí)即可；旋翼軸安裝工序原先需3個(gè)人使用吊車2個(gè)小時(shí)裝配完畢，現(xiàn)只需1個(gè)人半小時(shí)安裝完畢。

3)槳葉安裝及整流罩安裝采用了3臺(tái)ARMTEC DA200助力臂。槳葉安裝工序原需4人工作2小時(shí)才可完成，現(xiàn)在只需2人20分鐘即可；整流罩安裝工序由原3人3小時(shí)裝配完畢減輕到只需2人1小時(shí)安裝完畢。

通過輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線的試運(yùn)行，生產(chǎn)線能滿足公司現(xiàn)代管理要求并減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高裝配質(zhì)量，改善現(xiàn)場環(huán)境，極大地提高工作效率，滿足直升機(jī)小批量、多品種生產(chǎn)的要求。

3 建議與展望

本文設(shè)計(jì)的輕型直升機(jī)裝配生產(chǎn)線與國內(nèi)外先進(jìn)的生產(chǎn)線相比，仍處于初級(jí)階段，但已在精益制造方向上邁出了第一步?，F(xiàn)就如何進(jìn)一步完善裝配生產(chǎn)線，展望數(shù)字化、柔性化智能裝配生產(chǎn)線的未來，提出一些建議和想法。

1)增加必要的數(shù)字化檢測設(shè)備，如檢驗(yàn)壓力測試儀、力矩測量儀、激光跟蹤儀等(見圖16)，以加強(qiáng)裝配過程在線檢測與監(jiān)控。同時(shí)還可應(yīng)用激光跟蹤儀等先進(jìn)設(shè)備對(duì)部件進(jìn)行測量定位，并在激光定位器的支撐下進(jìn)行調(diào)姿，完成部件自動(dòng)化對(duì)合裝配及整機(jī)的水平測量，并且在稱重儀的配合下完成重心等技術(shù)參數(shù)的測定。

圖16 激光跟蹤儀組成圖

2)以發(fā)展柔性化裝配生產(chǎn)線為牽引，大力推進(jìn)信息化軟硬件平臺(tái)建設(shè)。消除公司“信息孤島”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、裝配、檢驗(yàn)和現(xiàn)場管理等各環(huán)節(jié)的信息高度集成。加速5G微波站建設(shè)，形成WiFi5G微波網(wǎng)全覆蓋，使公司具有光纖與微波兩個(gè)先進(jìn)的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3)盡快建立多型號(hào)產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)、裝配、測量、檢驗(yàn)、管理等實(shí)現(xiàn)真正的高度集成。從源頭上提供數(shù)字量傳遞基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)字化柔性裝配生產(chǎn)線才有可能真正實(shí)現(xiàn)[3]。

4 結(jié)束語

數(shù)字化、智能化裝配技術(shù)代表了現(xiàn)在航空制造的發(fā)展方向，柔性裝配以及脈動(dòng)生產(chǎn)線的應(yīng)用，大大提高了直升機(jī)裝配的質(zhì)量和效率。智能化裝配更適應(yīng)多品種、變批量、低成本、高質(zhì)量、快速研制的必然選擇。該技術(shù)的應(yīng)用不僅是技術(shù)創(chuàng)新，更是給管理理念與體制帶來了巨大的沖擊與變革。