中航工业飞机数字化装配技术发展与应用

发布时间：2017-01-17 www.cechina.cn

　　飞机装配技术经历了从人工装配、半机械／半自动化装配到机械／自动化装配的发展历程，而目前得到各经济、军事发达国家高度重视的数字化装配技术，正成为现代飞机制造的科技制高点。为了保证飞机日益苛刻的装配质量要求，满足机体长寿命要求，提高生产效率，数字化装配成为必然的选择。
　　数字化装配技术的应用进展
　　数字化装配技术不仅包括了传统数字化装配概念中工装的设计、制造及装配的虚拟仿真等，还包括了诸如柔性装配、无型架装配等自动化方法，是数字化工艺技术、数字化柔性装配工装技术、光学检测与反馈技术、数字化钻铆技术及数字化的集成控制技术等多种先进技术的综合应用。

　　数字化装配技术体系

　　需要强调的是，数字化装配技术不仅仅局限于软、硬件设备的简单堆砌，更在于融合整个设计、制造的数字化过程，它以产品数据集为中心，以数字量传递为基础，利用数字化装配工艺规划，数控设备的自动钻铆，数字化测量设备的测量定位等技术，使产品在装配过程中真正得到有效控制，建立起一套有效的产品发放过程控制机制以及相关的工作规范和制度，以保证生产效率和产品质量。
　　数字化装配技术体系
　　飞机数字化装配技术体系涉及了装配工艺规划、数字化柔性定位、装配制孔连接、自动控制、先进测量与检测以及系统集成控制等众多先进技术和装备，是机械、电子、控制、计算机等多学科交叉融合的高新技术集成。依据飞机装配的工艺流程，可将数字化装配技术体系归纳为7个方面：
　　数字化装配工艺设计。数字化装配工艺设计的基础是基于模型的定义（MBD）技术，即用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息，作为唯一的制造依据。MBD技术根据数字化定义规范，采用三维建模进行数字化产品定义，建立起满足协调要求的全机三维数字样机和三维工装模型。
　　装配定位技术。装配定位技术主要分为工装定位和零件装配基准孔面自定位两个方面。装配工装在飞机装配过程中被大量采用以保证进入装配的飞机零件、组合件、板件及段件精确定位。柔性工装克服了刚性工装刚性专用、设计制造周期长、存储占地面积大，结构开敞性较差等缺点，具有柔性化、数字化、模块化的特点。
　　装配制孔技术。现代飞机结构件采用的主要连接方式仍为机械连接，新型飞机对改善各连接点的技术状态（表面质量、配合性质、结构形式等）提出了很高要求，复合材料的大量采用更带来了大量复合材料的制孔需求，单纯依靠传统的手工制孔，很容易出现复材分层、孔径椭圆等故障，产品质量难以保证。解决这些问题的最重要途径是通过改善制孔工艺方法，采用自动化手段进行连接孔的精确定位和制备，以提高制孔质量和效率。
　　装配连接技术。飞机制造中装配连接质量直接影响飞机结构的抗疲劳性能与可靠性。高性能航空器的机械连接结构必须采用先进的连接技术；另一方面，先进标准连接件的选取和安装工艺（如安装工具、干涉量的确定等）也应作为装配连接技术研究的重要内容。
　　数字化检测技术。数字化检测技术已成为打通飞机复杂零件与大尺寸零部件设计、制造、装配、检测一体化流程，提升检测效率与水平的关键环节。应采用基于数字化检测设备（坐标测量机、激光跟踪仪、激光雷达、激光扫描仪等）的产品三维检测与质量控制手段，建立数字化检测技术体系，开发计算机辅助检测规划与测量数据分析系统，制定相应的数字化检测技术规范，以实现提高检测效率与质量的目标。
　　系统集成与控制技术。系统集成与控制技术是实现交互与协调的基础，它将数字化装配技术中各支撑单元即所有自动化装配设备、传感器、测量设备通过通讯网络集成在一起，共享信息，形成一个协调运作的全闭环控制系统。
　　装配抗疲劳强化技术。飞机主要的装配抗疲劳强化工艺方法包括滚压、挤压、干涉配合及抛光处理等，而长寿命机械连接则包括高锁螺栓连接、冠状铆钉等。
　　数字化装配工程应用情况
　　中航工业成飞紧紧瞄准国外发达国家飞机制造过程中数字化装配技术的发展，结合我国国情和公司的发展规划，在“实现自主创新、提升核心技术和能力”目标的指引下，在数字化装配领域进行了积极并卓有成效的探索，通过全面实现装配工艺设计、精确定位、制孔、部件对合与精加工以及检测监控、过程管理的数字化来建立数字化装配生产线和构建完整的数字化装配体系，对数字化装配系统提出了三个“基于”的要求，即：基于装配流程以保证工艺继承性，基于测量的数字量协调、传递与控制以保证制造环节的闭环性，基于数模驱动以保证制造依据的唯一性和操作的便利性，最终采用“开放式伺服移动装配定位平台＋数控五坐标多作业单元移动龙门制孔机床”的结构形式，分离装配定位系统与制孔设备，实现了人工作业与设备自动作业的解耦。
　　数字化装配技术代表了当今飞机制造的发展方向，涉及多学科的综合研究与应用，其研究必须与工艺技术、实验技术、检测技术和现代管理等技术的研究相结合，以实现生产模式和方法的转变。深入研究并逐步应用数字化装配技术，在提升产品质量和生产效率的同时，更能促进我国航空产品生产的观念性改变及管理体制的变革，攻克我国飞机装配及制造技术中的薄弱环节，实现飞机制造技术水平的重大突破。
　　数字化技术在强度试验中的应用

　　强度所数字化协同试验平台

　强度所数字化试验协调加载控制系统

　　中航工业强度所作为国家负责承担全尺寸飞机结构地面强度验证试验的专业研究机构，也在不断变革传统的试验模式，采用数字化手段，将数字化技术深度融入强度试验的每一个环节，充分提升物理试验的准确性，降低物理试验风险，提高验证试验效率。
　　数字化试验设计
　　数字化试验设计是根据试验件数字模型和试验加载要求确定试验工艺及程序。在传统条件下，基于空间和时间的确定性关系来完成试验设计工作，试验设计技术状态依靠人员监控来确认，难以实时掌握试验过程中工况变化并及时调整，导致试验设计质量一致性不稳定，试验装配质量波动较大。数字化设计实现了试验件及支持系统设计、载荷处理系统设计、载荷施加设计、液压系统设计、试验控制设计、测量系统设计的数字化及其关联。数字化设计输入是包含试验项目、试验目的、使用载荷、设计载荷等的试验任务书和飞机型号的数字样机。
　　飞机结构强度领域的数字化试验协调加载控制主要包括数字化液压缸、自适应协调加载控制系统、自动化设备管理系统、智能校验与检测装置、智能传感识别及数据采集装置、多场精准测量系统等，能够对试验过程中力、扭矩、充压、液压、应变、位移、图像等信息进行实时监测、采集与定位，实现基于强度试验系统工程的试验风险预警自主决策、自适应协调加载控制、设备故障诊断等。
　　试验件数字化装配基于试验设计结果、MBD技术等，在计算机环境中，将试验件和试验设备模型，通过分析、虚拟模型、可视化和数据表达，进行虚拟环境中的装配关系工程决定。数字化试验装配是验证、优化强度试验设计结果的必然趋势，主要采用各种智能的或基于知识工程的算法，以全自动方式或者部分人工干预手段，提高装配执行的可操作性和人机功效，有效地提升装配效率、预防装配干涉。
　　数字化协同试验平台
　　数字化协同试验平台是依托数字化技术建设的飞机一体化协同研发平台。该平台作为强度所贯穿试验管理与试验流程执行的系统平台，对外实现强度所与各协作单位（上级单位、主机设计单位、适航管理部门等）之间的数据交换与协同，对内实现所内的异地试验协同与综合管控（西安总部、阎良新区、上海分部、长安基地），同时将质量控制融入试验过程的多个环节，实现了质量控制与试验过程的协同以及试验全过程单一数据源管理。
　　强度所在国内首次提出了强度试验BOM（TBOM），第一次从飞机结构强度试验的角度进行分解，构建强度试验的树形结构，用以组织试验各个环节产生的各类图文档数据，满足各级参试人员对试验过程信息管理、查看及使用需求。TBOM是对飞机型号研制BOM的完美补充，也是融入飞机一体化协同研发环境的统一语言平台
　　近年来，强度所在C919大型客机、AG600大型灭火／水上救援水陆两栖飞机的全机静力试验过程中，数字化协同试验平台发挥了重要作用。
　　虚拟试验
　　虚拟试验是新型飞机数字化设计／制造／试验流程中的重要一环。虚拟试验是在虚拟现实环境中，对数字化物理模型进行的试验。具体地说，飞机结构强度虚拟试验是以仿真、虚拟现实技术、知识工程为基础，以试验流程为导向，在虚拟样机上对产品进行验证的过程。虚拟试验与物理试验相结合，可用于指导物理试验，为结构设计提供快速可靠的响应反馈，是一种新的试验模式。虚拟试验可以减少或部分替代物理试验，完成物理试验难以实施的验证，降低研制风险，缩短研制周期，减少研制成本。
　　虚拟试验验证技术是飞机结构强度试验技术发展的必然趋势。虚拟试验验证技术不仅适用于飞机可行性论证、方案论证、研制生产等全寿命周期，而且也适应于民机适航认证过程。通过各个阶段的虚拟试验验证获得充分可信的飞机结构强度性能，从而减少飞机结构研制过程中的不确定性。
　　强度所已结合多个机型，如ARJ21－700及C919等壁板级、部段级乃至全机级试验开展了虚拟试验，进行了试验与分析相关性评估的应用研究，并利用试验数据对虚拟试验分析模型与结果进行评估验证，取得了非常良好的效果。虚拟试验已在并将在更多型号试验中发挥重要作用。
　　试验数据实时分析与评估
　　由于全机静力试验成本高、周期长，现在进行全机静力试验过程中，大量的试验数据在试验现场无法及时实时观测、分析、做出判断和预测。为了及时在试验现场全面掌握试验测试数据，确保试验安全，强度所在多年试验的基础上开发了试验数据显示与一致性评估软件，建立一套全机静力试验快速评估系统，可有效提高全机静立试验水平，目前已在中航工业等多家单位开展应用，取得了良好的社会效益和经济效益。其主要功能包括：试验数据的实时显示和分析、试验数据与分析数据的实时比较、试验数据的查询、分析、修正和统计、试验数据与分析数据的一致性分析和评估以及三维实时显示。
　　随着“十三五”规划进程的不断推进，强度所也制定了自己的发展目标：以智能化为方向、以数字化为突破口，实现信息化系统覆盖80％以上的业务，建立覆盖全业务的流程管理系统，建设基本完备的试验数据管理体系，初步实现数字强度。
　　数字化制造体系助推沈飞快速发展

　　沈飞自动铺带机

　　沈飞五坐标柔性加工中心

　　中航工业沈飞从20世纪80年代开始进行计算机和数控技术的研究与应用工作。在歼8Ⅱ飞机的研制中，首次规模采用数控加工技术，提高了飞机零部件的制造精度和协调准确度，缩短了飞机研制周期。 “九五”期间，沈飞公司以波音737飞机转包生产为契机，开始系统进行数字化基础建设，在数字化协同设计、零件数控加工、工装数字化设计和制造等方面取得了突破性进展，为数字化技术全面应用奠定了坚实基础。
　　进入21世纪，沈飞公司抓住信息技术迅猛发展的机遇，不失时机地用信息技术改造传统制造技术，迅速提高了飞机制造的能力和水平。2006年起， 沈飞公司充分利用原国防科工委组织实施“飞机制造业数字化工程”的难得机会，开始系统进行飞机数字化生产方式的研究和应用。“飞机制造业数字化工程”主要是通过整合和充分利用现有条件，借鉴国外先进的数字化技术应用及其管理模式，开展技术攻关，基本建立飞机研制的数字化基本体系，形成飞机全机数字样机研制和典型部件的数字化研制能力。根据统一部署，沈飞公司与沈阳所共同承担“工程总成”项目（包括工程总体与集成、并行产品数字化定义、产品数据管理系统、数字化设计试验和制造流程、协同工作平台、工程验证），并独立负责主要的三条数字化生产线项目。经过近10年的研究和实施，沈飞公司承担的数字化工程科研项目全部完成了预定内容，顺利通过了中航工业组织的项目验收。这标志着沈飞公司已经建立了飞机数字化研制基本体系，打通了飞机数字化生产线。十余年来，飞机数字化研制基本体系支撑着沈飞公司承担的多项国家航空武器装备研制生产，促进了飞机制造的大跨越。
　　正是依靠现代信息技术与制造技术的相互融合，沈飞公司实现了生产方式的根本性变革，形成了一套以数字量为特征的技术协调体系，全面应用数字化的三维设计、虚拟装配、并行工程，实现了从设计到飞行的全面数字化，取得了飞机研制的新突破，极大地缩短了飞机研制周期，降低了研制成本。例如，在飞机研制中，实现了：数字样机取代物理样机；取消模线样板，专用工装由30000余项减为13000余项，标准量规由1835项减少为28项；缩短型号研制周期一年；制造质量显著提高，工装返工率由300％减少到21％。
　　2009年，在沈阳召开的数字化工程现场经验交流会上，沈飞公司提出和实践的数字化生产模式得到了大会的充分肯定，称其“为飞机厂所数字化发展确定了方向和重点，为进一步推进主机厂所数字化能力建设提供了宝贵经验”。
　　相对于传统的飞机制造模式，数字化制造将带来全新的变革：数字化的生产方式下，工程技术人员基于网络化的协同工作环境，以产品数字样机为核心，根据设计结果成熟度的变化，不断追踪产品的设计状态，协同进行产品、工艺、工装的设计工作。在传统的飞机制造中，基于飞机结构的特点，必须按照模拟量传递的原则采用模线样板工作法，以此作为生产中传递飞机外形和结构的几何形状和尺寸的原始依据。在飞机数字化制造方式中，数字量传递替代了模拟量传递的协调方法，数字样机成为了唯一的数据源，为并行工程创造了良好条件。数字化的制造方式，建立了数字化设计制造流程，改变了人们的工作职责和相互关系。企业必须按照数字化制造的特点，优化业务流程，调整劳动生产组织，按照物流、信息流同步的原则，实现资源优化配置。数字化的制造方式，依赖于大量的基于数字化技术驱动的工艺装备，这是企业开展数字化制造的硬件基础和基本手段。打通数字化生产线必须研制各类数字化专用工艺装备，包括蒙皮多点成型设备、柔性多点夹持装置、复材自动铺带机、自动钻铆机、柔性装配平台等。飞机数字化制造体系关系到飞机研制的协调方法、各专业的制造技术、生产方式、组织形式、技术基础等多方面内容，各方面相互依存和关联，构成有机的整体。其中，数字化标准、基础数据库是体系的基础；各类软件资源及支持协同设计制造的网络是支撑环境；并行产品数字化设计、数字化制造、数字化管理、各条生产线通过基础和支撑环境的支持，构成飞机数字化制造工作主体。
　　为了实现上述变革，沈飞公司提出：必须努力构建和应用一个平台（数字化协同平台），打通六条数字化生产线（数字化切削加工生产线、数字化复合材料构件生产线、数字化钣金生产线、数字化焊接生产线、数字化装配生产线、数字化工装生产线），建设四个中心（制造数据中心、工艺仿真中心、物料配送中心、生产管控中心），形成飞机数字化制造体系，从而全面提升数字化制造水平与能力。通过数字化工程的建设，沈飞公司基本上完成了由传统的飞机制造方式向数字化生产方式的转变，企业核心竞争力有了极大提高。智能制造基本思路是将互联网技术或物联网技术、工业自动控制技术、企业信息集成与优化技术以及数字化设计制造技术高度集成化。为此，沈飞公司将结合《中国制造2025》战略，着力开展智能制造技术规划与研究。面向智能制造领域，将以基于物联网开展智能制造领域技术研究为切入点，开发相关智能制造应用管控系统，形成基于物联网的自动化、智能化制造技术支持能力。
　　数字化工程的成功极大地促进了沈飞公司国家重点工程的研制工作，数字化技术所带来的优势效果已越来越令人刮目相看，数字化技术正向人们展示着无穷的魅力。