飞机先进数字化装配关键技术及发展趋势

飞机先进数字化装配关键技术及发展趋势

赵茜,孟晓磊,韩小楠

中航西安飞机工业集团股份有限公司   710089   陕西西安

摘要：航空飞机装配是航空制造过程的关键环节，其工序多，流程复杂，生产过程中扰动频发。然而，大型飞机作为装配对象，飞机本身外形尺寸大、结构复杂，零部件数量众多、内部空间紧凑、协调关系复杂，装配精度要求高，对装配技术产生了更高的要求。装配技术是飞机制造技术的核心，装配工作量占据整机制造工作量的一半以上。围绕高品质、高效、绿色、智能航空装备研制需求，在分析国外最新装配技术应用成果基础上，针对飞机装配过程中数据传递效率低、装配过程状态感知与精准控制能力差等共性问题，初步探讨了基于先进数字化技术与飞机装配深度融合的数字化装配关键技术及未来发展趋势，有助于提升飞机数字化及智能化装配水平，加快推进数字航空建设。

关键词：飞机；数字化装配；发展趋势

引言

目前，国内航空智能制造发展仍处于初级阶段，与国外同行业相比，突出表现在当前成果主要集中在零件制造等信息化程度较高的地方、先进数字化技术对支撑产品快速低成本研制的贡献度不高、数据增值服务能力无法满足产品全周期统一管理需求、核心业务及重要场景智能化发展相对滞后以及面向飞机脉动装配的关键技术和核心装备成熟度不高等。飞机装配是航空制造领域的核心业务，本文将在分析国外飞机装配新技术及应用成果基础上，重点探讨面向飞机先进数字化装配的关键技术及发展趋势。

1数字化装配技术概述

数字化装配技术是在现代计算机、信息、人工智能、虚拟现实等技术的支持下发展起来的装配技术。该技术的最大特点在于，能通过各种数字化方式实现产品装配过程的规划与仿真，从而摆脱传统装配工艺技术对人的装配知识及经验过于依赖的现象，通过视觉、听觉、触觉构建装配操作拟真环境，凭借可视化、可感知的优势支持产品装配过程的规划、设计与优化，进而降低设计难度、提高设计效率、优化设计水平，保障装配工艺技术与方案的合理性。自“增量时代”进入“存量时代”，数字化转型便已成为电子设备生产制造行业的共识。就目前来看，在物联网应用日益广泛，以数据中台为载体、数据驱动的场景化解决方案纷纷出现，人工智能深度应用，商业模式由产品中心向客户中心转变，数字驱动成本管理由传统模式向精益管理转变，企业数据边界打通、产业链上下游密切协同的大背景下，数字化转型可谓电子设备生产制造业创新发展的方向与趋势。在数字化装配技术的支持下，设备生产与制造将更轻松地实现提升产品设计水平、减少甚至避免物理模型制作、缩短开发周期、降低开发风险和成本、提升装配质量与效率等目标，进而为整个生产制造业的创新发展带来有力支持，适应行业数字化转型的需要。近年来，随着生产制造业的发展，产品设计已经实现了全三维数字化。但在装配制造端依旧需要将设计方案转化成二维图纸，对三维设计模型、数字化技术的应用有所欠缺。同时，仿真与验真也难以实现，导致整个行业的发展受到了不小限制。而积极推动数字化装配工艺技术的发展，能充分适应行业数字化发展需求，真正实现设计与装配生产的统一。借助数字化技术将产品生产制造的所有环节、流程串联起来，可大幅提升生产制造质量与效率，优化成本控制与生产管理，加强仿真处理与验证控制。目前，数字化装配技术在应用与发展中的问题主要包括传统2D模式技术差、技术配合度有待提升、生产模式与技术更新的配合不到位、技术应用过于浅显等。

2飞机先进数字化装配关键技术及发展趋势

（１）面向飞机装配的数字孪生技术。数字孪生由数字线索使能，使用连续统一的数据、模型与信息，通过映射、分析、预测对“物理孪生体”全生命周期内的活动及性能进行实时动态评估，支撑工艺方案快速迭代与收敛。如针对飞机典型子系统构建基于数字孪生的健康感知与自主维护功能：通过典型子系统动态信号内蕴含健康状态信息的自适应提取与精简表示和实时数据驱动的智能诊断与预测模型及自主维护决策技术研究，结合大数据的知识图谱学习及子系统级自主性能评估，开发飞机典型子系统数字孪生平台。同理，针对液压系统、起飞着陆系统及燃油系统等分别开展数字孪生技术应用，增强飞行装配调试及服役中的动态性能感知、故障智能预测及自主维护决策水平，提高系统运行的可靠性和基于状态的维护能力。（２）面向重要业务场景的ＡＲ／ＶＲ／ＭＲ技术。在装配过程中借助ＡＲ可以辅助操作人员提高安装调试效率和定位精度，ＶＲ可以帮助工艺人员在高度逼真的沉浸式环境中开展工艺评审及优化。飞机总装线缆安装时通过ＰＬＭ／３Ｄ模型的数字样机技术、现实场景校准标记以及实时视频图像处理技术、增强现实３Ｄ处理／定位及信息集成处理技术、装备指令可视化技术可以根据数字样机的３Ｄ信息生成装配指令，以智能平板为界面指导工人进行布线操作，显著提升数百千米电缆的安装速度和精准度。甚至还可以对安装电线托架的安装质量进行管理，快速实现不合格部件的替换或修理。（３）智能脉动装配生产线技术，包括大部件数字化对接、在线测量与检测、物流精准配送、资源动态配置与优化以及智能排产、专用装备定制、智能管控平台构建等关键技术。目前来说，智能脉动装配生产线是先进数字化技术与航空制造技术深度融合的最新突破性成果，具有动态感知、实时分析、自主决策、精准执行特征。（４）基于数据驱动的设备健康诊断技术。在飞机数字化装配中使用的自动化工艺装备定制化程度高、技术复杂，尤其是随着工装设备化，为保障装配过程设备运行效率和可靠性，基于数据驱动的设备健康诊断技术越来越重要，主要包括新型传感器技术和嵌入式技术，解决数据自动采集异构网路数据传输等问题。利用基于机器学习的设备故障智能预测技术和设备状态维护决策技术以及设备故障快速诊断技术，可提升先进设备管控及运维的自动化和信息化水平。（５）协作机器人技术。传统机器人通过离线编程，按照既定路线，完成特定制孔、钻铆、涂胶、检测等任务，在任务执行过程中，人与机器人很难及时互动，主要表现在：一方面，操作人员无法及时有效获取加工过程中的真实信息，必须拓展操作人员对加工状态的感知能力供操作人员及时预判和干预；另一方面，面对复杂装配工况，机器人在执行任务过程中无法及时获得人类智慧和经验以更好地做出决策。而协作机器人在ＡＩ加持下，以强大的人机接口、状态感知及数据处理及精准控制能力，辅以人类知识和经验，可以共同高效完成复杂工况下的装配任务。因此，通过协作机器人规模化部署、人机协作、多机协作，可以更加适应柔性化装配生产的要求。（６）物联网技术。通过物联网支撑物与物、人与物之间互联互通，突破传统生产领域繁杂的异构网络，实现统一高效的数据采集与传输，以及在此基础上安全可靠地提供满足生产现场高实时性、突发性的数据处理及增值服务。如基于在线测量的自适应加工、刀具磨损状态检测、加工过程状态实时评估等保障孔加工质量，工业物联网还有利于促进ＯＴ与ＩＴ融合进程。

结束语

实现智能制造是一个长期的过程。面对挑战，国内航空企业要加速推进以数字化、网络化、智能化为特征的先进制造技术与飞机装配业务的深度融合，持续提升飞机先进数字化装配关键技术的自主研发能力，建立智能脉动装配生产线，推动航空装备实现高品质、快速、低成本、绿色制造，适应未来航空武器装备的研制特点和需求。

参考文献

［1］吕瑞强，侯志霞，杜婷婷，等.面向航空产品制造过程的CPS基础共性技术平台研究与应用［J］.航空制造技术，2021，64（14）：71-78，86.

［2］方隽，王文耀，张卫善.商用航空发动机研发知识体系的思考和构建实践［J］.人工智能，2021（2）：100-109.

［3］彭志翔，李明章，高祥，等.基于DELMIA的某科研航空产品部件的装配工艺仿真［J］.教练机，2020（3）：63-68.