武 鵬，張一哲，聞敬謙，王春陽，高 佩

（1.航空工業(yè)江西洪都飛機工業(yè)（集團）有限公司，南昌 330001；2. 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

線束是由導(dǎo)線、端子、絕緣護套和絕緣捆扎材料按一定設(shè)計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，由線纜類零件引發(fā)的故障約占某型號產(chǎn)品總故障率的20%[1]。

經(jīng)過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)過程集成的先進數(shù)字化技術(shù)制造體系，有效提高了企業(yè)的研制水平。當前制造業(yè)正開展向智能化發(fā)展的變革，利用信息、網(wǎng)絡(luò)、傳感等技術(shù)將數(shù)字化模型與實物產(chǎn)品制造進行深度融合，數(shù)字及智能化的制造和生產(chǎn)將成為未來的發(fā)展方向[2]。線束產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計、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)品制造過程的自動化、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)計技術(shù)和實物制造水平間存在落差，與國外先進企業(yè)還存在較大差距。

本文對航空線束制造現(xiàn)狀開展分析，提出制約數(shù)字化制造的關(guān)鍵問題，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，促進航空線束實現(xiàn)智能化制造。

1 研究現(xiàn)狀

區(qū)別于剛性實體，線纜具有柔性可變的物性特點，國內(nèi)外學者從線束的數(shù)學建模、布局設(shè)計、裝配仿真與故障檢測幾個方面開展了相關(guān)的研究，實現(xiàn)了線纜的數(shù)字化設(shè)計。

針對柔性線束在裝配規(guī)劃中的空間位姿和干涉碰撞問題，專家學者建立了線束的幾何模型和物理模型：德國學者Loock等[3]于2001年提出的質(zhì)點-彈簧模型、北京理工大學劉檢華等[4]提出的彈性細桿模型、中國工程物理研究所的魏發(fā)遠等[5]提出的蛇形機器人模型、美國學者Ardelean等[6]建立的基于航天器線纜動態(tài)特性的有限元模型等，這些實體模型表達了線束的幾何形態(tài)、拓撲結(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平臺的Pro/CABLING，UG平臺的UG/Wiring[7]，CATIA平臺的ECR（Electrical Cableway Routing），以便于確定線纜在運載設(shè)備上的走線路徑、結(jié)構(gòu)分支、卡緊位置和實際長度等信息，在布線算法和實現(xiàn)技術(shù)方面，Park等[8]開發(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現(xiàn)線束自動化布局，Petrie等[10]開發(fā)了一套基于協(xié)同的布線設(shè)計工具“Next-Link”，Cerezuela等[11]開發(fā)了基于概念知識的線束輔助設(shè)計決策支持系統(tǒng)，以及在虛擬樣機中進行沉浸式人機交互布線設(shè)計相關(guān)技術(shù)研究。此外，專業(yè)的線纜設(shè)計工具，如Mentor公司的CHS軟件實現(xiàn)了線纜的電氣邏輯設(shè)計、拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計等方面為線纜數(shù)字化設(shè)計提供了有力的方法和工具支持。但相關(guān)模型對實際線纜進行了簡化，數(shù)字樣機中測量的精度不足，實際布線環(huán)境中仍需對模擬獲得的參數(shù)進行校驗。另一方面，針對航空線束實物制造的研究較少，當前航空線纜生產(chǎn)過程中缺乏對加工數(shù)據(jù)的有效采集，工人在手工制造時偏向于留出較大余量，造成航空線束數(shù)字化設(shè)計與實際生產(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

我國航空產(chǎn)品設(shè)計已實現(xiàn)數(shù)字化，在產(chǎn)品設(shè)計和業(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)備建立自動化生產(chǎn)流程。而且線束作為電子設(shè)備傳遞信號的神經(jīng)系統(tǒng)和輸送電力的血液系統(tǒng)，更是具有拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計變更頻繁的特點，相關(guān)零部件也有型號匹配要求?，F(xiàn)有的線纜加工設(shè)備主要為大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)計，無法滿足航空線束對生產(chǎn)的高柔性要求，航空線束長期以來主要采用手工方式進行加工和制造。

航空線束工藝流程主要可分為生產(chǎn)準備、布線、端接3個階段。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導(dǎo)線進行端接處理，包括導(dǎo)線剪齊、套標識、死接頭處理、屏蔽處理、接觸偶壓接和電連接器插接等工作。生產(chǎn)準備階段采用激光印字機在導(dǎo)線絕緣層打印導(dǎo)線編號，但生產(chǎn)過程中仍需要人工進行識別每根導(dǎo)線信息，依據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書進行制造，相關(guān)設(shè)備難以獲取導(dǎo)線信息，而依賴人工調(diào)整設(shè)備參數(shù)無法滿足生產(chǎn)效率要求。航空線束制造水平不高主要體現(xiàn)在以下4個方面：

（1）設(shè)備利用率低。

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

（2）制造信息難以采集。

當前制造過程中實物導(dǎo)線的識別、加工方式的確定均需人工參與，導(dǎo)致加工人員的作業(yè)負荷較大，難以及時、準確地進行信息采集，不利于生產(chǎn)過程的監(jiān)控。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量依賴于個人。

線纜的柔性特點決定其長度、齊整度、壓機質(zhì)量等加工特性不易于檢測，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于加工人員的水平、經(jīng)驗和責任心。

（4）設(shè)計與制造脫節(jié)。

盡管設(shè)計階段應(yīng)用專業(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，導(dǎo)致設(shè)計發(fā)生更改不能及時傳遞到制造環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程信息也無法反饋設(shè)計，難以適應(yīng)當前多型號快速研制的需求。

導(dǎo)致上述現(xiàn)象的根本原因是生產(chǎn)過程中信息的紙質(zhì)傳遞和以手工為主的加工方式，而當前航空企業(yè)面臨著多種型號敏捷研制的挑戰(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，如何實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、自動化已成為制約航空線束提高制造能力的瓶頸。

3 實現(xiàn)數(shù)字化制造面臨的問題

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。以汽車線纜為例，采用流水線形式進行生產(chǎn)，各工序?qū)I(yè)化程度高，切線、焊接、端子壓接等均有專用設(shè)備，每個設(shè)備可連續(xù)完成大量導(dǎo)線的加工，相對更換導(dǎo)線、調(diào)整參數(shù)所占時間較少，因此設(shè)備均獨立工作。

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、種類繁雜，一架商用噴氣式寬體飛機的連接線總長已經(jīng)超過了150km，一架直升飛機的電氣系統(tǒng)平均有兩萬條連接線，不僅工作強度大而且要求更為嚴格。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)過程具有高柔性要求，當前自動切線機、激光印字機、剝線機等專業(yè)化線束加工設(shè)備無法滿足制造的柔性要求。

對比大規(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，利用自動化的加工設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字化制造主要面臨以下問題：

（1）加工實物的標識問題。航空線束制造過程的柔性要求相關(guān)設(shè)備根據(jù)被加工對象調(diào)整參數(shù)，首先需要對被加工的實物進行有效的標識，以便于設(shè)備能夠識別；

（2）加工設(shè)備的制造柔性問題。相關(guān)的專業(yè)設(shè)備應(yīng)能夠識別被加工對象，獲取相應(yīng)的制造信息并調(diào)整其參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)針對加工對象的柔性化制造；

（3）面向人機協(xié)同的工藝改進問題。應(yīng)用專業(yè)化加工設(shè)備需要對當前面向人工作業(yè)方式的工藝方法進行改進，綜合考慮人—機協(xié)同進行工作的特點，工藝設(shè)計應(yīng)同時滿足人員和設(shè)備的操作需求；

（4）工藝信息的精細化服務(wù)問題。柔性制造要求針對不同的加工設(shè)備、不同加工對象和不同加工要求及時提供工藝信息，實現(xiàn)工藝信息的實時在線精準服務(wù)。

綜合以上分析，實現(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，被加工實物的標識和識別是實現(xiàn)數(shù)字化柔性制造的基礎(chǔ)。實物標識既要有利于人工操作又要便于設(shè)備識別和利用，同時也是被加工對象與加工信息的聯(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，針對單件小批的生產(chǎn)方式和敏捷柔性的生產(chǎn)特點，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)過程管控3方面綜合開展數(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方面解決當前制造面臨的問題：

（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。通過對導(dǎo)線增加線卡的方式對實物進行標識，并對相關(guān)設(shè)備進行改造以便能夠識別導(dǎo)線相關(guān)信息，利用計算機系統(tǒng)實現(xiàn)輔助布線和檢測。

（3）信息系統(tǒng)的優(yōu)化改進。利用物聯(lián)感知技術(shù)獲得加工過程數(shù)據(jù)，采用工作流技術(shù)實現(xiàn)制造過程的透明化，實時推送物料、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、屏蔽線等多種類型；電連接器是用來連接兩個有源設(shè)備的元器件，可分為電連接器及尾附件兩個相互匹配的部件；另外，依附于線束或電連接器，還有起標識、固定或保護作用的附屬件，如標識套管、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、標識套管等，建立航空線束產(chǎn)品的本體模型，對線束的組成、結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系及加工約束進行描述，以便于設(shè)計、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)，可將工藝知識和制造約束以規(guī)則的形式進行語義化描述，實現(xiàn)基于規(guī)則推理的輔助工藝決策，促進知識的共享與復(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)合線束拓撲結(jié)構(gòu)和電氣連接關(guān)系進行制造，往往需多人合作進行相關(guān)信息和被加工物的敷設(shè)。為提高信息利用效率，以導(dǎo)線的標記和識別為基礎(chǔ)，建立人、機、物、信息相融合的數(shù)字化布線流程。

如圖2所示，通過在待加工的導(dǎo)線上加裝印有條碼的卡線器作為該導(dǎo)線的標識，以此建立與線號、連接關(guān)系等信息的關(guān)聯(lián)，并在布線工序中利用改進的光電輔助布線板顯示待加工的導(dǎo)線拓撲結(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，按照輔助布線板提示信息即可完成布線，有助于實現(xiàn)無紙化制造。

4.3 信息系統(tǒng)的優(yōu)化改進

基于工作流技術(shù)對航空線束工藝流程進行建模，利用事件將業(yè)務(wù)活動的執(zhí)行人、輸入輸出信息、消耗資源和工序流程關(guān)聯(lián)起來，以流程任務(wù)驅(qū)動工序過程，并完成相關(guān)信息的采集。基于工作流的生產(chǎn)過程管理如圖3所示，由工長啟動生產(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)通測試的工序。

通過建立線束制造過程的工作流模型，實現(xiàn)對每個架次相關(guān)的線束制造過程可視化管控，便于實時掌握線束生產(chǎn)進度。

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)動的航空線束生產(chǎn)過程管理Fig.3 Process management of aircraft wire harness production driven by workflow

5 結(jié)論

近幾年我國航空制造業(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械等多個領(lǐng)域，生產(chǎn)以手工方式為主，數(shù)字化和自動化水平較低，本文對線纜產(chǎn)品數(shù)據(jù)建模以及制造過程數(shù)字化進行了探討，給出了軟件系統(tǒng)結(jié)合硬件支持的解決方案，對于開展柔性線纜的智能制造提供可行的工程途徑。

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