撰文 | 航空工業(yè)信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼） 張曉梅

本文面向航空復(fù)雜產(chǎn)品，進(jìn)行裝配全過程技術(shù)研究，從裝配的前端設(shè)計(jì)、裝配過程監(jiān)控、裝配事后優(yōu)化三個方面，論述了復(fù)雜航空產(chǎn)品的裝配技術(shù)，包括基于MBD的面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)、基于數(shù)字孿生的裝配仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、基于AR技術(shù)的智能裝配技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)的裝配分析仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)等。通過航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配全過程關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)航空復(fù)雜產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)模式和設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新，為提高航空復(fù)雜產(chǎn)品研制質(zhì)量提供技術(shù)保障。

一、引言

航空產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)化程度低和零部件數(shù)量大等特點(diǎn)；在制造上具有工藝專業(yè)門類眾多、加工工藝難度大、制造流程長、零部件配套關(guān)系復(fù)雜和機(jī)電一體化等特點(diǎn)。隨著航空行業(yè)市場需求的日益加大和市場競爭的日益加劇，航空產(chǎn)品制造在不斷縮短研制周期和提高產(chǎn)品研制質(zhì)量的同時，更加趨向于設(shè)計(jì)、工藝與制造過程的緊密協(xié)同。隨著新型MBD技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、AR技術(shù)、VR技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)等不斷誕生并廣泛應(yīng)用，我們迫切需要將這些新型技術(shù)應(yīng)用于航空產(chǎn)品研制過程中，以滿足航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中的特殊性要求，并不斷提升航空產(chǎn)品研制能力，以面對市場挑戰(zhàn)的要求。因此，我們需要借鑒國內(nèi)外發(fā)達(dá)航空制造企業(yè)的成功案例和經(jīng)驗(yàn)，將先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于航空產(chǎn)品研制過程中，開展適合于我國航空產(chǎn)品的數(shù)字化裝配工藝技術(shù)研究，以提升我國航空產(chǎn)品的研制能力。

二、面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖1）綜述

圖1 面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

研究航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配全過程，包括裝配的前端設(shè)計(jì)：面向裝配的設(shè)計(jì)、裝配公差優(yōu)化設(shè)計(jì)和裝配過程仿真優(yōu)化；裝配過程監(jiān)控：基于AR技術(shù)的智能裝配、裝配信息實(shí)時監(jiān)控和裝配過程智能調(diào)優(yōu)；裝配事后優(yōu)化：裝配大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、裝配大數(shù)據(jù)分析和裝配優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、 裝配的前端設(shè)計(jì)

將MBD技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配工藝設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加滿足工藝性和制造性要求。同時將后續(xù)工藝、制造和檢驗(yàn)信息，標(biāo)注在三維模型上，實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源下的設(shè)計(jì)、工藝、制造和檢驗(yàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)和管理。

工程師可以直接在設(shè)計(jì)的三維模型上進(jìn)行公差設(shè)計(jì)，按照ASME Y14.5M-1994和ISO1101的要求，計(jì)算當(dāng)前產(chǎn)品公差下產(chǎn)品的合格率。通過關(guān)鍵公差值的靈敏度分析和多目標(biāo)條件下的公差分析，求解出滿足產(chǎn)品多目標(biāo)要求的公差值，實(shí)現(xiàn)公差的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

基于數(shù)字孿生技術(shù)，將實(shí)際裝配條件加載到數(shù)字化樣機(jī)上，實(shí)現(xiàn)裝配過程模擬仿真，實(shí)現(xiàn)裝配過程干涉檢查和間隙檢查，基于檢查結(jié)果優(yōu)化裝配設(shè)計(jì)。

2、 裝配過程監(jiān)控和智能調(diào)整

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字化顯示技術(shù)，實(shí)時獲得裝配過程信息，對裝配的過程信息進(jìn)行實(shí)時展示?；谘b配知識庫數(shù)據(jù)，對裝配工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，以滿足智能裝配的要求。

基于AR技術(shù)和VR技術(shù)，在數(shù)字化環(huán)境和真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)時裝配，隨著裝配環(huán)境的變化智能調(diào)整裝配路徑，指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員進(jìn)行快速裝配，并達(dá)到裝配質(zhì)量的要求。

3、裝配事后優(yōu)化設(shè)計(jì)

獲得產(chǎn)品裝配過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，基于人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立裝配幾何模型、裝配過程的仿真模型和智能裝配的決策模型，基于航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配知識庫，通過數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)，智能監(jiān)測和調(diào)整裝配過程，實(shí)現(xiàn)智能裝配。

三、面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

1、基于MBD技術(shù)的面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

（1）面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在考慮產(chǎn)品外觀、功能和可靠性等前提下，通過提高產(chǎn)品的可裝配性，提高產(chǎn)品整體性能?？裳b配性是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)為滿足裝配要求，針對裝配工藝對產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，確保裝配效率高、裝配不良率低、裝配成本低和裝配質(zhì)量高等。

通過面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員能夠基于裝配規(guī)則進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時對產(chǎn)品的裝配性進(jìn)行先期的檢驗(yàn)，通過分析影響產(chǎn)品裝配性的各種因素，對產(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行評價，在此基礎(chǔ)上給出優(yōu)化裝配設(shè)計(jì)建議，以精簡產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，改進(jìn)裝配性能，提高產(chǎn)品可裝配性。

（2）基于MBD技術(shù)的面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)（圖2）

圖 2 基于MBD技術(shù)的面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

為了提高產(chǎn)品裝配的效率，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確地表達(dá)和裝配信息的數(shù)字化管理，將MBD技術(shù)可以深入應(yīng)用于裝配工藝設(shè)計(jì)。采用MBD技術(shù)，設(shè)計(jì)工程師將產(chǎn)品研制的各種數(shù)據(jù)都標(biāo)注在產(chǎn)品模型上，包括設(shè)計(jì)信息、工藝信息、生產(chǎn)制造信息和檢驗(yàn)信息等，形成完整的數(shù)字化樣機(jī)。工藝部門基于設(shè)計(jì)模型開展數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程設(shè)計(jì)、數(shù)控檢驗(yàn)編程設(shè)計(jì)和數(shù)字化工藝分析。MBD技術(shù)的應(yīng)用，為設(shè)計(jì)、工藝、加工和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性和關(guān)聯(lián)性提供技術(shù)支撐，為設(shè)計(jì)制造一體化提供技術(shù)保障。

2、基于裝配模型的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

建立裝配過程的數(shù)字化模型，包括：產(chǎn)品模型、物料模型、裝配設(shè)備模型、檢測設(shè)備模型和操作人員模型等，對裝配過程進(jìn)行模擬仿真，在數(shù)字化環(huán)境中發(fā)現(xiàn)不合理的裝配，盡早改進(jìn)裝配設(shè)計(jì)，優(yōu)化裝配過程。

（1）裝配拆卸過程仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖3）

拆裝過程干涉檢查：通過對產(chǎn)品拆裝過程仿真，驗(yàn)證裝配順序是否能無阻礙的裝配下去，以確認(rèn)裝配設(shè)計(jì)的合理性。針對具體AO/AAO，進(jìn)行產(chǎn)品與產(chǎn)品之間、產(chǎn)品與工裝之間的干涉檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)干涉情況時報警，高亮顯示出干涉區(qū)域和干涉量，以幫助工藝設(shè)計(jì)人員及早發(fā)現(xiàn)問題，查找和分析干涉原因，基于干涉檢查結(jié)果實(shí)現(xiàn)裝配工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

拆裝路線自動生成：動畫模擬零部件的拆裝過程，分析零部件拆裝過程中是否與周圍零部件發(fā)生沖突，評估零部件是否可拆裝，并為部件尋找到一個無干涉的拆裝路徑。通過捕捉一個部件沿一條給定路線運(yùn)動所產(chǎn)生的空間體積，形成一個掃掠體，以表示設(shè)計(jì)回避區(qū)，設(shè)計(jì)在這個回避區(qū)外進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可避免部件拆裝過程中引發(fā)的干涉。

圖3 拆裝模擬仿真和干涉檢查

（2）裝配過程中人因分析仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖4）

利用人機(jī)工程學(xué)理論和技術(shù)，對于開場性、可視性、可達(dá)到性和可操作性較差的部位，可以將標(biāo)準(zhǔn)人體的三維模型放入虛擬裝配環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)工程仿真，并模擬操作者的操作過程以發(fā)現(xiàn)操作空間大小是否滿足拆裝需要、操作者身體能否達(dá)到拆裝位置及拆裝對象是否可見等問題。將人因仿真報告提交相關(guān)部門，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、工藝和工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 裝配過程人因分析仿真

（3）裝配工藝參數(shù)的分析仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)

裝配工藝參數(shù)靈敏度分析是研究與分析裝配工藝參數(shù)的變化對飛機(jī)裝配綜合指標(biāo)隨周圍條件變化的敏感程度的方法。在優(yōu)化裝配工藝設(shè)計(jì)中，利用靈敏度分析來研究裝配工藝參數(shù)不準(zhǔn)確或發(fā)生變化時裝配工藝最優(yōu)解的穩(wěn)定性。通過靈敏度分析可以決定哪些工藝參數(shù)對裝配系統(tǒng)有較大的影響，并獲得這些裝配關(guān)鍵因素的最佳取值范圍。通過裝配多目標(biāo)的計(jì)算分析和迭代，實(shí)現(xiàn)裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3、基于數(shù)字孿生技術(shù)的裝配仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生（Digital Twin），是充分利用物理模型、傳感器更新及運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度和多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。

數(shù)字孿生是對建造系統(tǒng)的集成仿真，具有多物理、多分辨率和概率性的特征，由數(shù)字線索使能，使用最佳的可用模型、感知信息以及輸入數(shù)據(jù)，用以映射和預(yù)測相對應(yīng)的“物理孿生”生命周期的活動和性能。

基于數(shù)字孿生技術(shù)將物理空間的數(shù)據(jù)反饋到虛擬的產(chǎn)品開發(fā)之中，將數(shù)字化裝配模型和實(shí)物模型進(jìn)行持續(xù)的分析比對、分析評估、連續(xù)驗(yàn)證和預(yù)測優(yōu)化，加強(qiáng)定量分析和確認(rèn)，有效支持關(guān)鍵決策，大幅降低飛機(jī)復(fù)雜產(chǎn)品裝配開發(fā)時間和成本。

4、基于AR技術(shù)的裝配現(xiàn)場模擬和智能裝配 （圖5）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的信息增加用戶對現(xiàn)實(shí)世界感知的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)是虛擬制造仿真系統(tǒng)進(jìn)一步深入的拓展研究，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種實(shí)時地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動。

目前的大多數(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)都是通過將已知信息疊加到物理世界上來實(shí)現(xiàn)的，由于現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，虛擬制造也成為現(xiàn)實(shí)。AR技術(shù)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可視化展示、工藝指令指導(dǎo)和操作入門培訓(xùn)等。AR技術(shù)可以將虛擬操作說明再現(xiàn)成現(xiàn)場操作手冊，服務(wù)維護(hù)時可以及時地將數(shù)字化信息投射到現(xiàn)實(shí)世界中，從而根據(jù)具體環(huán)境指導(dǎo)正在執(zhí)行的工藝操作任務(wù)，提高現(xiàn)場操作的效能。

圖5 基于AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配

5、基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的裝配分析仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)

在航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過程中，基于傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和CPS等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配過程中質(zhì)量、檢測、物流、設(shè)備和能耗等數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，通過對裝配過程中產(chǎn)生的這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得影響裝配質(zhì)量、進(jìn)度和成本的關(guān)鍵因素。通過研究這些關(guān)鍵因素的變化趨勢，找出裝配過程中有問題的地方和解決問題的具體措施，實(shí)現(xiàn)面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。

工時優(yōu)化設(shè)計(jì)：對生產(chǎn)的每架次飛機(jī)記錄每道工序的開始時間、完工移交時間和計(jì)劃完工移交時間；同時統(tǒng)計(jì)出工序的實(shí)際工時和延誤時間，判斷出工序是否按時完工。對這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，分別統(tǒng)計(jì)出各道工序的完工率、交檢率和質(zhì)量檢驗(yàn)時間，從工序方法、工序規(guī)劃、工序質(zhì)檢以及操作人員類別等方面對工藝指令進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

裝配預(yù)緊力優(yōu)化設(shè)計(jì)：獲取每次裝配過程中裝卡設(shè)備用力和產(chǎn)品的受力情況，通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，分析裝卡設(shè)備的擰緊力和產(chǎn)品的壓力/壓裝/裝配力矩等之間的關(guān)系，獲得裝卡設(shè)備用力和產(chǎn)品的受力變化關(guān)系和變化趨勢，得到裝卡設(shè)備最佳用力，實(shí)現(xiàn)裝配預(yù)緊力優(yōu)化設(shè)計(jì)。

裝配間隙和階差優(yōu)化設(shè)計(jì)：獲得多部件結(jié)合處的裝配間隙和階差、運(yùn)動部件活動面之間的最大和最小間隙等數(shù)據(jù)，從每次裝配的裝配工藝參數(shù)變化過程中，分析判斷裝配工藝參數(shù)和裝配間隙及階差之間的變化趨勢，從而優(yōu)化裝配工藝參數(shù)，獲得滿足裝配間隙和階差的最佳工藝參數(shù)值。

物料配送優(yōu)化設(shè)計(jì)：分析各種物料配送的時間，分析各種物料配送對裝配影響程度，分析不同供應(yīng)商的物料配送準(zhǔn)時率。面向整個裝配過程，按照各種物料配送的準(zhǔn)確率統(tǒng)籌進(jìn)行物料配送，確保重要緊急的裝配配備有可靠的供應(yīng)商物料，最大化保證裝配物料正常供給，確保正常裝配。

操作人員合理優(yōu)化分配：針對各種工藝，統(tǒng)計(jì)不同資質(zhì)的操作人員完成工藝的時間和質(zhì)量，對操作人員進(jìn)行分類定義，按照裝配工藝的輕重緩急，分配不同級別的操作人員，最大化利用人力資源，保障裝配進(jìn)度和質(zhì)量。

四、結(jié)語

本文面向航空復(fù)雜產(chǎn)品，通過航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配全過程關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)航空復(fù)雜產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)模式和設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新，為提高航空復(fù)雜產(chǎn)品研制質(zhì)量提供技術(shù)保障。隨著航空產(chǎn)品功能性能不斷提高，航空產(chǎn)品及其制造工藝變得越來越復(fù)雜，迫切需要將更多的新型技術(shù)應(yīng)用于航空復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中。因此，面向復(fù)雜航空產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)還需要加大研究方向，形成更多的研究成果應(yīng)用于航空產(chǎn)品研制，以提高我們航空產(chǎn)品研制能力。