面向智能裝配的航天復雜產品結構設計標準研究*

劉峰 蔡志娟 李霏 孫朝暉 張金 胡敏 王勝

（北京電子工程總體研究所，北京，100854）

近年來，國際形勢變化劇烈，國家對航天復雜產品的要求，包括產品性能與生產效率越來越高，但是目前航天復雜產品生產仍在采用依靠人工裝配為主的生產模式，在型號批產數量越來越多的情況下，各生產廠、總裝廠面臨的生產壓力極大，產品質量也越來越難以把控，更談不上能夠滿足戰(zhàn)時航天復雜產品的大量需求。目前裝配生產模式中存在的問題，以及對產品高質量、高效率的追求，對生產模式轉變、制造技術革新兩方面都提出了變革和跨越式的發(fā)展要求，智能化創(chuàng)新研制模式的實施勢在必行。

1 產品智能裝配面臨的主要問題

從產品裝配未來發(fā)展方向來看，建設和使用基于機器人作業(yè)的智能化柔性裝配廠房車間是主要的發(fā)展趨勢。其具有良好的響應內部和外部變化的能力，可以適應于多種產品，同時利用先進傳感器技術，精準獲取裝配信息與數據，實現裝配質量實時分析與把控。但是，采用智能制造的方式進行航天復雜產品裝配生產，并非直接將機器人、MES（生產線管控軟件）、ERP等軟硬件直接搬進航天復雜產品智能裝配生產線進行生產調試那么簡單，而是需要從智能化設備和航天復雜產品兩方面入手[1-2]。智能化設備方面，需要采用各種自動化、智能化設備，如機器人、AGV（自動導引小車）、管控軟件等，針對生產過程的信息采集與分析處理，實現生產的自主化和智能化；航天復雜產品方面，由于現有設計師對機器人等設備自動化裝配工藝了解不夠，進行航天復雜產品設計時往往還是面向人工裝配。因此，現階段復雜產品的智能裝配往往存在以下問題[3-5]。

a）裝配工藝難度增大。采用以機器人為主要生產力的智能化裝配工藝，主要裝配動作由機器人和柔性工裝等自動化設備完成。這就要求待生產產品的各個零件上需要設計合適的夾持和定位結構，而目前零件上大都未進行該項設計，因此采用機器人裝配時，需要額外進行工藝工裝設計與調試，增加了產品裝配工藝難度。

b）生產效率降低。航天復雜產品具有裝配空間狹小、裝配零件多的特點，對于無法夾持的零件需要采用諸如真空吸附、電磁吸附等方式進行夾取。當機器人運行速度提升時，上述夾持方式會導致零件晃動，導致零件末端精度損失。因此，往往為保證裝配精度，需要犧牲機器人運動速度，從而降低了生產效率。

c）生產線成本增高，系統可靠性降低。為保證產品裝配精度與產品質量，現階段進行生產線設計時，需要針對零件額外設計二次定位工裝，或采取基于視覺的精度補償機構。上述設計將額外增加生產線硬件設備及裝調工作量，增加生產線建設成本。同時，增加的軟硬件加大了系統復雜度，降低了系統可靠性。

綜上，開展航天復雜產品智能裝配生產時，需要對傳統的、面向人工裝配的產品結構設計方法進行革新，形成面向機器人作業(yè)的結構設計方法，從而為后續(xù)生產線設計、調試及產品生產奠定基礎。

2 國內外現狀和發(fā)展趨勢

智能制造目前已逐漸成為世界主要工業(yè)化國家重振制造業(yè)的重要突破口，國外一些航空航天企業(yè)將汽車行業(yè)的生產線思路引入到其產品裝配中，建設了具有航空航天產品特色的裝配生產線，大幅提高了產品裝配的質量和效率，降低了生產成本。

美國雷錫恩公司結合航天復雜產品生產制造流程，建立了以 “柔性生產單元”、 “多航天復雜產品制造設備”、 “數字化管理系統”等為代表的先進裝配生產線，并于2012年投入使用，如圖 1所示。該工廠通過 “標準化”、 “通用化”、 “模塊化”設計思想，集成了機器人技術、計算機控制技術和數字化技術等，具有自動化程度高、制造成本低、安全性高、任務可靠性高等特點，并能夠根據生產過程的變化進行快速響應和及時調整，同時盡可能地減少對生產過程的中斷，裝配生產周期和制造成本較原生產模式降低20%，且裝配工位的人員大幅度縮減，極大地提高了產品的研發(fā)能力、生產能力、保障能力、創(chuàng)新能力。

圖1 雷錫恩公司航天復雜產品的數字化總裝線

其他航天復雜產品的生產企業(yè)，也采用了先進的裝配技術。美國波音公司配備的航天復雜產品柔性對接系統，其采用激光跟蹤儀作為對接測量系統實時監(jiān)測對接偏差，并由數字化管理系統根據偏差信息驅動導軌式數控對接平臺，完成航天復雜產品的艙段對接，如圖2所示。美國白沙航天復雜產品柔性對接系統，對接方式與雷錫恩公司的系統基本一致，對接系統采用伺服電機驅動如圖3所示。

圖2 波音航天復雜產品柔性對接系統

圖3 美國白沙航天復雜產品柔性對接系統

國內飛機行業(yè)近十年來開展了大量柔性裝配工裝、數字化裝配技術的研究，在多個單項技術上實現了突破，并在典型飛機型號的研制和生產中得到應用。中航工業(yè)西飛公司2010年5月基本建成并正式投入使用了國內首條飛機總裝脈動式生產線；沈陽和成都飛機制造公司在其最新型號飛機的總裝制造中，均建成了融合先進數字化和自動化設備的總裝生產線，保證了新型號產品的總裝質量，縮短了總裝周期，降低了制造成本。上海飛機制造公司在其C919的裝配生產線建設過程中，引進了FIT公司的自動化工裝和智能化設備，建成先進的飛機裝配生產線。

在我國航天復雜產品研制領域，北京電子工程總體研究所基于復雜產品智能制造系統國家重點實驗室，開展了航天復雜產品智能裝配技術研發(fā)，設立了基于智能裝配中心和人機協作中心的智能集成裝配生產示范線，成功實現了兩類典型航天產品的智能化裝配演示，為航天復雜產品智能制造奠定了基礎。

3 面向智能裝配的結構設計標準研究

3.1 基本要求

面向智能裝配的航天復雜產品結構設計應從方案設計階段開始，對航天復雜產品結構、設備接口結構、線纜等進行設計，最終形成滿足總體要求的各類技術文件。具體包括結構設計和協同仿真兩部分內容。 “結構設計工作”包括確定裝配方式、夾持與定位結構設計、裝配精度分析等。 “協同仿真工作”包括裝配順序規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃和裝配過程仿真。由結構設計師、工藝設計師共同參與完成。結構設計師主導完成結構設計工作，工藝設計師配合；工藝設計師主導完成協同仿真工作，結構設計師配合。

3.2 結構設計方法

面向智能裝配的航天產品結構設計的獨特性體現在結構設計的同時需要考慮產品裝配可實現性，結構設計師先確定裝配方式，再進行夾持與定位結構設計，最后進行裝配精度分析，如圖4所示。

圖4 結構設計方法

a）裝配方式的確定。結構設計師進行結構設計之前，需要判定該零部組件采用何種裝配方式，自動智能化裝配或人機智能化裝配。一般原則為：剛性、裝配空間充足的零件以及重量較大、裝配精度要求較高的零部組件適合自動智能化裝配；而柔性零件、裝配空間狹小的零件適合人機智能化裝配。選擇裝配方式時，盡可能采用相同的裝配方向，優(yōu)先考慮自上而下的裝配方向。

b）夾持與定位結構設計。當裝配過程中需要采用機器人等自動化設備進行裝配時，零部組件必須有夾持特征，并設計機械定位結構，或者采用相機等傳感器進行輔助定位。建議優(yōu)先采用機械結構定位，夾持結構、定位結構應進行系列化設計，采用定位銷、定位槽實現零件夾持與定位的示例如圖5所示。零件裝配表面應增加輔助裝配特征，包括導向槽、圓角、倒角等。當采用圖像識別等輔助定位方式時，識別特征點、線、面應與零件周圍特征有明顯色差。艙段連接結構處設置標記點、線或面，并增加艙段連接導向特征。進行結構設計時，應為裝配設備、工具、工裝、夾具等留有操作空間，并在裝配過程中保持活動部件姿態(tài)固定。

圖5 夾持與定位結構設計示例

c）裝配精度分析。因為夾持與定位結構的設計以及裝配工裝、夾具的設計，直接影響產品的最終裝配精度，所以在結構設計時，需對產品的最終裝配精度進行分析。主要包括：產品的裝配尺寸鏈分析，確定產品最終裝配尺寸公差是否在容許范圍內，同時根據計算結果評估產品的可裝配性，并進行結構設計方案優(yōu)化。

3.3 協同仿真方法研究

依托產品設計結果，進行協同仿真。應分層、分級進行零部組件裝配順序規(guī)劃，評估裝配工藝性和可裝配性。主要包括以下內容。

a）裝配順序規(guī)劃。按照產品結構樹進行裝配順序規(guī)劃，符合自底向上、逐級向上的原則。為提升裝配效率，裝配順序應適當并行與串行。裝配過程中應避免干涉、碰撞。依據裝配順序規(guī)劃結果，為每步裝配選擇合適的工具、工裝和設備。應避免不同設備、工裝或工具間的頻繁切換，盡可能減少所需設備、工裝和工具的數量。

b）裝配路徑規(guī)劃。為保證產品裝配可行性，需要針對每個最小裝配單元進行裝配路徑規(guī)劃，確定零部組件夾持方式、裝配路徑中的位置和姿態(tài)，評估裝配路徑中的碰撞和干涉問題，評估設備的承載能力，運動范圍是否滿足設計要求，同時從人因工程角度評估工作人員工作狀態(tài)，確保工作人員處于合適的工作姿態(tài)。

c）裝配仿真。借助專業(yè)仿真軟件形成裝配仿真，直觀反映裝配順序、裝配路徑，發(fā)生碰撞、干涉時，設備運行到達限位或極限時，以直觀方式提示，輸出裝配仿真視頻，用于生產指導。根據仿真結果生成機器人等自動化設備路徑規(guī)劃，用于機器人現場編程。

本文針對航天復雜產品智能裝配的應用需求，從產品設計源頭出發(fā)，提出了若干面向機器人裝配作業(yè)的產品結構設計方法，指導航天復雜產品進行結構設計，希望能為后續(xù)智能裝配生產線建設與產品生產奠定基礎。