面向航空復雜產品的裝配工藝優化設計技術

撰文 | 航空工業信息技術中心（金航數碼） 張曉梅

本文面向航空復雜產品，進行裝配全過程技術研究，從裝配的前端設計、裝配過程監控、裝配事后優化三個方面，論述了復雜航空產品的裝配技術，包括基于MBD的面向裝配的產品設計技術、基于數字孿生的裝配仿真和優化設計技術、基于AR技術的智能裝配技術、基于大數據的裝配分析仿真和優化設計技術等。通過航空復雜產品裝配全過程關鍵技術研究，實現航空復雜產品工藝設計模式和設計方法創新，為提高航空復雜產品研制質量提供技術保障。

一、引言

航空產品在設計上具有結構復雜、標準化程度低和零部件數量大等特點；在制造上具有工藝專業門類眾多、加工工藝難度大、制造流程長、零部件配套關系復雜和機電一體化等特點。隨著航空行業市場需求的日益加大和市場競爭的日益加劇，航空產品制造在不斷縮短研制周期和提高產品研制質量的同時，更加趨向于設計、工藝與制造過程的緊密協同。隨著新型MBD技術、數字孿生技術、AR技術、VR技術、物聯網技術、大數據技術和人工智能技術等不斷誕生并廣泛應用，我們迫切需要將這些新型技術應用于航空產品研制過程中，以滿足航空產品設計和制造中的特殊性要求，并不斷提升航空產品研制能力，以面對市場挑戰的要求。因此，我們需要借鑒國內外發達航空制造企業的成功案例和經驗，將先進的技術應用于航空產品研制過程中，開展適合于我國航空產品的數字化裝配工藝技術研究，以提升我國航空產品的研制能力。

二、面向航空復雜產品的裝配工藝優化設計（圖1）綜述

圖1 面向航空復雜產品的裝配工藝優化設計技術

研究航空復雜產品裝配全過程，包括裝配的前端設計：面向裝配的設計、裝配公差優化設計和裝配過程仿真優化；裝配過程監控：基于AR技術的智能裝配、裝配信息實時監控和裝配過程智能調優；裝配事后優化：裝配大數據統計、裝配大數據分析和裝配優化設計。

1、 裝配的前端設計

將MBD技術應用于產品設計和裝配工藝設計過程中，實現面向裝配的產品設計，讓產品設計更加滿足工藝性和制造性要求。同時將后續工藝、制造和檢驗信息，標注在三維模型上，實現單一數據源下的設計、工藝、制造和檢驗關聯設計和管理。

工程師可以直接在設計的三維模型上進行公差設計，按照ASME Y14.5M-1994和ISO1101的要求，計算當前產品公差下產品的合格率。通過關鍵公差值的靈敏度分析和多目標條件下的公差分析，求解出滿足產品多目標要求的公差值，實現公差的優化設計。

基于數字孿生技術，將實際裝配條件加載到數字化樣機上，實現裝配過程模擬仿真，實現裝配過程干涉檢查和間隙檢查，基于檢查結果優化裝配設計。

2、 裝配過程監控和智能調整

基于物聯網技術和數字化顯示技術，實時獲得裝配過程信息，對裝配的過程信息進行實時展示。基于裝配知識庫數據，對裝配工藝參數進行實時調整，以滿足智能裝配的要求。

基于AR技術和VR技術，在數字化環境和真實環境下進行產品實時裝配，隨著裝配環境的變化智能調整裝配路徑，指導現場操作人員進行快速裝配，并達到裝配質量的要求。

3、裝配事后優化設計

獲得產品裝配過程中產生的各種數據，基于人工智能技術和大數據技術，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，基于航空復雜產品裝配知識庫，通過數據分析、數據挖掘和機器學習，智能監測和調整裝配過程，實現智能裝配。

三、面向航空復雜產品的裝配工藝優化設計的關鍵技術

1、基于MBD技術的面向裝配的產品設計

（1）面向裝配的產品設計

面向裝配的產品設計在考慮產品外觀、功能和可靠性等前提下，通過提高產品的可裝配性，提高產品整體性能。可裝配性是指產品設計為滿足裝配要求，針對裝配工藝對產品設計要求進行產品設計，確保裝配效率高、裝配不良率低、裝配成本低和裝配質量高等。

通過面向裝配的產品設計，設計人員能夠基于裝配規則進行裝配設計，并在產品設計時對產品的裝配性進行先期的檢驗，通過分析影響產品裝配性的各種因素，對產品的可裝配性進行評價，在此基礎上給出優化裝配設計建議，以精簡產品結構，改進裝配性能，提高產品可裝配性。

（2）基于MBD技術的面向裝配的產品設計（圖2）

圖 2 基于MBD技術的面向裝配的產品設計

為了提高產品裝配的效率，實現工藝數據及時、準確地表達和裝配信息的數字化管理，將MBD技術可以深入應用于裝配工藝設計。采用MBD技術，設計工程師將產品研制的各種數據都標注在產品模型上，包括設計信息、工藝信息、生產制造信息和檢驗信息等，形成完整的數字化樣機。工藝部門基于設計模型開展數字化工藝設計、數字化工裝設計、數控編程設計、數控檢驗編程設計和數字化工藝分析。MBD技術的應用，為設計、工藝、加工和檢驗數據的一致性和關聯性提供技術支撐，為設計制造一體化提供技術保障。

2、基于裝配模型的裝配工藝優化設計

建立裝配過程的數字化模型，包括：產品模型、物料模型、裝配設備模型、檢測設備模型和操作人員模型等，對裝配過程進行模擬仿真，在數字化環境中發現不合理的裝配，盡早改進裝配設計，優化裝配過程。

（1）裝配拆卸過程仿真優化設計（圖3）

拆裝過程干涉檢查：通過對產品拆裝過程仿真，驗證裝配順序是否能無阻礙的裝配下去，以確認裝配設計的合理性。針對具體AO/AAO，進行產品與產品之間、產品與工裝之間的干涉檢查。當發現干涉情況時報警，高亮顯示出干涉區域和干涉量，以幫助工藝設計人員及早發現問題，查找和分析干涉原因，基于干涉檢查結果實現裝配工藝的優化設計。

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動所產生的空間體積，形成一個掃掠體，以表示設計回避區，設計在這個回避區外進行產品設計，可避免部件拆裝過程中引發的干涉。

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化設計（圖4）

利用人機工程學理論和技術，對于開場性、可視性、可達到性和可操作性較差的部位，可以將標準人體的三維模型放入虛擬裝配環境中進行人機工程仿真，并模擬操作者的操作過程以發現操作空間大小是否滿足拆裝需要、操作者身體能否達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部門，實現產品、工藝和工裝的優化設計。

圖4 裝配過程人因分析仿真

（3）裝配工藝參數的分析仿真和優化設計

裝配工藝參數靈敏度分析是研究與分析裝配工藝參數的變化對飛機裝配綜合指標隨周圍條件變化的敏感程度的方法。在優化裝配工藝設計中，利用靈敏度分析來研究裝配工藝參數不準確或發生變化時裝配工藝最優解的穩定性。通過靈敏度分析可以決定哪些工藝參數對裝配系統有較大的影響，并獲得這些裝配關鍵因素的最佳取值范圍。通過裝配多目標的計算分析和迭代，實現裝配工藝優化設計。

3、基于數字孿生技術的裝配仿真和優化設計

數字孿生（Digital Twin），是充分利用物理模型、傳感器更新及運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

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

基于數字孿生技術將物理空間的數據反饋到虛擬的產品開發之中，將數字化裝配模型和實物模型進行持續的分析比對、分析評估、連續驗證和預測優化，加強定量分析和確認，有效支持關鍵決策，大幅降低飛機復雜產品裝配開發時間和成本。

4、基于AR技術的裝配現場模擬和智能裝配 （圖5）

增強現實技術是在虛擬現實技術的基礎上發展起來的，通過計算機系統提供的信息增加用戶對現實世界感知的技術。增強現實仿真系統是虛擬制造仿真系統進一步深入的拓展研究，增強現實是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。

目前的大多數增強現實都是通過將已知信息疊加到物理世界上來實現的，由于現代化生產的需要，虛擬制造也成為現實。AR技術應用于實現產品可視化展示、工藝指令指導和操作入門培訓等。AR技術可以將虛擬操作說明再現成現場操作手冊，服務維護時可以及時地將數字化信息投射到現實世界中，從而根據具體環境指導正在執行的工藝操作任務，提高現場操作的效能。

圖5 基于AR技術實現產品裝配

5、基于大數據技術的裝配分析仿真和優化設計

在航空復雜產品的裝配過程中，基于傳感器、物聯網和CPS等技術，實現裝配過程中質量、檢測、物流、設備和能耗等數據的實時采集，通過對裝配過程中產生的這些大數據進行統計分析，獲得影響裝配質量、進度和成本的關鍵因素。通過研究這些關鍵因素的變化趨勢，找出裝配過程中有問題的地方和解決問題的具體措施，實現面向航空復雜產品的裝配工藝優化設計。

工時優化設計：對生產的每架次飛機記錄每道工序的開始時間、完工移交時間和計劃完工移交時間；同時統計出工序的實際工時和延誤時間，判斷出工序是否按時完工。對這些大數據進行統計分析計算，分別統計出各道工序的完工率、交檢率和質量檢驗時間，從工序方法、工序規劃、工序質檢以及操作人員類別等方面對工藝指令進行優化設計。

裝配預緊力優化設計：獲取每次裝配過程中裝卡設備用力和產品的受力情況，通過大數據統計分析計算，分析裝卡設備的擰緊力和產品的壓力/壓裝/裝配力矩等之間的關系，獲得裝卡設備用力和產品的受力變化關系和變化趨勢，得到裝卡設備最佳用力，實現裝配預緊力優化設計。

裝配間隙和階差優化設計：獲得多部件結合處的裝配間隙和階差、運動部件活動面之間的最大和最小間隙等數據，從每次裝配的裝配工藝參數變化過程中，分析判斷裝配工藝參數和裝配間隙及階差之間的變化趨勢，從而優化裝配工藝參數，獲得滿足裝配間隙和階差的最佳工藝參數值。

物料配送優化設計：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，分析不同供應商的物料配送準時率。面向整個裝配過程，按照各種物料配送的準確率統籌進行物料配送，確保重要緊急的裝配配備有可靠的供應商物料，最大化保證裝配物料正常供給，確保正常裝配。

操作人員合理優化分配：針對各種工藝，統計不同資質的操作人員完成工藝的時間和質量，對操作人員進行分類定義，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，保障裝配進度和質量。

四、結語

本文面向航空復雜產品，通過航空復雜產品裝配全過程關鍵技術研究，實現航空復雜產品工藝設計模式和設計方法創新，為提高航空復雜產品研制質量提供技術保障。隨著航空產品功能性能不斷提高，航空產品及其制造工藝變得越來越復雜，迫切需要將更多的新型技術應用于航空復雜產品的設計制造中。因此，面向復雜航空產品的裝配工藝優化設計還需要加大研究方向，形成更多的研究成果應用于航空產品研制，以提高我們航空產品研制能力。