数字化技术在飞机装配中的应用

数字化技术在飞机装配中的应用研究

飞机装配数字化技术的应用 , 使我国航空产品的开发发生观念性的改

变 , 促进企业治理体制、型号研制过程的一系列变革 , 并向着开放式的、具有快速应变能力物创新能力的现代型企业方向进展 .

国内外飞机装配技术现状 1.1 国内现状

我国的飞机装配技术和组织治理方式，尽管在局部上采纳了较先

进的技术，如利用激光跟踪仪或计算机辅助经纬仪（ Computer Aided

Theodolite ， CAT ）技术安装型架，少数采纳了自动钻铆技术，简化

了装配型架结构。但与发达国家相比还存在较大差距，要紧表现在：

（ 1 ）上述技术尚不配套，应用上不成熟，加上我国多年来对飞机装配技术缺乏研究，资金投入不足，仅满足于能把飞机制造出来，目前

飞机装配依旧沿袭着过去几十年来批生产的手工作业模式；（ 2 ）飞机的设计制造仍要紧采纳串行模式，制造模式未实现全然

转变；

（ 3 ）数字化技术的应用规模较小，还未实现一个完整型号的全面数字化；

（ 4 ）各环节尽管已实现数字量传递，但仍存在信息孤岛现象，未

打通飞机数字化设计制造生产线，模拟量传递依旧大量存在；（ 5 ）工装、工艺设计与产品设计脱节，未能充分实现并行工程，

造成飞机装配协调困难，返工率高；

（ 6 ）在装配技术方面，尽管局部采纳了数字化技术，如在协调方式上局部采纳了数字量传递方法，但模拟量传递仍然是当前众多企业飞

机制造的要紧协调方法；

（ 7 ）采纳专用工装装配，光学仪器测量安装仍是目前飞机装配的

要紧手段，未能在数字化装配技术方面实现新的突破，导致飞机制造成

本居高不下；

（ 8 ）装配工人在现场工作需要认真翻阅大量的图纸、工艺文件，而且经常会出现工作上的失误，造成装配质量问题，阻碍装配周期。

1.2 国外现状

飞机产品数字化设计制造技术是 20 世纪 80 年代后期以来，随着

CAD/CAM 、计算机信息和网络技术的进展，以美国为首的西方发达国家开始研究并首先采纳的一项新技术。这项技术以全面采纳数字化产品定

义、数字化预装配、产品数据治理、并行工程和虚拟制造技术为要紧标

志，从全然上改变了飞机传统的设计与制造方式，大幅度地提高了飞机设计制造技术水平。美国波音 777 飞机的研制，由于全面采纳了该项

新技术，使研制周期缩短 50% ，出错返工率减少 75% ，成本降低

25% ，成为数字化设计制造技术在飞机研制中应用的标志和里程碑。目前，以波音公司为代表的飞机设计制造公司的数字化技术差不多成

熟应用到多种飞机的研制过程中，并取得了专门好的效益。

(1) 洛克希德· 马丁公司在研制 JSF 战斗机 X-35 过程中明确提

出：要使 JSF 飞机装配制造过程的周期缩短 67% ，其中单架周期要从

15 个月缩短到 5 个月；工艺装备由 350 件减少到 19 件，即减少

95% ；制造成本降低 50% 等，此外 , 洛克希德· 马丁公司在 JSF 装配中还应用了一种十分先进的龙门钻削系统（ JGADS ），它使用激光定

位、电磁马达和“ 压脚” （ pressure foot ）进行周密钻孔，加快了装配过程，形成紧配合，产生光谱表面，不仅减少了摩擦，还满足

了 JSF 耐久性需求，其钻孔出错率仅为百万分之三，优于世界钻孔百

万分之三点四的质量标准，而且在处理大型零件时能容易地拆卸、移动和重新装配，还取消了 75% 的钻孔工具和工装，使部件的安装工作节

约了 90% 的时刻。

(2) 波音公司在研制 X-32 机时也是如此，当零部件汇合到 JSF 方案验证机总装基地——加利福尼亚州帕姆戴尔时，已见不到通常陪伴

在飞机生产线上的巨大型架，取而代之的是一种通用支架，用它支撑

JSF 的要紧部件，利用 4 部 Zeiss 激光跟踪仪对它们进行空间定位和其他装配工作，并取得了专门好的效果。在 X-45 无人驾驶战斗机项目

中也采纳了这一先进技术。随着 X-32 装配工作的进展，工人们开始佩

带一种挂在腰间的微型计算机，该机通过单目镜片，能把装配顺序和装

配好的部件状态投射到正在装配部件的上方，让工人方便直观地进行装

配工作，无需再细读图纸，翻阅工艺文件，使装配周期缩短 50% ，成

本降低 30% ～ 40% 。洛克希德· 马丁和波音等飞机制造公司在飞机装配技术方面采取了以下的技术措施：

· 设计制造并重，产品设计与装配设计紧密结合，实施并行工程。· 在生产组织和治理上广泛采纳精益生产的思想和方法，精简了工

作业务流程。

· 全面采纳数字化设计制造技术 , 大范围进行数字装配过程仿真模拟。

· 建立单一产品数据源，实现工程 BOM 、制造 BOM 以及维护 BOM

的有效转换，保证数据传递过程中的一致性。· 普遍采纳数控自动钻铆技术，大幅度提高了铆接质量和进度。·　

采纳计算机辅助光学仪器（激光跟踪仪、电子全站仪）进行飞机定位测

量和直接安装技术。

· 大幅度简化工装，采纳统一结构的动态工夹具的设计和使用技

术，甚至不用专门型架，便可直接进行飞机装配安装工作。

· 利用先进的装配互换协调技术，尽量减少在装配过程中使用连接件，段件对合时不再钻孔。

· 建立了基于模块的飞机构型方法，具有完善的更改治理措施，已形成了数字化制造技术体系。

· 装配过程的工艺补偿件等采纳液态垫片等先进技术手段。

通过对国内外装配技术现状的比较，我们能够得出如下结论：

数字化技术的应用不仅从软、硬件的角度动身，更重要的是融合了所有设计、制造的数字化过程，以产品数据集为中心，利用数字化设备

和装配仿真技术，使生产线上的产品在装配过程中真正得到有效操纵。

利用该技术能够建立起一套有效的产品结构及产品发放过程操纵机制，建立相关的工作规范和制度，保证飞机装配所需的数字量信息的正

确传递。

数字化技术应用研究内容

2.1 建立飞机数字化装配协调体系数字化装配是飞机数字化协调体系的有机组成部分。建立数字化装配协调体系，需要从以下几个方面考虑：

(1) 建立基于企业网的协同工作环境。

建立企业内部的网络化协同工作环境，其范围要涵盖设计部门、工

装设计制造部门、零部件制造部门、装配部门等要紧产品模型的使用单位。以便装配部门能够及时有效地与上述部门进行沟通和协同。

(2) 飞机产品结构治理与操纵技术。由于一种差不多型号的飞机有众多改型，为了解决重用性的问题，需要进行产品的构型治理，实现按

照架次治理的要求。

(3) 建立企业各部门间通过网络进行协调的治理规范。必须建立一

整套的规范来约束企业各部门之间的工作，包括数字签名审核制度、工

作流操纵制度等内容，使飞机装配能够通过工作流来驱动工程设计与制造事件，实现数字化装配过程的自动化。

2.2 面向装配的并行数字化定义技术

数字化装配应从数字化预装配（ Digital Pre-Assembly,DPA ）开始，其基础是并行数字化定义环境，在面向装配的设计 (Design For

Assembly ， DFA) 和分析环境中，需要包含的要紧功能为：产品定义

系统、早期打算、工厂工作流程模拟、基于文本 /3D 模型的工艺打算、装配分析、人机工程模型、人机工程分析、人机工程模拟、数字化质量

保证、成本和效率核算、 3D 工作指令向 MES 系统传递、执行。

在进行并行的产品数字化定义结束前，需要完成产品结构件的建

模、产品结构的工艺分析、数字样机装配仿真、数字化装配过程设计

(Digital Assembly Sequence ， DAS) 以及数字化工艺装备定义

（ Digital Tool Definition,DTD ）等工作。而装配仿真、装配过程

设计和工装设计直接阻碍到产品的可装配性，因此，实现并行产品数字

化定义将能有效地减少因设计错误或返工引起的更改，从而提高装配件生产质量，缩短装配周期，降低生产成本。

2.3 建立包含数字化装配仿真过程

在内的并行设计规范需要为并行数字化设计建立设计规范，明确设计人员与工艺人员的分工和责任，确定设计人员与工艺人员进行数字化

设计和装配模拟仿确实工作内容和差不多方法。

(1) 产品结构的模块化设计。

在并行产品设计过程中，需要采纳模块化设计的方法，结合结构设计、工艺设计、工装设计以及系统设计、燃油系统设计人员，按照模块

化思路进行组织，实现设计过程和装配过程的部件化、节奏化，使飞机

上每个系统的工作分散到各个总装站上陆续完成。应尽可能把系统安

装、调整和试验工作安排在部件装配时期完成，以减少部件装配过程中

系统检查的等待时刻。 (2) 产品结构的广义数字化定义。

明确并行工作组内的装配工艺设计人员与其他设计人员进行协同产

品设计开发的内容与方法，以确保制造过程中数据信息的完整性和广泛

性。

(3) 装配设计可视化协同仿真平台。

在开展并行设计过程中，建立并行产品设计环境下的装配仿真系统

需要的环境如下图所示。图中， PDM 系统为协同设计提供必要的基础

集成环境。装配工艺人员只有通过 PDM 系统，才能访问到存在于预发放数据库和发放数据库中的产品模型，并通过 PDM 的网络通信协同功

能，进行异地并行预装配，装配过程设计才能及时、准确地访问到所需

要的数据。

(4) 制定适应于数字化装配的新的飞机结构方案。寻求不用专用型架直接装配飞机要紧结构件的数字化装配方法，相

应地对适合这种装配方法的飞机结构提出建议。

(5) 协同环境下的产品模型数据治理技术。

协同环境面临着产品异地数据不一致的问题，需要采纳产品数据治

理系统来统一治理异地的产品数据。应用产品治理技术解决产品数据唯

一性，实现单一产品数据源治理的要求。

2.4 数字化装配仿真、协调与数字化

装配过程优化设计飞机数字化预装配是在数字化产品定义

(Digital Product Definition,DPD) 的基础上利用计算机模拟装配的

过程。它要紧用于在研制过程中及时进行静动态界面设计和干涉检查、

工艺性检查、可拆卸性检查和可维护性检查。采纳数字化装配技术能够

有效地评价产品的可装配性，减少因设计缘故造成的更改或返工，缩短

研制周期，降低产品成本，提高产品竞争能力。