中航工业陕飞-建设数字化智能部总装生产线打造飞机装配核心优势

发布于：2019-05-14 11:56:14 来源：陕西高研院

陕飞公司以某型飞机研制为背景，结合生产线建设的契机，在规划部装生产线时，完成传统装配向数字化装配的转型。2011年数字化生产线申请立项并进入数字化产品建模及工艺准备状态，2014年初投入应用及试运行，2015年数字化生产线已进入批产状态。在规划总装生产线建设时，引入德国工业4.0和中国制造2025的发展理念，并基于现有信息化、数字化软硬件条件，重构已有系统形成飞机制造信息化和数字化融合的全新系统，实现飞机总装生产过程智能化技术水平。

1. 智能生产线建设进展情况
1.1数字化部装生产线建设进展情况
陕飞公司某型机数字化生产线建设目标是“制造系统构建完整的生产与信息的回路，使得生产线具有自我学习、自我诊断、自主决策等智能化的行为和能力”，基于“信息流物流集成的智能化生产管控”，实现了生产线运行效率的提高，产品质量稳定性的提升。
1) 运行管控方面
工厂各智能管控平台的投用。陕飞公司于2012年将各智能管控平台陆续投入使用，其中包括三维数据的发放、工艺准备系统、生产制造系统和质量控制系统等。
2) 厂房建设及配套设施
部件装配生产线主厂房由5个36m跨组成，每跨长度180m，主要进行机身前、中、尾段装配及对接，中央翼、中外翼、外翼、垂尾、平尾和发动机短舱的装配任务。

序号	数字化装配系统	备注
1	机身前段数字化装配系统
2	机身中段数字化装配系统
3	机身前中段数字化对接系统
4	中央翼数字化装配系统
5	中外翼数字化装配系统
6	中外翼端肋精加工系统
7	中外翼发房对合数字化装配系统
8	iGPS数字化测量系统
9	机身壁板自动钻铆系统
10	机翼壁板机器人制孔系统

3) 三维数字化应用所取得的突破
基于数字化装配的生产理念，以数字化装配技术及数字化测量技术为基础，实现了组件状态下的制孔铆接和部件装配过程中自动定位调姿及在线测量，满足产品装配后的准确性、稳定性要求。
4) 数字化车间构建机制的逐步形成
构建生产线智能制造建设的思路，成立了负责组织策划、产品设计三维建模构型、三维工艺规划、生产组织和装配实施验证的项目团队，开展了数字化车间建设的技术研究及系统开发构建，并在批生产线逐步进行实施完善。

2. 智能总装生产线建设进展情况
陕飞公司智能总装生产线建设是以型号研制为契机，推动智能制造的应用，以信息技术发展为牵引，推动智能制造水平提升，其目标是为制造系统构建完整的生产与信息的回路，使得生产线具有自我学习、自我诊断、自主决策等智能化的行为和能力。通过建模仿真、智能化管控、决策过程智能化、工艺装备智能化、维护保障智能化等五个领域的研究，实现具有结构装配自动化、信息采集实时化与集成化、线缆检测智能化、基于工艺规划与仿真技术物流配送准时化、装配过程可视化、管控精细化的智能生产线。
2.1总装新生产线厂房主体即将建成，先进数字化、自动化设备购置已完成
生产线共设置5个站位，沿“一”字排开，站位间距10m，配备有发动机安装车、电动可调千斤顶、液压站、飞机移载设备、升降式地井、整机线缆检测、激光跟踪仪等先进数字化、自动化设备。目前，在关键技术与软件功能层面上，通过突破六项关键集成技术，构建总装工艺均衡与仿真优化、总装生产过程智能管控、总装站位运行状态实时监控及健康管理、总装工艺流与物流耦合的物料精准配送、整机线缆在线集成检测与实时反馈、大部件对接误差实时测量与自适应控制系统等，实现智能监测与实时测量，并结合工业局域网，构建总装厂房车间级物联网，对生产过程进行科学管理与实时监控，提高生产现场的控制能力。
2.2总装数字化生产线管控平台方案已确定
在软件系统集成开发、数据库建设和管控平台建设层面上，基于已有三维设计与仿真系统、数据库系统、协同平台及工艺数据库等基础，配合后期部署的装配现场看板系统，在用户信息库、装配指令库、工装资源库、工艺方案库等，研制飞机总装智能制造生产线集成管控软件系统，构建一套数字化生产线管控平台（包含离散在现场的可视化看板、管控和调度中心），并与看板系统集成，最终形成飞机总装生产线智能管控平台。

3. 智能生产线实践取得的成效
3.1数字化部装生产线实践取得的成效
3.1.1搭建了数字化产品设计、工艺设计一体化平台。将数字化的产品设计、工艺设计、工装设计与制造、零部件加工与装配、检测等各制造环节集成在同一数字化平台中，使整个制造流程完全基于单一数据源驱动。
3.1.2数字化车间框架初步形成。在传统飞机装配的基础上，建立了运行管控系统，使相关人员能够非常清楚的了解装配过程中各环节的时间、物料、技术参数、操作人员、自动化设备、检验数据等信息，应用数字化装配技术、数字化测量技术，不同制造单元根据生产需求协同优化与调配各项生产资源，形成一条完整的数字化装配生产线。
3.1.3实现了产品生产周期的缩短，提升了飞机的装配质量。相比于原有生产线，在各装配过程中，能严格控制装配准确性，从而提高装配效率，保证装配精度，降低返修频率，有效提高飞机产品的产能。典型产品的自动化程度将超过60%，单架次在线时间缩短35%，每架次生产节拍缩短35%，每架次生产周期不超过三天（壁板自动钻铆），单架次需要人工工时缩短40%，装配返修率降低10%，产品运输等辅助时间缩短15%。
3.1.4运行管控能力较大提升。在生产管控方面应用了CMIS系统、MES系统，在零组件加工到部件装配整个过程的生产计划、物料配送、组织实施、质量控制等各个环节实现快速动态管控和相应，提供了从零件加工至组部件装配的全流程追溯和监控功能，实现了制造过程的显性管理。
3.1.5技术创新成果。一系列的新工艺新技术在数字化生产线首次应用，打通了飞机组合件和部件装配的全数字化生产流程，体现了以下几个方面：
1)   自动钻铆
通过自动钻铆功能，可以一次完成壁板的测量、制孔、锪窝、涂胶、上钉、铆接及铆钉墩头的铣平，提高壁板装配的质量及效率、实现壁板的自动化装配。利用自动钻铆系统的托架可以完成壁板的自动快速精确定位，对于较大尺寸及复杂结构，尤其是大型飞机机身和机翼壁板、双曲度壁板的自动钻铆，自动托架能够实现工件的自动定位和调平。
2)   自动调姿对接
通过壁板调姿定位系统实现壁板或大部件的自动调姿及定位，提高部段装配的外型精度，提高装配效率，实现部件的数字化总装。在装配过程中，测量系统对壁板或大部件上的测量点进行测量，系统对测量数据进行计算分析，驱动调姿定位系统对壁板结构进行位姿控制，实现飞机部件装配的数字量传递。
3)   柔性工装
通过柔性工装的模块化及柔性化特点，对飞机部件进行数字化及自动化定位，提高飞机部件的定位精度。另外柔性工装能够适用不同的相似机型，能够降低相似机型飞机研制的成本，缩短改型飞机的研制周期。
4)   AGV自动导航
在对接过程中，AGV移动小车拖动中机身到规定位置，然后通过自动定位器进行精定位。在AGV小车移动的过程中，利用iGPS对其进行测量与导航，集成软件通过实时测量实时计算AGV移动小车的位置，并将移动小车的位置反馈到控制系统，控制系统根据AGV移动小车的当前位置和目标位置驱动AGV小车的运动。
5)   数字化测量
飞机部件完成一个站位的工作任务，在到达下一个站位之前，对需要保证的装配精度要求进行检验确认，通过在线测量与评估可以对装配合格性进行监测，并对装配姿态等进行优化。
6)   在线测量数据采集技术
研究装配生产线配套的便携式测量系统在线数据采集技术，针对装配工艺要求的关键关序和关键配合部位，在指定站位完成相应的测量任务，实现数据的手动或自动采集，并实现实测数据上报。
7)   测量数据处理和分析技术
针对在线采集数据，进行分析处理，包括坐标变换、最佳拟合处理、超差点计算评估、以及点云数据的逆向处理等；结合三维模型与装配工艺要求，评估部件的姿态以及可装配性，生成评估结论报告。
8)   离线编程
离线编程与仿真系统是指在已有通用的三维CAD/CAM软件基础上，针对特定自动化装配设备开发的数控编程系统，能够快速生成装配数控指令。
9)   数据库智能管理
装配过程数据包括：人员、设备、物料、工具、工艺数据、在线测量数据、产品质量数据、知识等。基于过程本体与过程语义的信息描述方法，建立支持对海量装配过程信息的分类和结构化管理的数据库智能管理系统，提供强大的装配过程追溯功能，可重现装配过程情况，使相关人员能够非常清楚的了解装配过程中各环节的时间、物料、技术参数、操作人员、自动化设备、检验数据等信息，可以综合分析产品的装配效率、产品质量等问题，作为装配生产线持续改进的数据基础。
3.2智能总装生产线实践取得的成效
3.2.1总装生产线工艺布局、工艺流程重构已完成。总装脉动生产线规划为5个站位，沿“一”字排开（见图1），地下设置了动力源集成管网（见图2），将压缩空气、液压油、电力、信息数据输送至各个站位。地面上各站位配备了升降地井、飞机移载设备、发动机安装车、飞机气密试验设备、整机线缆测试设备、特设系统通电设备、激光跟踪仪、MES终端等数字化和信息化设备。并已将飞机总装生产过程均衡划分在5个站位上，通过协同制造PLM平台，构建了具有11个生产阶段，38个装配层级，25个工作部位的新型工艺模型。

图1 总装脉动生产线布局图

图2 动力源地下管网布局图

图3 工艺数据构型图

3.2.2总装厂制造执行MES系统支撑了多型号二十余架机装配现场过程管控，实现了总装生产现场无纸化管理。系统实现了承接生产计划子系统下达的生产计划以及CAPP系统与PLM系统下发的工艺数据、生产准备、齐套检查、工序计划下达、工人开工报工、质量检验、工艺文件及三维装配视频在线查阅、AO配套、库房出入库等管理。实现了ERP、MES 、PLM、CAPP、仿真、质量管控系统的深度集成应用，实现了数据源的统一与数据流在各业务域的贯通。

4. 智能生产线实践的示范作用
4.1数字化部装生产线实践的示范作用
数字化部装生产线所取得的关键技术成果，可以快速地应用到飞机组合件、部件装配和移动总装生产线中。
数字化部装生产线所取得的技术成果，可推广应用于航天、船舶、兵器等制造行业的数字化车间中，快速提升产品质量、生产效率，降低产品制造成本。
数字化部装生产线建成后，在数字化协调、数字化装配工艺设计、现场可视化、数控定位调姿、自动钻铆、机器人制孔、机身蒙皮端面精加工、数字化测量等数字化装配方面及生产管控方面具有重要示范意义：
1)   数字化装配技术
以产品数字化设计为源头，以数字标工和孔系协调为手段，工艺装备采用数字化设计和制造，零件—组件—部件—对接的全制造过程采用数字量传递，保证了产品装配的协调、准确、一致。
Ø 数字化工艺设计技术
在PLM平台上，采用仿真软件划分工艺分离面，制定装配流程，进行装配顺序、装配干涉、人机工程的仿真；采用三维可视化软件编制三维AO。实现了从文字描述为主的二维工艺设计模式向基于MBD技术的三维工艺模式的跨越。
Ø 自动制孔和铆接技术
设置了机器人制孔区，两台驻车式机器人制孔系统用于中央翼、中外翼壁板大过盈螺栓孔的钻孔、铰孔；在前中段部件对接中采用了柔性导轨机器人制孔；配备自动钻铆机，用于机身前段、中段、尾段壁板的钻铆。
Ø 自动化调姿技术
前段总装、中段总装、前中段对接、中外翼总装、中央翼总装、中外翼发房对合采用了数控定位、调姿技术。调姿定位控制系统通过产品特征点的测量数据进行调姿路径规划，驱动数控定位器运动，实现飞机组件、部件准确定位，提高装配精度。
Ø 端面精加工技术
新研端面精加工设备用于前段、中段对接端面处蒙皮余量的去除。完成端面精加工仅需30分钟，较人工去除余量提高工作效率10倍以上，平面度小于0.5mm 。
2)   数字化测量技术
生产线应用了激光跟踪仪、iGPS测量系统、照相测量系统等数字化测量设备，对产品过程中关键控制要素进行实时测量与监控。通过测量结果与产品模型比对，一方面可向数控定位调姿系统提供实时数据，另一方面可作为产品最终检测验收依据。
构建了120*36m的iGPS测量场，用于机身部件的定位、调姿。iGPS具有全测量场内精度一致，支持多目标/多任务同时测量，无转站误差等优点。iGPS在线测量系统综合应用了集成传感器、计算机、自动控制和图像识别技术，不仅能够对柔性工装多个定位器同时监测，而且每个接收器读取它自己实际空间坐标，实现快速自动控制装配产品，实现飞机数字化装配在线测量。
3)   运行管控系统
生产线搭建了信息化管理环境，实现了工艺管理和生产管理的系统集成，通过MES系统将生产计划、装配工艺信息传递到装配现场；装配现场全面采用三维AO进行作业，操作者通过可视化终端直观了解装配顺序、准确获取装配信息、实现无纸化作业，提高了装配质量和装配效率。
4.2智能生产线实践的示范作用
4.2.1总装工艺均衡规划与仿真优化系统应用与示范
对总装生产线工艺流程进行建模分析，并利用工艺仿真系统模拟仿真生产工艺流程中装配工艺顺序、站位装配工艺均衡、人员分配、物料配送、作业任务时间、设备运动路径与时间，分析多站位变动产能需求，优化生产节拍，保障多站位间的节拍均衡。为保证多站位总装智能生产过程的快速、精准作业需求，实现面向多系统协同作业的柔性规划与重组、总装生产典型工艺挖掘与作业标准化、总装生产工艺特性分析与评价等系统功能，全面提升总装生产质量与效率。主要建设与应用示范内容包括：
1)   总装生产线可视化建模与仿真分析；
2)   面向多站位可变动产能需求的总装产能分析与节拍优化；
3)   面向多系统协同作业的柔性工艺规划与重组；
4)   总装生产过程典型工艺挖掘与作业标准化；
5)   总装生产线工艺特性分析、评价与优化。
其实施途径如图 4 所示：

图4总装工艺均衡与仿真优化技术路线

4.2.2总装生产过程智能管控系统应用与示范
在装配生产仿真的基础上，采集装配现场过程信息，实现装配过程的多视图可视化监控，构建一套数字化生产线管控平台（包含MES与ERP集成系统、离散在生产现场的可视化看板、管控和调度中心），以详细的工艺过程和生产计划仿真为基准，对生产过程及工艺状态进行科学管理与实时监控，提高生产现场的控制能力，做到早预测、多监控、勤协调，减少装配过程出错和质量不稳定的发生，保障飞机研制周期与生产质量。主要建设与应用示范内容包括：
1)   面向多系统联合优化的作业计划规划与智能调度；
2)   总装作业过程可视化智能看板；
3)   总装生产线运行状态分析、评价与优化。
其实施途径如图 5 所示：

图5总装生产线智能管控技术路线

4.2.3总装站位运行状态实时监控与健康管理系统应用与示范
通过数字化工装及设备的控制系统底层协议、生产资源和管理系统、基于iGPS的数字化实时检测系统等，对现场生产过程、产品及工装设备监控信息进行采集、整理、分析，运用现场可视化技术，实现装配生产过程中工装设备/质量/生产状态监控管理，完善现场突发问题的预警机制，提高装配现场的执行力及管理水平。通过与现有ERP、PDM等系统进行实时数据提取与交互，自动生成产品动态装配履历表单；在装配履历管理的基础上，对其进行遍历挖掘，采集产品在装配生命周期中的质量相关数据，并进行归纳整理及在线分析，提高质量管理时效性；在此基础上，形成针对总装生产线的常见问题知识库，建立风险预测及改善机制，加强对产品装配质量的管控能力，增加总装生产线的稳定性及抵抗消化风险的能力。主要建设与应用示范内容包括：
1)   总装生产过程工装设备/装配质量/工艺状态监控信息的采集与分析；
2)   可视化状态管理及智能预警机制；
3)   装配电子履历的自动生成与管理；
4)   质量问题管理及风险预测。
其实施途径如图 6 所示：

图6总装站位运行状态实时监控及健康管理技术路线

4.2.4总装工艺流与物流耦合的物料精准配送系统应用与示范
以总装生产线的仓储及供应系统为研究对象，建立基于JIT管理理论的多阶段供应链系统库存管理机制，形成产品供应系统的闭环；并以此为基础，建立面向多站位分布式总装脉动系统的虚拟动态仓库，合理库存及缓冲区的余量，最小化在制品数量；以工艺流为准，提出面向多维度的数字化精准配送机制，协同考虑配送的时间、空间、资源、对象等维度，配合各种智能化移动运输设备，实现装配现场的数字化随需物流配送，确保物料配送的精准化、高效化、灵活化，减小空间及资源浪费。主要建设与应用示范内容包括：
1)   基于JIT管理的多阶段供应链系统库存管理；
2)   面向分布式总装脉动系统的虚拟动态仓库；
3)   总装工艺流和物流耦合的数字化精准配送。
其实施途径如图 7 所示：

图7总装工艺流与物流耦合的物料精准配送技术路线

4.2.5整机线缆和系统在线集成检测与实时反馈系统应用与示范
综合计算机技术、信号分析与处理技术与自动化控制技术，利用机上环境、模拟及控制设备按照既定程序进行相关检测试验，通过合理判据使得检测过程快速、准确地进行，从而达到线缆检测过程中故障的快速诊断、分析和定位，实现线缆检测的数字化、自动化、智能化，实现基于iGPS的操纵系统活动翼面开度检测。主要建设内容包括：
4)   基于虚拟激励信号的总装数字化在线检测；
5)   在线检测流程设计与优化；
6)   检测数据实时处理与故障自动识别；
7)   故障源快速准确定位；
8)   基于iGPS的操纵系统活动翼面开度检测。
其实施途径如图 7所示：

图8整机线缆在线集成检测与实时反馈技术路线

4.2.6大部件对接误差实时测量与自适应控制系统应用与示范
研究基于iGPS、激光跟踪测量的装配车间全局测量精度场以及测量基准的构建方法，针对不同的检测要求，选取不同的数字化检测设备，并对不同设备形成的检测数据进行统一处理，并通过数据接口向自适应控制系统传输，采用误差实时调整方法，完成对装配误差的迭代补偿，实现对装配过程的误差控制，主要建设与应用示范内容包括：
1)   飞机大部件对接装配过程实时测量；
2)   基于检测数据的数字化装配过程自适应控制；
3)   装配过程实时数字化检验与分析。
其实施途径如图 8所示：

图9大部件对接误差实时测量与自适应控制技术路线

4.2.7总装生产线智能制造管控集成系统应用与示范
根据飞机型号研制要求，集成总装生产线智能制造关键系统功能，开发面向总装工艺均衡规划与仿真优化、总装生产过程智能管控、总装站位运行状态实时监控及健康管理、总装工艺流与物流耦合的物料精准配送、整机线缆在线集成检测与故障控制、大部件对接误差实时测量与自适应控制等功能的集成软件系统，构建飞机数字化装配生产线管控平台，实现对飞机总装生产线的现场实时规划、监控和管制，生成相关可执行命令，主要建设与应用示范内容包括：
1) 总装生产线智能制造管控集成系统功能分析；
2) 总装生产线智能制造管控集成系统总体集成。
其实施途径如图 10 所示：

图10总装生产线智能制造管控集成系统功能模块

4.2.8搭建总装厂房车间级物联网应用与示范
构建包括无线局域网络、物理信息存储中心、分析控制中心、智能终端设备5个主要部分构成的总装车间级物联网，通过现有总装装备的智能升级，实现离散单元之间的互联互通，为自动排产、物流路径及时间节点规划提供信息支持。研究基于RFID的物联网技术，构建基于物联网的装配过程生产数据采集应用架构，为装配过程的监测及实时追踪和控制提供基础，主要建设与应用示范内容包括：
1)   飞机总装过程生产信息分析；
2)   基于物联网的生产线装备智能升级；
3)   面向装配过程的车间级物联网系统构建。
其实施途径如图 11所示：