摘要：随着社会经济不断发展，我国政府部门愈发提高对航空制造业的重视程度，针对航空制造业发展提出各种相关政策，来促进航空制造业实现可持续发展。而飞机装配作为航空制造业发展的重要环节，传统装配工艺已无法满足飞机运行要求，一旦某个环节出现问题，很容易给整个飞机运行安全性带来严重影响。随着时代的发展，当前我国的机械制造水平的日益提升，飞机作为当前时代背景下交通运输军事任务等情境下的重要工具，保证其质量合格具备十分重要的现实意义。钣金零件属于航空产品最基本的组成单元，其质量能够对产品的性能质量、制造成本产生直接影响。数字化是现代制造技术发展的主要方向，同时也是飞机钣金零件制造的主要发展方向。文章对飞机先进数字化装配关键技术及发展趋势进行了研究分析，以供参考。

关键词：飞机；数字化装配；关键技术；发展趋势

1前言

目前，国内航空智能制造取得了诸多重要成果，如在加工过程中实现了一定自适应和精准控制的能力，构建了飞机大型复杂结构件数字化车间，形成了数字化车间成套解决方案，该成果入选了“２０１９中国智能制造十大科技进展”。但是，我们还应清醒地认识到国内航空智能制造发展仍处于初级阶段，与国外同行业相比，突出表现在当前成果主要集中在零件制造等信息化程度较高的地方、先进数字化技术对支撑产品快速低成本研制的贡献度不高、数据增值服务能力无法满足产品全周期统一管理需求、核心业务及重要场景智能化发展相对滞后以及面向飞机脉动装配的关键技术和核心装备成熟度不高等。

2飞机数字化装配特点及关键技术

根据国外航空制造领域新技术发展背景及应用成效分析，不难发现依托数据驱动，围绕飞机装配重要业务场景、过程监控、作业流程、计划排产、资源配置、物流管理、高端定制装备等方面为飞机装配赋能，显著提升了飞机装配线自动化水平，提高了飞机生产线精准管控水平，其中推动飞机低成本快速研制是其先进数字化装配技术发展的核心特点。

2.1传统装配方式存在的问题

相对于国外一系列数字化智能化新技术在航空制造领域的广泛应用，国内航空制造业近年来在飞机数字化柔性装配线、脉动装配生产线及数字化装配车间等硬件方面已投入了大量先进数字化、自动化设备，一定程度上提高了飞机装配的数字化自动化水平，但仍存在以下一些问题：（１）装配过程存在多工序并行交叉，工艺分离面模糊，导致无法适应最大限度的并行工作需求，制约了面向多任务、柔性化脉动生产线的效率提升。（２）现有装配生产线自动排产能力和生产计划调整手段无法有效适应作业顺序约束、空间约束和资源约束以及其他因素引起的生产任务波动，目前仍主要依赖计划员的经验人工调整计划，效率较低。（３）资源动态配置调度能力难以适应生产线动态变化及需求。如针对装配过程中突发的计划更改，如何实现高效合理的动态资源优化配置是数字化柔性化脉动生产线必须具备的手段。（４）生产线感知能力和人机协同能力无法适应产品高品质管控需求。传统方式由于数据采集能力和数据传递效率受限，无法实现对装配过程的实时有效监控，易导致产品状态偏离；同时自动化装备接口缺乏友好性，无法通过人机协同高效完成复杂工况下的装配任务。（５）物流系统动态规划和快速响应能力不足。如在生产线站位间和部门间缺乏权威模型和统一数据源，无法满足关键节点的动态需求。（６）在线检测与测试手段信息化水平低。传统生产中，飞机装配各阶段检测与测试以人工为主，测试数据诊断和管理依赖人工，测试过程和数据可追溯性差，工序相对独立，不利于产品全周期管控。（７）传统以模拟量和数字量混用的管控系统难以适应面向脉动生产线的自主决策和数据分析能力需求。现有基于数据分析的主动感知、预诊断、自主决策等智能化成果在实际应用中存在较大的不足。（８）总装生产线整机线缆检测等重要业务场景智能化水平低。如整机线缆检测因缺乏统一有效的故障数据自动分类和信息建模能力，检测效率和可靠性依赖检测设备自身性能，完全没有发挥数字化在线检测设备的性能和能力。

2.2数字化装配关键技术

针对上述问题，需要在现有生产线基础上，结合业务特点，突破以下诸多关键技术，由点到线、由线及面逐步提升数字化、智能化对产品优质高效交付的贡献率。（１）面向飞机装配的数字孪生技术。数字孪生由数字线索使能，使用连续统一的数据、模型与信息，通过映射、分析、预测对“物理孪生体”全生命周期内的活动及性能进行实时动态评估，支撑工艺方案快速迭代与收敛。如针对飞机典型子系统构建基于数字孪生的健康感知与自主维护功能：通过典型子系统动态信号内蕴含健康状态信息的自适应提取与精简表示和实时数据驱动的智能诊断与预测模型及自主维护决策技术研究，结合大数据的知识图谱学习及子系统级自主性能评估，开发飞机典型子系统数字孪生平台。同理，针对液压系统、起飞着陆系统及燃油系统等分别开展数字孪生技术应用，增强飞行装配调试及服役中的动态性能感知、故障智能预测及自主维护决策水平，提高系统运行的可靠性和基于状态的维护能力。（２）面向重要业务场景的ＡＲ／ＶＲ／ＭＲ技术。在装配过程中借助ＡＲ可以辅助操作人员提高安装调试效率和定位精度，ＶＲ可以帮助工艺人员在高度逼真的沉浸式环境中开展工艺评审及优化。飞机总装线缆安装时通过ＰＬＭ／３Ｄ模型的数字样机技术、现实场景校准标记以及实时视频图像处理技术、增强现实３Ｄ处理／定位及信息集成处理技术、装备指令可视化技术可以根据数字样机的３Ｄ信息生成装配指令，以智能平板为界面指导工人进行布线操作，显著提升数百千米电缆的安装速度和精准度。甚至还可以对安装电线托架的安装质量进行管理，快速实现不合格部件的替换或修理。（３）智能脉动装配生产线技术，包括大部件数字化对接、在线测量与检测、物流精准配送、资源动态配置与优化以及智能排产、专用装备定制、智能管控平台构建等关键技术。目前来说，智能脉动装配生产线是先进数字化技术与航空制造技术深度融合的最新突破性成果，具有动态感知、实时分析、自主决策、精准执行特征。（４）基于数据驱动的设备健康诊断技术。在飞机数字化装配中使用的自动化工艺装备定制化程度高、技术复杂，尤其是随着工装设备化，为保障装配过程设备运行效率和可靠性，基于数据驱动的设备健康诊断技术越来越重要，主要包括新型传感器技术和嵌入式技术，解决数据自动采集异构网路数据传输等问题。利用基于机器学习的设备故障智能预测技术和设备状态维护决策技术以及设备故障快速诊断技术，可提升先进设备管控及运维的自动化和信息化水平。（５）协作机器人技术。传统机器人通过离线编程，按照既定路线，完成特定制孔、钻铆、涂胶、检测等任务，在任务执行过程中，人与机器人很难及时互动，主要表现在：一方面，操作人员无法及时有效获取加工过程中的真实信息，必须拓展操作人员对加工状态的感知能力供操作人员及时预判和干预；另一方面，面对复杂装配工况，机器人在执行任务过程中无法及时获得人类智慧和经验以更好地做出决策。而协作机器人在ＡＩ加持下，以强大的人机接口、状态感知及数据处理及精准控制能力，辅以人类知识和经验，可以共同高效完成复杂工况下的装配任务，这需要协作机器人有理解和决策的能力，如在某些不确定的情况下，它需要叫远程的人进行增强，或者做一些决策辅助，但是它在通常情况下可自主完成任务。因此，通过协作机器人规模化部署、人机协作、多机协作，可以更加适应柔性化装配生产的要求。（６）物联网技术。通过物联网支撑物与物、人与物之间互联互通，突破传统生产领域繁杂的异构网络，实现统一高效的数据采集与传输，以及在此基础上安全可靠地提供满足生产现场高实时性、突发性的数据处理及增值服务。如基于在线测量的自适应加工、刀具磨损状态检测、加工过程状态实时评估等保障孔加工质量，工业物联网还有利于促进ＯＴ与ＩＴ融合进程。（７）云边端融合技术。生产现场产生大量数据，通常这些数据蕴含了生产过程状态信息，如果没有有效的数据管理及处理平台，就白白浪费掉了。按照数据属性和用途，利用云边端超融合架构，可提供优势互补和韧性的数据处理及管理平台能力，一般高实时性数据在设备端直接处理用于设备过程控制，而边缘计算用于处理生产线实时性数据及增值业务，实时性不高的大数据在云端进行管理及处理，能够在长周期维护、业务决策支撑等领域发挥优势。在装配领域需要从典型业务场景出发，综合考虑成本因素和实际效果，逐步推动云边端协同，为数字化装配乃至装配车间提供不同需求所需的数据处理平台能力。（８）工业软件是数字化工业的核心，智能制造的灵魂。相对于传统制造业，智能制造更多地依赖数据和工业软件为生产赋能，工业软件建立了数字自动流动规则体系，贯彻产品全生命周期，因此一定程度上来说智能制造是软件定义制造。因此，从虚拟制造、多物理场耦合仿真到跨周期的数字孪生，在飞机数字化装配中的基础和核心作用越来越突出。

3飞机钣金零件数字化制造系统应用

实现智能制造是一个长期的过程。面对挑战，国内航空企业要加速推进以数字化、网络化、智能化为特征的先进制造技术与飞机装配业务的深度融合，持续提升飞机先进数字化装配关键技术的自主研发能力，建立智能脉动装配生产线，推动航空装备实现高品质、快速、低成本、绿色制造，适应未来航空武器装备的研制特点和需求。钣金制造系统的主要结构，解决了现代飞机钣金零件制造向数字化方向发展存在的一些问题。在企业进行实际钣金零件制造的过程中，采取这种方式有效利用算法的稳定性，进而保证零件制造的质量与效率。相较传统的人工技术，这种方式明显降低了人为操作可能存在的各种不确定因素，最终强化了钣金制造的工艺优势。

3.1信息传递方式转变

在飞机钣金零件的制造过程中，对零件本身的精度要求在不断提高。数字化制造系统结合了制造模型定义技术，对钣金零件加工中的模型特征进行数字化定义，极大地提升了传统背景下模型传递、协调、管理等环节的规范性，从根本意义上实现了信息传递方式的转变，即从模拟量传递变为数字量传递。在实际运行过程中，制造模型能够为飞机钣金零件制造加工过程中的工序提供精确的数字化模型，并在此基础上直接实现模型的塑造。在这一背景下，传统的模线、标准样件等制造过程必须应用的产物已经失去了其作为重要制造样本的作用，同时，样板等构件的基础模型也变为了统一化程度较高的数字模型。最后设计人员在进行数字化加工的过程中所采用的也是数字模型，这种操作方式缩短了环节链条的长度，有效消除了数据传递过程中可能产生的误差，最终有效提升了钣金零件制造的精准度。

3.2工艺设计思想转变

在系统应用过程中，工艺思想的转变也是比较明显的。具体而言，该系统中建立了知识库系统，知识库系统的建立是在对整个飞机钣金零件制造工艺进行全面分析与实地调研的基础上建立的，在此基础上的工艺设计活动属于典型的智能化设计，技术人员可以在域、族、属、群、型这5个知识框架内寻找自身所需要的知识内容，极大地提升了设计工作的效率与质量。在该系统中，主要对钣金铝合金材料数据、钣金工艺术语等知识进行了综合整理，并建立了较为完整的知识库体系，在实际的零件制造过程中，这一知识库能够为相关单位的工作人员提供足够的工艺技术支持，同时，在使用过程中，技术人员还可以将所得到的知识经验、新的标准规范向系统内部进行反馈，从而有效提升系统内部知识储备的丰富度。在工艺设计阶段，各种工序、装备信息基本都是成熟且完整的，设计人员在使用时，只需要结合自身的实际情况对其进行适当调整即可，不需要自己动手对制造指令进行全面编程。综合来看，在数字化技术的背景下，企业工艺设计已经从依赖熟练技术工人的经验型进行了转变，成为了依赖知识库完整性、成熟性的智能型工艺设计思路。

3.3数字化技术应用转变

在系统应用过程中，数字化技术应用也出现了改变。具体而言，在该系统应用过程中，在企业网络的基础上，将应用系统、软件工具、数据库等内容进行了统一整合，创建了统一性较强的综合平台系统，并通过接口强化制造过程中的数据交换与数据传递工作。这种工作思路具备典型的分布式集成思路，将飞机钣金零件制造模型数字化定义、模具制造等数据化技术在实际零件的加工过程中进行了集成应用，主要包括橡皮囊液压成形、蒙皮拉形和大型整体壁板喷丸成形等。由此可见，信息化系统的建设完成实现了单项数字化技术应用向集成系统数字化技术应用模式的转变。

结语

综上所述，飞机钣金零件的制造与一般机械制造所采用的钣金工艺存在比较明显的差异，对于操作人员的技术要求相对较高，在传统的零件制作环节，往往需要消耗大量的人力、物力资源，同时制造效率也相对较低。针对这种情况，对其进行数字化是比较好的解决策略，数字化必将是飞机钣金零件制造技术未来发展的重要方向。同时，飞机钣金制造知识库是飞机钣金零件制造集成技术研发的核心内容。相信经过一段时间的发展，我国飞机钣金零件数字化系统必然会更加成熟，进而推动我国航空航天技术迅猛发展。

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