李柏庆 吕惠君 张钰佳 李多
航空工业陕西飞机工业（集团）有限公司 陕西汉中723213
摘要：为进一步促进飞机总装效率及质量，满足飞机批量生产要求，就必须攻克飞机总装配生产线数字孪生系统关键技术。本文立足于飞机总装线数字孪生系统概述，对飞机总装配生产线数字孪生系统关键技术展开深入研究，以期为构建适合我国飞机总装配的脉动生产线提供参考与借鉴。
关键词：飞机装配：数字化定位；物料配送；信息集成
0引言
作为提升飞机装配质量和效率的主要手段，数字孪生系系统是不可少的一种系统，常笑[1]等研究了数字孪生系统在飞机总装配生产线中的应用与设计，系统的研究数字孪生系统，参悟其中的关键技术，能够提升飞机总装配的质量；马腾[2]等主要研究了在飞机装配线生产过程中，如何实现生产线资源可视化以及追踪，通过可视化建模技术，展示飞机装配生产线的具体可行性；王婷[3]主要研究了飞机脉动装配生产线中主要一些关键技术的应用，其中主要包括柔性装配装工、数字测量、零件自动化运输、精密钻孔、物料平衡配送等技术，全面提升了飞机总装配生产线的质量。
1飞机总装配生产线数字孪生系统概述
自2010年起，中国飞机制造业开始使用脉动生产线进行飞机组装。与国外相比，它起步较晚，但仍需要技术和管理方面的改进。但是，未使用来自诸如高度集成的工作平台，数控定位器和飞机零件之类的现场要素的信息[1]。实时信息没有得到统一管理，历史数据也没有得到统计分析，导致大量数据浪费。
飞机组装线的数字孪生系统可以帮助员工快速了解飞机组装脉动生产线上每个工位的组装情况，还可以结合统计分析和大数据处理来诊断过去的问题并确定当前状态[2]。它可以预测未来的发展趋势，以适当的格式提供分析结果，为员工提供快速决策的有效参考资料，并为飞机制造企业实现智能制造奠定基础。另外，通过将数字孪生理论应用于飞机总装生产线，可以将飞机总装生产线遇到的问题和专家提出的问题的诊断意见数字化并存储，修改和传递。
2数字孪生驱动的飞机装配生产线设计流程
本文中的数字双驱飞机组装生产线在设计的过程中，主要采用三个步骤，步骤如下：
（1）客户需求和流程分析。客户需求和流程分析是飞机装配线设计的第一步。根据客户的需求，设计者必须收集公司的想法，阐明客户的需求，确定目标计划，并确定初步设计计划，包括生产线输出，车间布局信息，建设成本和产品质量[3]。数字孪生技术可以集成和可视化此数据。此后，设计师通过考虑类似的情况并计算建造成本和可交付成果来验证设计概念，以确保满足客户的需求，从而使客户与设计师之间的沟通更加透明和快捷。
（2）数字飞机组装线的建设。在这一阶段，设计人员完成了数字飞机组装线的建设。根据先前的步骤，设计人员使用设计知识来完成飞机组装线的初步计划计划，并根据计划计划进一步细分虚拟飞机组装线，包括人员行为，设备操作和后勤等逻辑参数。由于飞机装配线的动态变化，很难计算这些逻辑参数。研究人员在设计知识库中使用类似的情况查询这些逻辑参数。数字孪生技术使设计人员可以检查和选择逻辑参数的各种组合，从而为设计提供更加科学的逻辑参数组合。并为设计人员提供帮助使其做出准确的孪生数字飞机装配线设计决策。
（3）模拟与仿真。通过模拟验证减少实际运行状况与预期运行状况之间的差异，以便飞机装配线在开始运行后尽可能与预期运行保持一致。上一步建立的数字飞机组装生产线可以模拟组装线的运行过程，同时控制物流。设计人员可以获取与实际装配工作相对应的装配线容量，工位工作量，物流存储和运输数据，并根据设计知识判断生产线的平衡。
3飞机总装配生产线数字孪生系统关键技术
3.1飞机流水线平衡优化技术
为了实现特定飞机装配线的最优生产周期设计，我们建立了一个优化模型，在操作顺序的约束下追求最小的周期时间和最小的平滑度指标，以提高装配现场的平衡率和人力利用率[3]。提出了层次遗传算法和三组遗传算法来求解优化模型，该模型可以全面解决第二类装配线平衡问题和第三类装配线平衡问题。通过实例验证了该算法的有效性和可行性。
3.2数字定位技术
在三维空间中约束刚体需要限制6个自由度，并且至少需要3个不相等的点才能找到并保持刚体以确保约束的完整性。基于上述考虑，通过数字组装系统中一组3坐标CNC定位器的连接控制，通过调整组件的位置可以获得6个自由度。伺服电机，蜗轮减速器和螺母驱动器用于实现伸缩柱在三个方向上进行移动，设为X，Y和Z方向。采用闭环线性标度，每个方向的全闭环控制为X，Y，这些Z方向的连接控制提高了系统的控制精度。
3.3大型零件的数字对接技术
大零件对接技术是实现机翼和机身的组装。数字对接是利用数字测量技术，计算机控制技术等实现飞机部件的自动对接。自1980年代以来随着数字组装技术的发展，自动对接已在西方飞机制造中变得越来越流行[4]。在787和其他飞机的开发过程中，波音公司使用激光跟踪仪和数字测量设备（例如iGPS）来检测飞机部件上控制点和交叉孔的位置，以支持飞机部件的直接对接。
3.4数字测量
基于数字协调的零件数字化总装配系统与数字测量技术密不可分，为实现数字精密装配提供了基本保证。数字测量的主要核心硬件是计算机辅助测量设备，主要用于测量和定位飞机装配线上的各种过程设备，或直接用于定位装配产品，是数字装配系统的重要组成部分。数字测量系统（图1）主要是为CNC定位和姿态系统提供位置和姿态基础，并在零件组装离开车床之前测量和评估关键控制点。数字测量系统通常分为两个子系统：激光跟踪测量系统和数据处理系统。
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3.5飞机流水线物料分配系统设计
考虑到特定飞机组装线的物料分配系统存在的问题，我们重新设计了物料分配系统的三个主要要素，以使物料放置更清洁，更合理，并便于物料的存储和运输。该设计计划了从存储中心到生产线侧物料存储点的物料分步处理过程，实现了物料的自动及时分配，降低了物料分配成本，提高了物料分配效率。
3.6综合信息管理
因为零件数字装配系统是一个多系统集成综合，所以它必须实现测量系统，姿势调整和定位系统，机器人大厅制作系统的工作协调和集成计划，并实现数据交换，处理和反馈。另外，数字组装系统通常使用现场可视化技术和自动化辅助操作平台，并且上述子系统需要实现集成调度和集中式命令。作为集成信息管理的载体，集成管理系统主要通过工业以太网与各种子系统集成在一起，以实现多系统的信息集成管理系统，以及远程控制协同系统。
4结束语
综上所述，在飞机总装配线孪生数字技术应用过程中，需要注意其中主要的关键技术，包括平衡优化、数字定位、大型零件数字对接、数字测量、物料分配系统、等技术，通过这些关键技术在飞机总装配线中的应用，全面提升飞机装配质量及批量装配的可行性。
参考文献
[1]常笑,贾晓亮,刘括.数字孪生与设计知识库驱动的飞机装配生产线设计及应用[J].航空制造技术,2020,63(20):20-28.
[2]马腾,贾晓亮,孙冰洋.飞机装配生产线资源追踪及可视化研究[J].航空制造技术,2020,63(06):64-72.
[3]王婷.飞机脉动装配生产线关键技术应用及发展[J].科技创新导报,2018,15(35):86-87.
[4]屈琦,贾晓亮,郑植元,刘桂林.飞机部件装配生产线仿真研究[J].航空制造技术,2017(04):54-59.
作者简介：李柏庆（1988-）男，汉族，本科，工程师，主要从事飞机总装装配制造方面技术工作。