郝旭鹏 黄晓宇 吴天驰
沈阳飞机工业（集团）有限公司 沈阳 110000
摘要：近些年，我国的科学水平不断进步。“高效率、低成本、精益化、智能化”是公司精益工厂建设追求的重要目标。制造过程中，多源信息的采集、分析、监控以及预测，对提高装配质量和效率、降低生产成本具有重要意义。基于此，以MA700飞机尾翼制孔装配单元为应用背景，结合故障预测与健康管理（PrognosticandHealthManagement，PHM）技术的相关理论体系，提出一种应用于飞机装配单元的PHM系统总体框架结构。
关键词：飞机装配单元；精益化；PHM
引言
我国飞机制造和装配过程中传统工装存在品种多、数量大、测量难度大、协调关系复杂、生产准备周期长、精度质量差等瓶颈问题，柔性工装定位单元具有可调节性，可以适应不同的飞机部件，达到一套工装经过少量改动便可适应多种机型部件装配的需要，实现多种用途，减少工装设计制造周期、降低工装研制成本，同时工装单元能够在测量仪器的辅助下精确定位，保证装配精度。在国外，柔性工装技术得到了普遍的应用，德国、美国、西班牙等国的飞机公司采用了柔性装配技术、激光跟踪定位等测量系统，在波音、雷神等飞机公司得到推广应用，能使飞机装配质量大幅度提高，以满足新一代飞机气动外形高准确度的要求，缩短了装配时间，节省了装配工装的费用。在国内，一些高等院校和科研院所针对柔性工装单元进行了研究，提出了一种面向翼盒水平装配的可重构柔性工装单元，并提出了通过激光跟踪仪测量型架上和六足定位机构的平台上的关键测量点进行精度验证，通过测量型架梁和盒式连接的连接部分辅助工装单元调节。清华大学与中国航空制造技术研究院也合作进行了工装单元的研究，研制了由并联机构组成的可重构柔性工装定位单元，并在标定和调整阶段使用了激光跟踪仪测量。以上针对工装单元的测量过程均采用了基于点测量的方式，在定位过程中需要反复测量调试，调试时间长。因此，各个领域的学者针对不同应用提出了实时测量的算法和软件硬件解决方案。一些研究机构研究了实时位姿的算法；提出了两台激光跟踪仪同步触发采集数据，实时获取运动物体首尾两点的空间坐标数，进而计算物体位姿的方法；也有学者基于视觉测量原理，利用图像模型，实现物体的6D快速测量。
1飞机智能装配单元构成
飞机智能装配单元是在统一管控的基础上，以具有状态感知、实时分析、自主决策、精准执行等特征的智能工装为核心，集成物料管理系统的先进生产单元。智能装配单元是能够实现操作人员在正确时间、地点对正确的产品进行准确装配的综合系统。智能装配单元可分为状态感知模块、实时分析模块、自主决策模块、精准执行模块、定位夹紧模块、物料管理模块和综合管理模块共7部分，其中每个模块的内涵如下：
（1）状态感知模块。状态感知模块实现对周围环境和装配工装、产品等状态的实时感知。通过在装配单元中布置各类传感器，构建基于CPS的状态感知环境，实现对所需信息（如温度、载荷、位移、产品状态等）的有效采集，并对采集的多源、异构数据进行处理和融合，为实现实时分析提供有效信息。（2）实时分析模块。实时分析模块以感知信息为基础，实现对工装、产品状态等的分析。对飞机装配单元而言，主要通过基于感知数据的工装定位状态及其影响因素分析，给出实现产品精确装配的工装定位夹紧状态。（3）自主决策模块。基于实时分析给出的调整要求（由实际状态和理想状态对比），通过自主决策方法，给出精准执行所要完成的决策指令。（4）精准执行模块。智能工装在接收系统决策指令后，控制工装定位器的精准移动，达到对产品精确定位的目的。精准执行模块所需执行的操作是提高装配效率和装配精度、简化人工操作、保证装配过程的重要体现。
（5）定位夹紧模块。定位夹紧模块作为智能工装执行的末端，负责对装配对象进行定位和夹紧，限制产品在装配过程中的变形，使得装配后的产品满足制造准确度的要求。（6）物料管理模块。物料管理模块实现物料、工具等的准时化配送，是实现飞机智能装配的必备条件。通过实时获取物料仓储信息、在途信息等，实现对物料的选取、移动及配送等操作的全面控制和管理。（7）综合管理模块。综合管理模块是装配单元的“管控中心”，监控和管理在智能装配单元中的产品装配过程。除了在装配过程中对子单元的分工和管理，还需要对突发的状况进行及时处理，从而保证了装配单元的持续性健康工作。
2飞机装配单元PHM技术的应用探讨
2.1数据统一管理平台
数据统一管理平台主要实现数据存储、数据处理及数据可视化的功能。它采用B/S模式，操作简单，扩展方便，主要包含以下3模块。第一，录入模块。录入模块是数据管理平台的数据的来源。一方面可通过传感器采集的数据直接导入，另一方面对于一些数据自动采集技术无法采集的数据可实现人工在线或离线录入。第二，数据管理模块。该模块能够分类和归纳尾翼装配单元中的设备、工装、刀具以及制孔质量等不同特征的故障数据和预警数据，同时支持输出分析决策报告，供工程技术人员对整个装配制造单元的运行状态和生产信息进行评估。第三，配置管理模块。该模块主要是面向管理员的交互友好设计，信息检索界面方便管理员实时查询各方面的信息，方便管理员进行信息更改、删除以及新增等操作。同时，管理员可根据个人喜好调整数据管理平台的布局和风格，满足个人操作习惯。
2.2定位误差模型构建技术
实时分析的主要内容是基于感知数据，建立当前状态下工装的定位误差模型。由于飞机装配工装定位误差问题是一个包含多种因素的多输入输出非线性问题，利用运动学与力学等的机理建模方法难以获得能够描述任意装配工装定位误差的通用模型。因此，本文采用基于参数估计和系统辨识理论的误差建模方法：通过人工神经网络辨识方法充分逼近任意复杂的连续非线性关系，最终建立飞机装配工装定位误差模型。首先，依据产品装配生产过程中不同条件下收集与存储的工装状态数据，将所存储的数据用作SLFN建模的数据样本集，装配过程的次数越多所带来的数据样本集越庞大，根据获取产品装配目标状态的目的，选择合适的神经网络类型；然后，对所有样本数据正向运行一次并反向传播修改连接权值一次，成为一次训练，这样的训练需要反复地进行下去直至获得合适的映射关系；最后，基于ELM（极限学习机算法）可求解模型参数，进而获得工装的定位误差模型。
结语
以MA700飞机尾翼制孔装配单元为应用背景，结合故障预测与健康管理技术的相关理论体系，提出了一种应用于飞机装配单元的PHM系统总体框架结构，以实现对自动制孔设备运行状态、产品制孔质量状态以及工装使用状态的管理，保障装配生产单元安全可靠运行。
参考文献
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