C919大型客机水平尾翼智能装配线建设

1）必要性

商用飞机制造作为我国高端装备制造业的重要板块，是现代科技高度集成的产物，是衡量我国科技、工业水平和综合国力的重要标志之一。随着我国经济的高速发展，航空业稳步增长，据波音公司预测，未来20年我国对新飞机的需求将接近4000架，“支线飞机+大型客机+大型运输机”的商用飞机市场容量约能达到7000亿元。 目前，我国C919大型客机已完成机体结构制造和结构总装，进入总装集成和试飞，已获得517架订单，市场对商用飞机的制造效率提出了极高的要求。商用飞机由于结构复杂、顾客对产品需求多样化、个性化等特点，因此系统关联性巨大，设计制造验证环节多，控制过程严格，工艺窗口小，制造周期敏感。在商用飞机在装配过程中，有必要通过信息化、智能化手段，实现整个飞机研制过程中的质量可追溯性，进度可监测性，工艺的一致性和稳定性，确保商用飞机的高可靠性、高安全性。C919水平尾翼部件装配过程具有较强的典型性且具备较高的难度。首先，C919水平尾翼装配过程包括了组件装配、部件装配、部件对接等装配的主要环节；其次，C919水平尾翼采用全复合材料结构，且需要涉及多次大部件的转移，装配难度大；最后，C919水平尾翼装配工位分布多，生产环节复杂，管控难度大，以C919水平尾翼部件装配过程为例实施智能制造，具有很强的代表意义。通过ARJ21的研制，在数字化设计、协调和模块化对接等方面已经取得长足进步，然而部装生产线仍旧以传统的手工装配工艺为主，方法落后、效率低、无法满足C919大型商用客机年产100架份的要求。为完成大型商用客机C919的研制任务，达到提高批生产时的制造质量和制造效率，降低研制成本的目的，本示范项目一方面通过提高装配生产线的自动化水平，广泛采用自动化装配设备，建立自动化钻铆设备、柔性装配工装、自动化对接平台、车间立体化物流运输系统等智能化装备单元，来提升装配过程的设备水平与自动化率，提高生产效率与质量。另一方面，建立覆盖材料供应、部件装配、部件对接和质量控制全过程的车间数字化集成管控平台，支撑C919水平尾翼研制过程的准时化生产。针对C919水平尾翼的研制过程，以MES为基础对现有先进设备群进行整体的集成和运行优化，建立以信息集成为特征、按精益方式组织、全过程质量控制并综合应用数字化技术的水平尾翼生产线，实现水平尾翼均衡化、节拍化生产，大幅提高研制水平，并为后期批产阶段奠定良好的基础。

2）研究目标

本示范项目建成以自动化、数字化、智能化装配及管理为特征的水平尾翼装配智能车间，具备对制造过程模拟仿真、工艺数据库和工艺参数优化、在线检测和故障诊治、制造信息全程跟踪和产品质量追溯、精益生产管理等功能，建立车间互联互通网络架构与信息模型，开发PLM、 ERP、 MES等信息系统，并实现系统间的相互集成。最终达到实现水平尾翼关键工序（钻铆、对接、大部件搬运）智能化装配，实现车间现场的智能化管控的目的。

3）研究内容

以水平尾翼自动化装配生产线为对象，研究基于模型的应用技术，实现装配工艺的数字化设计，初步构建物联网系统、大数据系统、生产现场管理与监控系统等智能制造基础。建设生产过程信息采集与分析系统，实现生产过程中离散型非结构化数据的采集、分析与应用；建设车间现场智能管控单元，实现产品质量过程管控，装配过程智能化管控，提高生产效率，保证产品质量稳定。

本项目方案的总体框架如图6-33所示，涉及基于模型的应用、智能生产管控、智能集成控制共三大方面，每个方面又有一些细分领域。项目的各具体研究内容如下。

图6-33　C919大型客机水平尾翼智能装配线建设方案总体框架

（1）基于模型的应用。

①生产线建模与规划仿真。通过开发/集成生产线物流仿真软件与方法，建立水平尾翼装配生产线的运行模型和厂房车间模型，为生产过程中的布局规划，节拍优化等提供一种在三维虚拟环境中对车间工艺布局及物流仿真进行评估与优化的工具和方法。

模拟各种可预见的或随机的生产线运行故障，仿真可以预测生产线在不同调度策略下的性能，从而为生产线运行选择较好的调度方案，在调度方案确定后，模拟系统对不同作业计划的执行情况，选择合理高效的作业计划，提高生产线的运行效率，减少库存，缩短生产周期。

②基于模型的工艺设计和生产仿真。研究面向产品研制全过程的三维关联产品模型信息数字化定义技术，应用MBD技术将三维设计信息、三维制造信息、三维工装信息、三维测量信息等定义到产品的三维数模中，实现支持全生命周期的三维产品信息的完整定义。分析现行工艺设计的程序文件体系，发现开展基于模型定义的数字化工艺设计存在的不足和问题，提出MBD技术条件下开展工艺准备活动（包括数字化工艺设计等）相关程序规定的升级方案。定制、开发AO/FO等工艺文档的创建、编辑工具，使之达到与单一产品数据源集成的目的，同时满足现场应用可视化的要求。通过转换工具、轻量化显示等软件系统，实现工程定义在生产现场的高效低成本应用。

③数字化容差优化。通过对数字化环境下的飞机装配协调准确度和容差分配的研究，总结水平尾翼装配过程典型工艺过程误差累积规律，建立容差分配模型，研究容差优化方法，改进和完善现有的数字化标工技术，形成一套“一体化”飞机装配协调和容差分配方法。

④数字化测量检测系统。建设智能检测管理系统，打通产品MBD模型到检测执行的信息通道，实现检测活动全要素的数字化管控。

建立基于智能方法的检测大数据应用体系，包括基于测量大数据的产品制造（装配）智能误差溯源体系（故障定位）；基于检测大数据的工艺能力智能评估及反向迭代体系（目标修正）；基于检测大数据的产品/工装质量改进体系（持续改进）。

（2）智能生产管控。

①企业资源计划管理系统。通过ERP系统的实施，建立从产品数字化定义到制造、产品支援全生命周期数字化管理体系，强化企业内部控制，对业务处理进行有效监控，实现信息共享，资源优化配置，提升决策支持以及信息交换的能力，为企业的绩效考核和经营决策提供有力支持。实现包括：建立基于主数据的业务模式、统一计划管理平台、以MRP驱动装配工单的排产、采用MRP为主的物料申请模式、以工单为核心的企业运营资源管理等功能，实现提高工艺技术管理水平、数据准确性、计划与生产准确性等目的。

②制造执行系统的智能化应用。在对民用飞机水平尾翼智能装配车间制造业务流程分析的基础上，并结合业界MES功能特征，已经实施民用飞机水平尾翼智能装配车间MES系统，该MES系统由生产管理子系统（AO、 FO、 TO）、质量管理子系统、物料管理子系统及消息管理子系统组成，且与PDM系统、ERP系统、门户系统、PCS系统等外部系统进行交互。已经根据ERP生产计划系统的计划任务，将零件装配大纲（AO）、制造大纲（FO）、工装指令大纲（TO）统一发放到MES系统中，再经过MES相应的模块进行处理，最后将相关作业指令传递到PCS过程控制系统中。(www.xing528.com)

③生产过程采集与分析系统研究。研究针对生产过程中的关键环节，进行数据采集与数据分析，建立生产线工位监控，对现场的工装状态与设备状态进行有效的管控。

生产线工位监控主要包含两大块内容，生产线工位的所有设备的监控和生产信息的监控。其中设备监控功能主要包含：设备的开关机状态、报警状态、运行状态与运行具体参数信息。生产线信息的监控包含：该工位所有AO的执行情况、生产过程中的故障拒收报告、工位所需产品工装的物流配送信息。

（3）智能集成控制。

①水平尾翼装配生产线建设。水平尾翼智能化装配生产线建设，在研究水平尾翼装配流程的基础上，为满足水平尾翼复合材料装配过程特性，建设自动化制孔单元、自动化钻铆单元、自动化对接单元、柔性装配工装、立体化物流搬运系统与数字化测量检测系统等安全可控智能制造单元，实现水平尾翼的智能化装配。

②水平尾翼智能装配车间的通信网络建设。建立完整的智能装配车间通信网络是实现装配车间由自动化向智能化转变的关键所在。通过研究水平尾翼智能装配车间软硬件系统组织与布局，数控设备、辅机等设备通过环形网络连接的技术与方法，以及它们与上位数据采集软件的数据交换采用工业通用的数据接口及协议，形成智能装配车间通信网络建设方案，并在项目中实施。

③基于AO的智能化物料配送。在现场工作中，每道AO通常涉及大量的零件、工具及刀具等，现场的配送通常由工人自行完成，耗时长，准确度差。通过研究现有AO的规范，梳理出各个具体AO中所需配送的工具、刀具、零件等，并采用立体化物料配送设施，实现物料的智能化配送。

4）应用效果

（1）总体实施方案。

本项目方案的实施路线如图6-34所示，通过在生产线规划、工艺规范、容差分析、数字化测量与三维作业指导书等方面，开展基于模型的应用技术研究，并通过建立车间通信网络架构，建设PLM、 ERP、 MES等信息化系统并实现系统集成，逐步形成“动态感知、实时分析、自主决策、精准执行”特征的智能集成应用模式。建设数字化制造车间，并针对一系列安全可控的核心智能制造开展研究是与实施工作。

图6-34　C919大型客机水平尾翼智能装配线建设项目方案实施信息网络构架

在智能制造车间软硬件环境搭建完备的基础上，通过进一步集成相关软硬件环境，实现智能制造车间的应用。图6-35描述了数字化车间面向自动化装配硬件系统的软件系统组织与布局，数控设备、辅机等设备通过环形网络连接在一起，它们与上位数据采集软件的数据交换采用工业通用的数据接口及协议。中控室的服务器通过网络可以给上位管理信息系统提供生产信息数据。软、硬件采用分布式的体系结构，便于系统扩展。生产局域网通过硬件防火墙与外部局域网相连，这也是生产局域网与公司局域网的唯一通信接口，同时生产局域网还提供ISDN/ADSL连接服务。

图6-35　车间互联互通与集成方案

（2）数字化系统的集成方案。

水平尾翼智能装配线的数字化系统集成方案如图6-36所示，在MES系统、ERP系统与PLM系统间，均存在着集成与数据转换。

图6-36　水平尾翼智能装配信息化系统集成方案