面向智能装配的航天复杂产品结构设计标准研究*

刘峰 蔡志娟 李霏 孙朝晖 张金 胡敏 王胜

（北京电子工程总体研究所，北京，100854）

近年来，国际形势变化剧烈，国家对航天复杂产品的要求，包括产品性能与生产效率越来越高，但是目前航天复杂产品生产仍在采用依靠人工装配为主的生产模式，在型号批产数量越来越多的情况下，各生产厂、总装厂面临的生产压力极大，产品质量也越来越难以把控，更谈不上能够满足战时航天复杂产品的大量需求。目前装配生产模式中存在的问题，以及对产品高质量、高效率的追求，对生产模式转变、制造技术革新两方面都提出了变革和跨越式的发展要求，智能化创新研制模式的实施势在必行。

1 产品智能装配面临的主要问题

从产品装配未来发展方向来看，建设和使用基于机器人作业的智能化柔性装配厂房车间是主要的发展趋势。其具有良好的响应内部和外部变化的能力，可以适应于多种产品，同时利用先进传感器技术，精准获取装配信息与数据，实现装配质量实时分析与把控。但是，采用智能制造的方式进行航天复杂产品装配生产，并非直接将机器人、MES（生产线管控软件）、ERP等软硬件直接搬进航天复杂产品智能装配生产线进行生产调试那么简单，而是需要从智能化设备和航天复杂产品两方面入手[1-2]。智能化设备方面，需要采用各种自动化、智能化设备，如机器人、AGV（自动导引小车）、管控软件等，针对生产过程的信息采集与分析处理，实现生产的自主化和智能化；航天复杂产品方面，由于现有设计师对机器人等设备自动化装配工艺了解不够，进行航天复杂产品设计时往往还是面向人工装配。因此，现阶段复杂产品的智能装配往往存在以下问题[3-5]。

a）装配工艺难度增大。采用以机器人为主要生产力的智能化装配工艺，主要装配动作由机器人和柔性工装等自动化设备完成。这就要求待生产产品的各个零件上需要设计合适的夹持和定位结构，而目前零件上大都未进行该项设计，因此采用机器人装配时，需要额外进行工艺工装设计与调试，增加了产品装配工艺难度。

b）生产效率降低。航天复杂产品具有装配空间狭小、装配零件多的特点，对于无法夹持的零件需要采用诸如真空吸附、电磁吸附等方式进行夹取。当机器人运行速度提升时，上述夹持方式会导致零件晃动，导致零件末端精度损失。因此，往往为保证装配精度，需要牺牲机器人运动速度，从而降低了生产效率。

c）生产线成本增高，系统可靠性降低。为保证产品装配精度与产品质量，现阶段进行生产线设计时，需要针对零件额外设计二次定位工装，或采取基于视觉的精度补偿机构。上述设计将额外增加生产线硬件设备及装调工作量，增加生产线建设成本。同时，增加的软硬件加大了系统复杂度，降低了系统可靠性。

综上，开展航天复杂产品智能装配生产时，需要对传统的、面向人工装配的产品结构设计方法进行革新，形成面向机器人作业的结构设计方法，从而为后续生产线设计、调试及产品生产奠定基础。

2 国内外现状和发展趋势

智能制造目前已逐渐成为世界主要工业化国家重振制造业的重要突破口，国外一些航空航天企业将汽车行业的生产线思路引入到其产品装配中，建设了具有航空航天产品特色的装配生产线，大幅提高了产品装配的质量和效率，降低了生产成本。

美国雷锡恩公司结合航天复杂产品生产制造流程，建立了以 “柔性生产单元”、 “多航天复杂产品制造设备”、 “数字化管理系统”等为代表的先进装配生产线，并于2012年投入使用，如图 1所示。该工厂通过 “标准化”、 “通用化”、 “模块化”设计思想，集成了机器人技术、计算机控制技术和数字化技术等，具有自动化程度高、制造成本低、安全性高、任务可靠性高等特点，并能够根据生产过程的变化进行快速响应和及时调整，同时尽可能地减少对生产过程的中断，装配生产周期和制造成本较原生产模式降低20%，且装配工位的人员大幅度缩减，极大地提高了产品的研发能力、生产能力、保障能力、创新能力。

图1 雷锡恩公司航天复杂产品的数字化总装线

其他航天复杂产品的生产企业，也采用了先进的装配技术。美国波音公司配备的航天复杂产品柔性对接系统，其采用激光跟踪仪作为对接测量系统实时监测对接偏差，并由数字化管理系统根据偏差信息驱动导轨式数控对接平台，完成航天复杂产品的舱段对接，如图2所示。美国白沙航天复杂产品柔性对接系统，对接方式与雷锡恩公司的系统基本一致，对接系统采用伺服电机驱动如图3所示。

图2 波音航天复杂产品柔性对接系统

图3 美国白沙航天复杂产品柔性对接系统

国内飞机行业近十年来开展了大量柔性装配工装、数字化装配技术的研究，在多个单项技术上实现了突破，并在典型飞机型号的研制和生产中得到应用。中航工业西飞公司2010年5月基本建成并正式投入使用了国内首条飞机总装脉动式生产线；沈阳和成都飞机制造公司在其最新型号飞机的总装制造中，均建成了融合先进数字化和自动化设备的总装生产线，保证了新型号产品的总装质量，缩短了总装周期，降低了制造成本。上海飞机制造公司在其C919的装配生产线建设过程中，引进了FIT公司的自动化工装和智能化设备，建成先进的飞机装配生产线。

在我国航天复杂产品研制领域，北京电子工程总体研究所基于复杂产品智能制造系统国家重点实验室，开展了航天复杂产品智能装配技术研发，设立了基于智能装配中心和人机协作中心的智能集成装配生产示范线，成功实现了两类典型航天产品的智能化装配演示，为航天复杂产品智能制造奠定了基础。

3 面向智能装配的结构设计标准研究

3.1 基本要求

面向智能装配的航天复杂产品结构设计应从方案设计阶段开始，对航天复杂产品结构、设备接口结构、线缆等进行设计，最终形成满足总体要求的各类技术文件。具体包括结构设计和协同仿真两部分内容。 “结构设计工作”包括确定装配方式、夹持与定位结构设计、装配精度分析等。 “协同仿真工作”包括装配顺序规划、装配路径规划和装配过程仿真。由结构设计师、工艺设计师共同参与完成。结构设计师主导完成结构设计工作，工艺设计师配合；工艺设计师主导完成协同仿真工作，结构设计师配合。

3.2 结构设计方法

面向智能装配的航天产品结构设计的独特性体现在结构设计的同时需要考虑产品装配可实现性，结构设计师先确定装配方式，再进行夹持与定位结构设计，最后进行装配精度分析，如图4所示。

图4 结构设计方法

a）装配方式的确定。结构设计师进行结构设计之前，需要判定该零部组件采用何种装配方式，自动智能化装配或人机智能化装配。一般原则为：刚性、装配空间充足的零件以及重量较大、装配精度要求较高的零部组件适合自动智能化装配；而柔性零件、装配空间狭小的零件适合人机智能化装配。选择装配方式时，尽可能采用相同的装配方向，优先考虑自上而下的装配方向。

b）夹持与定位结构设计。当装配过程中需要采用机器人等自动化设备进行装配时，零部组件必须有夹持特征，并设计机械定位结构，或者采用相机等传感器进行辅助定位。建议优先采用机械结构定位，夹持结构、定位结构应进行系列化设计，采用定位销、定位槽实现零件夹持与定位的示例如图5所示。零件装配表面应增加辅助装配特征，包括导向槽、圆角、倒角等。当采用图像识别等辅助定位方式时，识别特征点、线、面应与零件周围特征有明显色差。舱段连接结构处设置标记点、线或面，并增加舱段连接导向特征。进行结构设计时，应为装配设备、工具、工装、夹具等留有操作空间，并在装配过程中保持活动部件姿态固定。

图5 夹持与定位结构设计示例

c）装配精度分析。因为夹持与定位结构的设计以及装配工装、夹具的设计，直接影响产品的最终装配精度，所以在结构设计时，需对产品的最终装配精度进行分析。主要包括：产品的装配尺寸链分析，确定产品最终装配尺寸公差是否在容许范围内，同时根据计算结果评估产品的可装配性，并进行结构设计方案优化。

3.3 协同仿真方法研究

依托产品设计结果，进行协同仿真。应分层、分级进行零部组件装配顺序规划，评估装配工艺性和可装配性。主要包括以下内容。

a）装配顺序规划。按照产品结构树进行装配顺序规划，符合自底向上、逐级向上的原则。为提升装配效率，装配顺序应适当并行与串行。装配过程中应避免干涉、碰撞。依据装配顺序规划结果，为每步装配选择合适的工具、工装和设备。应避免不同设备、工装或工具间的频繁切换，尽可能减少所需设备、工装和工具的数量。

b）装配路径规划。为保证产品装配可行性，需要针对每个最小装配单元进行装配路径规划，确定零部组件夹持方式、装配路径中的位置和姿态，评估装配路径中的碰撞和干涉问题，评估设备的承载能力，运动范围是否满足设计要求，同时从人因工程角度评估工作人员工作状态，确保工作人员处于合适的工作姿态。

c）装配仿真。借助专业仿真软件形成装配仿真，直观反映装配顺序、装配路径，发生碰撞、干涉时，设备运行到达限位或极限时，以直观方式提示，输出装配仿真视频，用于生产指导。根据仿真结果生成机器人等自动化设备路径规划，用于机器人现场编程。

本文针对航天复杂产品智能装配的应用需求，从产品设计源头出发，提出了若干面向机器人装配作业的产品结构设计方法，指导航天复杂产品进行结构设计，希望能为后续智能装配生产线建设与产品生产奠定基础。