轻型直升机装配生产线设计与展望

丁雪颂，徐大淼

(北京通用航空江西直升机有限公司，江西 景德镇 333000)

0 引言

传统的直升机装配采用刚性工装定位，手工装配连接，基于模拟量传递的互换和分散手工作坊式生产。自20世纪80年代以来，随着计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)技术、计算机信息技术、自动化技术和网络技术的发展，数字化技术在现代直升机制造中得到广泛的应用，直升机制造进入数字化时代[1]。北京通用航空江西直升机有限公司研制了一条轻型直升机装配生产线(图1)。由于公司产品生产仍处于起步阶段，某些型号机型还处于取证、定型、试飞与研制阶段，选择装配生产线总体方案时，考虑在一般机械产品装配生产线特点的基础上，增加一定的柔性功能，将装配生产线设计成脉动式装配生产线。这样，同一条生产线既能用于不同型号，还能用于同型号改进型系列机型的产品装配，从而满足对产品产量与质量的要求。同时，生产线建设以少投入、低成本、高质量，不追求高度自动化为原则，对原有车间的平面布置及流程、信息管理等不做大的调整和变动。本文介绍该生产线的设计，并以JH-1无人直升机制造为例进行验证。

图1 生产线全景效果图

1 轻型直升机装配生产线优化设计

装配生产线的构成基本由直线输送装置、柔性工装安装平台、数字化测量检验设备、自动化装配机器人、信息化集成管理系统以及某型号机型专用工装及通用辅助工装等模块组合集成。

1.1 移动方式设计

如图2 所示，移动方式采用低成本脉动式线性移动系统。脉动式线性移动系统为台式架构，主要由机架、辊轮、拖动电机组成，通过人工操作机电一体控制开关实现轻型直升机部件在站点之间平稳直线移动。

图2 辊床式输送系统

脉动节拍时间以及站位数量可以根据不同机型装配需求进行调整。同时，当某个生产环节出现问题时，整个生产线可以不移动，或者留给下个站位去解决。当所有站位工作指令完成后，可自动执行一次脉动节拍运行。因此，该移动系统设计能充分满足多型号直升机对生产线的柔性要求。

1.2 控制系统设计

为了实现装配生产线的有效监控和高效运行，生产线控制系统具有管理级、协调级和执行级三级递阶控制模式，其总体控制见图3。

装配生产线控制核心单元为西门子OMRON PLC CP 系列CP1H CPU 单元，传感器将检测信号传送到PLC 进行信息处理，PLC 对电机控制器、继电器发出指令，电机控制器、继电器接到命令后控制电机、气缸、液压缸等执行动作，完成装配线的自动化运作。

图3 控制系统总体结构示意图

为了让操作者工作方便，同时在工位上并联匹配：手自动旋钮—控制整个辊床工位的手动或自动；前进、后退按钮—在辊床手动条件下控制辊床前进、后退；急停按钮—急停按钮拍下，整条生产线停止所有动作；光栅装置—在机器人周边安装光栅，辊床上光电被挡住，机器人会马上停止工作并报警，警报解除后，可按复位按钮复位。

在生产线还配有警示灯具：绿色塔灯常亮表示安全，辊床动作完成，不再动作，可以上前工作；绿灯闪烁表示本工位辊床是在手动状态；红色塔灯常亮表示危险，辊床正在动作中；红灯闪烁表示处于急停状态。

系统软件是基于CX Programmer的逻辑控制平台，整条生产线完成装配任务的逻辑流程见图4所示。

图4 装配逻辑流程图

1.3 柔性化工装设计

装配工装是用来提高直升机产品装配质量和效率的一种专业设备及通用设备，其设计制造、安装生产周期直接影响产品研制速度。柔性工装能降低工装制造成本，缩短工装准备周期，同时大幅度提高装配生产效率，并能对客户多样化需求做出快速反应，提高市场竞争力。

为了实现多机型工装在长72m、宽10m的轻型直升机装配生产线上快速柔性切换，将中央底板、大底板、立柱设计成模块化的柔性孔系结构，柔性孔系由∮12 的销孔和M12 的螺孔均匀分布，间距100mm，见图5 所示。

图5 柔性化孔系结构

不同的机型通过不同的过渡板依托100mm间距定位孔即可实现X、Y、Z三轴坐标系的精准定位，从而实现工装在装配生产线上柔性切换[2]。例如JH-1无人直升机在生产线上的装配，根据其站位定位、装配需求设计制造专用工装及通用工装见图6所示。

图6 JH-1无人直升机专用工装及通用工装示意图

1.4 配置机器人自动化装配设备

在生产线上配置2台通用型R-2000iC/165F型五轴联动机器人(图7)及3台ARMTECDA 200系列助力臂机械手(图8)。装配机器人及助力臂机械手在装配生产线上布置的位置，可根据不同机型所设计的工艺流程要求，通过生产线地板上的三坐标孔系与机器人及助力臂机械手本体底座上的标准孔相对合，精准定位于生产线的某个站位上。

装配机器人操作应用必须与直升机特定工序所需的专用工装配套使用才能完成。以JH-1无人直升机在装配生产线上站位2—“主旋翼轴安装”工序为例：

1)使用通用性放置架工装将主旋翼轴工件推至指定的正确地点。

2)将装配主旋翼轴的专用夹具安装于机器人手臂头上，见图9所示。

图9 主旋翼轴运送专用夹具示意图

3)上道工位所有装配、安装工作已经完成，生产线按节拍要求移至第二工位，安全锁定，并且工件已精准定位。

4)启动机器人，人机界面显示屏指示灯均显正常状态下，按下手柄按钮，机器人手臂自动旋转，移动至生产线外放置架位置，通过传感器获取主旋翼轴组件的信号，然后，自动抓取、移动至生产线内的指定位置进行装配。完成工序后，再次按下按钮，机器人松开主旋翼轴组件，离开生产线上方回到原点。

助力臂机械手操作应用须在机械手的操作端头装有专用吸盘来抓取搬运整流罩，或者更换专用吊具吊运发动机、起落架等部件或成品件至生产线上。

1.5 配置自动化检测设备

先进的检测设备对提高直升机产品的质量、质量档案追溯以及售后服务至关重要。在轻型直升机装配生产线上配置自动化气密性检测工具与设备，见图10。

1.6 信息化集成管理平台

轻型直升机装配生产线研制过程必然推进公司工业互联网智能管理系统的建设。以装配生产线的管理需求为切入点，留有多余度接口与工业互联网总线无缝连接，实现从产品设计、工艺、装配、检验和现场管理各装配生产环节信息的高度集成，从而实现对装配生产线流程的支持和监控，使工程流、物流、信息流通畅运行。硬件架构见图11和图12。

图10 ATEQ气密性检测设备

图11 管理系统硬件架构图

图12 生产线硬件网络拓扑图

装配生产线信息集成后，流程画面直观清晰(见图13)，并通过智能管理系统DFIMS获得实时数据，通过WEB查询获得历史数据，通过浏览器查看及发布报表、设备状态和实时KPI[4]。

图13 生产线主管视图

2 轻型直升机装配生产线运行验证

根据公司主要直升机产品的设计研制、工艺准备状态、经营规划、市场需求、订货量大小以及所需资金投入等因素的综合论证，最后确定以JH-1无人直升机作为轻型直升机装配生产线的验证机型。

2.1 JH-1无人直升机装配工艺流程

根据JH-1无人直升机的设计技术要求、工艺方案、质量控制规范以及产量批量要求，JH-1无人直升机在装配生产线上的工艺流程及平面布置见图14和图15。

JH-1无人直升机装配由12个站位组成，各站位具体的装配工作内容如下：

1站位：将起落架定位在流水线平台；飞机骨架与起落架通过4个螺栓固定；将改装的发动机放入骨架安装并固定。

图14 JH-1无人直升机工艺流程图

图15 装配平面布置图

2站位：主减速器安装；主旋翼轴(旋翼轴上带有自动倾斜仪、自动倾斜仪控制舵机模块等部件)安装；自动倾斜安装；自动倾斜仪控制舵机安装。

3站位：发动机皮带轮安装；主输出轴安装；发动机附件(包括排气管、空滤、骨架挡杆、油泵等)安装；皮带轮调节组件安装。

4站位：滑油风扇安装；滑油罐安装；油管及冷却液管安装。

5站位：油箱安装及油管连接；尾桨舵机、油门舵机安装；油门钢索安装；导线敷设。

6站位：尾梁安装；平尾安装。

7站位：尾传动轴连接；尾减速器固定；尾桨叶安装及角度调整；尾桨钢索安装及调整。

8站位：发动机滑油，尾减速器、主减速器滑油，冷却液，离合器油添加。

9站位：电气系统电缆导通、绝缘，系统功能性试验、检测、调整。

10站位：整流罩修配及安装。

11站位：桨毂及桨叶安装。

12站位：系统总检。

2.2 JH-1无人直升机生产节拍及机器人、电子看板布局确定

根据无人直升机站位上的劳动强度、质量要求以及站位工作节拍的基本平衡，将机器人布局于第1、2站位，完成发动机及主旋翼轴安装工作；将助力臂布局于第10、11站位，完成桨叶及整流罩的吊运安装工作；按生产调度要求，将6块显示屏布置于第2、3、5、7、10、12站位上。

2.3 JH-1无人直升机装配运行验证

在上述工作流程完成的基础上，按JH-1无人直升机的具体要求，对轻型直升机装配生产线进行实地安装、调试、投入运行，各站点工作情况均正常。

1)6个站位有电子看板，实时统计工位完成情况及计划节点进度，并与公司智能管理系统DFIMS、互联网接口相连接，提供整体运行状态监控，建立统一的生产管理数据存储以及统计查询报表，能实现年产200架机的装配目标。

2)发动机安装工序及旋翼轴安装工序使用了日本FANUC公司的两台R-2000iC/165F、R-2000iC/210F型机器人。发动机安装工序原先需要4至5个人工作3、4个小时才可完成，现在只需一个人半个小时即可；旋翼轴安装工序原先需3个人使用吊车2个小时装配完毕，现只需1个人半小时安装完毕。

3)桨叶安装及整流罩安装采用了3台ARMTEC DA200助力臂。桨叶安装工序原需4人工作2小时才可完成，现在只需2人20分钟即可；整流罩安装工序由原3人3小时装配完毕减轻到只需2人1小时安装完毕。

通过轻型直升机装配生产线的试运行，生产线能满足公司现代管理要求并减轻劳动强度，提高装配质量，改善现场环境，极大地提高工作效率，满足直升机小批量、多品种生产的要求。

3 建议与展望

本文设计的轻型直升机装配生产线与国内外先进的生产线相比，仍处于初级阶段，但已在精益制造方向上迈出了第一步。现就如何进一步完善装配生产线，展望数字化、柔性化智能装配生产线的未来，提出一些建议和想法。

1)增加必要的数字化检测设备，如检验压力测试仪、力矩测量仪、激光跟踪仪等(见图16)，以加强装配过程在线检测与监控。同时还可应用激光跟踪仪等先进设备对部件进行测量定位，并在激光定位器的支撑下进行调姿，完成部件自动化对合装配及整机的水平测量，并且在称重仪的配合下完成重心等技术参数的测定。

图16 激光跟踪仪组成图

2)以发展柔性化装配生产线为牵引，大力推进信息化软硬件平台建设。消除公司“信息孤岛”现象，实现产品设计、工艺、装配、检验和现场管理等各环节的信息高度集成。加速5G微波站建设，形成WiFi5G微波网全覆盖，使公司具有光纤与微波两个先进的信息网络系统。

3)尽快建立多型号产品的三维数字化模型，使计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、装配、测量、检验、管理等实现真正的高度集成。从源头上提供数字量传递基础数据，数字化柔性装配生产线才有可能真正实现[3]。

4 结束语

数字化、智能化装配技术代表了现在航空制造的发展方向，柔性装配以及脉动生产线的应用，大大提高了直升机装配的质量和效率。智能化装配更适应多品种、变批量、低成本、高质量、快速研制的必然选择。该技术的应用不仅是技术创新，更是给管理理念与体制带来了巨大的冲击与变革。