面向批产的航天产品数字化总装及质量控制技术

王得成 屈明杰 张尚松 高东宇

（1.中国运载火箭技术研究院，北京 100076；2.首都航天机械有限公司，北京 100076）

0 引言

总体装配是航天产品生产交付前的最后一个装配环节，总装工艺技术是生产过程的重要组成部分，但是面对产品的批产需求，传统的总装工艺还存在以下4个问题。1） 在工艺制定过程中，单发产品间的总装操作衔接性差，不利于批产任务。由于没有采用行之有效的开发、验证手段，对于相关产品的总装工艺流程只能依靠经验在类似产品的成熟总装工艺基础上进行修改，缺乏创新性的技术指导，在产品飞行试验阶段因工艺制定不合理造成的质量问题频频发生。2） 传统的产品总装对人工依赖度较高：仪器单机安装及相关力矩施加需人员手动完成，靠辅助工装或人工经验保证安装精度，大部段对接依靠人员目视及手动调整，产品质量特性测量及质心配平工作需人工计算并数据比对等。产品总装质量与效率对个人经验及技能过于依赖。3） 传统总装工艺文件对操作的指导性差。文字描述往往晦涩难懂，涵盖大量的专业术语及二维装配示意图，人员技能水平及理解能力往往影响了装配效率和质量。4） 传统总装质量控制方法防控效果不佳，质量及配套信息均以纸质形式记录，不能快速调用和流转，对质量问题的预警、多重关联和可追溯较差，精细化、量化管理困难重重。

因此，面对日益增长的批产需求，该文着重从航天产品总装工艺设计数字化、批产装配流程可视化、现场操作数字化技术应用以及质量过程数字化控制等方面进行了研究，以求建立1套行之有效的总装及质量控制技术体系。

1 总装工艺设计数字化

现代航天产品总体设计多采用三维模型，然而顶层的数字化设计并没有融入总装工艺设计中，工艺规程及质量控制文件仍由人工根据产品三维数字样机或二维图纸等技术文件逐步进行设计与编制[1]，工艺文件的指导性根据人员技术水平和从业经验不同而存在巨大差异。为了满足航天产品的批产需求、快速准确完成总装工艺文件的编制，该文提出了1种基于通用模块的总装工艺快速搭建方法。该方法旨在将总体装配通用工艺流程、通用方法、通用规范以及相似型号工艺方法按模块存储在数字化工艺设计平台中，如图1所示。在编制某特定产品总装工艺文件时，可以依据装配流程在该平台上直接调用相应模块，即可快速搭建1套适用于该产品的工艺规程，然后在此基础上进行相应地修改。

图1 基于通用模块的总装工艺快速搭建示意图

根据某特定型号设计文件的具体要求及装配方法对快速生成的工艺规程进行适应性修改，形成1套适用于当前产品的总装工艺文件。然后基于设计下发总体三维数字样机及修改后的工艺文件，采用DELMIA等工艺仿真软件对工艺、操作及人机工程等方面进行仿真验证。针对仿真结果，利用数字化工艺设计平台对总装工艺文件进行适应性调整及修改。为了形成1套描述准确、操作可行且适用于批产模式的工艺文件，需要经过数次修改、仿真的迭代，以提高总装工艺文件对现场操作的指导性。

通过上述基于总体三维数字样机的总装工艺设计平台，即三维数字样机使用——基于通用工艺模块的工艺流程快速搭建——数字化工艺及操作仿真——基于PPS系统的工艺设计管理，可以从根本上改变以往基于二维图纸文件，以纸质文件为载体、传统经验为基础的总装工艺设计模式，将三维数字样机及技术要求快速、准确、全面地落实到工艺文件中，从而提高产品批产的质量与效率。

2 批产装配流程可视化批产装配流程

批产装配流程可视化技术是现场指导功能和制造资源调配功能的有效集成。针对型号批产装配流程中的每一个工序，通过现场配置的数字化计算机及便携式终端设备，显示出每一个装配工序的指导信息，包括三维动画视频、图片音像讲解、制造资源调配以及零部件配套等，直接指导现场总装批产，从而降低对操作人员个人经验的依赖性，提高制造资源利用率，加强批产流程的连贯性。批产装配流程可视化主要包括以下4种类型。1） 基于航天产品三维数字样机的图纸可视化。在操作工位配置时可以查看三维数字模型的计算机，并配套固定式和移动式终端。其中移动式终端可供操作人员在狭小空间查看部段或单机的三维模型装配状态；固定式终端可供总体装配人员查看整发产品的三维数字样机。2） 基于三维动画视频等多媒体信息的可视化。利用数字化总装工艺设计阶段形成的装配仿真或技能大师操作教学视频，制作出针对总装过程中仪器单机、分离系统、火工品等关键项目安装操作的视频指导文件，并载入数字化总装工艺设计平台中，供操作人员在现场数字化终端上直观、形象、准确地学习并掌握产品的安装要求及方法。3） 基于批产现场局域网的交互式制造资源可视化。将数字化终端连接在局域网中，供操作人员、库房管理人员实时对制造资源信息（如配套信息、工装工具信息等）进行显示或查询[2]，并根据现场各工位的装配进度合理调配制造资源，以满足总装过程单发产品之间进度、流程协调，从而优化批产流程。4） 基于图像识别的单机质量控制。对外场交付的仪器自动进行6面摄像，按照实物图片及相关算法进行仪器表面质量智能判读并登记入库，待总装调用时，在出库前进行外观检查。

图2 数字化力矩施加系统

3 现场操作数字化技术应用

3.1 数字化力矩加载技术

数字化力矩加载系统主要由力矩施加工具、力矩控制器及信息管理系统组成，如图2所示。该技术能够根据预设的加载顺序、加载数量以及分级力矩值等，以±3%的精度将力矩施加在紧固件上，并将实际加载力矩曲线记录在质量控制数据库中，完成产品装配过程质量记录，以便于检验人员核查及质量复查。该系统有效地避免了在进行仪单机安装、直属件安装、部段对接过程中力矩施加精确度低、施加过程不可控、人为施加效率低下以及缺乏有效合格判据等传统力矩施加带来的问题[2]。在航天产品部段对接、管路安装等工作中，该系统明显提高了产品批产的工作效率。

3.2 部段高精高效对接技术

航天产品大部段对接时，为了提高对接精度及对接操作效率，进行了产品高精度自动对接技术的研究。对接系统主要包括产品对接架车、激光跟踪仪等，如图3所示。

对接前，将对接架车3个自由度的调整机构均调节至0刻度位置，使部段对接时的位姿调整阈度变大，随后推动2个部段缓慢靠近，直至2个对接框间距20 mm时停止，然后采用激光跟踪仪测量两个部段对接面的实时位姿，根据2个部段轴线及对接销钉孔的位姿偏差计算各架车的调节量，缓慢对接部段至微调距离，并对架车进行微量调整完成最终对接。整个对接流程如图4所示。

该技术在某产品中得到了试用，有效降低了人为操作带来的装配质量风险。将激光跟踪仪等数字化设备应用到了航天产品的高精度对接中，为航天产品批产过程实现自动化对接奠定了基础。

图3 航天产品高精度对接系统示意图

图4 高精度对接流程示意图

3.3 高精度装配及检测技术

高精度装配系统主要由激光跟踪仪、执行机构、高精度检测仪（如内窥镜）等组成。针对安装位置精度要求较高的仪器或零部件，可以利用该系统测量安装单机的实时位置，并根据设计允许误差范围进行适量调整。最终保证单机安装精度。该装配及检测系统的应用有效消除了传统方法工装使用引入的二次误差，既降低了生产成本，又提高了精度与效率，在航天产品分离机构、平台等安装过程中得到了充分验证。

3.4 数字化质量特性测量技术

该技术在质量特性测量过程中将质量、距离以及周期等数值模拟量实时采集至工控机中进行数字化计算，直接输出产品质量、质心及转动惯量信息。整个测量过程只需装卡一次，避免了多次起吊带来的误差，同时降低了操作过程的质量风险。数字化质量特性测量如图5所示。同时，在测量产品的转动惯量时，采用双轴扭摆法，既增加了扭摆杆的扭转刚度，又减小了转台旋转阻尼，显著提高了转动惯量的测量精度。该系统在使用时，只需要通过改变简单的转接工装就可以进行相似部段的模块化测量，显著提升设备利用率，大大提高了产品批产效率。

4 质量过程的数字化控制

航天产品在总装前，需要在质量信息系统上编制、签署、维护数字化质量控制信息（包括性能数据信息、配套信息及技安信息等）文件[3]，并将数字化质量控制记录文件导入便携式数字化终端上以指导现场具体工作，并建立输入开口，以便操作人员将批产装配信息实时回填到终端机上；操作人员根据该系统的配套信息领取零部件、仪器电缆及制造资源等，并通过可视化终端对车间库房配套、制造资源信息调配等信息进行实时查询。

图5 数字化质量特性测量示意图

此外，为了方便产品装配质量验收，采用数字化记录表格形式进行总装量化数据记录。表格包括待装件接收检查、单机测试数据、力矩加载、三防状态检查、电连接器插接、部段对接及关键、易错项目汇总等。在航天产品批产全流程中，数字化记录表格通过装配现场信息化终端设备实时将量化数据提供给设计师、工艺师、操作员、检验以及第三方质量监督人员，进而完成产品装配技术状态的确认、检查及验收。

单发产品总装完成后，通过该系统将全周期的质量信息如量化数据、突发问题和处置方案等，一键生成产品总装质量数据包，并上传至质量信息系统中，以供相关人员查询。通过对总装各环节质量大数据的积累及分析，有效提高了总装过程质量风险的预测能力，从而加强批产过程中的质量预防及控制。

5 结语

该文阐述了面向批产的数字化总装与质量控制技术在实际生产中的应用，在一定程度上保证了产品的装配质量，提高了型号批产效率，同时探索出1套新的具有行业特点的工艺及质量管理体系雏形，初步实现了航天产品数字化生产。然而，尽管取得了一定成就，但是与国外航天企业的批产能力相比，我国还存在一定差距。科研生产人员仍然需要不懈努力，以现有数字化技术为基础，结合行业特点，力求建设出一间现代化的航天产品数字化总装工厂，以满足日益增长的批产需求，进而使我国航天事业由航天大国向航天强国迈出坚实的一步。