航空宇航制造

1、時(shí)次凄航空制造工程概論報(bào)告題目：飛機(jī)柔性裝配技術(shù)學(xué)院:機(jī)電學(xué)院班級(jí):05010703學(xué)號(hào):2007姓名:2010年 04月 27 日 【摘要】結(jié)合我國現(xiàn)階段飛機(jī)裝配背景，將國內(nèi)外裝配進(jìn)行比較，探討了飛機(jī) 柔性裝配技術(shù)的優(yōu)勢與發(fā)展前景。對(duì)柔性裝配工裝，柔性制孔，虛擬裝配等進(jìn)行 了分析與研究，報(bào)告目前國內(nèi)外飛機(jī)柔性裝配技術(shù)的現(xiàn)狀，以及柔性裝配技術(shù)在 未來飛機(jī)制造業(yè)中的作用。關(guān)鍵詞：柔性裝配技術(shù)；柔性裝配工裝；柔性制孔；虛擬裝配。1背景飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造過程的主要環(huán)節(jié)。飛機(jī)裝配過程就是將大量的飛機(jī)零件按圖紙、技 術(shù)要求等進(jìn)行組合、連接的過程，分為部裝（零件f組合件f段件f部件）和總裝（各部件f全 機(jī)

2、身）。飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造難度大，周期長，不僅表現(xiàn)在它的零件數(shù)控加工量大，而且表現(xiàn)在 它的裝配復(fù)雜性和難度。飛機(jī)的裝配工作量約占整個(gè)飛機(jī)制造勞動(dòng)量的40%50%（一般的 機(jī)械制造只占20%左右）。飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率取決于飛機(jī)機(jī)械連接技術(shù)，如自動(dòng)鉆鉚、干 涉連接、高質(zhì)量緊密制孔、孔擠壓強(qiáng)化、電磁鉚接等，而裝配件準(zhǔn)確度受制于裝配型架的制 造和安裝準(zhǔn)確度。迄今為止，裝配技術(shù)已經(jīng)歷了從手工裝配、半機(jī)械半自動(dòng)化裝配、機(jī)械 /自動(dòng)化裝配到柔性裝配的發(fā)展歷程。飛機(jī)柔性裝配技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)前國內(nèi)外飛機(jī)制造業(yè)數(shù) 字化制造的大趨勢，能夠克服飛機(jī)制造模線-樣板法在模擬量協(xié)調(diào)體系下需要大量實(shí)物工裝 且應(yīng)用單一、制造周期長、費(fèi)

3、用高等缺點(diǎn)，通過與自動(dòng)化制孔設(shè)備、數(shù)控鉆鉚或自動(dòng)電磁鉚 接設(shè)備等自動(dòng)化裝備的集成可組成自動(dòng)化、數(shù)字化的柔性裝配系統(tǒng)，縮短裝配周期，提高和 穩(wěn)定裝配質(zhì)量。柔性裝配技術(shù)的范疇很廣，涵蓋了柔性裝配工裝、柔性制孔、裝配系統(tǒng)、裝 配（含裝配工藝）設(shè)計(jì)、虛擬裝配、裝配集成管理、數(shù)字化檢測、面向柔性裝配的設(shè)計(jì)等技 術(shù)領(lǐng)域。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)仍大量采用傳統(tǒng)型架進(jìn)行人工裝配，裝配的自動(dòng)化和柔性化水平較低，數(shù)字 量協(xié)調(diào)尚未貫穿飛機(jī)整個(gè)裝配過程，面向裝配的設(shè)計(jì)理念還未形成共識(shí)?？傮w來看，與國外 的飛機(jī)柔性數(shù)字化裝配技術(shù)相比，還存在較大的差距，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）飛機(jī)裝配尺寸協(xié)調(diào)體系以數(shù)字量傳遞為主

4、，模擬量傳遞為輔。飛機(jī)產(chǎn)品和裝配工 裝采用CATIA進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，利用Delmia V5平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)、裝配仿真等工作 剛剛起步；（2）自動(dòng)裝配系統(tǒng)的工程應(yīng)用處于空白階段，鉚接大部分采用手工錘鉚，螺栓連接全 部為手工操作，自動(dòng)化制孔、電磁鉚接技術(shù)的工程化應(yīng)用剛剛啟動(dòng)。自動(dòng)化柔性裝配技術(shù)涉 及的單元技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。由于數(shù)控托架技術(shù)和自動(dòng)化鉆鉚工藝 技術(shù)尚未合理地配套，引進(jìn)的自動(dòng)鉆鉚機(jī)未得到充分應(yīng)用；（3）移動(dòng)生產(chǎn)線技術(shù)處于起步研究階段嗎，由于我國的飛機(jī)裝配技術(shù)比較落后，導(dǎo)致 批生產(chǎn)與多品種變批量快速轉(zhuǎn)換能力較差，仍然采用傳統(tǒng)的批量剛性生產(chǎn)線，生產(chǎn)線的調(diào)整 和生產(chǎn)

5、準(zhǔn)備周期很長。目前，我國航空工業(yè)尚不具備多品種變批量生產(chǎn)的快速轉(zhuǎn)換能力，裝 配技術(shù)是主要的制約因素。不過，樂觀地來說，國內(nèi)已經(jīng)開展了與飛機(jī)柔性裝配技術(shù)相關(guān)的技術(shù)方面一些工作。比 如，在數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)技術(shù)方面，采用CAD技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)型架設(shè)計(jì)，開發(fā)了型架設(shè)計(jì)系統(tǒng)， 術(shù)方面，計(jì)算機(jī)輔助經(jīng)緯儀和激光跟蹤儀等測量設(shè)備已經(jīng)用于飛機(jī)外形尺寸和位置測量，局 部應(yīng)用于飛機(jī)部件的裝配型架安裝上。在數(shù)字化預(yù)裝配方面，開展了飛機(jī)部件裝配順序、裝 配路徑優(yōu)化以及裝配公差分配等研究。就國外柔性裝配技術(shù)而言，歐盟在1994年就明確提出，要研究“基于協(xié)作型多功能操 作機(jī)器人的航空產(chǎn)品柔性裝配系統(tǒng)，長期目標(biāo)是要開發(fā)無型架機(jī)身裝

6、配技術(shù)”。自20世紀(jì) 90年代初波音公司在研制B777時(shí)全面實(shí)施數(shù)字化設(shè)計(jì)方法以來，國外飛機(jī)裝配技術(shù)已得到 長足的發(fā)展，B787、A380、A400M、A350、F-22和F-35等新型軍民機(jī)大量地應(yīng)用柔性裝配 工裝、數(shù)控鉆鉚系統(tǒng)、離線編程和仿真軟件等進(jìn)行自動(dòng)化裝配。美國EI（ElectroImapct）公司為空客公司生產(chǎn)的柔性高速鉆鉚系統(tǒng)壁板工裝，廣泛應(yīng)用 于空客公司各種型號(hào)飛機(jī)機(jī)翼壁的裝配過程。該工裝于2003年首次使用，僅用了 5天時(shí)間 就完成了 A330-300飛機(jī)（翼展60.3m）上壁板的裝配，目前這項(xiàng)工件只需一天時(shí)間即可。 空客公司為在2005年實(shí)現(xiàn)每月生產(chǎn)38套機(jī)翼的能力，在其機(jī)

7、翼盒自動(dòng)裝配研究項(xiàng)目的第二 期AWBAII中考慮了多種柔性裝配技術(shù)，以降低機(jī)翼裝配成本和縮短裝配周期。洛克希德馬 丁公司牽頭研制的JSF戰(zhàn)機(jī)原型機(jī)X-35目標(biāo)縮短飛機(jī)裝配制造周期三分之二，由單機(jī)15個(gè) 月縮短至5個(gè)月，而工藝裝備則由350件減少到19件，同時(shí)，制造成本降低一半。其核心 技術(shù)之一就是充分體現(xiàn)柔性裝配特點(diǎn)的龍門鉆削系統(tǒng)技術(shù)，采用激光定位、電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精 密制孔，不僅降低了鉆孔出錯(cuò)率，而且大大減少了工具和工裝。3飛機(jī)柔性裝配技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于飛機(jī)柔性裝配技術(shù)所涵蓋的領(lǐng)域下面簡要柔性裝配工裝、柔性制孔、虛擬裝配這三 個(gè)方面。3.1柔性裝配工裝技術(shù)（柔性定位技術(shù)）柔性定位技術(shù)按產(chǎn)品對(duì)象可歸納

8、為：框、梁類零件柔性定位技術(shù)（包括接頭類）蒙皮/ 壁板類零件柔性定位技術(shù)，部件類柔性定位技術(shù)。采用柔性定位技術(shù)，可以適應(yīng)一定程度零件結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)可以大大減少傳統(tǒng)剛性定位 方式所帶來的定位應(yīng)力。3.1.1框、梁類零件柔性定位技術(shù)框梁類零件，通常基于其工藝孔或結(jié)構(gòu)交點(diǎn)孔及基準(zhǔn)面進(jìn)行定位。其柔性定位的關(guān)鍵是 適合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的定位頭以及可進(jìn)行方便調(diào)節(jié)、數(shù)字化調(diào)整控制的定位臂（定位機(jī)構(gòu)）， 以適應(yīng)孔位、孔徑及基準(zhǔn)面的變化。定位頭需依據(jù)產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，定位單元采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)產(chǎn) 品定位孔德大小靈活組合和更換。定位臂（定位機(jī)構(gòu)）可采用柔性滑軌定位、自適應(yīng)模塊式定位立柱、多自由度伺服

9、定位 機(jī)構(gòu)等典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。無論采用哪種定位機(jī)構(gòu)，均需利用激光雷達(dá)、激光跟蹤儀等數(shù)字化 測量設(shè)備監(jiān)控、測量零件安裝位置的正確性，并可將測量數(shù)據(jù)信息反饋給控制系統(tǒng)對(duì)定位機(jī) 構(gòu)進(jìn)行位置調(diào)整。有遮擋的地方可安裝反射鏡，通過反射鏡可以進(jìn)行測量。3.1.2蒙皮/壁板類零件柔性定位技術(shù)對(duì)于蒙皮/壁板類零件的柔性定位，仍可選取其基準(zhǔn)邊或結(jié)構(gòu)孔作為定位基準(zhǔn),此種情 況下可采用與框、梁類零件相似的柔性定位方式。/壁板類零件又直接形成飛機(jī)外形，所以其內(nèi)形面 與骨架的貼合度、曲面外形定位準(zhǔn)確度顯得尤為重要，因此更需要直觀地將其外形面作為定 位基準(zhǔn)進(jìn)行定位。傳統(tǒng)的蒙皮/壁板外形定位通常采用卡板方式進(jìn)行定位，其定位準(zhǔn)確

10、度低，且位置固定 不可調(diào)，不能適應(yīng)產(chǎn)品外形變化的定位要求。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，多點(diǎn)陣成形真空吸盤式柔性定位裝置可以很好地實(shí)現(xiàn)蒙皮/壁 板的外形精確定位，它由一組立柱吸盤組成，其組數(shù)根據(jù)零件大小、曲率等確定。吸盤可在 運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)由程序控制三維移動(dòng)到指定的空間位置，生成與裝配件曲面完全符合并均勻分布 的吸附點(diǎn)陣，能精確定位和牢固地夾持壁板等裝配件。此種定位方式可以適應(yīng)不同的蒙皮/ 壁板外形。將其擴(kuò)展，此種定位方式還可適用于機(jī)翼、組合壁板等裝配件的柔性定位，可獲得良 好的定位準(zhǔn)確度。3.1.3部件類柔性定位技術(shù)在部件轉(zhuǎn)換型架進(jìn)行后續(xù)裝配、部件對(duì)合等情形下，需對(duì)飛機(jī)部件進(jìn)行定位。對(duì)飛機(jī)部件進(jìn)行裝配定

11、位，通常選取重要結(jié)構(gòu)交點(diǎn)、重要部位外形、測量點(diǎn)等對(duì)部件進(jìn) 行姿態(tài)控制。例如對(duì)機(jī)翼進(jìn)行交點(diǎn)精加工時(shí)，主要選取其主結(jié)構(gòu)交點(diǎn)孔及水平測量點(diǎn)作為定 位基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整定位，以保證加工后結(jié)構(gòu)交點(diǎn)位置準(zhǔn)確度機(jī)全機(jī)水平測量的要求。傳統(tǒng)上均 是采用固定型架方式進(jìn)行定位，僅能滿足特定機(jī)型的定位加工。對(duì)于飛機(jī)部件的定位，仍然可以借用上述框梁類、蒙皮/壁板類零件定位方式進(jìn)行定位， 同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，可采用iGPS、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)結(jié)合POGO柱等方式實(shí)現(xiàn)部 件的柔性定位。3.2柔性制孔技術(shù)制孔的關(guān)鍵是孔位、法向德精確控制及制孔精度的保證。傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配中的制孔主 要以風(fēng)鉆鉆孔為主。工藝順序?yàn)椋簞澗€f鉆孔f粗鉸

12、（或擴(kuò)孔）f精鉸f分離清理。傳統(tǒng)傳 統(tǒng)手工制孔通常存在的缺點(diǎn)有：易形成缺陷，孔位精度差，制孔步驟多，需要二次裝配，人 為因素影響無法避免等。采用柔性自動(dòng)制孔方式可以實(shí)現(xiàn)孔位、制孔轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等的精確控制。目前國外應(yīng) 用的的自動(dòng)化精密設(shè)備如下：3.2.1自動(dòng)鉆鉚機(jī)美國是最早發(fā)展鉆鉚技術(shù)的國家，早在20世紀(jì)50年代就已在飛機(jī)鉚接裝配生產(chǎn)線上應(yīng) 用了自動(dòng)鉆鉚機(jī)，經(jīng)過50多年的發(fā)展，現(xiàn)在世界各航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家都已廣泛采用這項(xiàng)技 術(shù)。整個(gè)過程通過預(yù)先編程，全部由CNC程序控制。自動(dòng)鉆鉚工藝是在一臺(tái)設(shè)備上一次性地 連續(xù)完成夾緊、鉆孔、锪孔、注膠、放鉚和銑平等工序的工藝。由于機(jī)床帶有高速、高精度 的轉(zhuǎn)削主軸

13、頭，一次進(jìn)給既能鉆出0.005mm以內(nèi)高精度的孔，又可將埋頭窩的深度精確控制 在0.01mm以內(nèi)。由于鉆孔時(shí)鉚接件處在高的夾緊力下，層間不會(huì)產(chǎn)生毛刺和進(jìn)入切削， 可以減小疲勞載荷下發(fā)生磨蝕損傷的程度，有利于提高接頭的疲勞強(qiáng)度。自動(dòng)鉆鉚機(jī)大部分 為C框結(jié)構(gòu)，多數(shù)用于壁板類零件的自動(dòng)制孔和鉚釘鉚接成形，但由于自身的一些限制，不 能進(jìn)行比較復(fù)雜和開敞性差的裝配工作。3.2.2機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)機(jī)器人制孔的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，如F-16復(fù)合材料垂尾壁板利用辛辛那提米爾康T13 機(jī)器人進(jìn)行鉆孔，C-130飛機(jī)梁腹板用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)制孔，波音F/A-18E/F超級(jí)大黃蜂后ONCE (One-sided ce

14、ll end effector)機(jī)器人制孔系統(tǒng)等。機(jī)器人制孔的最前沿應(yīng)用，包括洛克希德馬丁公司F-35飛機(jī)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料機(jī) 翼上壁板制孔用的大型龍門式鉆孔系統(tǒng)(JGADS)。該系統(tǒng)帶有便攜、靈活、低成本且重量輕 的機(jī)器人，它使用激光定位系統(tǒng)、電磁馬達(dá)和“壓腳(Pressure Foot)進(jìn)行精密鉆孔，加 快了裝配過程，并形成緊配合，產(chǎn)生的表面光滑、間隙小，滿足了 F-35飛機(jī)氣動(dòng)和耐久性 的要求。由于具有上述優(yōu)勢，F(xiàn)-16、F-22、F-2和T-50項(xiàng)目都對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估并準(zhǔn)備用 于相應(yīng)的裝配作業(yè)。機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：壓緊力的設(shè)定；刀具和工件表面垂直度的調(diào)整；位置精度補(bǔ)償。3

15、.2.3龍門式自動(dòng)制孔系統(tǒng)龍門式自動(dòng)化制孔系統(tǒng)，比如長桁柔性制孔系統(tǒng)對(duì)批量生產(chǎn)的大型構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)高效、 高質(zhì)量、低成本的自動(dòng)柔性制孔。波音公司B-747、C-17等飛機(jī)機(jī)艙地板都采用了龍門式自動(dòng)化制孔系統(tǒng)。過去，裝配 中所有難以進(jìn)行點(diǎn)定位的部分，都要用固定夾具定位后手工制孔。而現(xiàn)在采用自動(dòng)化制孔系 統(tǒng)則可以進(jìn)行自動(dòng)定位和制孔，大大縮短了流程時(shí)間，提高了制孔質(zhì)量，并可節(jié)省體力勞動(dòng) 及工具成本。3.2.4柔性導(dǎo)軌自動(dòng)制孔系統(tǒng)制造與裝配時(shí)，達(dá)到制孔自動(dòng)化同時(shí)又降低成本是極其重要的。因此，低成本、柔性 化且滿足高質(zhì)量制孔要求的便攜自動(dòng)化制孔系統(tǒng)，與配有大量刀具的復(fù)雜結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng) 相比，極具競爭優(yōu)勢

16、。波音公司開發(fā)的Flex Track模塊化柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)正是屬于此類。3.3虛擬裝配虛擬裝配技術(shù)已成為數(shù)字化制造技術(shù)在制造業(yè)中研究和應(yīng)用的典范。飛機(jī)研制階段在 計(jì)算機(jī)里利用虛擬裝配仿真軟件將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)及仿真，可幫助產(chǎn) 品擺脫裝配物理樣機(jī)及所涉及的工藝裝配制造難題，有效地提高產(chǎn)品、工裝的建模質(zhì)量，有 助于降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。航空行業(yè)建立三維數(shù)字模型所使用的CAD軟件是達(dá)索系統(tǒng)的CATIA軟件，為便于實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)品的三維數(shù)字模型信息的共享，虛擬裝配仿真軟件一般可選擇達(dá)索系統(tǒng)的DELMIA軟件。 達(dá)索系統(tǒng)的DELMIA軟件又2個(gè)相互關(guān)聯(lián)的獨(dú)立軟件組成，數(shù)字工藝

17、工程(Digital Process Engineer, DPM)和數(shù)字制造工藝(Digital Process Manufacture, DPM)。DPE 的主要功能 是用于完成產(chǎn)品、工藝、資源規(guī)劃的平臺(tái)，并可制定產(chǎn)品裝配流程，還可以運(yùn)用Visual Basic Script腳本語言根據(jù)用戶的需求進(jìn)行二次開發(fā)。DPM的主要功用是按照DPE中設(shè)計(jì)好的工 藝流程對(duì)產(chǎn)品的裝配細(xì)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化裝配過程仿真和驗(yàn)證。利用驗(yàn)證的結(jié)果即可分析出產(chǎn)品 的可制造性、可達(dá)性、可拆卸性和可維護(hù)性。沈飛公司在某型機(jī)研制中應(yīng)用裝配仿真技術(shù)，對(duì)全機(jī)部、總裝主要裝配單元進(jìn)行仿真 驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)和工藝流

18、程設(shè)計(jì)等各類對(duì)裝配影響嚴(yán)重的若干項(xiàng) 干涉問題，使現(xiàn)場協(xié)調(diào)問題大幅度減少，典型部件裝配周期縮短30%50%。4對(duì)于飛機(jī)柔性裝配技術(shù)的認(rèn)識(shí)我國航空工廠近年來引進(jìn)了大量先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，飛機(jī)零件數(shù)控加工能力得以大大加 形成了強(qiáng)烈的反差的是，我國飛機(jī)裝配仍大量采用手工勞動(dòng)，裝配技術(shù)陳舊、落后，制孔質(zhì) 量、連接質(zhì)量難以滿足飛機(jī)性能要求，已成為制約我國航空企業(yè)飛機(jī)研制生產(chǎn)能力提高的瓶 頸問題之一。飛機(jī)柔性裝配技術(shù)及關(guān)鍵裝備是新一代飛機(jī)制造技術(shù)的重要內(nèi)容，對(duì)減少裝配工裝、縮 短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期、提高裝配效率，提高裝配生產(chǎn)線對(duì)裝配對(duì)象、裝配工藝流程和裝配生產(chǎn)節(jié) 拍一定程度變化的快速響應(yīng)能力，快速對(duì)客戶市場的需求做出反應(yīng)，對(duì)同型號(hào)不同要求改進(jìn) 改型裝配工作能迅速重新組合生產(chǎn)從而