飛機(jī)裝配技術(shù)

1、飛機(jī)裝配技術(shù)簡(jiǎn)介飛機(jī)裝配是根據(jù)尺寸協(xié)調(diào)原則，將飛機(jī)零件或組件按照設(shè)計(jì)和技術(shù)要求進(jìn)行 組合、連接形成更高一級(jí)的裝配件或整機(jī)的過程。社會(huì)的需求、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及相關(guān) 技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)著飛機(jī)裝配技術(shù)不斷向更高水平演進(jìn)。迄今為止，飛機(jī)裝 配技術(shù)已經(jīng)歷了從人工裝配、半自動(dòng)化裝配到自動(dòng)化裝配的發(fā)展歷程，目前快速 發(fā)展的柔性裝配將自動(dòng)化裝配技術(shù)推向了一個(gè)新的高度。近10于年來，國(guó)外飛機(jī)裝配迅速發(fā)展，以B777、A340、A380、F-22、F-35 等為代表的新型軍、民機(jī)集中反映了國(guó)外飛機(jī)制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，在裝 配技術(shù)上基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系，實(shí)施數(shù)字化尺寸工程技術(shù)， 應(yīng)用柔性模塊化的

2、工裝技術(shù)、加工和檢測(cè)單元并集成應(yīng)用為一系列的自動(dòng)化裝配 系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化裝配，大量采用了長(zhǎng)壽命連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命飛機(jī) 結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、高效率裝配。1我國(guó)飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造研究現(xiàn)狀我國(guó)航空工業(yè)主要沿襲前蘇聯(lián)的組織生產(chǎn)模式，飛機(jī)工裝也不例外。目前， 我國(guó)工裝整體設(shè)計(jì)制造水平落后，主要表現(xiàn)在：工裝設(shè)計(jì)雖采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè) 計(jì)（CATIA），但未充分利用優(yōu)化分析（CAE）及虛擬預(yù)裝配技術(shù)，致使型架需 反復(fù)修改；制造能力差，采用外協(xié)加工存在資質(zhì)認(rèn)證困難、保密性差、交貨周期 長(zhǎng)等問題；整機(jī)裝配仍采用手工作業(yè)或人工控制，精度和效率較低。與西方先進(jìn) 航空企業(yè)相比，我國(guó)的工裝型架數(shù)目多、占地面積大、制造周

3、期長(zhǎng)、成本高、安 裝在型架上的定位件及測(cè)量?jī)x器缺乏標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，同時(shí)以模擬量傳輸協(xié)調(diào)各 工藝環(huán)節(jié)的“串行工程”模式，嚴(yán)重阻礙了裝配質(zhì)量的提高及研制周期的縮短。 低效的傳統(tǒng)飛機(jī)裝配技術(shù)已成為制約我國(guó)飛機(jī)快速研制的巨大障礙。我國(guó)航空企 業(yè)及科研院校在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)裝配技術(shù)的同時(shí)，在工裝設(shè)計(jì)方面的研究較多，主 要集中在采用CAD技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)型架及相關(guān)性設(shè)計(jì)，包括型架標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立 和型架優(yōu)化及參數(shù)設(shè)計(jì)等13。在測(cè)量技術(shù)方面，計(jì)算機(jī)輔助電子經(jīng)緯儀（CAT）， 及激光跟蹤儀（LT）等先進(jìn)設(shè)備已逐步用于飛機(jī)裝配并實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。在虛擬預(yù) 裝配方面，開展了飛機(jī)裝配工序可視化仿真、裝配路徑優(yōu)化及裝配容差分析等研

4、究?？傊?，我國(guó)飛機(jī)工裝整體研究格局相對(duì)較為零散，工程缺乏系統(tǒng)化2國(guó)外飛機(jī)數(shù)字化柔性工裝研究及應(yīng)用飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代后期，迅速發(fā)展于西方航空發(fā)達(dá)國(guó) 家。1994年歐盟提出“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)” 研究項(xiàng)目向，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化無型架裝配(JAM)。美國(guó)Boeing777研制 周期縮短了50%，出錯(cuò)返工率減少了75%，成本降低了25%，成為數(shù)字化設(shè)計(jì)制 造與并行工程技術(shù)成功應(yīng)用的典范。2001年2004年歐洲的ADFAST項(xiàng)目把研究目標(biāo)定位于經(jīng)濟(jì)實(shí)用的重構(gòu)工 裝系統(tǒng)(ART)和集成測(cè)量系統(tǒng)上，獲得重大突破?？湛凸?005年機(jī)翼盒自動(dòng)裝 配的A

5、WBA2研究項(xiàng)目應(yīng)用了多種數(shù)字化柔性裝配技術(shù)，降低了成本，縮短了周 期，實(shí)現(xiàn)了月產(chǎn)38套機(jī)翼。波音公司在研制737時(shí)構(gòu)建的基于構(gòu)型控制的數(shù)字化制造信息管理系統(tǒng)(DCAC/MRM) 5，及近年來研制787所采用的全球協(xié)同管理技術(shù)(Global Co-laboration Environment， GCE)，使得數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)在同行業(yè)航空企業(yè)競(jìng) 爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)，象征性事件是2007年7月8日波音787Dreamliner的如期下線，同時(shí) 波音公司宣布已取得1100多億美元的707架波音787飛機(jī)的訂單。洛克希德馬丁公司牽頭研制的JSF戰(zhàn)機(jī)原型機(jī)X-35，采用具有激光定位 電磁精密制孔等數(shù)字化柔性裝配

6、特點(diǎn)的龍門鉆削系統(tǒng)，使裝配周期減少了 2/3, 工裝數(shù)量由350件減少19件，成本降低1/2, LeicaLTD500激光定位配合液壓校平 系統(tǒng)及移動(dòng)裝配生產(chǎn)線，大大減少了對(duì)接時(shí)間，和大部件的對(duì)接裝配數(shù)字化。先 進(jìn)的裝配理念和方法，如決定性裝配(Determinant Assembly，DA)、以骨架為 基準(zhǔn)的自動(dòng)化裝配技術(shù)等也廣泛應(yīng)用于大型飛機(jī)自動(dòng)化裝配。圖1為Boeing787 總裝及移動(dòng)概念圖。圖1 波音787總裝及移動(dòng)Boeing787機(jī)身第43段的復(fù)合材料整體筒體與鈦合金框架實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化裝配。采用內(nèi)外兩套獨(dú)立的裝置，在裝配時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配。采用內(nèi)外兩套獨(dú)立的裝置， 在裝配時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定

7、位、夾緊、制孔、安裝環(huán)槽釘并完成環(huán)圈自動(dòng)鐓鉚，由電磁 提供鉚接動(dòng)力，目前該技術(shù)已在日本三菱重工投入使用。為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)復(fù)合材料平 尾升降舵裝配，空客公司研制的復(fù)合材料升降舵柔性裝配系統(tǒng)可自動(dòng)完成后緣的 測(cè)量和校準(zhǔn)、上下壁板鉆孔和锪窩、鉚釘選擇及供給、注膠、鉚接及壁板表面波 紋度測(cè)量等6,7。3數(shù)字化柔性工裝關(guān)鍵技術(shù)數(shù)字化柔性裝配是建立在計(jì)算機(jī)數(shù)字信息處理平臺(tái)上，一個(gè)融合飛機(jī)特征的 全數(shù)字量協(xié)調(diào)體系。通過自動(dòng)夾持、制孔、鉚接及無縫校準(zhǔn)對(duì)接，完成組裝、部 裝及總裝。它能適應(yīng)飛機(jī)的次寸規(guī)格、批量、裝配工藝、場(chǎng)地及時(shí)間變化，在有 限的場(chǎng)地完成快速裝配，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效、低成本。數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)包括虛 擬裝

8、配技術(shù)、柔性(無型架)裝配技術(shù)、自動(dòng)鉆鉚技術(shù)及激光跟蹤測(cè)量/檢測(cè)技術(shù) 等。圖2所示為數(shù)字化裝配技術(shù)框架。圖2數(shù)字化裝配技術(shù)框架3.1虛擬裝配技術(shù)虛擬裝配是基于并行設(shè)計(jì)與分析環(huán)境的數(shù)字化預(yù)裝配(Digital Pre-Assmebly， DPA)，裝配過程仿真綜合考慮了零件的幾何信息、工裝信息、BOM定義、作 業(yè)路線、工作指令等，在預(yù)裝配仿真中發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化工藝，提高效率及降低成 本。圖3所示為國(guó)外某航空公司先進(jìn)虛擬裝配環(huán)境界面。圖3 先進(jìn)虛擬裝配用戶界面3.2柔性（無型架）裝配技術(shù)柔性裝配技術(shù)是一種能適應(yīng)快速研制、低成本制造及工裝可重組模塊化的先 進(jìn)裝配技術(shù)。發(fā)展目標(biāo)是無型架數(shù)字化裝配平臺(tái)，涵

9、蓋了柔性工裝、精確定位與 測(cè)量、數(shù)據(jù)采集/處理系統(tǒng)。無型架數(shù)字化裝配技術(shù)將徹底減少飛機(jī)裝配對(duì)型架 的依賴性。目前國(guó)外柔性化裝配技術(shù)主要表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：行列式高速柱柔性工裝。行列式高速柱工裝適用于壁板及翼梁裝配，如 波音飛機(jī)727、737、777、C-17等飛機(jī)翼梁的裝配和空客A330系列機(jī)翼壁板的 裝配。最新的A380壁板及翼梁裝配也采用了此工裝。圖4所示為波音727機(jī)翼 柔性裝配現(xiàn)場(chǎng)。圖4波音727機(jī)翼柔性裝配多點(diǎn)陣成形真空吸盤柔性工裝。多點(diǎn)陣成形真空吸盤工裝由一組立柱吸盤 組成，吸盤在程序控制下移動(dòng)定位，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、可靠地定位和夾持壁板。當(dāng)飛

10、機(jī)型面發(fā)生變化時(shí)，吸附點(diǎn)陣在 伺服控制下相應(yīng)改變。當(dāng)工裝廣泛應(yīng)用于戴姆勒一奔馳宇航、MD及EADS等公 司的軍、民用飛機(jī)生產(chǎn)。移動(dòng)裝配生產(chǎn)線技術(shù)。波音公司將飛機(jī)放在由傳送鏈移動(dòng)的輪車生產(chǎn)線上， 使飛機(jī)沿生產(chǎn)線移動(dòng)裝配。通過射頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳送來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)移動(dòng)裝配生產(chǎn)線 的遠(yuǎn)程控制，并監(jiān)控飛機(jī)移動(dòng)的情況。飛機(jī)在2個(gè)裝配臺(tái)的移動(dòng)只需1h，可同 時(shí)移動(dòng)7架飛機(jī)，并能保證飛機(jī)之間的等距及等高。同時(shí)因傳送鏈在地板上，地 下總線能夠保證恒定電流供應(yīng)及防火等監(jiān)控管理。目前，波音公司已經(jīng)在移動(dòng)裝 配生產(chǎn)線上連續(xù)建造了波音717、737、757等單通道飛機(jī)。該技術(shù)大大縮短了民 用飛機(jī)交付時(shí)間。3.3數(shù)字化鉆聊技術(shù)自

11、動(dòng)鉆鉚裝配生產(chǎn)線，包括部件裝配鉆鉚、對(duì)接鉆鉚及機(jī)器人鉆鉚，綜合了 數(shù)字化整體結(jié)構(gòu)精確制造技術(shù)、激光跟蹤測(cè)量定位、伺服控制等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 了對(duì)大段壁板的鉆鉚裝配工作，提高了飛機(jī)的裝配質(zhì)量及效率。近年來興起的電 磁鉚接在干涉配合鉚接、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉚接、難成形材料鉚釘鉚接、干涉配合緊 固件安裝及改善勞動(dòng)條件方面有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，將在飛機(jī)制造中發(fā)揮重要作用， 具有廣泛的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)航空企業(yè)及科研院校已著手該項(xiàng)研究。圖5所示為空客A340機(jī)翼數(shù)控鉆加工。圖5空客A340機(jī)翼數(shù)控鉆加工3.4以激光跟蹤儀為核心的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)飛機(jī)制造使用的測(cè)量設(shè)備有：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、電子經(jīng)緯儀、光學(xué)準(zhǔn)直儀、激 光

12、自動(dòng)跟蹤儀、激光雷達(dá)掃描儀、CCD照相測(cè)量系統(tǒng)及室內(nèi)GPS系統(tǒng)等。它們 在裝配線中用來測(cè)量和定位工裝或直接定位裝配構(gòu)件，是飛機(jī)裝配質(zhì)量的保證。 圖6所示為某航空公司實(shí)時(shí)激光基準(zhǔn)儀測(cè)量概念圖。圖6 某航空公司實(shí)時(shí)激光基準(zhǔn)儀測(cè)量概念圖4我國(guó)飛機(jī)數(shù)字化柔性工裝的技術(shù)途徑4.1建立工藝規(guī)范化仿真裝配體系全數(shù)字化工藝規(guī)范體系是虛擬預(yù)裝配技術(shù)的基礎(chǔ)，創(chuàng)建基于知識(shí)工程、實(shí)例 推理技術(shù)及人機(jī)交互式裝配的工藝規(guī)范體系成為必然。結(jié)合目前我國(guó)航空制造企 業(yè)的需求和實(shí)際情況，亟待開發(fā)一套飛機(jī)可視化仿真裝配系統(tǒng)。其一，利用機(jī)構(gòu) 仿真、干涉檢查及強(qiáng)度分析等虛擬裝配技術(shù)驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)構(gòu)、功能及性能的合理性; 其二，利用多媒體可

13、視化處理仿真結(jié)果，在車間客戶端輸出，對(duì)裝配工人具有很 好的“示教”結(jié)果，避免出錯(cuò)及返工，其流程如圖7所示。圖7規(guī)范化工藝虛擬裝配流程4.2引進(jìn)和開發(fā)柔性工裝及自動(dòng)鉆鉚等關(guān)鍵設(shè)備國(guó)外先進(jìn)航空企業(yè)的實(shí)踐證明，采用數(shù)字化柔性工裝是縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期， 降低成本及提高裝配質(zhì)量的有效途徑。國(guó)內(nèi)航空企業(yè)可結(jié)合自身的需要，先引進(jìn) 部分柔性工裝及自動(dòng)鉆鉚等關(guān)鍵設(shè)備組建局部組件柔性裝配中心，然后攻克其關(guān) 鍵技術(shù)，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的壁板、翼梁、水平安定面升降舵、機(jī)身及對(duì)接 柔性工裝系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)裝配自動(dòng)化。諸如泄露檢測(cè)、復(fù)合材料自動(dòng)無損探傷、 裝配在線檢測(cè)等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的研究也要同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)然，這個(gè)過程需要航空

14、企 業(yè)與國(guó)內(nèi)科研院校開展廣泛密切的合作。4.3面向裝配的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系及數(shù)據(jù)管理目前我國(guó)航空企業(yè)所沿用的蘇聯(lián)生產(chǎn)與管理體系已嚴(yán)重阻礙了數(shù)字化技術(shù) 的發(fā)展。雖然近年來航空企業(yè)在數(shù)字化工程的實(shí)施過程中，根據(jù)自身的需求制定 了一些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，但還不足以構(gòu)成支持整個(gè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，結(jié)合我國(guó) 的實(shí)際情況，有必要建立一套數(shù)字化制造的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系?？梢韵冉⒓毙璧?、 必需的標(biāo)準(zhǔn)，如數(shù)字化裝配標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)的可執(zhí)行性、實(shí)用性，同時(shí) 考慮后續(xù)體系表的擴(kuò)展及動(dòng)態(tài)管理的完善。數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)的核心是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的生成、管理及存儲(chǔ)遍布飛機(jī)制造整個(gè) 過程。通過實(shí)施產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM），建立一套基于產(chǎn)品屬

15、性和配置規(guī)則的單 一數(shù)據(jù)源。研究動(dòng)態(tài)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)，逐步形成以產(chǎn)品數(shù)據(jù)為中心、協(xié) 同工作環(huán)境下的綜合數(shù)據(jù)管理和共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)裝配零部件、工裝及刀具等信 息的管理與控制。5結(jié)束語(yǔ)我國(guó)飛機(jī)裝配技術(shù)落后，設(shè)備陳舊，裝配質(zhì)量難以滿足飛機(jī)性能的要求，制 約了飛機(jī)研制生產(chǎn)水平的提高。數(shù)字化柔性裝配技術(shù)代表了目前和未來飛機(jī)制造 裝配技術(shù)的發(fā)展方向。數(shù)字化柔性裝配技術(shù)的應(yīng)用將推動(dòng)全球飛機(jī)制造業(yè)向模塊 化、集成化、智能化、經(jīng)濟(jì)化及綠色化的方向發(fā)展。深入研究和應(yīng)用數(shù)字化柔性 裝配關(guān)鍵技術(shù)及體系，將能突破我國(guó)飛機(jī)裝配技術(shù)中得薄弱環(huán)節(jié)，推動(dòng)數(shù)字化設(shè) 計(jì)制造技術(shù)在飛機(jī)制造中的全面、協(xié)調(diào)、有效發(fā)展和應(yīng)用，徹底改變傳統(tǒng)低效的 飛機(jī)裝配協(xié)調(diào)方法，使我國(guó)飛機(jī)制造水平盡快達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的跨 越式發(fā)展。6參考文獻(xiàn)馬 強(qiáng)，飛機(jī)工藝裝備模塊化設(shè)計(jì)D.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.梁 云，基于實(shí)例的型架設(shè)計(jì)技術(shù)研究D.西安：西北