飛機裝配技術

1、飛機裝配技術簡介飛機裝配是根據(jù)尺寸協(xié)調(diào)原則，將飛機零件或組件按照設計和技術要求進行 組合、連接形成更高一級的裝配件或整機的過程。社會的需求、市場競爭及相關 技術的不斷發(fā)展，推動著飛機裝配技術不斷向更高水平演進。迄今為止，飛機裝 配技術已經(jīng)歷了從人工裝配、半自動化裝配到自動化裝配的發(fā)展歷程，目前快速 發(fā)展的柔性裝配將自動化裝配技術推向了一個新的高度。近10于年來，國外飛機裝配迅速發(fā)展，以B777、A340、A380、F-22、F-35 等為代表的新型軍、民機集中反映了國外飛機制造技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，在裝 配技術上基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系，實施數(shù)字化尺寸工程技術， 應用柔性模塊化的

2、工裝技術、加工和檢測單元并集成應用為一系列的自動化裝配 系統(tǒng)進行機體結構的自動化裝配，大量采用了長壽命連接技術，實現(xiàn)長壽命飛機 結構的高質量、高效率裝配。1我國飛機工裝設計制造研究現(xiàn)狀我國航空工業(yè)主要沿襲前蘇聯(lián)的組織生產(chǎn)模式，飛機工裝也不例外。目前， 我國工裝整體設計制造水平落后，主要表現(xiàn)在：工裝設計雖采用了計算機輔助設 計（CATIA），但未充分利用優(yōu)化分析（CAE）及虛擬預裝配技術，致使型架需 反復修改；制造能力差，采用外協(xié)加工存在資質認證困難、保密性差、交貨周期 長等問題；整機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 航空企業(yè)相比，我國的工裝型架數(shù)目多、占地面積大、制造周

3、期長、成本高、安 裝在型架上的定位件及測量儀器缺乏標準化和模塊化，同時以模擬量傳輸協(xié)調(diào)各 工藝環(huán)節(jié)的“串行工程”模式，嚴重阻礙了裝配質量的提高及研制周期的縮短。 低效的傳統(tǒng)飛機裝配技術已成為制約我國飛機快速研制的巨大障礙。我國航空企 業(yè)及科研院校在引進國外先進裝配技術的同時，在工裝設計方面的研究較多，主 要集中在采用CAD技術進行飛機型架及相關性設計，包括型架標準件庫的建立 和型架優(yōu)化及參數(shù)設計等13。在測量技術方面，計算機輔助電子經(jīng)緯儀（CAT）， 及激光跟蹤儀（LT）等先進設備已逐步用于飛機裝配并實現(xiàn)國產(chǎn)化。在虛擬預 裝配方面，開展了飛機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。總之，我國飛機工裝整體研究格局相對較為零散，工程缺乏系統(tǒng)化2國外飛機數(shù)字化柔性工裝研究及應用飛機數(shù)字化裝配技術興起于20世紀80年代后期，迅速發(fā)展于西方航空發(fā)達國 家。1994年歐盟提出“基于協(xié)作型多功能操作機器人的航空產(chǎn)品柔性裝配系統(tǒng)” 研究項目向，其最終目標是實現(xiàn)數(shù)字化無型架裝配(JAM)。美國Boeing777研制 周期縮短了50%，出錯返工率減少了75%，成本降低了25%，成為數(shù)字化設計制 造與并行工程技術成功應用的典范。2001年2004年歐洲的ADFAST項目把研究目標定位于經(jīng)濟實用的重構工 裝系統(tǒng)(ART)和集成測量系統(tǒng)上，獲得重大突破?？湛凸?005年機翼盒自動裝 配的A

5、WBA2研究項目應用了多種數(shù)字化柔性裝配技術，降低了成本，縮短了周 期，實現(xiàn)了月產(chǎn)38套機翼。波音公司在研制737時構建的基于構型控制的數(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(Global Co-laboration Environment， GCE)，使得數(shù)字化技術平臺在同行業(yè)航空企業(yè)競 爭中取得優(yōu)勢，象征性事件是2007年7月8日波音787Dreamliner的如期下線，同時 波音公司宣布已取得1100多億美元的707架波音787飛機的訂單。洛克希德馬丁公司牽頭研制的JSF戰(zhàn)機原型機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)及移動裝配生產(chǎn)線，大大減少了對接時間，和大部件的對接裝配數(shù)字化。先 進的裝配理念和方法，如決定性裝配(Determinant Assembly，DA)、以骨架為 基準的自動化裝配技術等也廣泛應用于大型飛機自動化裝配。圖1為Boeing787 總裝及移動概念圖。圖1 波音787總裝及移動Boeing787機身第43段的復合材料整體筒體與鈦合金框架實現(xiàn)了自動化裝配。采用內(nèi)外兩套獨立的裝置，在裝配時實現(xiàn)自動化裝配。采用內(nèi)外兩套獨立的裝置， 在裝配時實現(xiàn)自動定

7、位、夾緊、制孔、安裝環(huán)槽釘并完成環(huán)圈自動鐓鉚，由電磁 提供鉚接動力，目前該技術已在日本三菱重工投入使用。為實現(xiàn)飛機復合材料平 尾升降舵裝配，空客公司研制的復合材料升降舵柔性裝配系統(tǒng)可自動完成后緣的 測量和校準、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 紋度測量等6,7。3數(shù)字化柔性工裝關鍵技術數(shù)字化柔性裝配是建立在計算機數(shù)字信息處理平臺上，一個融合飛機特征的 全數(shù)字量協(xié)調(diào)體系。通過自動夾持、制孔、鉚接及無縫校準對接，完成組裝、部 裝及總裝。它能適應飛機的次寸規(guī)格、批量、裝配工藝、場地及時間變化，在有 限的場地完成快速裝配，達到優(yōu)質、高效、低成本。數(shù)字化裝配關鍵技術包括虛 擬裝

8、配技術、柔性(無型架)裝配技術、自動鉆鉚技術及激光跟蹤測量/檢測技術 等。圖2所示為數(shù)字化裝配技術框架。圖2數(shù)字化裝配技術框架3.1虛擬裝配技術虛擬裝配是基于并行設計與分析環(huán)境的數(shù)字化預裝配(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所示為國外某航空公司先進虛擬裝配環(huán)境界面。圖3 先進虛擬裝配用戶界面3.2柔性（無型架）裝配技術柔性裝配技術是一種能適應快速研制、低成本制造及工裝可重組模塊化的先 進裝配技術。發(fā)展目標是無型架數(shù)字化裝配平臺，涵

9、蓋了柔性工裝、精確定位與 測量、數(shù)據(jù)采集/處理系統(tǒng)。無型架數(shù)字化裝配技術將徹底減少飛機裝配對型架 的依賴性。目前國外柔性化裝配技術主要表現(xiàn)在一下幾個方面：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727、737、777、C-17等飛機翼梁的裝配和空客A330系列機翼壁板的 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機翼 柔性裝配現(xiàn)場。圖4波音727機翼柔性裝配多點陣成形真空吸盤柔性工裝。多點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定位，生成與裝配件曲面完全符合并均勻分布的吸 附點陣，能精確、可靠地定位和夾持壁板。當飛

10、機型面發(fā)生變化時，吸附點陣在 伺服控制下相應改變。當工裝廣泛應用于戴姆勒一奔馳宇航、MD及EADS等公 司的軍、民用飛機生產(chǎn)。移動裝配生產(chǎn)線技術。波音公司將飛機放在由傳送鏈移動的輪車生產(chǎn)線上， 使飛機沿生產(chǎn)線移動裝配。通過射頻信號實時傳送來實現(xiàn)對飛機移動裝配生產(chǎn)線 的遠程控制，并監(jiān)控飛機移動的情況。飛機在2個裝配臺的移動只需1h，可同 時移動7架飛機，并能保證飛機之間的等距及等高。同時因傳送鏈在地板上，地 下總線能夠保證恒定電流供應及防火等監(jiān)控管理。目前，波音公司已經(jīng)在移動裝 配生產(chǎn)線上連續(xù)建造了波音717、737、757等單通道飛機。該技術大大縮短了民 用飛機交付時間。3.3數(shù)字化鉆聊技術自

11、動鉆鉚裝配生產(chǎn)線，包括部件裝配鉆鉚、對接鉆鉚及機器人鉆鉚，綜合了 數(shù)字化整體結構精確制造技術、激光跟蹤測量定位、伺服控制等先進技術，實現(xiàn) 了對大段壁板的鉆鉚裝配工作，提高了飛機的裝配質量及效率。近年來興起的電 磁鉚接在干涉配合鉚接、復合材料結構鉚接、難成形材料鉚釘鉚接、干涉配合緊 固件安裝及改善勞動條件方面有無法比擬的優(yōu)勢，將在飛機制造中發(fā)揮重要作用， 具有廣泛的應用前景。目前國內(nèi)有關航空企業(yè)及科研院校已著手該項研究。圖5所示為空客A340機翼數(shù)控鉆加工。圖5空客A340機翼數(shù)控鉆加工3.4以激光跟蹤儀為核心的數(shù)字化測量技術飛機制造使用的測量設備有：三坐標測量機、電子經(jīng)緯儀、光學準直儀、激 光

12、自動跟蹤儀、激光雷達掃描儀、CCD照相測量系統(tǒng)及室內(nèi)GPS系統(tǒng)等。它們 在裝配線中用來測量和定位工裝或直接定位裝配構件，是飛機裝配質量的保證。 圖6所示為某航空公司實時激光基準儀測量概念圖。圖6 某航空公司實時激光基準儀測量概念圖4我國飛機數(shù)字化柔性工裝的技術途徑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)范體系是虛擬預裝配技術的基礎，創(chuàng)建基于知識工程、實例 推理技術及人機交互式裝配的工藝規(guī)范體系成為必然。結合目前我國航空制造企 業(yè)的需求和實際情況，亟待開發(fā)一套飛機可視化仿真裝配系統(tǒng)。其一，利用機構 仿真、干涉檢查及強度分析等虛擬裝配技術驗證飛機結構、功能及性能的合理性; 其二，利用多媒體可

13、視化處理仿真結果，在車間客戶端輸出，對裝配工人具有很 好的“示教”結果，避免出錯及返工，其流程如圖7所示。圖7規(guī)范化工藝虛擬裝配流程4.2引進和開發(fā)柔性工裝及自動鉆鉚等關鍵設備國外先進航空企業(yè)的實踐證明，采用數(shù)字化柔性工裝是縮短生產(chǎn)準備周期， 降低成本及提高裝配質量的有效途徑。國內(nèi)航空企業(yè)可結合自身的需要，先引進 部分柔性工裝及自動鉆鉚等關鍵設備組建局部組件柔性裝配中心，然后攻克其關 鍵技術，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的壁板、翼梁、水平安定面升降舵、機身及對接 柔性工裝系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)裝配自動化。諸如泄露檢測、復合材料自動無損探傷、 裝配在線檢測等先進檢測技術的研究也要同時進行。當然，這個過程需要航空

14、企 業(yè)與國內(nèi)科研院校開展廣泛密切的合作。4.3面向裝配的數(shù)字化標準規(guī)范體系及數(shù)據(jù)管理目前我國航空企業(yè)所沿用的蘇聯(lián)生產(chǎn)與管理體系已嚴重阻礙了數(shù)字化技術 的發(fā)展。雖然近年來航空企業(yè)在數(shù)字化工程的實施過程中，根據(jù)自身的需求制定 了一些標準與規(guī)范，但還不足以構成支持整個行業(yè)的標準體系。因此，結合我國 的實際情況，有必要建立一套數(shù)字化制造的標準規(guī)范體系?？梢韵冉⒓毙璧?、 必需的標準，如數(shù)字化裝配標準規(guī)范體系，強調(diào)標準的可執(zhí)行性、實用性，同時 考慮后續(xù)體系表的擴展及動態(tài)管理的完善。數(shù)字化應用技術的核心是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的生成、管理及存儲遍布飛機制造整個 過程。通過實施產(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。研究動態(tài)產(chǎn)品結構的數(shù)據(jù)管理技術，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，實現(xiàn)對飛機裝配零部件、工裝及刀具等信 息的管理與控制。5結束語我國飛機裝配技術落后，設備陳舊，裝配質量難以滿足飛機性能的要求，制 約了飛機研制生產(chǎn)水平的提高。數(shù)字化柔性裝配技術代表了目前和未來飛機制造 裝配技術的發(fā)展方向。數(shù)字化柔性裝配技術的應用將推動全球飛機制造業(yè)向模塊 化、集成化、智能化、經(jīng)濟化及綠色化的方向發(fā)展。深入研究和應用數(shù)字化柔性 裝配關鍵技術及體系，將能突破我國飛機裝配技術中得薄弱環(huán)節(jié)，推動數(shù)字化設 計制造技術在飛機制造中的全面、協(xié)調(diào)、有效發(fā)展和應用，徹底改變傳統(tǒng)低效的 飛機裝配協(xié)調(diào)方法，使我國飛機制造水平盡快達到國外先進水平，實現(xiàn)行業(yè)的跨 越式發(fā)展。6參考文獻馬 強，飛機工藝裝備模塊化設計D.西安：西北工業(yè)大學，2006.梁 云，基于實例的型架設計技術研究D.西安：西北