飛機(jī)裝配型架設(shè)計(jì)與制造

飛機(jī)裝配型架設(shè)計(jì)與制造

1飛機(jī)裝配型架的影響近年來(lái)，世界制造業(yè)垂直整合的模式已轉(zhuǎn)向亞太地區(qū)，中國(guó)已成為世界制造業(yè)的重要基地。工裝設(shè)計(jì)水平是反映一個(gè)國(guó)家飛機(jī)制造水平的關(guān)鍵指標(biāo)之一。其中裝配型架的設(shè)計(jì)和制造在整個(gè)生產(chǎn)工藝裝配中占很大的比重。裝配型架結(jié)構(gòu)是否合理、正確,不但對(duì)裝配型架本身制造工作量大小、周期長(zhǎng)短、成本高低和裝配條件有直接的影響,而且也決定著各工件的對(duì)接、配合尺寸是否協(xié)調(diào)一致,對(duì)飛機(jī)裝配的互換協(xié)調(diào)性、制造質(zhì)量和進(jìn)度有很大影響,直接影響整個(gè)飛機(jī)的制造周期。飛機(jī)裝配是將零件(成部件、組件)按照設(shè)計(jì)和技術(shù)要求進(jìn)行組合、連接形成高一級(jí)的裝配件或整機(jī)的過(guò)程。飛機(jī)裝配由于產(chǎn)品尺寸大、形狀復(fù)雜、零件以及連接件數(shù)量多,其勞動(dòng)量占飛機(jī)制造總勞動(dòng)量的一半左右甚至更多。因此,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)飛機(jī)裝配技術(shù)十分關(guān)注,并投入巨資進(jìn)行研制。而飛機(jī)裝配必不可少的工藝裝備是裝配型架。為了保證飛機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性,飛機(jī)的制造和裝配精度要求高,制造及裝配難度大。裝配型架設(shè)計(jì)與產(chǎn)品裝配和制造過(guò)程密切相關(guān),裝配型架不僅影響產(chǎn)品制造和裝配精度,而且是把握產(chǎn)品的唯一尺度。2裝配型架設(shè)計(jì)的制造技術(shù)傳統(tǒng)的裝配型架設(shè)計(jì)過(guò)程一般分為四個(gè)階段:第一,設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備工作,包括消化產(chǎn)品設(shè)計(jì)資料;了解有關(guān)工藝方案和指令性工藝文件(如裝配方案、協(xié)調(diào)方案等);了解裝配內(nèi)容、裝配程序、交接狀態(tài)等。第二,草圖設(shè)計(jì)或型架設(shè)計(jì)方案的確定。第三,繪制工作總圖。第四,繪制零件圖。工裝設(shè)計(jì)人員還要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中增加保險(xiǎn)系數(shù)來(lái)保證工裝的剛度和強(qiáng)度,因而使工裝缺乏美感,造成材料的浪費(fèi)。為了保證產(chǎn)品的互換協(xié)調(diào)性,一個(gè)部件的裝配往往不是一個(gè)裝配型架,而是一組裝配型架。因此,型架的協(xié)調(diào)性和成套性顯得尤為重要。為保證協(xié)調(diào)性,生產(chǎn)中大量采用了標(biāo)準(zhǔn)工裝和模線樣板,即制造協(xié)調(diào)依據(jù)。傳統(tǒng)的工裝設(shè)計(jì)制造采用模線樣板、標(biāo)準(zhǔn)樣件(量規(guī))工作法。模線樣板、標(biāo)準(zhǔn)樣件(量規(guī))作為原始制造和協(xié)調(diào)依據(jù),通過(guò)樣件(量規(guī))的實(shí)物外形和交點(diǎn)孔位傳遞產(chǎn)品的外形和交點(diǎn)要求,并保證產(chǎn)品制造過(guò)程的協(xié)調(diào)互換,然后制造表面樣件、過(guò)渡工裝等,直至完成型架制造。為了保證產(chǎn)品制造精度和互換協(xié)調(diào),飛機(jī)制造過(guò)程中采用了成套裝配型架。為了減小裝配過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形并保證準(zhǔn)確定位,現(xiàn)有裝配型架采用剛性結(jié)構(gòu),而且一套型架只能用于一個(gè)裝配對(duì)象,因此,飛機(jī)生產(chǎn)準(zhǔn)備過(guò)程中需要制造大量的裝配型架。由于要求精度高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此裝配型架的制造周期長(zhǎng),成本高。傳統(tǒng)的裝配型架上要安裝許多定位器。為了保證定位器的精度,定位件的安裝往往需要專(zhuān)用的且精度高的標(biāo)準(zhǔn)樣件、安裝儀器(如電子經(jīng)緯儀、激光準(zhǔn)直儀等),工作分散性差,安裝效率低,安裝周期長(zhǎng)。一般飛機(jī)生產(chǎn)準(zhǔn)備周期占其研制周期的1/2以上,而裝配型架的設(shè)計(jì)制造是飛機(jī)生產(chǎn)準(zhǔn)備的主要內(nèi)容之一。減少型架的制造時(shí)間,對(duì)縮短整個(gè)產(chǎn)品研制周期有重要意義。為縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期,人們希望產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后,生產(chǎn)工裝很快就能投入使用,而型架設(shè)計(jì)的依據(jù)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),需要模線樣板和標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行協(xié)調(diào)。因而傳統(tǒng)的型架設(shè)計(jì)方法往往是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后設(shè)計(jì)模線樣板和標(biāo)準(zhǔn)樣件,然后才開(kāi)始進(jìn)行裝配型架的設(shè)計(jì),同時(shí)設(shè)計(jì)輔助工裝。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,裝配對(duì)象的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)常改動(dòng),導(dǎo)致模線樣板和標(biāo)準(zhǔn)樣件等隨之改動(dòng),同時(shí)裝配型架的設(shè)計(jì)必然隨之改動(dòng),這又延長(zhǎng)了型架的設(shè)計(jì)制造周期。3有限元分析和智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)加速了航空產(chǎn)品的發(fā)展,為航空傳隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,為了能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立穩(wěn)腳跟謀求發(fā)展,企業(yè)必須以最新的產(chǎn)品、最短的開(kāi)發(fā)時(shí)間、最優(yōu)的質(zhì)量、最低的成本、最佳的服務(wù)、最好的環(huán)保效果和最快的市場(chǎng)響應(yīng)速度來(lái)贏得市場(chǎng)和用戶(hù)。航空制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,人們要求飛機(jī)的承載能力更強(qiáng),更高效,而交貨周期要求更短。為了滿(mǎn)足各方面的要求,設(shè)計(jì)師們不得不尋求更先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和工具,以提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短研制周期。有限元分析法和智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)加速了產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì),使零件、組合件的設(shè)計(jì)達(dá)到了前所未有的精度。這些先進(jìn)的方法和工具為型架設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。3.1工裝設(shè)計(jì)的基本情況飛機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣,且其精度要求又越來(lái)越高。機(jī)身內(nèi)部成件愈來(lái)愈多,結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期更長(zhǎng),設(shè)計(jì)更改更多,這必然影響工裝的設(shè)計(jì)、制造周期,延長(zhǎng)了產(chǎn)品的研制周期。要縮短產(chǎn)品的上市周期,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí),就應(yīng)開(kāi)始工裝設(shè)計(jì),即產(chǎn)品和工裝的并行設(shè)計(jì)。由于工裝的設(shè)計(jì)依據(jù)來(lái)源于產(chǎn)品的數(shù)據(jù),要在最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)還未確定的情況下進(jìn)行工裝設(shè)計(jì),工裝的部分結(jié)構(gòu)必須獨(dú)立于產(chǎn)品數(shù)據(jù)。工裝和產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)的一個(gè)基本思路是改變傳統(tǒng)的工裝結(jié)構(gòu),將其劃分為獨(dú)立于產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或只需要基本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和依賴(lài)于最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)的專(zhuān)用結(jié)構(gòu)件兩部分。裝配型架的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)部分主要有立柱、底座、輔助支撐等,標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大,需用專(zhuān)用大型加工設(shè)備,制造周期長(zhǎng)。專(zhuān)用部分主要有刻度板、接頭定位件等,專(zhuān)用件一般尺寸較小,設(shè)計(jì)、加工制造周期短,不需要專(zhuān)門(mén)的大型專(zhuān)用設(shè)備。因此,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期就可以進(jìn)行工裝標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造,當(dāng)產(chǎn)品最終版本發(fā)放后,只需設(shè)計(jì)制造專(zhuān)用結(jié)構(gòu)就可以進(jìn)行裝配了。3.2裝配型架的設(shè)計(jì)和應(yīng)用柔性裝配工裝是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的、可重組的模塊化、自動(dòng)化裝配工裝系統(tǒng),其目的是免除設(shè)計(jì)和制造各種產(chǎn)品(如飛機(jī)壁板、翼梁等)裝配專(zhuān)用的傳統(tǒng)裝配型架、夾具,從而降低工裝制造成本,縮短工裝準(zhǔn)備周期,減少生產(chǎn)用地,同時(shí)大幅度提高裝配生產(chǎn)率。提高產(chǎn)品工藝裝備“柔性”的方式有兩種,一種是拼裝型架方式,用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的型架元件來(lái)拼裝型架;另一種是可卸定位件方式,即型架骨架基本不變,而分布于骨架上的定位器全部做成可拆卸的,這樣,當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)發(fā)生變化時(shí),只需要更換行動(dòng)定位器即可。柔性裝配工裝技術(shù)在國(guó)外飛機(jī)制造中體現(xiàn)的特別明顯,典型的應(yīng)用有空客飛機(jī)機(jī)翼壁板柔性裝配工裝、水平安定面升降舵柔性裝配工裝、機(jī)身柔性裝配工裝和總裝用的柔性對(duì)接工裝等。飛機(jī)的研制型號(hào)改型多,更新速度快,型架大,裝配型架相應(yīng)就非常多,淘汰速度快,占地面積大。傳統(tǒng)裝配工裝采用剛性結(jié)構(gòu),一套型架只能裝配一個(gè)組合件或部件。柔性裝配型架可以裝配不同產(chǎn)品,能夠減少型架數(shù)量,從而減少工裝制造周期和費(fèi)用,減少生產(chǎn)用地。柔性裝配技術(shù)在國(guó)外大型航空企業(yè)已經(jīng)普遍采用,國(guó)外飛機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展表明,采用柔性裝配是縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期,降低生產(chǎn)成本的有效途徑。柔性設(shè)計(jì)的基本思想是在型架中采用可以快速調(diào)整的機(jī)構(gòu),以滿(mǎn)足不同裝配對(duì)象的裝配要求。一般型架有數(shù)個(gè)立柱,每個(gè)立柱上有很多定位件。型架上的立柱和定位件甚至底座都是可以調(diào)整的。柔性裝配型架采用確定裝配設(shè)計(jì)方法可以縮短型架的制造周期,同時(shí)采用內(nèi)定位的裝配方法又可以簡(jiǎn)化型架。3.3裝配型架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在剛性較好的骨架零件(或組合件)上預(yù)先制出坐標(biāo)定位孔,裝配時(shí)在裝配型架(或裝配夾具)中以骨架零件上的坐標(biāo)定位孔按相應(yīng)定位器進(jìn)行定位,即內(nèi)定位裝配方法。主旨是以孔代替外形作為定位基準(zhǔn),用簡(jiǎn)單的定位孔定位件代替外形卡板,型架不采用或少采用外形卡板或包絡(luò)板,這種裝配方法所用的裝配型架結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,制造費(fèi)用低,裝配時(shí)工作開(kāi)敞性好。傳統(tǒng)的裝配型架均是以骨架外形為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),裝配型架采用的外卡板定位骨架外形和夾緊蒙皮,從而又要求卡板帶蒙皮的外形,外卡板存在下述缺點(diǎn):第一是卡板尺寸大,重量重,型架骨架粗大、復(fù)雜、笨重;第二是型架開(kāi)敞性差;第三是卡板制造工作量大;第四是卡板需開(kāi)啟,型架實(shí)際占地面積較大;第五是對(duì)大型部件,可開(kāi)啟的卡板,影響型架工作梯的安裝;第六是型架制造成本高。采用內(nèi)定位裝配方法,裝配型架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的型架設(shè)計(jì)相比有兩大改變:一種是大量采用孔定位件。在剛性好的結(jié)構(gòu)件上,直接利用結(jié)構(gòu)孔定位或者事先在結(jié)構(gòu)件上留取工藝孔。另一種是采用多支點(diǎn)可調(diào)支撐。裝配型架在設(shè)計(jì)時(shí)采用多支點(diǎn)可調(diào)的支撐形式,以便將地基的不均勻變形對(duì)裝配型架精度的影響限制在局部范圍內(nèi)。這是一種“以動(dòng)制動(dòng)”的制約方式,型架結(jié)構(gòu)也變得輕巧,焊接框架的截面尺寸普遍減小。另外,采用多支點(diǎn)可調(diào)支撐給吊裝、搬運(yùn)帶來(lái)很大的方便。采用內(nèi)定位裝配方法時(shí),以骨架上的工藝孔為基準(zhǔn)裝配,準(zhǔn)確定位骨架,在剛性骨架準(zhǔn)確定位連接后,覆蓋蒙皮壁板,就可以保證外形的準(zhǔn)確,對(duì)外形卡板的應(yīng)用可大量減少。這樣可極大地簡(jiǎn)化工裝,最大限度的減少工裝的品種和數(shù)量,減少工裝設(shè)計(jì)工作量,降低工裝制造成本,縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期,并使得飛機(jī)裝配的施工通路開(kāi)敞,從而提高工藝制造工作的效率,以贏得寶貴的研制周期。某公司轉(zhuǎn)包產(chǎn)品均采用內(nèi)定位方法,主要是用孔定位代替外形定位(即用簡(jiǎn)單的定位孔定位件代替外卡板)和用內(nèi)形定位代替外形定位(即采用內(nèi)型板定位件代替外卡板)。如波音垂尾裝配時(shí)垂尾總裝型架結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,前梁組合件以型架上垂尾接頭定位器、梁腹板定位孔定位件定位;后梁組合件以型架上后梁接頭定位器、方向舵懸掛支臂接頭定位器定位,以外形壓緊件壓緊;根肋靠前、后梁零件面和定位孔定位件進(jìn)行定位;翼尖斜肋處設(shè)定位板,以?xún)蓚€(gè)定位孔和肋前緣處局部外形定位。還有法航340翼盒裝配型架也是采用了內(nèi)定位的形式。內(nèi)定位的裝配方法大大的縮短了研制周期和簡(jiǎn)化了工裝。3.4裝配型架的數(shù)字化對(duì)于裝配工裝的設(shè)計(jì),要進(jìn)行產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與工裝、工裝與工裝之間靜動(dòng)態(tài)干涉檢查。對(duì)于裝配型架的設(shè)計(jì)要考慮工件的出架方式。由于零部件形狀和工裝都是空間三維形狀,在進(jìn)行干涉檢查過(guò)程中,工藝人員很難想象這些三維空間的幾何體之間的相互位置關(guān)系,干涉現(xiàn)象是減少設(shè)計(jì)更改的關(guān)鍵,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)此是無(wú)能為力的。利用數(shù)字化設(shè)計(jì),可以根據(jù)產(chǎn)品外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型,利用數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品造型和裝配的全過(guò)程,達(dá)到零件加工前就能進(jìn)行配合檢查,可以檢查工件的干涉和配合不協(xié)調(diào)的情況,降低由于工程錯(cuò)誤和返工等造成的設(shè)計(jì)更改成本。裝配型架的數(shù)字化包括型架的數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造和數(shù)字化檢測(cè)。型架的數(shù)字化設(shè)計(jì)是指在三維環(huán)境下,進(jìn)行型架結(jié)構(gòu)件的零組件設(shè)計(jì)和數(shù)字化預(yù)裝配設(shè)計(jì)。數(shù)字化制造是指應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)的工裝模型,采用數(shù)字化加工設(shè)備,對(duì)工裝的關(guān)鍵特征型面、互換協(xié)調(diào)交點(diǎn)等進(jìn)行加工和裝配。數(shù)字化檢測(cè)是指采用數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備對(duì)型架進(jìn)行檢測(cè)。在JSF項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)中。某公司的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)就是其戰(zhàn)勝波音而獲勝的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用型架數(shù)字化設(shè)計(jì)制造,產(chǎn)品的外形和協(xié)調(diào)互換信息用數(shù)字量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬量傳遞,采用數(shù)字化設(shè)備加工和裝配,利用數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè),保證飛機(jī)制造的外形和協(xié)調(diào)互換的要求。數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的應(yīng)用,使型架設(shè)計(jì)和制造過(guò)程發(fā)生了很大變化,三維數(shù)字量取代了模擬量傳遞的協(xié)調(diào)方法,取消了樣板、樣件,縮短了裝配型架的制造周期。3.5建立數(shù)據(jù)庫(kù),提高設(shè)計(jì)效率型架的模塊化設(shè)計(jì)即工裝設(shè)計(jì)的各種數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和完善,模塊化設(shè)計(jì)對(duì)提高工裝設(shè)計(jì)效率是一條簡(jiǎn)單而有效的途徑,包括標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立和完善,有關(guān)工藝數(shù)據(jù)的建立,工裝典型結(jié)構(gòu)庫(kù)的開(kāi)發(fā)等等。另外,針對(duì)不同工裝開(kāi)發(fā)各種專(zhuān)用工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)提高設(shè)計(jì)效率也是非常有效的。在數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,應(yīng)充分考慮目前工裝設(shè)計(jì)的主流平臺(tái),使不同的系統(tǒng)能夠互相無(wú)縫連接。工裝的