飛機數字化柔性裝配及測量技術

陳勇哲

摘要：用于滿足飛機產品最終裝配準確度要求的裝配工裝，隨著先進自動化連接設備和連接技術的發展，逐步由剛性工裝演變成具有數字化、模塊化、可重構、可重復利用優點的柔性工裝。在線測量系統提供裝配過程的實測數據，實現工裝的數字化定位，對實現裝配全數字量傳遞、工裝調形全“閉環”控制提供了基礎保障。

關鍵詞：數字化；柔性工裝；數字化測量

飛機產品結構復雜，零部件數量多，裝配過程中極易發生變形，為保證裝配準確度，采用了大量的裝配工裝。早期飛機裝配應用的工裝是剛性構架，專用性強，穩定性好，但設計制造周期長、占地面積大，而且結構開敞性差，不利于先進自動化連接設備和連接技術的應用。為了克服剛性工裝的上述缺點，在現代先進飛機的裝配過程中開始應用各種數字化柔性工裝，使得裝配工裝的設計制造等準備周期顯著縮短，減少了工裝數量以及工裝設計制造成本，同時提高了工裝快速響應產品變化的能力。此外，數字化測量設備實時采集測量對象的形位信息，測量分析軟件對測量信息快速分析處理，然后將實測數據傳遞給編程及仿真管理系統進行分析、優化。柔性工裝的數字化驅動模式提高了工裝的定位準確度。

1 數字化柔性裝配工裝

1.1 數字化柔性工裝工作原理

數字化柔性裝配工裝是用于飛機裝配，具有柔性可重構能力，具備“一架多用”功能的工藝裝備，通過調整或重構可用于多種飛機零組件的定位裝配。其由復雜的硬件系統和軟件系統構成的綜合工裝系統。

柔性工裝一般具有柔性化、數字化、模塊化和自動化特點。柔性化表現為工裝具有快速重構調整的能力，工裝設計、制造、安裝到應用均采用數字量傳遞方式，且工裝硬件主要由具有模塊化結構特點的單元組成，模塊化結構單元的重構實現了工裝的柔性，各模塊化單元可根據裝配需求自動完成裝配動作。

柔性工裝系統工作過程：首先，在應用集成管理系統中進行裝配工藝規劃，同時進行裝配工藝仿真，將生成的工裝理論驅動數據解析為數控系統動作指令并傳遞至工裝的數控系統；然后，數控系統根據動作指令計算各定位器軸的調形軌跡，驅動定位器調形；定位器調形到位后，在線檢測系統實時測量定位器位置，并將測量數據傳遞至離線編程與仿真管理系統；最后，離線編程與仿真管理系統將測量數據與理論數據進行比較，檢查其是否滿足裝配要求，若測量數據無法滿足裝配需求，系統將自動生成優化數據并由數控系統進一步調形，直到定位器位置精度滿足裝配要求。

1.2 飛機裝配應用的典型柔性裝配工裝

飛機裝配一般分為組合件裝配、段件和部件裝配、大部件對接裝配，不同的裝配對象有不同的定位與裝配特點。

組合件裝配，結構剛性較弱，裝配零件數量多，主要采用裝配工裝定位各個零件，控制其形狀。常見的組合件是壁板組件，典型柔性工裝有：數控柔性工裝和多點陣真空吸盤式柔性工裝及行列式柔性工裝。數控柔性工裝用于機身剛性較弱的壁板組件，多點陣真空吸盤式柔性工裝用于機身剛性較強的壁板組件，行列式柔性工裝結構開敞性好，與自動鉆鉚機配合用于機翼壁板組件。

部件裝配柔性工裝主要針對大型部件的總裝配，分為整體式和分體式。整體式的柔性裝配平臺用于機身部件，其以工裝框架作為可調整定位器的支撐平臺，通過框架橫梁上定位器的運動來調整定位點，實現部件結構中各個關鍵件的定位。當飛機產品型號變化時，通過調整或更換定位器來實現不同產品的裝配，從而實現工裝的柔性功能，使其滿足“一架多用”的需要。分體式柔性裝配工裝適用于翼面類部件結構，其由一個固定內框、前后兩個可沿導軌移動的外框和驅動電機組成，外框上布置飛機骨架及蒙皮定位器，內框上布置梁及交點接頭定位器，裝配中外框沿軌道向外滑動，內、外框上零件裝配定位后，外框與內框對合，實現翼身對接部件的裝配。

部件對接柔性工裝是大部件自動化對接平臺，其集成了自動化工裝、測量系統及計算軟件的綜合系統，對接平臺為分散式裝有定位器的立柱結構。對接過程中，用仿真優化軟件和數字化測量設備提供的優化數據驅動工裝運動，然后在控制系統控制下工裝自動完成定位和調整。對接時工裝上的傳感器實時監測裝配應力變化情況，保證了對接安全可靠。

2 飛機裝配數字化測量

為提高飛機裝配質量，確保飛機裝配精度，利用先進的測量技術和方法進行裝配過程控制，使產品最終幾何特征達到設計要求。飛機幾何特征的多樣性、裝配流程的復雜性以及裝配協調與準確度的要求，使得飛機裝配測量具有多種需求，其類型主要分為兩大類，即空間點位測量及復雜曲面測量。

2.1 通用測量設備及應用

隨著飛機數字化柔性裝配的發展，數字化測量系統大規模應用于飛機裝配中。常用的數字化測量設備主要有關節臂測量機、經緯儀測量系統、全站儀測量系統、攝影測量系統、激光掃描測量系統、激光跟蹤儀測量系統和室內空間測量系統等。

激光掃描測量系統、激光跟蹤儀測量系統和室內空間測量系統相對精度高，測量范圍大，可用于工裝安裝、部件裝配定位、對接裝配及裝配質量檢測等裝配生產環節；關節臂測量機和攝影測量系統具有體積小、便于攜帶的優點，可用于特定裝配要求的測量或輔助其他測量設備協同測量。

2.2 測量系統建立

現代飛機的氣動性和隱身性對裝配質量提出了更高的要求，從而對數字化檢測也提出更高挑戰。在裝配與檢測過程中除了對大部件的氣動外形進行檢測外，也要對一個大部件的某些小尺寸特征進行精確測量，如配合面間隙、接頭交點孔位置等，所以檢測設備既要測量范圍大、精度高，又要操作快速簡單方便。受限于測量原理，單個測量手段存在一定的局限性，基于組合機制的測量系統實現了多種方式的信息互補，優化配置，使測量結果達到最優。

建立一個具有多臺不同測量設備的大尺寸空間組合集成測量系統，實現大空間、多特征測量。構建的全局精密測量控制網，通過高精度全局控制點，為集成系統提供可靠的測量基準，利用“轉站”測量實現各集成設備之間坐標系的統一和轉換，以提高整體空間測量精度。在裝配測量現場采用激光跟蹤儀和iGPS設備對布設的空間全局控制點進行三維坐標精確測量和定位，并建立大空間精密三維測量坐標系。

3 國內、外現狀

在數字化技術的支持下，國外在飛機產品的各個裝配階段中，均已經研發應用了相應的柔性工裝，并取得了良好的效益。國內飛機裝配中應用的工裝，其結構仍主要以傳統的剛性、專用形式為主。近年來國內也研制了一批數字化柔性工裝，但從整體上看，研究和應用方面仍處于起步階段。

4 結束語

航空事業的發展，特別是民用運輸的發展需求，使得目前數字化裝配技術正在朝著原型機快速研制和穩定化大批量快速生產兩個方向發展，以滿足新型飛機的快速研制和快速大批量生產的需求。飛機裝配的發展需求與變化，使柔性裝配工裝向著移動式、低成本及基于動態監控的可靠性等方向發展。裝配測量技術已成為飛機裝配技術的重要組成部分，應用數字化測量使裝配能夠實現閉環控制。基于數字化測量技術的柔性裝配工裝是現代大飛機裝配生產的支撐與保障。

參考文獻

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