飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)

李琎

摘 要：十余年來(lái)，以數(shù)字化、柔性化為特征的自動(dòng)裝配技術(shù)已成為飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。飛機(jī)制造公司將之視作一項(xiàng)非常重要的核心技術(shù)，在單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的基礎(chǔ)上，采用數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)裝配仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等虛擬制造技術(shù)和并行工程實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程優(yōu)化。

引言

飛機(jī)的批量生產(chǎn)，產(chǎn)品安全可靠性要求高。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，快速響應(yīng)客戶等要求越來(lái)越強(qiáng)烈，采用自動(dòng)化的裝配設(shè)備成為國(guó)內(nèi)外航空制造企業(yè)的一致選擇。

一、國(guó)內(nèi)飛機(jī)總裝配技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)飛機(jī)總裝，通常采用固定機(jī)位裝配方式，即人、物、設(shè)備、工裝等圍繞著飛機(jī)轉(zhuǎn)。整個(gè)總裝過(guò)程，基本上是全部依靠人工裝配，所用的工裝主要是工作梯，測(cè)量設(shè)備落后、效率低下。雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)也開展了一些相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用探索，局部裝配環(huán)節(jié)采用了一些數(shù)字化裝配技術(shù)，但總體上與航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相差甚遠(yuǎn)。遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新型號(hào)的要求。這種差距，綜合體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）飛機(jī)裝配采用手工作業(yè)模式，產(chǎn)品一致性差，品質(zhì)不穩(wěn)定；

（2）飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中工裝、設(shè)備來(lái)回移動(dòng)，存在安全隱患；

（3）生產(chǎn)管理以調(diào)度管理為主，與先進(jìn)的計(jì)劃管理模式存在很大差距；

（4）批生產(chǎn)能力不足，多品種、變批量生產(chǎn)快速轉(zhuǎn)換能力不強(qiáng)，生產(chǎn)組織效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)均衡交付。

為了改變這種現(xiàn)狀，必須引進(jìn)新技術(shù)，通過(guò)調(diào)研、深入了解了國(guó)內(nèi)外飛機(jī)總裝配技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，自主創(chuàng)新建設(shè)飛機(jī)總裝生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)數(shù)控定位技術(shù)、大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)和數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)總裝生產(chǎn)中的集成應(yīng)用。

二、飛機(jī)柔性支撐技術(shù)

飛機(jī)總裝生產(chǎn)線，采用機(jī)身定位器、左右機(jī)翼定位，代替原有的千斤頂，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的準(zhǔn)確入位支撐。定位器由底座、縱橫拖板、上拖板、支撐缸體、伸縮柱、球頭夾緊機(jī)構(gòu)組成。采用伺服電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，實(shí)現(xiàn)伸縮柱的X、Y、Z這3個(gè)方向移動(dòng)；采用封閉式光柵尺，在每個(gè)方向上采用全閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z這3個(gè)方向聯(lián)動(dòng)控制，提高系統(tǒng)的控制精度。為了避免在姿態(tài)調(diào)整時(shí)的意外情況使得機(jī)身受力過(guò)大而損壞，采用壓力傳感器通過(guò)力的反饋，來(lái)控制定位器的進(jìn)給，在控制上提高了系統(tǒng)工作的安全性；X、Y、Z這3個(gè)方向分別設(shè)計(jì)了限位開關(guān)和機(jī)械限位，在結(jié)構(gòu)上提高工作的安全性；滾珠絲杠采取防護(hù)罩進(jìn)行防護(hù)。

飛機(jī)總裝生產(chǎn)線支撐定位器，采用先進(jìn)的數(shù)字化傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的自適應(yīng)、無(wú)應(yīng)力入位；三坐標(biāo)數(shù)控定位器準(zhǔn)確支撐。改變了原有的千斤頂靠人工推入，目測(cè)方式入位的飛機(jī)支撐方式，在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，保證了飛機(jī)支撐無(wú)應(yīng)力自動(dòng)化支撐。

三、大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)

飛機(jī)大部件對(duì)接，是整機(jī)裝配的開始，其裝配品質(zhì)和效率直接影響后續(xù)的裝配進(jìn)程，總裝生產(chǎn)線通過(guò)工藝集成管理系統(tǒng)、激光測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)三坐標(biāo)數(shù)控定位器，實(shí)現(xiàn)機(jī)身前段與機(jī)身中段姿態(tài)調(diào)整和對(duì)接。

飛機(jī)總裝生產(chǎn)線機(jī)身前段與機(jī)身中段對(duì)接，分為支撐調(diào)平、測(cè)量調(diào)姿、自動(dòng)對(duì)合共3個(gè)階段，支撐調(diào)平階段采用3個(gè)固定支撐定位器，對(duì)機(jī)身進(jìn)行支撐，利用激光跟蹤儀測(cè)量機(jī)身上的水平測(cè)量點(diǎn)，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給站位工藝控制系統(tǒng)、調(diào)姿控制系統(tǒng)，完成對(duì)機(jī)身位姿態(tài)的評(píng)價(jià)、仿真分析及調(diào)姿路徑規(guī)劃，根據(jù)剛體不變性原理，評(píng)價(jià)調(diào)姿路徑的合理性，發(fā)布命令由控制系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)姿指令，進(jìn)行機(jī)身中段調(diào)平。測(cè)量調(diào)姿階段，利用激光跟蹤儀測(cè)量機(jī)身對(duì)合面上選定的對(duì)合孔位置信息，并以此作為機(jī)身前段調(diào)姿對(duì)合的依據(jù)，由兩組定位器、組合平臺(tái)加柔性托架實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)身前段的支撐，激光跟蹤儀測(cè)量機(jī)身前段上（與機(jī)身中段上被測(cè)量對(duì)合孔存在配合關(guān)系）選定的對(duì)合孔，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給站位工藝控制系統(tǒng)，站位工藝控制軟件根據(jù)對(duì)合孔的配合對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算機(jī)身前段的當(dāng)前位姿和目標(biāo)位姿，并將其傳遞至調(diào)姿控制系統(tǒng)。

調(diào)姿控制系統(tǒng)通過(guò)仿真分析及調(diào)姿路徑規(guī)劃，發(fā)布命令由控制系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)姿指令，完成機(jī)身前段姿態(tài)調(diào)整。自動(dòng)對(duì)合3個(gè)階段由同步移動(dòng)支撐機(jī)身前段的兩組定位器，使其到達(dá)指定位置（與距離機(jī)身前段之間的相互距離可以設(shè)定），完成機(jī)身前段與機(jī)身中段的自動(dòng)化對(duì)合，也可人工手輪驅(qū)動(dòng)定位器同步移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)分辨率為0.05mm），進(jìn)行機(jī)身前段與機(jī)身中段的手工對(duì)合。

飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接，通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量定位，數(shù)控定位器支撐組合工作平臺(tái)進(jìn)行調(diào)姿對(duì)合，完成機(jī)身前段與機(jī)身中段的自動(dòng)化對(duì)合。徹底改變了原有吊裝對(duì)接時(shí)，飛機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定，推入定位靠人工目測(cè)不準(zhǔn)，對(duì)合過(guò)程中存在應(yīng)力裝配的缺陷，大大提高了飛機(jī)的裝配品質(zhì)，降低了裝配過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。

四、數(shù)字化測(cè)量技術(shù)

飛機(jī)測(cè)量系統(tǒng)工作有：全機(jī)水平測(cè)量、慣導(dǎo)水平測(cè)量、航炮校靶、平顯校靶、雷達(dá)校靶。

4.1原有測(cè)量方法的弊端

原有的測(cè)量是利用水平儀、測(cè)量尺、靶板和校靶裝置進(jìn)行的，是在飛機(jī)水平的基礎(chǔ)上，X-Y軸向（即水平姿態(tài)）采用水平儀測(cè)量，并將各產(chǎn)品調(diào)節(jié)到水平狀態(tài)；Z軸向采用了吊線加水平儀，對(duì)各自系統(tǒng)的靶板進(jìn)行擺放（靶板放置在飛機(jī)前方25m）；然后，各個(gè)產(chǎn)品再分別對(duì)準(zhǔn)各自的靶板進(jìn)行調(diào)校。整個(gè)測(cè)量方法和測(cè)量過(guò)程，存在著一定的弊端。

（1）在操作上造成了重復(fù)工作。例如，各專業(yè)進(jìn)行校靶測(cè)量時(shí)，采用了分別擺放靶板，同樣程序雷達(dá)校靶、平顯校靶、航炮校靶需做出重復(fù)的工作；

（2）各專業(yè)根據(jù)各自的測(cè)量要求，制造了各自不同形狀、不同要求的靶板，靶板多且不通用；

（3）靶板擺放遠(yuǎn)，占用廠房有效空間；

（4）人工測(cè)量存在一定的人為誤差，測(cè)量不精確。

4.2激光測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

飛機(jī)總裝生產(chǎn)線采用激光測(cè)量技術(shù)，利用激光跟蹤儀（LaserTracker）、手持測(cè)量裝置（T-Probe），通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)水平測(cè)量和校靶測(cè)量，包括全機(jī)水平測(cè)量、起落架參數(shù)測(cè)量、平顯校靶、航炮校靶、雷達(dá)校靶和慣導(dǎo)校準(zhǔn)。其優(yōu)勢(shì)為：

（1）利用虛擬靶板代替原有實(shí)物靶板，大大減少生產(chǎn)面積，同時(shí)取消了靶板的擺放工作，降低勞動(dòng)成本，縮短飛機(jī)的生產(chǎn)周期；

（2）采用高精度激光測(cè)量設(shè)備，提高了測(cè)量的精確度和重復(fù)測(cè)量的一致性，大幅度的提高了飛機(jī)的作戰(zhàn)能力。

五、機(jī)電一體化移動(dòng)技術(shù)

飛機(jī)總裝生產(chǎn)線移動(dòng)系統(tǒng)，主要由機(jī)架、主軌道、副軌道、下軌道、專用板鏈和專用鏈板、鏈輪等組成，其中專用鏈板分為長(zhǎng)鏈板和短鏈板兩種規(guī)格，都具有一定的承載能力，可以滿足操作平臺(tái)、工裝設(shè)備及操作人員踩踏等使用要求，長(zhǎng)鏈板用于承載和拖動(dòng)飛機(jī)。

軌道安裝在地平面以下，飛機(jī)承載長(zhǎng)鏈板以扁平的復(fù)合板式結(jié)構(gòu)，寬約580mm，長(zhǎng)約14960mm，平板下部有N=14960/133.33≈112對(duì)小滾輪。牽引板鏈上方的短鏈板，結(jié)構(gòu)上類同自動(dòng)人行道，其上表面與地面等高，通過(guò)性強(qiáng)，車間整體整潔、美觀。生產(chǎn)線左右對(duì)稱布置長(zhǎng)鏈板，兩側(cè)長(zhǎng)鏈板、短鏈板由同一輸送系統(tǒng)同步提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，保證兩側(cè)長(zhǎng)鏈板的同步運(yùn)行。兩側(cè)長(zhǎng)鏈板的絕對(duì)同步誤差，主要來(lái)源于機(jī)械構(gòu)件的制造精度和彈性變形及各運(yùn)動(dòng)副的間隙。生產(chǎn)線對(duì)兩側(cè)長(zhǎng)鏈板的相對(duì)同步要求較嚴(yán)格，兩側(cè)長(zhǎng)鏈板在單向承載運(yùn)行時(shí)，構(gòu)件的制造誤差及運(yùn)動(dòng)副的間隙已基本消除；若兩側(cè)長(zhǎng)鏈板的運(yùn)行阻力相同，則左右兩側(cè)的機(jī)械構(gòu)件的彈性變形量亦相同。另外，由于系統(tǒng)運(yùn)送的飛機(jī)為中性面對(duì)稱，在軌道平直度等方面達(dá)到一定要求的情況下，兩側(cè)移動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行阻力相差較小，就是說(shuō)兩側(cè)長(zhǎng)鏈板相對(duì)運(yùn)行條件良好，使同步運(yùn)行誤差控制得極小。

綜上所述，飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用是飛機(jī)裝配技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，自動(dòng)化、智能化航空專用裝配工藝裝備是組建生產(chǎn)線的技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

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