大型飛機(jī)部件數(shù)字化對(duì)接裝配技術(shù)研究

吳江瓏 楊強(qiáng)

摘要：為了克服大型飛機(jī)部件對(duì)接裝配過程中的難度，相關(guān)研究人員建立了先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的柔性裝配技術(shù)體系。本文根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)飛機(jī)大部件對(duì)接裝配的缺點(diǎn)及工作站原型系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)，并從數(shù)字樣機(jī)的裝配過程仿真、基于數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)工裝的數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)、機(jī)械隨動(dòng)定位裝置及控制軟件、激光跟蹤測(cè)量技術(shù)四方面，論述了大型飛機(jī)部件數(shù)字化對(duì)接裝配技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：大型飛機(jī)部件數(shù)字化對(duì)接；裝配技術(shù)

前言：

飛機(jī)裝配工作具有很大難度，涉及到的專業(yè)知識(shí)也較多，在一定程度上決定著分級(jí)的制造成本和裝配質(zhì)量。在傳統(tǒng)飛機(jī)大部件對(duì)接上，主要以剛性工裝對(duì)接為主，依靠工藝補(bǔ)償確保大部件之間具有較強(qiáng)的協(xié)調(diào)性，在精細(xì)加工之后，利用吊車裝置來完成對(duì)接工作，但這種方式的工作效率極低。為了改變這種情況，我國(guó)對(duì)數(shù)字化柔性裝配技術(shù)進(jìn)行的研究和應(yīng)用，并取得了很大成效。

1.傳統(tǒng)飛機(jī)大部件對(duì)接裝配的缺點(diǎn)及工作站原型系統(tǒng)

1.1傳統(tǒng)飛機(jī)大部件對(duì)接裝配的缺點(diǎn)

截止到目前，我國(guó)的飛機(jī)裝配工作依然以上世紀(jì)60年代的蘇聯(lián)傳統(tǒng)方式為主，即模線——樣板——工裝。該種方式所經(jīng)歷的周期較長(zhǎng)，裝配協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)也較多，在不同裝配件的裝配上需要制定不同的標(biāo)準(zhǔn)，不具備較高的可變性，且成本花費(fèi)較大。另外，在大部件對(duì)接裝配過程中，還有很多操作環(huán)節(jié)需要對(duì)人工進(jìn)行利用。在實(shí)際操作過程中，人們需要將對(duì)接配件放在托架上，在相鄰的兩個(gè)部件之間，對(duì)接環(huán)面上一般會(huì)設(shè)置有連接孔和連接銷，在人力的推動(dòng)下，促使一個(gè)部件緩緩靠近另一個(gè)部件，在所有操作完成之后，才能開展對(duì)接工作。該種操作方式具有很多缺點(diǎn)，由于部分飛機(jī)部件體積和質(zhì)量較高，人力很難對(duì)其進(jìn)行操作，降低了對(duì)接效率。除此之外，在人工操作過程中，對(duì)接面上的孔銷配合精度很難得到提升，從而在裝配工作開展過程中出現(xiàn)問題，更容易對(duì)疲勞度產(chǎn)生影響。最后，在對(duì)接裝配協(xié)調(diào)問題上，部分企業(yè)依然以原始模擬量傳遞為主，為了確保對(duì)接裝配工作順利完成，工作人員會(huì)在對(duì)接部位設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝標(biāo)準(zhǔn)，但這樣做很輕易導(dǎo)致裝配周期的延長(zhǎng)，還會(huì)將更多模擬量傳遞方式缺點(diǎn)暴露出來。

1.2部段對(duì)接數(shù)字化柔性裝配工作站的原型系統(tǒng)

在多種柔性裝配技術(shù)結(jié)合使用下，主要以共同工作為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)組件的裝配工作，這些成組的柔性裝配工作可以構(gòu)成柔性裝配工作站。在該工作站工作過程中，主要以DFATS為支撐點(diǎn)，并將多種柔性裝配中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行集成，在結(jié)構(gòu)和規(guī)模上可以根據(jù)具體的工作需求進(jìn)行變換，規(guī)模較大的可稱之為工作站，規(guī)模較小的可以稱之為工裝。整體來看，大部件對(duì)接柔性裝配工作站將產(chǎn)品各個(gè)部件按照具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行整合，對(duì)點(diǎn)位數(shù)據(jù)能力進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)各個(gè)部件在空間中的位置調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)接裝配工作的合理開展。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用下，定位裝置的作用也能夠全面發(fā)揮出來，除了支撐對(duì)接部段之外，更重要的是利用控制系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)定位位置的有效調(diào)整。而在控制系統(tǒng)工作過程中，主要是對(duì)軟件中發(fā)出的控制指令進(jìn)行接收，帶動(dòng)電機(jī)伺服來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的完善和調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)位置測(cè)量和目標(biāo)的有機(jī)控制[1]。

2.大型飛機(jī)部件數(shù)字化對(duì)接裝配技術(shù)的應(yīng)用

2.1數(shù)字樣機(jī)的裝配過程仿真

數(shù)字樣機(jī)屬于飛機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，內(nèi)容以三維產(chǎn)品數(shù)字模型為主。在設(shè)計(jì)工作之中，設(shè)計(jì)部門會(huì)做好完整的飛機(jī)三維模型的工程數(shù)據(jù)收集工作，這其中還涉及到一些工藝信息。另外，根據(jù)具體使用用途的不同，工程數(shù)據(jù)集又可以分成3類子數(shù)據(jù)集，具體包括零件制造數(shù)據(jù)集、裝配數(shù)據(jù)集和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集，在這些子數(shù)據(jù)集的作用下，可以將一些無(wú)關(guān)的功能信息剔除出去，為后續(xù)對(duì)接裝備技術(shù)的實(shí)施創(chuàng)造有利條件。由于大型飛機(jī)部段的零件尺寸較大，涉及到的零件數(shù)量較多，在利用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行對(duì)接時(shí)，需要對(duì)裝配過程進(jìn)行虛擬仿真分析，該項(xiàng)操作的優(yōu)點(diǎn)如下：對(duì)于幾段之中可以互換的大型部段，人們可以通過虛擬仿真軟件來探查和開辟路徑障礙，最終得到合理的裝配序列。其次，由于對(duì)接裝配序列可能有很多種，但由于大型飛機(jī)部段的對(duì)接時(shí)間較長(zhǎng)，工作難度也較大。為了降低工作難度，相關(guān)工作人員可以利用過程仿真對(duì)其進(jìn)行模擬，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配序列的優(yōu)化和選擇。

2.2數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)工裝下的數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)

在實(shí)物標(biāo)工項(xiàng)目之中，不僅需要花費(fèi)較高的制造成本，維護(hù)難度也較高，是所有生產(chǎn)工作的難點(diǎn)所在。為了解決該項(xiàng)問題，研究人員將DMT技術(shù)引入其中，該技術(shù)屬于數(shù)字協(xié)調(diào)技術(shù)，以三維數(shù)字模型和坐標(biāo)系基準(zhǔn)系統(tǒng)為主，對(duì)零件和工裝進(jìn)行制造，這些產(chǎn)品主要應(yīng)用范圍是零件生產(chǎn)、部件內(nèi)部裝配及檢驗(yàn)等。在激光跟蹤測(cè)量上，為了提升工作效果，人們可以將測(cè)量特征設(shè)置在已經(jīng)被定義好的坐標(biāo)系統(tǒng)之中。另外，利用各種軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量后所得到的數(shù)據(jù)與三維模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)比對(duì)。從對(duì)比結(jié)果之中可以看出，從設(shè)計(jì)階段開始到對(duì)接裝配結(jié)束，整個(gè)生命周期縮短了整整10個(gè)月。由于數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)工裝主要來源與設(shè)計(jì)階段，需要與原計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比，從而將設(shè)計(jì)、制造等情況突顯出來。整體來看，數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)化工裝可以對(duì)實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)工裝進(jìn)行替代，將協(xié)調(diào)作用發(fā)揮出來。但數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)工裝并不是實(shí)物，這其中還包括一些部位幾何形狀和尺寸數(shù)字模型，是促進(jìn)工藝生產(chǎn)的重要依據(jù)[2]。

2.3機(jī)械隨動(dòng)定位裝置及控制軟件

在具體的飛機(jī)部段對(duì)接工作中，機(jī)械隨動(dòng)定位裝置屬于自動(dòng)化控制下的高精度裝置，由于使用對(duì)象不同，其結(jié)構(gòu)和工作方式也存在不同。執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于機(jī)械隨動(dòng)定位機(jī)構(gòu)，以自動(dòng)控制方式為主，可實(shí)現(xiàn)對(duì)定位機(jī)構(gòu)的有效調(diào)整，而在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶領(lǐng)下，可有效實(shí)現(xiàn)部件的定位等工作。總的來說，裝配定位工作主要包括硬支柱和吸盤兩種形式，二者在工作時(shí)均由計(jì)算機(jī)來指揮。另外，為了提升定位的精準(zhǔn)程度，傳感技術(shù)的應(yīng)用不能被忽視。柔性裝配工作站也可以和其他工藝需求相結(jié)合，與其他裝配操作技術(shù)進(jìn)行綜合，如基準(zhǔn)面加工、數(shù)控焊接等。與此同時(shí)，數(shù)字化柔性技術(shù)的軟件控制系統(tǒng)還包涵很多不同的控制程序，主要作用是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，最終為數(shù)據(jù)傳遞創(chuàng)造有利條件。

2.4激光跟蹤測(cè)量技術(shù)

如果能夠?qū)煽厥降臋C(jī)械隨動(dòng)定位裝置及數(shù)字化協(xié)調(diào)方式進(jìn)行應(yīng)用，工作人員便可以利用光學(xué)測(cè)量實(shí)現(xiàn)位置和空間的合理定位，提升對(duì)接裝配工作的表現(xiàn)效果。相比之下，數(shù)字化光學(xué)測(cè)量技術(shù)也包括很多種類，如非接觸型、無(wú)導(dǎo)軌型、便捷性高等。截止到目前，應(yīng)用在該領(lǐng)域的最先進(jìn)技術(shù)便是激光追綜儀測(cè)量。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展時(shí)間很短，但卻將很多先進(jìn)技術(shù)集中在一起，如光電檢測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)等，在這些技術(shù)的作用下，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掃描測(cè)量，并對(duì)三維數(shù)據(jù)實(shí)施直接輸入和輸出，接口數(shù)量也較多，很容易完成和其他數(shù)字化設(shè)備的連接[3]。

總結(jié)：

綜上所述，數(shù)字化柔性裝配技術(shù)主要以飛機(jī)制造裝配技術(shù)為發(fā)展方向，在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及體系的研究上，需要重點(diǎn)對(duì)我國(guó)飛機(jī)制造和裝配技術(shù)中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，徹底改善我國(guó)在過去幾十年之中所延用的飛機(jī)裝配協(xié)調(diào)方式。在這一先進(jìn)技術(shù)的引導(dǎo)下，飛機(jī)部件的對(duì)接裝配效率將會(huì)大大提升，為后續(xù)發(fā)展提供便利條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉航.飛機(jī)數(shù)字化裝配中壁板對(duì)接及機(jī)身調(diào)平技術(shù)研究[J].科技視界，2017（36）：242+245.

[2]陳根良，黃順舟，陳坤勇.面向最優(yōu)匹配位置的大部件自動(dòng)對(duì)接裝配綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53（23）：137-146.

[3]杜福洲，張鐵軍，熊珍琦.艙段類部件數(shù)字化柔性對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].航空制造技術(shù)，2017（11）：24-31.