飛機機身制造中柔性裝配技術(shù)探究

摘 要：在現(xiàn)代飛機研制過程中，已越來越重視柔性裝配技術(shù)的應(yīng)用。而柔性裝配工裝是現(xiàn)代飛機柔性裝配技術(shù)的重要組成，對飛機柔性裝配的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有最直接的影響。由于柔性裝配工裝無論在整體結(jié)構(gòu)形式或是元件定位方式等方面都較傳統(tǒng)專用裝配工裝更具靈活性和復(fù)雜性。本文以飛機機身部件為研究對象，對機身部件柔性裝配技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：柔性裝配工裝;機身裝配工藝

1 引言

飛機裝配是飛機制造過程的主要環(huán)節(jié)，它是將大量飛機零件按圖紙和技術(shù)要求等進(jìn)行組合、連接的過程。另外，飛機的結(jié)構(gòu)件主要是鈑金件或復(fù)合材料壁板件組成的薄殼結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜、連接面多、工藝剛性小，在加工、裝配過程中都會產(chǎn)生變形[2]。飛機的裝配工作量約占整個飛機制造勞動量的 40%～50%（一般的機械制造中裝配和安裝工作量只占產(chǎn)品總勞動量的 20%左右）。因此，飛機裝配技術(shù)在飛機制造過程中占有非常重要的地位，其技術(shù)水平直接體現(xiàn)了飛機制造的先進(jìn)性。

傳統(tǒng)飛機裝配方法在早期飛機制造中發(fā)揮了重要作用，但是，也存在著如下弊端。隨著對飛機性能要求的提高，特別是現(xiàn)代飛機長壽命、高可靠性（新一代軍機 6000小時以上，大型客機 60000～70000 小時）以及新一代軍機提出了隱身等戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)，同時，基于數(shù)字化設(shè)計方法的飛機快速研制技術(shù)的應(yīng)用，對飛機裝配精度、質(zhì)量和效率提出了更高要求。顯然，傳統(tǒng)飛機裝配方法所存在的不足更加突出，已不能適應(yīng)現(xiàn)代飛機制造要求，也不能適應(yīng)先進(jìn)生產(chǎn)管理模式和精益生產(chǎn)的要求。

2飛機柔性裝配工裝技術(shù)

2.1 柔性工裝定義

柔性裝配工裝是指其主要構(gòu)成元件可進(jìn)行調(diào)節(jié)或局部重組，以適應(yīng)一組結(jié)構(gòu)相似和尺寸相近的裝配件在其裝配過程中的定位、保形、支撐和夾緊等工藝需求，進(jìn)而達(dá)到減少工裝品種和數(shù)量、縮短工裝準(zhǔn)備周期和降低工裝研制成本等目的。這組裝配件或同屬于一個機型，或?qū)儆诓煌臋C型。

2.2 柔性工裝特點

與傳統(tǒng)專用裝配型架相比較，柔性裝配工裝具有如下特點[1]：

（1）結(jié)構(gòu)離散化 在柔性裝配工裝結(jié)構(gòu)中，通常不采用整體骨架結(jié)構(gòu)，這是實現(xiàn)定位柔性化、通用化的有利條件之一。即使在某些采用整體骨架結(jié)構(gòu)的柔性裝配工裝中，其定位元件也是采用離散化布局形式。

（2）元件模塊化 在同一模塊中，集成了支撐、定位和夾緊等主要結(jié)構(gòu)，并為這些結(jié)構(gòu)配備了相應(yīng)的自動控制裝置。此外，不同模塊可通過自動控制來調(diào)整相互間的位置關(guān)系，以適應(yīng)不同裝配件的定位要求。這是實現(xiàn)工裝柔性化、通用化的關(guān)鍵技術(shù)保證。

（3）元件控制自動化 柔性裝配工裝的主要模塊和元件，均采用自動化控制方式來調(diào)節(jié)這些模塊和元件間的相互位置關(guān)系，以快速形成工裝定位構(gòu)型，并確保此構(gòu)型的準(zhǔn)確性。

（4）自適應(yīng)調(diào)節(jié)與定位精度補償 通過在線測量系統(tǒng)，包括激光跟蹤儀等，實時采集和反饋工件的空間位置，通過與理論位置的對比，確定定位調(diào)整量，利用這些調(diào)整量自動調(diào)整相關(guān)定位元件的方位，以達(dá)到工件準(zhǔn)確定位的要求。

（5）支持自動化裝配方式 柔性裝配工裝可以實現(xiàn)快速定位和夾緊，以適應(yīng)于自動鉆孔和鉚接等自動化裝配方式。

3 機身柔性裝配技術(shù)研究

3.1 國外的研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者在飛機柔性裝配發(fā)展歷程、柔性裝配系統(tǒng)及其單元設(shè)計等方面開展研究。Butterfield，J.等提出了應(yīng)用數(shù)字化制造與協(xié)同產(chǎn)品和生命周期以用于航空裝配工裝和工作單元設(shè)計的集成化敏捷方法以滿足可持續(xù)發(fā)展;Heilala，J.等介紹了用于飛機總裝配的模塊化可重構(gòu)柔性總裝系統(tǒng);Yeung，B.H.B.等介紹了用于柔性裝配的 6 自由度可重構(gòu)夾持器，該夾持器可以具有六個自由度，靈活性高。Lehmker[等提出了基于柔性化的大尺寸機身裝配方法。

以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家首先開始研究和采用數(shù)字化技術(shù)，并將其應(yīng)用到了航空航天制造業(yè)中。

波音公司精確機身裝配 AFA 和機身裝配改進(jìn)團(tuán)隊 FAIT 首次采用“Snap- together”裝配技術(shù)于 1999 年 11 月首架交付的 747 客機。通過機身的所謂“超壁板”上的精密孔，借助激光安裝與定位調(diào)整使得超壁板與其它零件實現(xiàn)自定位，從而簡化了裝配夾具。洛克希德？馬丁公司牽頭研制的 JSF 戰(zhàn)機原型機 X-35 目標(biāo)縮短飛機裝配制造周期三分之本降低一半。其核心技術(shù)之一就是充分體現(xiàn)柔性裝配特點的龍門鉆削系統(tǒng)技術(shù)，采用激光定位、電磁驅(qū)動實現(xiàn)精密鉆孔，不僅降低了鉆孔出錯率，而且大大減少了工具和工裝。在此基礎(chǔ)上，波音公司在研制 JSF 的 X-32 樣機和無人機 X-45 樣機時，同樣實現(xiàn)了柔性裝配技術(shù)和系統(tǒng)創(chuàng)新，提出了包括根據(jù)零件關(guān)鍵特征以較少的安裝工作快速定位不同零件的無專用型架制造技術(shù)，取消了巨大的型架，而是采用一種通用支架支承樣機的主要部件，利用 4 臺 Zeiss 激光跟蹤儀對部件進(jìn)行空間定位和其它裝配工作。

德國 BRoTJE 公司開發(fā)一種“集成化機身壁板裝配系統(tǒng)”，該系統(tǒng)采用了基于模塊化的 POGO 柱單元的柔性工裝系統(tǒng)、自動鉆鉚和環(huán)鉚技術(shù)，并在波音 B737、C-17 和空客 A380 的機身壁板裝配中得到了應(yīng)用。

杜爾公司開發(fā)的 EcoPositioner 是一種模塊化和可重置定位系統(tǒng)，它提出了一種新的定位技術(shù)概念，可整體解決飛機大部件對接時的定位方案，不僅考慮了定位任務(wù)以及使用條件，還考慮了環(huán)境影響。它是由多種機械手或多種定位器組成的機械系統(tǒng)，可在確定的附著點拾取飛機部件，并能以 6 自由度運動（3 個平移，3 個旋轉(zhuǎn)）。EcoPositioner 系統(tǒng)包括一個測量模塊（大型度量系統(tǒng)和測量軟件，可提供飛機部件目前和理想的位置和方向信息）。當(dāng)前和理想姿態(tài)是根據(jù)相關(guān)零件 CAD 模型和飛機結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)參考系確定的。其中可靠的機器人控制平臺保證每個控制裝置多達(dá) 48 個感應(yīng)軸的同步。安裝在每個定位器末端的力傳感器，能夠監(jiān)控作用于運動中的飛機零件上的力，這保證了零件操作中無應(yīng)變，防止不可控的變形。

3.2國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者對飛機機身柔性裝配技術(shù)及其系統(tǒng)進(jìn)行了研究[2]，典型的柔性裝配工裝有飛機壁板柔性裝配工裝、機身部件柔性裝配工裝和總裝用的柔性對接工裝系統(tǒng)等。

陳昌偉等分析了目前中國飛機裝配中存在的問題，總結(jié)了國外飛機先進(jìn)數(shù)字化柔性工裝的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，綜述了虛擬裝配、柔性工裝、數(shù)控鉆鉚、激光跟蹤等數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)，指出了實現(xiàn)中國飛機數(shù)字化裝配跨越發(fā)展的技術(shù)途徑。王亮系統(tǒng)研究了飛機數(shù)字化裝配柔性工裝技術(shù)及系統(tǒng)研究，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件和硬件系統(tǒng)，進(jìn)行了飛機壁板類組件、部件類數(shù)字化柔性工裝技術(shù)研究與開發(fā)。

在組件裝配方面，秦政琪等研究了飛機薄壁組件數(shù)字化柔性裝配相關(guān)技術(shù)。肖慶東開展了飛機數(shù)字化裝配定位技術(shù)研究，設(shè)計開發(fā)了“十字架支臂式”機械隨動定位裝置，并基于該定位裝置進(jìn)行了數(shù)字化裝配定位系統(tǒng)平臺的組建;肖慶東等將飛機壁板類零件柔性工裝的功能模塊分為靜態(tài)框架與動態(tài)模塊;建立了數(shù)字化柔性裝配工裝的控制測量圖，組建了飛機壁板類數(shù)字化裝配平臺，并且分析了該平臺在飛機零部件裝配應(yīng)用中的特點。

在飛機部件裝配方面，朱明華等提出以具有三坐標(biāo)自由度的柔性支撐裝置為基本單元組成柔性多點支撐系統(tǒng)的飛機部件支撐方法。高紅研究了飛機部件柔性裝配技術(shù)應(yīng)用及工藝設(shè)計。蔣君俠、黃小東等提出了一種大飛機中機身數(shù)字化裝配方案;張開富等提出了機身壁板對合柔性定位方法及其裝置。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?邱益， 鄭國磊， 饒有福等. 飛機柔性裝配工裝智能化設(shè)計（FFixCAD）系統(tǒng) [J]. 航空制造技術(shù)，2010，24： 90-94

[2] ?鄒方，薛漢杰，周萬勇等. 飛機數(shù)字化柔性裝配關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展 [J]. 航空制造技術(shù)， 2006， 9（2）：30-35

作者簡介：

焦彥超（19870814），男，籍貫：吉林白山，職稱：工程師，研究方向：檢驗檢測.