機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

樊 虎 楊靖雯

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安710089）

1 概述

飛機(jī)數(shù)字化裝配涉及工藝流程規(guī)劃、柔性定位、自動制孔加工、數(shù)字化測量與檢測、多系統(tǒng)集成等大量先進(jìn)技術(shù)及裝備，是機(jī)械、控制、計算機(jī)科學(xué)等眾多學(xué)科高度融合的新技術(shù)[1-6]。

近年來，數(shù)字化集成裝備及數(shù)字化制造技術(shù)已在航空航天企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，目前，國內(nèi)飛機(jī)在壁板類、活動翼面、前后緣等組部件上實現(xiàn)了數(shù)字化裝配[7-9]。而機(jī)翼作為整機(jī)的主升力結(jié)構(gòu)和主傳力部件，其裝配質(zhì)量影響著整機(jī)飛行安全和氣動性能。同時，機(jī)翼翼盒作為飛機(jī)的整體油箱，對密封性、疲勞性有著極高要求，相比于機(jī)身類部件機(jī)翼承載著更多的載荷，所以對它的外形、結(jié)構(gòu)、布局、制造誤差及裝配精度都有著更高的要求。因此，機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配技術(shù)的研究及應(yīng)用就變得十分重要，以機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配為代表的裝配系統(tǒng)正向著多功能、高集成、高自動化的方向發(fā)展，它也是整機(jī)數(shù)字化裝配的關(guān)鍵所在[10-13]。本文通過對機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配的應(yīng)用研究，詳細(xì)分析了翼盒數(shù)字化裝配過程中涉及和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

翼盒數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)裝配四大難題。通過溫度變形補(bǔ)償技術(shù)解決了溫度變化對工裝及產(chǎn)品變形影響的問題；通過柔性裝配技術(shù)解決了機(jī)翼組部件剛性差、應(yīng)力裝配的問題；通過自動制孔加工技術(shù)解決了傳統(tǒng)裝配手工制孔精度低、質(zhì)量差的問題；通過數(shù)字化裝配仿真和系統(tǒng)布局仿真技術(shù)解決了裝配過程干涉的問題，提高了產(chǎn)品裝配效率與裝配過程的可操作性；另外，通過系統(tǒng)集成設(shè)計及聯(lián)鎖控制技術(shù)實現(xiàn)了制孔、檢測過程全自動化，保證了產(chǎn)品加工過程的有序性、可靠性、安全性、高效性。

2.1 溫度變形補(bǔ)償技術(shù)

由于機(jī)翼翼盒本身的結(jié)構(gòu)特點，在不同的溫度下，機(jī)翼的前后緣會隨溫度變化產(chǎn)生不同程度的伸縮，同時，傳統(tǒng)翼盒工裝也存在熱膨脹變形問題。產(chǎn)品材料熱膨脹系數(shù)與工裝及地基的膨脹系數(shù)不一致，造成工裝與產(chǎn)品的不協(xié)調(diào)，如圖1 所示。因此，翼盒數(shù)字化裝配型架考慮了溫度變化的協(xié)調(diào)補(bǔ)償，數(shù)字化工裝主體采用了與產(chǎn)品同材質(zhì)的材料，且在地面和工裝底座之間設(shè)置滑軌，后緣、前緣以及4#肋在鐵制底座的基礎(chǔ)上并設(shè)有膨脹板，在前緣工裝上設(shè)置有補(bǔ)償滑塊結(jié)構(gòu)，使各工裝有穩(wěn)定基礎(chǔ)的同時，其熱變形與產(chǎn)品的熱變形保持一致。通過該方法提高了產(chǎn)品和工裝的協(xié)調(diào)性，避免了裝配過程中由溫度引起的伸縮變化造成定位精度降低的問題。

圖1 工裝、產(chǎn)品熱變形示意圖

2.2 柔性裝配技術(shù)

多數(shù)機(jī)翼組件都具有弱剛性的典型特征，在其裝配過程中易發(fā)生變形、扭曲。為保證飛機(jī)機(jī)翼裝配精度。在數(shù)字化裝配系統(tǒng)中針對機(jī)翼壁板、框、梁等典型部件的結(jié)構(gòu)特點，提取其定位、夾持技術(shù)需求，基于“N-2-1”定位原則，如圖2 所示，確定定位器布局、夾持、驅(qū)動方式，進(jìn)行飛機(jī)調(diào)姿定位器的模塊化設(shè)計；對于后緣及機(jī)翼壁板采用連接工藝球頭方式入位，如圖3 所示，通過在線測量和實時反饋技術(shù)，在線測量定位誤差，集成控制系統(tǒng)在與理論位姿進(jìn)行計算比較后計算出產(chǎn)品最佳姿態(tài)，然后對產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)姿路徑規(guī)劃，并將上述信息反饋到柔性定位運動機(jī)構(gòu)，實時調(diào)整定位姿態(tài)，直到定位誤差達(dá)到精度要求。該技術(shù)實現(xiàn)了飛機(jī)機(jī)翼翼盒零、組件裝配的精密柔性定位，解決了傳統(tǒng)裝配產(chǎn)品入位難、強(qiáng)迫定位、位置精度差的難題。

圖2“N-2-1”定位示意

圖3 調(diào)姿入位

2.3 自動化制孔加工技術(shù)

傳統(tǒng)裝配手工制孔方式極易造成孔壁劃傷、燒傷，難以滿足設(shè)計長壽命連接和整體油箱密封的技術(shù)要求。數(shù)字化裝配自動制孔加工采用復(fù)合刀具一次完成自動制孔锪窩，同時，避免產(chǎn)生制孔垂直度和孔位精度差、孔壁劃傷、燒傷等質(zhì)量缺陷，如圖4 所示。對自動制孔加工的工藝流程進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點及加工部位對制孔路徑進(jìn)行規(guī)劃，如圖5 所示，同時，將加工翼面按加工部位及不同孔徑進(jìn)行劃分并規(guī)定加工次序。另外，通過對參數(shù)優(yōu)化完成了加工參數(shù)庫的建立。最終制孔孔徑的精度誤差有效地控制在0.02mm 以內(nèi)，窩深精度誤差在0.03mm 以內(nèi)，表面粗糙度≤1.6μm，制孔效率達(dá)到7 個/min，實現(xiàn)了制孔質(zhì)量和加工效率雙提升。

圖4 自動制孔锪窩

圖5 兩種制孔路徑

2.4 數(shù)字化裝配仿真及系統(tǒng)布局仿真技術(shù)

由于機(jī)翼翼盒裝配過程中存在結(jié)構(gòu)件復(fù)雜、操作空間狹小等特點，通過數(shù)字化裝配仿真、系統(tǒng)布局仿真有效解決了裝配加工過程干涉、碰撞等問題，通過對人機(jī)功效深入分析，提高了人員裝配效率和工作舒適性，保證了產(chǎn)品安全、精準(zhǔn)、快速裝配。在數(shù)字化裝配仿真中以數(shù)字化裝配作業(yè)過程和數(shù)字化裝配系統(tǒng)布局為研究對象，利用人機(jī)工程技術(shù)及虛擬的裝配環(huán)境，仿真操作人員在裝配過程中的各種操作姿態(tài)，然后展開研究測試，研究人員與其所安裝操作產(chǎn)品之間的相關(guān)聯(lián)系；數(shù)字化裝配系統(tǒng)布局仿真主要是在數(shù)字化裝配環(huán)境下，搭建系統(tǒng)布局的性能評價體系，基于產(chǎn)品的原始數(shù)據(jù)，利用工藝流程等建立裝配系統(tǒng)布局仿真模型，并以搭建的系統(tǒng)布局性能評價體系作為評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化裝配系統(tǒng)布局的優(yōu)化。

2.5 系統(tǒng)集成設(shè)計與聯(lián)鎖控制技術(shù)

系統(tǒng)控制設(shè)計是飛機(jī)數(shù)字化裝配的核心，因為在飛機(jī)數(shù)字化裝配的實施過程中，需要進(jìn)行大量軟硬件協(xié)調(diào)，同時，數(shù)據(jù)及圖表的交互方式也是多種多樣錯綜復(fù)雜的，包括各類設(shè)計及工藝數(shù)據(jù)、測量及調(diào)姿數(shù)據(jù)等，而系統(tǒng)集成設(shè)計與控制便是各類信息流、數(shù)據(jù)流順利交互的保障，如圖6 所示。翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)取得了系統(tǒng)集成設(shè)計與聯(lián)鎖控制技術(shù)的突破，通過翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)集成控制單元的設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理及多接口集成的標(biāo)準(zhǔn)化；互聯(lián)互鎖設(shè)計及規(guī)則設(shè)定，實現(xiàn)了大型復(fù)雜裝配系統(tǒng)應(yīng)用過程中聯(lián)鎖邏輯控制技術(shù)的突破，保證了產(chǎn)品裝配過程的有序性、可靠性、安全性、高效性。

圖6 多系統(tǒng)集成設(shè)計與控制

3 結(jié)論

飛機(jī)數(shù)字化裝備及裝配技術(shù)的應(yīng)用大幅縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，保證了飛機(jī)的飛行安全和飛行壽命。本文通過對機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配的研究及應(yīng)用，詳細(xì)分析了翼盒數(shù)字化裝配過程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并與傳統(tǒng)裝配進(jìn)行對比分析，這些技術(shù)的應(yīng)用極大提高了機(jī)翼翼盒裝配精度及加工效率，從根本上解決了傳統(tǒng)裝配的機(jī)翼組部件裝剛性弱、應(yīng)力裝配、孔徑、窩徑質(zhì)量差、加工效率低的難題。同時，助力國內(nèi)數(shù)字化裝配技術(shù)及裝備的發(fā)展，為國家培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的數(shù)字化裝配技術(shù)人才。另外，這些技術(shù)的成功應(yīng)用還可以為同行業(yè)或其他行業(yè)的新型數(shù)字化裝備及新技術(shù)的應(yīng)用提供重要參考。