通用航空器修理裝配關鍵技術研究

陳 爽 龍小輝

（中國民用航空飛行學院飛機修理廠，四川 廣漢 618307）

0 前言

近年來，隨著中國通用航空產業相關政策進一步放開，中國通用航空產業穩步發展，然而在政策松綁的背后，通航飛機的維修技術卻未能跟上行業發展的步伐。 國內通航企業維修能力有限，適航審批難，送外修理費用極高，飛機停場時間長。 飛機結構維修技術落后已成為限制中國通航發展的瓶頸問題。

通用航空器大多數為鋁合金結構飛機，是由大量形狀復雜、連接面多，工藝剛性小的鈑金件或非金屬薄壁零件組成的薄殼結構， 在裝配過程中極易變形，使裝配工藝設計難度很大。 通用航空器修理關鍵技術被飛機制造廠家和國外OEM 壟斷， 國內通航維修單位無法獲得飛機尺寸數據和裝配型架等設計信息，僅靠飛機零件尺寸形狀進行定位、組裝，零組件裝配定位誤差會累積及傳播， 會導致飛機總體幾何要求超差、界面間隙控制要求無法保證、裝配不能正常進行等問題。 若采用強迫裝配，不但使裝配件產生較大的變形，影響尺寸和幾何形狀的準確度與協調性，而且將在飛機結構內引起對使用壽命和安全有害的裝配殘余應力或局部應力集中。 在修理裝配前，應合理規劃裝配順序和協調路線，進行誤差分析、修理裝配順序規劃和誤差分析、裝配方案設計。 需對裝配和對接部位協調尺寸的積累誤差進行估算， 合理分配容差，并采用適當的調整方法，形成最合理的協調方法和協調路線[1]。

飛機尺寸數據、標準工藝裝備和裝配型架的設計參數是飛機制造廠家的核心機密，國內通航要實現通用航空器的自主修理裝配，需系統性的研究修理裝配流程，突破制約通航維修的關鍵技術：

（1）探究通航飛機的設計裝配方案。 判定設計分離面、工藝分離面、生產裝配單元劃分情況。 研究通航飛機的設計協調方案；分析飛機裝配的設計補償和工藝補償措施。

（2）逆向獲得飛機的設計基準。 分析飛機設計定位基準和定位方法。

（3）設計制造現代化的修理裝配工裝。

（4）研究飛機修理裝配中的定位方法，設計修理裝配方案。 研究保障裝配協調準確度的措施，協調尺寸誤差分析技術，合理制定協調裝配路線。

現以中國通航數量第一的雙發活塞飛機PA—44—180 為研究對象，對上述難題進行探討。

1 反推飛機設計基準，建立飛機三維數學模型

通用航空器是結構定型并已投入使用的飛機構型，其總體布局、氣動布局和內部結構完全確定，可利用數字化測量設備，逆向獲得飛機數學模型。 目前航空企業主要的數字化測量設備主要有室內 GPS，激光雷達，工業照相測量系統，激光跟蹤儀等[2]。

利用激光掃描儀、激光跟蹤儀、激光雷達等設備進行飛機外形幾何數據采集，用一系列數學方程式精確描述飛機單曲度、雙曲度外形，及與外形有關的內部結構的圖形，如蒙皮內形線、框、肋的外形和內形線等。 對于與外形無關的飛機內部結構，其零件、構件輪廓線往往根據強度、重量的設計要求確定，可采集其三維坐標數值，進行數值化處理。 同時，采集建立飛機各對接結構連接關系的模型。 進一步的，形成全機三維數學模型。

一旦獲得了飛機數學模型，便具備了機體外形和對接關系的原始標準，可利用計算機迅速而準確的把機體外形變為數字信息，實現數控繪圖及對工藝裝備和裝配型架的數控加工，以機體外形和對接關系的幾何信息為原始協調依據，通過一定的傳遞路線將其傳遞到飛機結構部件上去，并保證飛機修理裝配的協調準確度。 另外，利用反推得出的飛機設計基準，可以使用數控機床加工出若干樣板，用于制造裝配工藝設備和檢驗飛機零件的裝配質量。

2 修理裝配工裝設計

在飛機坐標系下， 工裝設計人員以飛機數模為原始依據，進行裝配型架的數字化設計加工，并且在型架與飛機定位相關的零件上加工出所有的定位元素；型架在裝配時利用數字標工（數據）協調，采用激光自動跟蹤測量系統測量，通過坐標系擬合，定位出零件的安裝位置，滿足安裝基準的空間坐標及精度要求，將機體外形和對接關系的幾何信息傳遞到裝配零件上[5]。

以數學模型為基準，設計制作型架樣板，包括設計樣板的取值、定位基準的選定、正反型式和工作部位的確定等。 型架樣板上采用的定位基準有基準線、基準面和基準孔， 基準孔還包括安裝孔和光學目標孔。 樣板上的定位基準常采用水平和垂直的兩條基準線或兩個基準面，用基準面作為定位基準的定位準確度較高。

設計制造型架的定位件時，常采用孔作為樣板的定位基準。 一塊樣板上的定位基準孔數量不少于兩個，且與坐標軸線的距離為50 mm 的整倍數。 作為樣板上定位基準的線、面和孔，其長度或兩孔間的距離應盡量大。 也可以取兩條平行的線或兩個平行的面作為同一方向的定位基準，以提高定位的準確度。 樣板上安裝光學目標的孔軸線與安裝型架的光學視線相一致，型架樣板上的定位基準采用型架設計基準的同一坐標系統，與飛機設計的坐標系統一致。

在裝配型架設計中，應充分考慮柔性要求，在定位夾緊件等方面體現多機型、 多零部件的柔性要求。基于飛機數模和數字量尺寸協調，采用模塊化、自動化的可重新配置的工裝系統，可大大簡化或減少傳統的復雜型架，縮短工裝設計與制造的時間，降低工裝成本，并提高裝配質量。 柔性裝配工裝可適應飛機裝配型號多、變批量和自動化裝配的需要，是基于產品數字量尺寸協調體系的、可重組的模塊化、自動化裝配工裝系統。

3 飛機修理裝配方案

設計飛機修理裝配方案主要包含下面幾個內容：

（1）飛機裝配結構的劃分。 判別設計分離面、工藝分離面，進行裝配單元劃分。

（2）確定飛機裝配基準與裝配定位方法。

（3）設計保證裝配準確度與協調性的工藝方法。

（4）確定裝配過程中的工序、工步組成及各構造單元的裝配順序。

（5）選擇所需的工具、設備和工藝裝備。

（6）零件、標準件和材料的配套。

飛機修理裝配方案設計流程可概況如圖1 所示：

圖1 飛機修理裝配方案設計流程圖

3.1 裝配結構劃分

為將形狀復雜、尺寸大、剛性小、易變形的零件裝配成形狀和尺寸符合準確度要求的飛機結構，要采用體現飛機尺寸和形狀的標準工藝裝備和裝配型架對飛機進行裝配，需將機體劃分為許多較小而簡單的板件和組件。 飛機部件、段件和組合件之間所形成的可拆卸的分離面，稱為設計分離面。 同時，為了裝配需要，將部件進一步劃分為段件，段件進一步劃分為板件和組件。 如機身、機翼的壁板、框、翼肋、梁、機身下部、機翼的前緣等。 這些板件、段件或組件之間一般用不可拆卸的連接，他們的分離面稱為工藝分離面。 在飛機裝配工藝設計領域，為避免裝配序列方案與零件數量呈指數增長，擴大并行工作面，以提高裝配效率，對產品裝配單元劃分尤為重要。

現以PA—44—180 飛機為例，劃分其設計分離面和工藝分離面，如圖2、3 所示，藍色實線為設計分離面，紅色實線為工藝分離面。

圖4 是 PA—44—180 飛機機翼鉚接結構工藝分解圖。

3.2 裝配基準及定位方法的選擇

基準可以分為設計基準和工藝基準，設計基準是設計用來確定零件外形或決定結構相對位置的基準；工藝基準是在飛機零件生產工藝過程使用，存在于零件、裝配件上的具體的點、線或面。 裝配基準即用來確定工件之間相互位置的基準。 飛機各部件和組合件的設計基準應盡量統一。 各系統中的固定支座及結構零、組件的定位基準均應采用結構基準，避免采用飛機水平基準線、對稱軸線作為定位基準。 在進行修理裝配前，應根據實際飛機構型，分析飛機設計裝配使用的裝配協調孔、 定位孔的設計原則， 包括孔徑、位置、數量、協調方法等。 判別重要結構上的裝配協調孔、定位孔。

飛機零部件大多剛度低、易變形，往往通過對同一個自由度多次重復約束（即過定位）來保證定位準確度。 當用機械或光學坐標系統安裝型架或標準工藝裝備的定位件時，采用孔作為樣板的定位基準。 型架樣板上的定位基準應采用型架或標準工藝裝備設計基準的同一坐標系統，并盡量與飛機設計的坐標系統相一致。 優先選用以工藝孔為基準定位方法，即直接利用飛機結構件上的結構孔定位，避免選用以蒙皮外形為基準裝配定位方法。 采用以工藝孔為基準定位又可分為：按裝配協調孔定位裝配和按定位孔定位裝配兩種情況。 前者更多依靠零件本身精度和剛度保證裝配要求，后者更多依靠工裝型架保證裝配要求。 骨架零件采用裝配協調孔定位裝配之后，形成產品整體骨架，作為進一步裝配定位的基準可以極大地簡化裝配工裝。 對只要求協調、沒有互換要求的工藝分離面，應盡量采用以產品定位產品，即以先裝件定位后裝件的定位裝配方法。

圖2 PA—44—180 飛機機翼設計分離面和工藝分離面

圖3 PA—44—180 飛機機身設計分離面和工藝分離面

圖4 PA—44—180 飛機的機翼工藝分解圖

如對框、肋、梁及外形和結構不太復雜的壁板等裝配件， 可以采用裝配孔定位裝配以簡化型架結構，甚至省掉裝配型架；在將各組合件裝配成段件、部件時，按已裝配或已定位好的組合件定位與其相連接的組合件或零件，即用先裝件定位后裝件的工件定位方法，可以省掉型架的定位件，還能較好地解決裝配協調問題。

飛機設計階段選取定位面時， 會選用精度高、結構剛性好的部位作為定位面。 對剛性好的機械加工件、大截面型材和裝配件，其定位面選定中遵循一個自由度值能用一個約束（定位點）的原則。 在確定定位面和設計型架定位件時，應去掉多余的定位面，以避免出現過定位而產生不協調現象。 對剛度小的鈑金、型材零件和裝配件，則適當增加“額外”的約束，以保持其準確的幾何形狀和位置。 在修理裝配中，需注意的是，增加“額外”約束的多少取決于零件、裝配件的剛度大小、尺寸及形狀的復雜程度。 要以能保證其裝配準確度為原則，不宜過多，避免出現過定位現象。

3.3 飛機裝配準確度、協調性的工藝方法

設計保障準確度和裝配協調的工藝方法，劃分飛機設計、工藝分離面，結合待修結構情況確定裝配過程中的工序、工步組成及各構造元素的裝配順序。

飛機裝配準確度要求包括制造準確度要求和協調準確度要求。 協調準確度是指兩個相互配合的零件、裝配件或部件之間，其配合、對接部位的實際尺寸和幾何形狀相吻合（一致性）的程度。

影響協調準確度的因素很多，主要取決于：

（1）飛機結構的工藝性及對準確度、特別是協調準確度要求的合理性；

（2）工藝分離面劃分和裝配順序安排的正確性；

（3）協調路線設計和保障裝配協調及產品互換方法選用的合理性；

（4）工件定位面和定位方法選擇的正確性。

若飛機結構設計不合理， 對準確度的要求不恰當，裝配型架的制造、安裝準確度低，剛性或穩定性不好，結構設計不合理，裝配方案和保證協調互換的方法制訂不正確， 成套工藝裝備之間的協調方法不統一，產品的定位面和定位方法選擇不正確等，都將造成協調準確度低，就會出現不協調、不互換問題。

對于飛機機體的裝配準確度要求，主要有以下幾個方面：

（1）氣動力外形的準確度要求。

（2）各部件間相對位置的準確度要求。

（3）設計分離面上的協調準確度要求。 修理裝配中，必須保證設計分離面上兩對接部件對接部位的吻合性，即協調準確度要求。 如對接面和孔的配合準確度、間隙要求、孔的同軸度要求等。

（4）零件、裝配件間的協調準確度要求。 包括不同零件和裝配件上各連接配合面形狀和尺寸的協調性（如配合面形狀的吻合程度、框距、肋距的協調等）；同一部件內一些裝配件間長度協調準確度（如機翼上的前、后梁，上、下壁板間的長度協調）。

（5）部件內各零件、裝配件位置的準確度要求。 如大梁軸線、框軸線、肋軸線、長桁軸線的實際安裝位置相對于理論位置的偏差，它們應小于一定的值。

解決修理裝配協調問題所采取的工藝保證措施有以下幾個方面：

（1）留出必要的工藝補償量。

判別工藝補償量設計的裝配件，有長度協調要求的中央翼、中外翼和機身各段件中的壁板、梁等，在制訂裝配和協調方案時，可將一端能確定壁板或梁長度的對接型材、梳狀件或接頭等，在壁板或梁裝配時只進行工藝定位，等到下一裝配階段(一般是總裝)按型架定位件(如型架平板)或己定位好的產品零件調整其長度并進行最后定位裝配。

（2）合理安排裝配順序。

對一些協調準確度要求高的重要接頭，在安排裝配順序時，應盡量放在裝配件的其他鉚接裝配工作完成之后再進行，以減少裝配變形對這些接頭位置準確度的影響。

（3）采用非固定式型架。

裝配型架的總體結構形式，應盡量采用不與地坪固定的整體式或整體底座式結構，以減少由于地坪的偽熱脹系數與產品的熱脹系數相差幾十倍而產生的熱脹不一致對協調的不利影響。

（4）數字化協調技術。

數字化協調技術直接將三維數模傳遞到工藝設計（包括工裝設計）和裝配的各個環節，具有并行化裝配、協調路線短、周期短、成本低等優點。

為了保證飛機修理裝配中的協調，應根據機型結構類型，分析協調尺寸的形成過程，研究飛機設計中調整補償型式，掌握協調尺寸形成過程中各個傳遞環節固有的誤差特性（包括隨機誤差、裝配變形及熱膨脹誤差等）， 對裝配和對接部位協調尺寸的積累誤差進行估算，合理分配容差，采用最合理的協調方法和協調路線。

4 飛機裝配容差分析

在飛機裝配過程中，零組件裝配定位誤差會累積及傳播，會導致飛機總體幾何要求超差、界面間隙控制要求無法保證、裝配不能正常進行等問題。 進行飛機修理裝配容差分析和容差累積計算，可驗證零組件裝配流程、基準體系、工裝制造精度等能否滿足飛機頂層設計要求[4]。 通過反復迭代運算優化裝配流程，以保證飛機裝配質量，杜絕盲目裝配。

表1 PA-44-180 飛機主要結構連接的設計協調補償方法

通用航空器大多為鋁合金結構， 與大型飛機相比，低速飛機外形準確度的要求相對偏低。 生產制造中常用定位件定位飛機內部的骨架零件，先進行內部骨架定位， 然后蒙皮以骨架定位并和骨架連接起來。這種裝配方法，誤差的積累由里向外，積累誤差最后都反映為飛機的外形誤差。 為保障結構協調互換，通航飛機設計補償型式很多，有球面軸承、調整墊片、襯套、尺型板、分層墊片、偏心襯套、底板上開長孔等補償結構。

歸納飛機裝配容差分析工作流程如圖5 所示。

圖5 飛機裝配容差分析工作流程圖

研究機型的關鍵結構的對接方式和補償方式，實測補償間隙數據，可逆向獲得飛機設計容差數據。 根據設計補償間隙值，可經過誤差分析計算反推出逐級裝配中尺寸傳遞的積累容差要求，作為鈑金件修理裝配中的協調依據。

統計了PA—44—180 飛機關鍵結構連接的設計協調補償方法，歸納如表1 所示。

5 裝配仿真及優化

裝配仿真與分析技術能夠構建三維的可視化虛擬裝配仿真環境。 根據飛機三維數學模型，結合實際需要進行裝配工藝設計，用推理設計或拆卸法規劃裝配序列，并考慮裝配難易、裝配成本及效率，以滿足工程的需求。 通過維修裝配對象控制與維修裝配操作過程研究，對裝配序列進行優化與評估，能避免實際裝配中產生碰撞干涉情況，并可對修理裝配方案進行驗證[6]。

6 結語

以通航維修行業需求為出發點，對制約通航發展的維修關鍵技術展開研究。 以通航機型為實例，研究通航飛機修理裝配流程，提出反推飛機三維數字模型方法， 分析修理裝配工裝設計方法以及裝配定位、裝配協調措施，并研究了飛機裝配順序、協調路線規劃，以及誤差分析方法。