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飛機數字化柔性裝配關鍵技術及其發(fā)展
發(fā)布時間：2014-01-13
來源：北京航空制造工程研究所 鄒方等
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      飛機由幾萬甚至幾十萬個零部件 組成，在結構上劃分為機身、機翼、 垂直尾翼、水平尾翼、襟翼、副翼、升 降舵、發(fā)動機舵、艙門、口蓋等。飛 機的結構尺寸大，外形復雜，其結構件主要是鈑金件或復合材料壁板件組 成的薄殼結構，特點是形狀復雜、連 接面多、工藝剛性小，在加工、裝配 過程中都會產生變形。
      飛機裝配是飛機制造過程的主要 環(huán)節(jié)。飛機裝配過程就是將大量的飛 機零件按圖紙、技術要求等進行組 合、連接的過程，分為部裝(零件一組 合件一段件一部件)和總裝(各部件一 全機身)。飛機的設計制造難度大，周 期長，不僅表現在它的零件數控加工 量大，而且表現在它的裝配復雜性和 難度。飛機的裝配工作量約占整個飛 機制造勞動量的40% ~ 50%(—般的 機械制造只占20%左右)。裝配型架 的制造和安裝精度對保證飛機的裝配 質量有十分重要的意義。
      飛機零件加工與裝配的每一個環(huán) 節(jié)的好與壞，都會直接影響整架飛機的性能指標。隨著我國航空工廠近年 來引進了大量先進的數控機床，飛機 零件數控加工能力得以大大加強，飛 機零件的制造周期大大縮短了，加工質量也大大提髙了。但是飛機的部件裝配與全機身裝配仍然沿用原來的傳 統(tǒng)方法，與先進的數控加工手段形成 了強烈的反差。飛機的裝配技術已成 為制約我國飛機快速研制的巨大障 礙。隨著飛機性能要求的提高，交付周期的縮短，更新換代越來越頻繁 等，對飛機的裝配技術提出了更高的 要求。
國內外發(fā)展狀況
     自上世紀90年代初波音公司的 B777采用無紙化設計開始全面實施 飛機數字化制造技術以來，數字化裝 配技術在西方航空發(fā)達國家發(fā)展迅 速，是近年來國外先進飛機制造公司 提出的面向制造和裝配的并行設計理念關鍵的一環(huán)。數字化裝配技術集成了虛擬裝配技術、無型架裝配技術、 柔性裝配工裝技術、激光定位技術和 自動鉆鉚技術等自動化裝配技術。
      進入90年代，人們越來越重視飛 機的裝配技術。最為著名的有歐洲 JAM(Jigless Aerospace Manufacture)、歐洲 ADFAST (Automation for drilling, fastening, assembly, systems integration, and tooling)等研究項目。
      軍機的研制方面，波音公司應用數字化裝配技術，通過采用根據零部 件關鍵特征信息，以較少的安裝工作 快速定位不同零部件的確定性裝配技 術(Determinant Assembly),取消了 巨大的裝配型架，以一種通用支架作為支撐樣機的主要工裝，利用4臺 Zeiss激光跟蹤儀對部件進行空間定位，來完成裝配工作。
       在數字化連接裝配技術上，國內在數字化連接裝配技術上，國內有一些型號利用數模作為樣板，并在型架安裝和檢修中基于數模采用了激 光跟蹤和CAT (計算機輔助經緯儀） 技術。在軍機研制和轉包生產項目 中，各主機廠都不同程度地采用了這種技術。
       洛克希德、馬丁公司在先進軍機 研制中采用了 “柔性裝配技術”，應 用激光定位、電磁驅動等技術實現精 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F-35 的研制和生產過程中，洛克希德•馬 丁公司采用了先進的模塊化柔性自動 化裝配工藝和系統(tǒng)，該裝配系統(tǒng)是一 個作為裝配工藝的一部分而無縫集成 的全系統(tǒng)，集成了包括制孔、锪窩、 鉚接等裝配技術和設備，還包括數據的收集、設備安全保障、控制過程的 監(jiān)測、裝配仿真建模等功能，縮短飛 機裝配制造周期2/3，單機由15個月 縮短至5個月，而工藝裝備則由350 件減少到19件，同時，制造成本降低一半，從訂貨到交忖僅用一年時間， 最終目標是實現每日生產一架。
       在民機研制方面，空客公司為在 2005年實現每月生產38套機翼，在 機翼翼盒自動裝配研究項目的第二期 (AWBA II，1998年啟動，為期2年） 中考慮了多種柔性裝配技術，以便降 低機翼裝配成本和縮短裝配周期。 AWBA II項目集成了測量、定位、夾 緊、送料、機器人鉆孔等技術，研制 出一臺8 . 5m高的柔性裝配單元樣 機，并已通過A380上某機翼肋板的 加工測試。
       波音公司的精確機身裝配AFA 和機身裝配改進團隊FAIT采用快速 組合(Snap-together)裝配技術，通 過“超級壁板”上的精密孔，借助激 光安裝與定位調整使得“超級壁板” 與其他零件實現自動定位，從而簡化 了裝配工裝夾具。1999年11月波音 公司交付了首架采用該技術的B747 客機。
       目前，國內仍大量采用 基于模擬量協(xié)調體系、以傳 統(tǒng)裝配型架為主的裝配工 裝，數字化工裝的設計和應 用水平還較低，特別是軍機的裝配，還采用固定工裝型 架、以手工裝配為主的方 法，飛機數字化柔性裝配研 究和應用基本處于空白。
       通過“九五”、“十五” 期間對國外先進工藝技術 的跟蹤和學習，國內在數字 化設計制造技術上有了明 顯的進步，在產品數字化定 義技術上取得了一定的成績，逐漸樹立了 “設計面向制造”的設計理念。在一些先進的單項工藝技術上開 展了研究工作，如自動化制 孔和鉚接技術、自動化定位 及檢測技術等，并在工裝上 作了適當的改進，在民機轉 包和民機生產方面部分采用了自動化裝配技術，這些工作為我國開展柔性裝配技術的研究提供了一 定的研究基礎。
       造成我國目前飛機交付周期長和 裝配質量差的技術原因主要是：
      (1)     飛機構件的種類多、結構復 雜、部件連接件極多，需要大量的裝 配型架。每一次新機研制或改型均會產生大量的部件裝配設計和制造任 務，尺寸調整復雜困難，嚴重影響飛 機的交付周期；
      (2)     由于飛機的部件與全機身裝 配的自動化水平低，嚴重影響了飛機 的有效裝配時間和加工質量的一致性，裝配效率低；
       (3)     模擬量移形技術協(xié)調問題多， 約占整個新機研制技術問題的80%， 嚴重影響周期；
       (4)     由于工裝制造精度要比產品 精度高2倍，周期約占新機研制周期 的2/3，一架飛機大約有50000〜 60000項工裝，制造工時約相當于試 制1架飛機的6倍，費用占新機研制 費的25%左右，并且管理復雜。
       數字化柔性裝配是建立在計算機數字信息處理平臺上的融合飛機的全 數字量協(xié)調體系，應用計算機信息技 術.數字控制技術，采用各種數控裝 配工具，實現自動化夾持、制孔、鉚
接和無縫校準對接，完成組件、部件和機身的裝配連接等的綜合性系統(tǒng)工 程。柔性裝配技術能適應飛機部件品 種規(guī)格、批量、裝配工藝、場地和時 間的變化要求，在有限的場地內快速完成裝配任務，達到優(yōu)質、高效、低 成本、節(jié)省時間。先進的飛機柔性裝 配技術是保證飛機部件和飛機整體性 能的關鍵技術之一。飛機裝配有如下特點。
        (1)     大量薄壁板零件存在彈性變 形，但還要保證飛機嚴格的氣動外 形；
        (2)     結構復雜、零件和連接件數 量巨大；
        (3)     需用特殊的工藝裝備來保證 裝配的準確度；
       （4）  技術涵蓋面寬，需要管理的信息量大。
        飛機的數字化柔性裝配是一項系統(tǒng)工程，其數字技術貫穿于飛機裝配 的全過程，計算機信息技術占有很重 要的地位。數字化柔性裝配技術的應 用是當前國內外飛機制造業(yè)數字化制 造的大趨勢，不僅能夠克服傳統(tǒng)飛機制造（模線_樣板法）模擬量協(xié)調體系下裝配工裝應用單一、制造周期 長、制造費用高、協(xié)調需要大量實物 工裝等缺點，而且，通過與自動化制 孔設備、數控鉆鉚機或自動鉚接設備 和工業(yè)機器人等自動化設備的集成，可以組成數字化柔性裝配系統(tǒng)。
         飛機的裝配一般分為4個階段：裝配設計、裝配準備、裝配進行、裝配測試，各個階段有相應的關鍵技術 來支撐，確保整個飛機裝配的高效和 高質量。
        1飛機裝配工藝技術
        飛機裝配工藝技術是研究飛機裝配的基本結構的技術，如機翼、蒙皮 壁板和機身等，對幾種裝配構建模式進行分析，如蒙皮封裝、長桁類零件、 隔板懸掛導軌流水線、氣動工具、可 重構模塊工裝、模塊化子裝配系統(tǒng)和 直接作用機翼箱體等。該研究提出了 幾何特征分類法，具體有外形控制、輪廓控制、方向控制、避讓控制、定位控制等?？偨Y了3種關鍵特征：
•產品關鍵特征（PKCs)
產品的幾何特性和材料屬性，此特征極大地影響產品的性能、功能和裝配成形。
•裝配關鍵特征（AKCs)
產品、工具、夾具裝配階段的特征，此特征極大地影響下一個裝配過程的產品關鍵特征的實現。
•制造關鍵特征（MKCs)
制造過程參數或工件工裝特性，此特征極大地影響零件特性層面的產品或裝配過程關鍵特征的實現。
 2柔性裝配工裝技術
      飛機在進行裝配前必須進行部件 的固定，以保持良好的飛機動力學外 形，這一切要靠工裝來實現，所以工 裝技術是飛機裝配技術的基礎。按裝 配工裝的結構和性能可分為：常規(guī)工裝、模塊工裝、柔性工裝、CNC控制 工裝。
    多點成形技術是柔性工裝設計的基礎，其基本思想是采用離散的點來擬合飛機裝配部件的三維型面，即以點代面。采用柔性工裝，可以使飛機 裝配型架制造周期大大縮短，并可取 代大部分固定裝配型架。利用它的可重構性，一套柔性工裝可以裝配多種飛機零件。
       固定飛機薄壁板蒙皮一般采用2 種工裝形式，一種是X、F平面固定 點陣式靜態(tài)工裝，另一種是行列可移動式動態(tài)工裝。兩者的基本元件是長 度可調節(jié)的支撐夾持單元，其高度位 置采用數控伺服進行控制，最終使工裝系統(tǒng)呈工件理論外形分布。
       柔性工裝系統(tǒng)由許多高度可調節(jié) 的支撐單元組成，其定位支撐體可以 安裝不同的操作頭，以滿足不同的部 件固定要求。為了可靠支撐夾持飛機 的裝配部件，夾持力必須是可調的，其夾持狀態(tài)的打開、關閉必須通過計 算機的程序控制，以適應不同的飛機 壁板類裝配件。
3激光跟蹤測量技術
      在飛機裝配的準備階段，裝配部 件和裝配工裝系統(tǒng)的位置測量的準確性直接影響飛機裝配的成敗。飛機的 裝配部件尺寸大，結構復雜，不易采 用三維位置測量。激光跟蹤測量系統(tǒng) 是解決這一難題的最好手段。它具有測量精度高、測量尺寸大、安裝操作方便、可移動等優(yōu)點，可廣泛應用干 飛機的裝配工作中。
      激光跟蹤定位測量系統(tǒng)可以通過 以太網與系統(tǒng)計算機相連，由激光跟 蹤定位系統(tǒng)測量裝夾后的裝配部件的 一些基準點，獲得的測量數據經過處 理單元處理后，直接反饋到系統(tǒng)計算機，計算機再對實際裝配位置與精確 數學模型的位置進行比較，獲得部件 裝配位置的修正值。這樣就可以將部 件數學模型與其實際裝配位置統(tǒng)一起 來，確定裝配參考坐標系。
4計算機數字控制技術
        計算機數字控制技術是飛機實現 數字化柔性裝配的基礎，它將完成飛機裝配過程中所需各種運動部件 的精確定位和制孔、鉚接，實現工裝 系統(tǒng)對飛機裝配部件的可靠固定，保證飛機裝配外形與數字化樣機的一致 性。柔性裝配系統(tǒng)包括面向裝配的設 計系統(tǒng)、工藝數據準備系統(tǒng)、人機界 面、軸和邏輯控制、三維激光測量、 制孔鉚接單元、移動定位平臺、緊固件送料單元和柔性工裝系統(tǒng)等。
       飛機柔性裝配的電氣控制是一種 典型的網絡化數字控制系統(tǒng)，采用了 TCP/IP工業(yè)以太網和現場總線技 術。飛機柔性裝配電氣控制系統(tǒng)的上 層有面向裝配的飛機設計系統(tǒng)和裝配 工藝數據準備系統(tǒng)。下層有移動定位 平臺、工裝系統(tǒng)、制孔鉚接單元等。移動定位平臺本身是一個 五坐標伺服控制裝置，而柔性 工裝系統(tǒng)采用了更多的位置伺 服軸，少則幾十根，多則上百 根。這種系統(tǒng)是信息技術.驅動 技術、自動化技術、邏輯控制. 過程控制的融合體。
5機器人全閉環(huán)定位技術
        在飛機裝配中引人機器人 可以提高裝配系統(tǒng)的靈活性和可達性，配合各種終端執(zhí)行器 可以實現各種不同的裝配作業(yè)， 如自動化鉆孔和鉚接。但由于 機器人的定位屬于半閉環(huán)控制，定位精度不高，不適應飛機裝配中高 精度制孔。近年來，由于采用了嵌人式控制 方法，三維激光跟蹤儀可以通過計算機和機器人集成起來，實時快速監(jiān)視機器人的空間位置方向，確定機器人 的三維絕對位置，達到機器人全閉環(huán) 控制的效果。這樣就大幅度提高了機 器人的定位精度，其全工作空間精度 可達到0.05mm，完全能勝任飛機的.
6移動定位平臺技術
     移動定位平臺用于安放制孔鉚接 單元，實現制孔鉚接單元的位置和沿蒙皮法線方向的定位，解決大尺寸空 間的精確定位，應具有良好的剛度。在滿足系統(tǒng)功能的前提下，盡可能考 慮裝配部件的尺寸對系統(tǒng)結構性能的 影響。定位平臺一般需要5個自由度以上。
7裝配仿真控制技術
      飛機柔性裝配的過程復雜，有工 裝、制孔、鉚接、送料等裝置的參與， 大部分的裝配路徑復雜，裝配面不開 敞，所以在飛機部件正式裝配之前， 必須對飛機裝配的全過程進行必要的仿真和校驗，以檢查自動化裝配過程的準確度和可靠性，保證裝配的萬無 一失。裝配仿真系統(tǒng)應具有如下功能：
      (1)       設備對象特征建模；
      (2)       運動軌跡建模；
      (3)       數控程序后置處理；
      (4)       動態(tài)三維仿真；
      (5)       碰撞干涉檢查。
      一般，仿真系統(tǒng)輸入的數據包括飛機構件三維 數學模型、柔性 工裝模型、裝配 工藝參數、裝配 特征樹等數據。
       經過該仿真系統(tǒng)處理，將產生裝配全過程的三維動態(tài)仿真，柔性工裝支撐 夾持單元的種 類、布局及它們 的調節(jié)位置高 度數據，生成裝配過程控制程序，顯示裝配工裝系統(tǒng) 的生成時間\飛機部件的裝配時間以 及裝配操作性、安全性的檢查評估報告。裝配仿真控制技術是飛 機柔性裝配系統(tǒng)的數字化支 撐平臺技術，可保證裝配系統(tǒng)的高柔性、高可靠性、高 效率等性能的最大限度的發(fā)揮。
展望
        數字化柔性裝配是飛機 數字化制造的一個重要環(huán) 節(jié)，它保證了飛機裝配過程中飛機三 維數字化樣機的幾何外形數學模型的 唯一性和一致性，對提高裝配效率和裝配質量，降低出錯率，降低飛機的 制造和裝配成本，縮短研制周期有著 十分重要的意義。在飛機目標成本控 制下，數字化柔性裝K技術可以滿足 用戶所要求的全部性能指標，實現飛機性能成本比的飛躍。隨著計算機信息技術、數控技術和智能機器人技術 在飛機裝配中的全面應用，面向數字 化裝配的裝配工藝技術日益完善和成熟，已經涌現出各種高效先進的自動 化裝配設備。數字化柔性裝配工裝的 出現，使飛機裝配占用場地、裝配過 程的人工干預大量減少，從而降低了 裝配成本，提高了裝配質量，縮短了裝配周期。數字化柔性裝配技術的應 用將推動全球飛機制造業(yè)向模塊化、 集成化、智能化、經濟化、綠色化的 方向發(fā)展。
        我國的數字化柔性裝配技術剛剛 起步，有些方面還處于空白，數字化 柔性裝配技術將極大地促進我國飛機 制造業(yè)的發(fā)展。具體表現在：
(1)      模擬量協(xié)調將被數字量協(xié)調 所取代；
(2)      裝配場地面積和裝配工裝的 數量將大大減少；
(3)      飛機裝配的數字化和自動化 得以實現。
 
 
 
 
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