關(guān)于大型飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)分析

常仕軍

摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)與制造業(yè)的不斷發(fā)展，裝配技術(shù)得到深入的研究。從飛機(jī)工業(yè)的歷程來看，飛機(jī)的裝配技術(shù)經(jīng)過了人工裝配、半自動化的裝配、機(jī)械裝配、自動化裝配，隨著各國經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化裝配技術(shù)已經(jīng)開始在多個(gè)國家的飛機(jī)制造領(lǐng)域得以應(yīng)用，成為現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)的新焦點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；裝配；制造；系統(tǒng)；應(yīng)用

1.引言

隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，航空制造業(yè)的競爭形勢不斷嚴(yán)峻，市場上對于大型飛機(jī)的需求則是出現(xiàn)品種多、數(shù)量少的特點(diǎn)，一般要求在較短的交貨周期內(nèi)完成。新的數(shù)字化裝配技術(shù)可以一改傳統(tǒng)的人工裝配模式，極大地提高效率。

2.數(shù)字化裝配技術(shù)概述

目前對于數(shù)字化裝配技術(shù)的定義還不完全，國內(nèi)外對于其定義的研究還在進(jìn)行當(dāng)中。從其技術(shù)發(fā)展歷程來看，該項(xiàng)技術(shù)不僅可以達(dá)到快速研制，還能滿足生產(chǎn)低成本的制造標(biāo)準(zhǔn)，往往將數(shù)字化在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的時(shí)候得以更為深層次的應(yīng)用。對于數(shù)字化裝配方法而言，主要包含傳統(tǒng)的數(shù)字化裝配概念中的工裝設(shè)計(jì)、制造及其裝配的虛擬仿真，還包含柔性裝配方法，更包含無型架裝配方法這些自動化技術(shù)。[1]

對于飛機(jī)的數(shù)字化裝配技術(shù)來說，一般包含數(shù)字化裝配工藝技術(shù)以及數(shù)字化柔性裝配工裝技術(shù)，還包含光學(xué)檢測以及反饋技術(shù)、數(shù)字化鉚接技術(shù)與集成控制等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用。

3.數(shù)字化裝配技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1國外研究現(xiàn)狀

在上世紀(jì)的八十年代，由于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的興起，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，美國波音、洛克希德·馬丁公司，還有歐洲的空客公司這些大型飛機(jī)公司都陸續(xù)地對飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)進(jìn)行使用。國外一些發(fā)達(dá)國家數(shù)字化裝配飛機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了成功，典型的產(chǎn)品包括波音777、A380與JSF等。其中洛克希德·馬丁公司在進(jìn)行JSF戰(zhàn)斗機(jī)研究制造之中，果斷地將每架飛機(jī)的生產(chǎn)周期由之前的15個(gè)月縮短到了5個(gè)月，把工裝數(shù)量從350個(gè)降低到19個(gè)，實(shí)現(xiàn)降低成本一半。通過采用數(shù)字化裝配技術(shù)后，對制孔的工具與工裝大部分進(jìn)行取消，利用較為先進(jìn)的龍門鉆削系統(tǒng)，充分利用了激光定位、電機(jī)驅(qū)動的精密制孔，提高了孔的質(zhì)量，最終節(jié)省了九成以上的時(shí)間。[2]而美國波音787客機(jī)的裝配連接中，充分應(yīng)用復(fù)合材料，根據(jù)復(fù)合材料的力學(xué)性能特點(diǎn)，對其連接技術(shù)進(jìn)行改善。根據(jù)此應(yīng)用需求以及鉆孔需求，波音公司與其他公司合作研制了專用的自動化鉆孔鉚接設(shè)備與技術(shù)，從而提高波音787的裝配質(zhì)量與速度，同時(shí)也降低了成本。另外波音公司還采用了數(shù)字化的壁板裝配系統(tǒng)，對電磁鉚拉技術(shù)與柔性裝配工裝進(jìn)行集成，解決了大型構(gòu)件的自動化裝配面臨的困難。

3.2國內(nèi)發(fā)展水平

目前國內(nèi)對于飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用，也取得了一定的進(jìn)步，但是與國外相比，還存在著一定的差距。多數(shù)企業(yè)利用CAD技術(shù)建立型架標(biāo)準(zhǔn)件庫與優(yōu)化型架參數(shù)設(shè)計(jì)，對工裝與工具的裝配過程中采用三維仿真，也采用了激光測量與數(shù)控驅(qū)動的模式，還采用了自動鉚接技術(shù)。

我國的飛機(jī)裝配技術(shù)不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先由于研究起步晚，對于一些先進(jìn)的裝配技術(shù)應(yīng)用不夠成熟。對于飛機(jī)裝配技術(shù)的研究資金投入不足，造成配套不完善，缺乏相應(yīng)的技術(shù)支持，一些飛機(jī)的部件裝配制造還停留在手工作業(yè)階段，嚴(yán)重影響了飛機(jī)裝配的質(zhì)量與效率；其次飛機(jī)的裝配設(shè)計(jì)模式有的還停留于串行模式進(jìn)行生產(chǎn)與加工，部分先進(jìn)的技術(shù)功能應(yīng)用起來存在局限性；第三，數(shù)字化裝配技術(shù)在我國的飛機(jī)裝配過程應(yīng)用數(shù)量較少，一些設(shè)計(jì)生產(chǎn)中利用數(shù)字化技術(shù)的效果不明顯，雖然有需求，但應(yīng)用過程沒有做到順暢過渡；第四，數(shù)字化裝配技術(shù)是結(jié)合了多個(gè)學(xué)科的研究成果，形成多門類的技術(shù)集成，而某些領(lǐng)域研究的滯后性決定了模擬傳輸無法得到最有效的解決辦法，飛機(jī)數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)過程生產(chǎn)線無法正常運(yùn)行；第五，工業(yè)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)沒有做到并行設(shè)計(jì)，造成返工現(xiàn)象明顯。

4.數(shù)字化裝配工藝

數(shù)字化裝配工藝的設(shè)計(jì)主要是以模型的定義技術(shù)為基礎(chǔ)，采用三維實(shí)體模型來對產(chǎn)品定義信息進(jìn)行完美表達(dá)。模型定義技術(shù)主要是根據(jù)數(shù)字化定義的規(guī)范，利用三維建模對數(shù)字化產(chǎn)品實(shí)施合理的定義，成功構(gòu)建出符合協(xié)調(diào)要求的全機(jī)三維數(shù)字樣機(jī)以及工裝模型。技術(shù)工作者按照實(shí)體模型從事三維工藝設(shè)計(jì)，避免在二維工程圖紙與三維模型來對產(chǎn)品裝配工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)的模式。本文的主要數(shù)字化裝配工藝技術(shù)研究主要包括裝配定位技術(shù)，同時(shí)還包括裝配制孔與連接技術(shù)。

4.1裝配定位技術(shù)

對于該項(xiàng)技術(shù)，其一方面包括工裝定位，另一方面也包含零件裝配基準(zhǔn)孔面自定位。工裝往往指進(jìn)行飛機(jī)裝配的時(shí)候反復(fù)使用的保障進(jìn)入裝配的飛機(jī)部件以及零件均可定位精確。柔性工裝很好處理了剛性工裝剛性專用及其設(shè)計(jì)制造時(shí)間久的不足之處，具有數(shù)字化與模塊化的特點(diǎn)。柔性工裝可以快速進(jìn)行重構(gòu)調(diào)整，同一套工裝可以應(yīng)用于多種產(chǎn)品的裝配。模塊化結(jié)構(gòu)的研究上具有模塊化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的單元，軟件上包括控制軟件與測量軟件、仿真軟件等。[3]

傳統(tǒng)的加工模式在精度與質(zhì)量、效率上都難以滿足現(xiàn)代飛機(jī)生產(chǎn)需求。大部件對合技術(shù)包括機(jī)身、機(jī)翼、垂尾與起落架的安裝等，能夠快速地、準(zhǔn)確地對安裝姿態(tài)進(jìn)行定位，當(dāng)調(diào)整到位或不到位時(shí)，會有相應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)提示，降低了對接過程中的調(diào)整難度避免大部件在對合過程中出現(xiàn)的損傷隱患。在未來，數(shù)字化裝配定位技術(shù)的研究將主要集中于基于機(jī)器人的定位終端執(zhí)行器的研究與多層運(yùn)動規(guī)劃與控制技術(shù)的研究，進(jìn)一步提高定位效率與準(zhǔn)確度。

4.2裝配制孔技術(shù)

目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)件主要采用機(jī)械連接模式，新型飛機(jī)要求壽命較長，對于飛機(jī)部件各個(gè)連接點(diǎn)的技術(shù)狀態(tài)要求也非常高。隨著現(xiàn)代材料的不斷發(fā)展，新型復(fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛起來，讓制孔技術(shù)有了更高要求。之前的手工制孔技術(shù)經(jīng)常產(chǎn)生復(fù)材分層問題，孔徑橢圓的問題也往往出現(xiàn)，不能確保產(chǎn)品的高質(zhì)量。特別是大直徑與厚夾層的制孔讓工人操作技術(shù)有了更高要求，制孔效率不高。自動化的精確定位與制備技術(shù)可以有效提高制孔的質(zhì)量與效率。對于裝配制孔技術(shù)的數(shù)字化研制內(nèi)容主要包括自動制孔技術(shù)研究、復(fù)材部件的高性能制孔工藝技術(shù)的研究等。

4.3裝配連接技術(shù)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能與可靠性和裝配連接質(zhì)量有著直接的關(guān)系。對于高空飛機(jī)的航空器機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，需要采用更為優(yōu)越的連接技術(shù)，如干涉配合鉚接、電磁鉚接以及新型緊固件這些。使用了以上的強(qiáng)化技術(shù)，提升了連續(xù)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，還增強(qiáng)了可靠性，減少結(jié)構(gòu)重量。通過自動化連接設(shè)備的使用能提升連接效率，也能增加產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖一 電磁鉚接柔性系統(tǒng)

5.現(xiàn)代柔性生產(chǎn)線技術(shù)

對于柔性生產(chǎn)線而言，其不僅由數(shù)字化的柔性可重構(gòu)工裝以及自動化數(shù)控連接設(shè)備，還需要數(shù)字化的測量檢驗(yàn)設(shè)備及其信息化管理平臺得以組成，促使了現(xiàn)代飛機(jī)裝配技術(shù)的不斷快速發(fā)展。在軍機(jī)生產(chǎn)方面，柔性裝配生產(chǎn)線技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟。美國F-22進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候，往往使用U型裝配生產(chǎn)線，使裝配周期時(shí)間從之前的16個(gè)月降低到了12個(gè)月。同時(shí)F-35具有更先進(jìn)的裝配生產(chǎn)線，基于前者，就傳送系統(tǒng)優(yōu)化，還優(yōu)化了工作臺，提升了自動化程度，促使工裝變少，在裝配線上，之前的高架吊車變少了。在生產(chǎn)線上，增加了質(zhì)量檢測系統(tǒng)，準(zhǔn)確地就每個(gè)裝配環(huán)節(jié)裝配質(zhì)量實(shí)施有效檢測，進(jìn)行的噴漆工作以及隱身涂料的噴涂經(jīng)常通過機(jī)器人得以完成。[4]

國內(nèi)對于柔性生產(chǎn)線的研究與應(yīng)用僅限于某個(gè)工位點(diǎn)，無法對整條生產(chǎn)線形成自動化柔性裝配。其主要原因是飛機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中并沒有考慮產(chǎn)品柔性裝配技術(shù)應(yīng)用需求，產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中才發(fā)現(xiàn)與將要設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線模式不符，無法滿足生產(chǎn)。數(shù)字化檢測技術(shù)的落后，也從一定程度上影響到了生產(chǎn)線的效率，無法實(shí)現(xiàn)在線控制與快速精確測量。

6.光學(xué)測量技術(shù)

現(xiàn)代飛機(jī)制造中，速度快、精度高，采用傳統(tǒng)的人工測量方法或落后的機(jī)械測量方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展需求。數(shù)字化檢測技術(shù)可以順利實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零件與大尺寸零件的設(shè)計(jì)、裝配與檢測形成一體化工程。采用基于數(shù)字化檢測設(shè)備的產(chǎn)品三維檢測與質(zhì)量控制手段，建立數(shù)字化立體檢測技術(shù)體系，推動計(jì)算機(jī)輔助檢測技術(shù)與測量數(shù)據(jù)的分析，制定相應(yīng)的數(shù)字化檢測技術(shù)規(guī)范，提高整體的檢測效率與質(zhì)量。

7.數(shù)字化裝配系統(tǒng)的應(yīng)用

數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用是快速發(fā)展的多種先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用。先進(jìn)數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是一個(gè)長期的過程，其中受到技術(shù)條件、資金與應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)等因素的影響，不可能短時(shí)間內(nèi)完成，這個(gè)核心技術(shù)的突破與數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用形成一個(gè)體系與系統(tǒng)。數(shù)字化裝配系統(tǒng)的應(yīng)用要以長遠(yuǎn)與近期發(fā)展目標(biāo)為導(dǎo)向，根據(jù)實(shí)際情況，由易到難，有分解也有綜合，基于數(shù)字測量協(xié)調(diào)技術(shù)與數(shù)字化模擬仿真技術(shù)、測量技術(shù)與軟件技術(shù)，形成完整的飛機(jī)數(shù)字化裝配集成系統(tǒng)。

數(shù)字化裝配系統(tǒng)包括裝配工藝規(guī)劃、數(shù)字化柔性定位、裝配制孔技術(shù)、自動控制與先進(jìn)的測量技術(shù)等，是機(jī)械、電子與控制、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的綜合。

8.大型飛機(jī)數(shù)字化裝配工程應(yīng)用概況

中航工業(yè)商飛一直關(guān)注于世界先進(jìn)的數(shù)字化裝配技術(shù)發(fā)展情況，結(jié)合我國飛機(jī)裝配業(yè)的基本情況，制定公司長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。以提高數(shù)字化核心技術(shù)與能力，實(shí)現(xiàn)自主研究為目標(biāo)，在數(shù)字化裝配領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了積極的探索，以滿足新機(jī)裝配過程對制孔設(shè)備、精度與工程流程優(yōu)化的要求。[5]目前，經(jīng)過多年的研究與探索，成飛公司已經(jīng)在數(shù)字裝配生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的工藝設(shè)計(jì)、精確定位、制孔、部件對合與檢測監(jiān)控方面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，同時(shí)對于數(shù)字人裝配也提出了一定的要求。首先要滿足工藝的繼承性與裝配流程的繼承性，通過數(shù)字量進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)與傳遞，確保制造依據(jù)的唯一性與操作的便利性，最終采用“開放式伺服移動裝配定位平臺+數(shù)控五坐標(biāo)多作業(yè)單元移動龍門制孔機(jī)床”技術(shù)，對裝配定位系統(tǒng)與制孔設(shè)備進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)了人工作業(yè)與設(shè)備自動作業(yè)的解耦，確保各項(xiàng)系統(tǒng)的架構(gòu)一致性。目前C919數(shù)字化生產(chǎn)線技術(shù)已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用，取得了良好的效果，同時(shí)在細(xì)節(jié)方面將會進(jìn)一步研究與深入。

圖二 成飛公司數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用示意圖

9.結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)將會進(jìn)一步發(fā)展，充分結(jié)合數(shù)字化工藝技術(shù)與檢測技術(shù)的高集成系統(tǒng)將會在柔性生產(chǎn)線中得以廣泛應(yīng)用，促進(jìn)飛機(jī)生產(chǎn)效率的提升，縮短裝配時(shí)間，降低成本，促進(jìn)現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)整體水平的提高。

參考文獻(xiàn)：

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