從A380裝配看寬體客機(jī)的數(shù)字化裝配技術(shù)

中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司 王建華

A380是當(dāng)今世界上最大的飛機(jī)，對于其裝配過程，人們只能從法國圖盧茲的總裝中心，沿著規(guī)定的路線，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地、走馬觀花地撇上一眼，無法對裝配現(xiàn)場的實際情況進(jìn)行零距離接觸，更無法對零部件級裝配過程進(jìn)行了解。長期以來，A380飛機(jī)制造技術(shù)給外界蒙上一層神秘的面紗。

近期一次機(jī)會，使筆者深入空客位于易北河畔的A380機(jī)身部段裝配現(xiàn)場，對A380機(jī)身13段、15段、18段部裝及與19段對接進(jìn)行了零距離接觸考察，還有經(jīng)驗豐富的工程師給予現(xiàn)場解答，充分體會到大型寬體客機(jī)部段裝配給人帶來的震撼，同時，也對空客在大部段裝配中使用的數(shù)字化裝配技術(shù)有了充分的現(xiàn)場了解。本文就從A380的裝配來分享寬體客機(jī)的數(shù)字化裝配技術(shù)。

現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)發(fā)展回顧

進(jìn)入21世紀(jì)，飛機(jī)制造已經(jīng)步入數(shù)字化時代，工程設(shè)計通過數(shù)字化來定義，工藝設(shè)計通過數(shù)字化來仿真，工藝裝備設(shè)計通過數(shù)字化發(fā)圖，質(zhì)保通過數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行測量，零件制造可以實現(xiàn)全方位的數(shù)控加工，飛機(jī)裝配大面積采用數(shù)字量傳遞裝配技術(shù)。

飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)體系涉及飛機(jī)工程設(shè)計、飛機(jī)零部件制造、數(shù)字化自動鉆鉚系統(tǒng)、數(shù)字化互換協(xié)調(diào)、數(shù)字化先進(jìn)測量與檢測和計算機(jī)軟件等眾多先進(jìn)技術(shù)和裝備，是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)等多學(xué)科交叉融合的高新技術(shù)（圖1）。其數(shù)字化裝配體系結(jié)構(gòu)，主要由飛機(jī)數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)字化裝配工藝裝備兩大部分組成[1]。

圖1 A380總裝生產(chǎn)線

在飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展中，出現(xiàn)了許多與之配套的數(shù)字化、自動化裝備和數(shù)字量協(xié)調(diào)系統(tǒng)，比如數(shù)控鉆孔設(shè)備、數(shù)控鉆鉚設(shè)備、數(shù)控零組件定位設(shè)備、數(shù)控基準(zhǔn)系統(tǒng)、數(shù)控自動托架系統(tǒng)、數(shù)控檢測設(shè)備、數(shù)控對接系統(tǒng)、數(shù)控運輸設(shè)備、數(shù)控吊裝裝備、數(shù)控感應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)字量仿真系統(tǒng)、數(shù)字量裝配協(xié)調(diào)與容差分配系統(tǒng)等。

在飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝裝備技術(shù)發(fā)展方面，也有許多新技術(shù)、新設(shè)備，比如數(shù)控裝配工裝安裝設(shè)備、數(shù)控裝配工裝的獨立標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、專用數(shù)控結(jié)構(gòu)、輔助裝配數(shù)控光學(xué)單元等[2]。

A380飛機(jī)裝配所使用的數(shù)字化技術(shù)

針對上述技術(shù)，筆者重點考察了A380在部件裝配過程中所使用的數(shù)字化技術(shù)情況。

（1）大組件運輸。A380機(jī)身組件主要有帶框和長桁的超級壁板、上下地板以及機(jī)身段模塊化裝配所含的系統(tǒng)成品件和內(nèi)裝飾件等，其中超級地板和地板組件的物流運輸是采用數(shù)控AGV小車來實現(xiàn)的。當(dāng)現(xiàn)場裝配需要某個組件時，帶警示燈的AGV小車就會從組件存放庫中，把所需組件連同保形架一起，沿著特定的路線運到指定現(xiàn)場；在工作現(xiàn)場，有標(biāo)記清楚的固定存放區(qū)域和接收組件的存放架，當(dāng)組件正確擺放到位后，接收架會給控制室發(fā)出一個表示“準(zhǔn)備就緒”的數(shù)碼信號。

（2）組件放置、保型、上架。組件在運輸、存放過程中，始終由保形工裝固定其外形和基準(zhǔn)幾何要素的正確位置，如A380零組件在其裝配型架上有一系列桁條定位器，定位器通過定位銷固定在一種稱作“銷釘板”的基準(zhǔn)板上。A380從零組件到大部件的裝配均是采用這樣的基準(zhǔn)板來協(xié)調(diào)各工序間的Index定位器的，所以，保證基準(zhǔn)板的坐標(biāo)位置正確十分重要。當(dāng)需要各個組件按序上架安裝時，控制室會給現(xiàn)場操作人員的iPad上發(fā)出指令，現(xiàn)場操作人員通過操作手中的iPad給車間數(shù)控天車輸入信號，指揮天車按照指令的路線把組件調(diào)整到正確的姿態(tài)，上架定位安裝。在A380機(jī)身18段裝配現(xiàn)場，看到一塊側(cè)上壁板從存放區(qū)調(diào)到裝配型架上的全過程，其中有進(jìn)裝配塢前的一個轉(zhuǎn)身動作，干凈、穩(wěn)當(dāng)。

（3）組件在裝配工裝上的定位。因為A380從零組件到大部件的裝配均是采用Index定位器通過基準(zhǔn)板來協(xié)調(diào)定位各處裝配基準(zhǔn)的，這樣的定位器、銷釘基準(zhǔn)板類似于波音的DA孔，但又有區(qū)別，這套協(xié)調(diào)開始于工程設(shè)計建立三維零件實體定義時。開發(fā)的這套協(xié)調(diào)系統(tǒng)可以使制造工程師將零件幾何特征方便地轉(zhuǎn)換到Index定位器上，用于定位每一個零件。組件在數(shù)控天車輸送下，慢慢接近裝配型架，零件上的基準(zhǔn)板與型架上的定位器通過銷釘安裝配合，使得組件找到正確位置。

（4）部件結(jié)構(gòu)裝配。A380部件裝配工作塢可以形容成一座巨大的多功能建筑物，數(shù)字化裝配平臺、人機(jī)工程在這里得到全面的體現(xiàn)。為了方便操作者的環(huán)境清晰化要求，在工作臺架和工作區(qū)域設(shè)計了科學(xué)、舒適的照明條件；為了保證操作者的工作姿態(tài)不使身體受損和方便操作，設(shè)計師們考慮了各種工作臺座，使操作者工作起來更舒適；為使工作環(huán)境更加人性化，盡量減少噪音，增加必要的生活設(shè)施，各種指示標(biāo)記醒目可辨，還會伴有悅耳的輕音樂；安全防護(hù)也是處處體現(xiàn)，每個平臺必有防護(hù)欄桿和安全警示標(biāo)記；產(chǎn)品保護(hù)是飛機(jī)制造中的重頭戲，凡是操作的地方必定要有各種工作平臺，使操作者與產(chǎn)品間保持距離，腳踏、手扶產(chǎn)品在這里是不允許的；環(huán)保要求、綠色制造也是現(xiàn)代飛機(jī)制造的特點，制造過程中的廢棄物有專門收集容器，粉塵、氣味都有專門的吸收和過濾設(shè)備。

特別值得一提的是，由于A380機(jī)身又大又寬，僅靠外部裝配工作平臺無法完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝，因此，空客設(shè)計了獨特的可移動內(nèi)部定位平臺，這個平臺配合機(jī)身上下地板，完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的全部安裝工作量。

（5）輔助激光測量定位。在機(jī)身18段裝配現(xiàn)場，位于機(jī)身截面的一端設(shè)計了一個3m多高的支撐平臺，穩(wěn)固而又精確，上面放置了1臺經(jīng)過改裝的LEICA-901B型激光跟蹤儀，用來在高空建立光學(xué)基準(zhǔn)系統(tǒng)。順著跟蹤儀光線，可見在裝配型架和機(jī)身結(jié)構(gòu)上分別放置著球形目標(biāo)，這些目標(biāo)經(jīng)過激光的掃描，在操作計算機(jī)上生成一組組點的六個自由度的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比對換算后，反饋給運動執(zhí)行系統(tǒng)，使零組件在部件裝配站位中找到自己應(yīng)處的位置。

（6）大部件對接面外形測量。對于大型寬體客機(jī)部段外形和截面的裝配結(jié)果的驗證，采用常規(guī)的檢測手段和工具已經(jīng)顯得力不從心，空客A380采用類似V-STAR這樣的照相測量技術(shù)來滿足大部件的數(shù)字化測量（圖2）。選取一定的角度，對產(chǎn)品外形進(jìn)行拍照，將獲得的數(shù)碼照片輸入電腦，與理論檢測數(shù)模進(jìn)行比對，獲得產(chǎn)品的誤差值。在現(xiàn)場，正好看到一名工作人員分別從不同的角度拍了幾張照片，拿到計算機(jī)旁進(jìn)行分析。

（7）18段與19段的對接。18段是中后機(jī)身，C74到C95站位，在該廠房進(jìn)行部件裝配；19段是后機(jī)身，C95到C110站位，全復(fù)合材料機(jī)體，由西班牙空客工廠制造出來，運到這里與18段對接，然后共同完成模塊化安裝。兩段對接是在一個對接平臺上進(jìn)行，該平臺采用了空客慣用的做法，即框架結(jié)構(gòu)式可調(diào)整托架，由于制造容差分配得比較合理，需調(diào)節(jié)的范圍并不大[3]。

圖2 A380機(jī)身外形照相法測量

（8）部件機(jī)身對縫連接：在這個裝配車間，看到了幾年前還在實驗室的數(shù)控柔性真空無導(dǎo)軌鉆孔設(shè)備——FDHS（Flexibility Drilling Hole System），國內(nèi)稱為爬行機(jī)器人制孔系統(tǒng)。其外形約為600mm×400mm×400mm的長方形，通過兩排2×4=8只真空吸盤與機(jī)身接觸，一條直徑約50mm的控制線與操作臺連接，操作臺通過程序分別控制8只吸盤的有序活動來執(zhí)行運動動作，自身激光系統(tǒng)輔助尋找當(dāng)前型面的法向位置，進(jìn)行鉆、鉸、鍃孔，然后對孔的質(zhì)量進(jìn)行自動檢測。鉆孔時，8只真空吸盤均為吸緊狀態(tài)；移動時，邊上距離最遠(yuǎn)的4只吸盤固定不動，中間兩個吸盤沿設(shè)備中間的滑槽向運動方向移動，在下一個目標(biāo)位置固定設(shè)備，然后剛才處于真空吸緊狀態(tài)的吸盤脫開型面，由當(dāng)前吸緊的4只吸盤為支柱，帶動設(shè)備向下一個目標(biāo)移動，開始下一個循環(huán)。該設(shè)備國內(nèi)也有高校在研究，但還沒有實際應(yīng)用。

（9）部段模塊化安裝。18段和19段對接完成后，在廠房的另半面進(jìn)行模塊化系統(tǒng)安裝。盡管窄體飛機(jī)也有模塊化安裝的情況，但寬體客機(jī)對部件模塊化安裝要求更為迫切。面對巨大的機(jī)體，如果全機(jī)對接后再進(jìn)行系統(tǒng)和內(nèi)飾安裝，不但工作量巨大，耗費很長的工序時間，容易形成細(xì)脖子環(huán)節(jié)，不利于并行作業(yè)和批量生產(chǎn)，而且對于寬體客機(jī)的內(nèi)部安裝，由于空間太大，無法開展安全、有效的作業(yè)。A380是跨國組織生產(chǎn)，更需要模塊化裝配。

在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，針對內(nèi)部系統(tǒng)和內(nèi)飾件的安裝問題，空客特別設(shè)計和制造了機(jī)身內(nèi)部安裝升降裝置，因為大飛機(jī)的系統(tǒng)件和電纜組件都是以噸計量的，靠人工無法搬運和安裝。在系統(tǒng)安裝工作平臺上，凡是支撐飛機(jī)的支點處，都有紅色數(shù)碼顯示該支點的重量，有10.6t、6.8t、7.0t不等，這是為了隨時提醒被安裝對象的重心變化情況，防止意外情況發(fā)生，一旦某點發(fā)生超重現(xiàn)象，報警的鈴聲就會響起。

（10）大部件下架。A380部件裝配完成后，下架是采用吊點吊具加托架支撐的方式，由于部件要從裝配廠房運輸?shù)酱蟛考\輸機(jī)大白鯨的機(jī)位，所以采用輪系拖車運輸，而在廠房內(nèi)工位間的運輸，則采用氣墊方式運輸。

（11）大部件跨國運輸。A380幾個部件在這里安裝之后，通過空客專用大型運輸機(jī)——大白鯨，運往法國的圖盧茲進(jìn)行總裝。在這里，看到大小不同的大白鯨，一種是渦扇式運輸機(jī)，一種是渦槳式運輸機(jī)，分別執(zhí)行不同距離的運輸任務(wù)。

結(jié)束語

大飛機(jī)（也稱寬體客機(jī)）的數(shù)字化裝配，一直是國內(nèi)航空業(yè)界討論的焦點，很多人認(rèn)為，一切都以數(shù)字量來說話就是最先進(jìn)的了。先不說現(xiàn)代飛機(jī)研制中的所有問題是否都可以通過數(shù)字化來解決，就是一個國家的技術(shù)實力，也不可能全部實現(xiàn)數(shù)字化操作?？赐闍380的部件裝配和總裝裝配，給筆者的最大體會是，制造過程實現(xiàn)數(shù)字化，夠用就好；跨國生產(chǎn)的組織，協(xié)調(diào)技術(shù)是關(guān)鍵，技術(shù)是否先進(jìn)，合適就行。因此，在中國研制大飛機(jī)，要掌握3條原則，一是組織科研攻關(guān)，盡量吃透國際上的先進(jìn)飛機(jī)制造技術(shù)；二是在吸收和消化先進(jìn)技術(shù)的本質(zhì)和核心的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國國情，創(chuàng)新出適合自己的數(shù)字化裝配技術(shù)；三是通過幾代機(jī)的驗證，固化出能與國際同行平等對話的中國式數(shù)字裝配技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和體系。

[1] 李洋，桑龍.淺談飛機(jī)總裝自動化裝配生產(chǎn)線.裝備制造技術(shù)，2011(10)：132-134.

[2] 范玉青.大型飛機(jī)總裝配中的若干問題.航空制造技術(shù)，2012(1)：78-80.

[3] 王建華.飛機(jī)總裝對接技術(shù).航空制造技術(shù)，2012(2)： 32-35.