C919大型客機垂尾生產(chǎn)線先進裝配技術(shù)

中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司 張立安 劉 軍

由于大型客機長壽命、高可靠性的設計要求，對機身結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量有較高的要求，使得飛機技術(shù)向高質(zhì)量、精確化方向發(fā)展?，F(xiàn)代飛機制造必須走優(yōu)質(zhì)、高效、精密、環(huán)保和低成本的工藝總技術(shù)路線，必須應用自動化裝配、柔性制造等技術(shù)。特別是通過引進國外先進的自動制孔系統(tǒng)及鉚接裝配生產(chǎn)線，可以大力開展對國外先進飛機自動化制造技術(shù)的研究，學習和積累國外先進技術(shù)及工藝方法，并結(jié)合大型飛機的研制實踐，大力提高我國的飛機制造技術(shù)。

鑒于我國在大型飛機的研制過程中的總體技術(shù)要求和工藝總方案的要求，C919垂直尾翼的裝配生產(chǎn)線按照國際標準，采用國際招標的方式建設了數(shù)字化、自動化的裝配線，在生產(chǎn)線的建設中大量應用了國際先進裝配技術(shù)，在此對生產(chǎn)線的先進裝配技術(shù)進行簡要的總結(jié)，以便國內(nèi)航空制造企業(yè)進行借鑒。

基于MBD的工裝設計和工裝的模塊化

基于模型的數(shù)字化定義（MBDModel Based Definition）技術(shù)是基于產(chǎn)品的數(shù)字化定義模型，將詳細的產(chǎn)品尺寸、公差標注、工藝信息、技術(shù)要求及屬性特征等注釋在產(chǎn)品的三維模型中。國外航空制造業(yè)對MBD技術(shù)的應用起步較早，研究比較充分，應用范圍也比較廣泛。而國內(nèi)在MBD技術(shù)的應用方面，只有新研制的部分航空產(chǎn)品在工程設計上應用了MBD技術(shù)，而以MBD為核心的工藝設計、工裝設計和產(chǎn)品制造中還處于以2D圖紙配合3D模型的方式，沒有形成以MBD為核心的制造模式。

雖然MBD技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展和應用了很長時間，但是在工藝裝備的設計上，國內(nèi)航空制造企業(yè)限于生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)字化手段的落后，傳統(tǒng)的管理習慣和方式，造成工裝制造部門更喜歡使用2D圖紙，因此大大限制了我國工裝設計中MBD技術(shù)的應用和發(fā)展。目前，國外公司已經(jīng)普遍采用了MBD技術(shù)進行工裝的設計，工裝設計部門與生產(chǎn)現(xiàn)場安裝有數(shù)字化傳輸網(wǎng)絡，工裝設計部門可以實時地將工裝設計模型以及設計更改傳輸?shù)缴a(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)字化終端，配合標準的程序作業(yè)管理文件，工裝制造部門隨時掌握工裝的設計進度和更改情況，配合現(xiàn)場數(shù)字化的測量設備，及時安裝和實施設計更改，大大提高了工裝的制造進程和制造質(zhì)量。

國外飛機裝配工裝設計和制造技術(shù)的發(fā)展思路多來源于汽車生產(chǎn)線技術(shù)，很多的制造廠在從事航空配套之前從事過多汽車生產(chǎn)線的配套業(yè)務，因此在飛機裝配工裝的設計上開發(fā)了很多標準化的工裝模塊，而對于飛機裝配線的集成商來說，只需要按照裝配方案和工裝設計方案開發(fā)工裝的基礎(chǔ)框架，其他工裝組件選用現(xiàn)成的工裝模塊即可，因此大大提高了工裝的設計及制造進度。

基于機器人的自動制孔技術(shù)

大型飛機對外形準確度要求很高，機身結(jié)構(gòu)要求壽命周期長，因此對機身結(jié)構(gòu)的制孔和鉚接質(zhì)量有較高的要求。在現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)中，復合材料的應用比例逐漸提高，由于復合材料在制孔和鉚接方面技術(shù)要求的特殊性，以人力為主的手工制孔和鉚接已經(jīng)不能適應現(xiàn)代航空制造質(zhì)量的要求，因此國外先進航空制造企業(yè)大力開發(fā)和應用自動化制孔技術(shù)。

國外飛行器結(jié)構(gòu)所應用的柔性自動化制孔技術(shù)主要有機器人制孔、自動進給鉆制孔、柔性機器人制孔、并聯(lián)機床制孔、便攜式自動制孔系統(tǒng)等幾個方面。

制孔精度補償主要有兩種方法：一種是在末端執(zhí)行器上加裝各類測量傳感器，實現(xiàn)機器人全局與局部網(wǎng)格實時補償?shù)娜]環(huán)控制；另一種是通過激光跟蹤儀構(gòu)建一個外部高精度的在線機器人位置反饋系統(tǒng)，此系統(tǒng)提供機器人在線位置反饋，通過標定的方法來提高機器人的絕對定位和重復定位精度。

在C919垂尾生產(chǎn)線的設計過程中，根據(jù)不同的自動制孔設備在空間需求、設備柔性、工作可達性、設備投資、設備可操作性、孔位精度指標、以及設備可擴展性等性能指標，對目前市場上的自動鉆孔設備進行對比分析，最終選擇MRP自動制孔機器人設備。通過MRP自動制孔機器人FasTIP、BA-OLPS等軟件，創(chuàng)建仿真環(huán)境，編制機器人路徑點信息，生成加工序列，優(yōu)化機器人路徑點，設置機器人點位信號，仿真機器人運動過程，最終生成機器人離線程序。

基于3DCS的尺寸控制技術(shù)

在國內(nèi)飛機設計和制造過程中，容差分配理論研究主要基于數(shù)值分析與公式計算，其應用需要技術(shù)人員具有一定的數(shù)學基礎(chǔ)，因此在航空制造企業(yè)內(nèi)開展有一定的困難。一般情況下，國內(nèi)航空制造企業(yè)對于容差分配方案，只限于比較簡單的極值法，技術(shù)人員根據(jù)企業(yè)自身的制造能力，結(jié)合自身的經(jīng)驗，對設計容差進行簡單的分配。因此，我國的飛機容差控制和分配技術(shù)基本處于比較原始的狀態(tài)，在一定程度上限制了我國飛機制造質(zhì)量的提升。

在國外，有專業(yè)的尺寸管理工程研究，有很多軟件開發(fā)商開發(fā)出優(yōu)秀的商用軟件進行尺寸偏差分析與優(yōu)化。目前，國外先進的尺寸偏差分析商用軟件主要有VSA、CETOL和3DCS等軟件，其中3DCS是為尺寸工程提供解決方案的領(lǐng)先軟件產(chǎn)品。

3DCS軟件強調(diào)數(shù)字化裝配的變化和模擬，能更準確地確定和傳達裝配需求。3DCS公差分析軟件作為Dassault系統(tǒng)中一個“成熟的”工具，將公差分析融入到CATIA V5可視化環(huán)境下，不但可以進行偏差分析，而且能夠?qū)Τ叽绶治鼋Y(jié)果進行優(yōu)化。3DCS軟件在尺寸分析中，分析對象是由許多零件組成的裝配體，分析目標是零件或裝配件整體的尺寸變化。當許多零件裝配在一起的時候，零件尺寸變化可以從一個層級裝配體傳遞到另外一個層級，每個零件的尺寸變化將會影響整個裝配體的尺寸。3DCS軟件可以執(zhí)行極值法、Monte Carlo法、六西格瑪、Geo-Factor模擬等多種模擬仿真方法，在模擬分析中，可以輸出Excel和Html文件格式的仿真結(jié)果，用戶可以對比設計目標值和仿真分析結(jié)果，也可以比較在不同的尺寸管理方案下的模擬輸出仿真結(jié)果。它能幫助用戶發(fā)現(xiàn)對問題影響最大的因素。在分析結(jié)果中，會根據(jù)公差對結(jié)果影響的大小對公差進行排序。這樣的話，用戶就能夠比較容易地找到對問題影響最大的因素。

在C919垂尾生產(chǎn)線設計中，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模中給定的工程設計容差要求及工程文件技術(shù)要求，利用3DCS尺寸控制軟件，按照產(chǎn)品的裝配流程，對裝配件中重點的外形輪廓度要求、垂直安定面與方向舵對合鉸鏈的同軸度進行了尺寸分析與優(yōu)化，輸出零件容差要求和工裝容差要求，保證產(chǎn)品制造與裝配最終符合工程設計的要求（圖1）。

基于激光跟蹤儀的數(shù)字化測量

C919垂尾部件的數(shù)字量化測量主要使用激光跟蹤儀設備。目前，瑞士LEICA 公司推出其第五代激光跟蹤儀AT901 系列，第五代激光跟蹤儀測量速度更快、更方便。該設備適用于飛機外形及大型復雜夾具或型架上空間尺寸和目標點的精確測量，能進行尺寸測量與誤差評價、形位公差計算與評價，能對測量范圍內(nèi)移動目標進行跟蹤檢測，測量結(jié)果與分析報告能圖示化顯示與輸出，測量的原始數(shù)據(jù)和分析報告皆能按通用的幾何和文本格式輸出。

C919垂直安定面的外形測量技術(shù)方案：第1步，設置激光跟蹤儀，建立工裝坐標系。鑒于垂直安定面的外形比較規(guī)則的特點，采用外加基準板或采用飛機制造基準面方式確定測量坐標系，在其上選取3個以上基準點建立測量坐標系。第2步，測量型面，首先導入數(shù)模，在測量軟件圖形顯示界面上，定義部位的幾何公差和尺寸公差。使用反射球在垂直安定面蒙皮表面接觸均勻劃過，通過它的空間運動軌跡來反映空間曲面。測量點越密，說明曲面的形位越接近實際曲面，而測量點的疏密是通過測量軟件來設定的。例如設定參數(shù)為2mm, 則在與前一點空間距離2mm處采集第二個點，通過這樣的方法就得到了空間曲面的坐標。根據(jù)現(xiàn)場測量經(jīng)驗，在對曲率變化較大的曲面進行測量時，應使跟蹤頭水平，垂直角度變化范圍最小，這是因為根據(jù)儀器自身特點，影響測量精度的最大因素在于它的測角，其測量誤差要大于測距誤差。 通過掃描垂尾上的反射器在設定間隔（例如100mm） 采集樣本數(shù)據(jù)，建立垂尾表面二維網(wǎng)格得到每個采樣點在飛機坐標系下的坐標，獲得與理論值的偏差。實際測量值形成點云后擬合成曲面，把實際測量結(jié)果與數(shù)模比較，按照偏差數(shù)據(jù)生成彩色溫差圖，表示測量結(jié)果，計算測得的幾何元素間的相對位置關(guān)系（距離、角度等），查看關(guān)鍵部位的特征符合情況（尺寸公差和幾何公差）。

C919方向舵鉸鏈接頭軸心測量技術(shù)方案：通過激光跟蹤儀，測量方向舵夾具上的工具球在飛機坐標系下的坐標（圖2）。首先測量各鉸鏈孔中鳥巢反射器位置，然后測量連接面上4個點坐標，建立鉸鏈平面（通過反射器半徑轉(zhuǎn)化）。鉸鏈孔位置是鳥巢點與平面的交匯點。得到每個孔的在飛機坐標系下的坐標，確定在理論模型上的偏差。得到各鉸鏈點位置最佳擬合成直線，通過激光跟蹤儀測量得到每個鉸鏈點的位置坐標，根據(jù)實際鉸鏈點的坐標，通過最佳擬合，計算直線。

圖1 3DCS偏差仿真分析報告

圖2 方向舵測量方法示意圖

結(jié)束語

大型客機垂尾結(jié)構(gòu)自動化裝配技術(shù)的實現(xiàn)應從設計和制造兩個方面加以綜合考慮，建立飛機自動化制造裝配系統(tǒng)，應結(jié)合現(xiàn)有零件制造精度、飛機結(jié)構(gòu)特點和裝配工藝能力，綜合考慮國內(nèi)現(xiàn)有飛機的制造能力、批產(chǎn)數(shù)量及制造技術(shù)水平，立足國內(nèi)，有選擇性地吸收和引進國外先進制造技術(shù)，促進我國飛機制造技術(shù)發(fā)展。

總之，數(shù)字化、自動化和柔性化是當前國外飛機制造技術(shù)發(fā)展的重要方向，其發(fā)展程度體現(xiàn)了一個飛機制造企業(yè)的技術(shù)水平，也是國內(nèi)飛機制造企業(yè)的發(fā)展方向。飛機自動化裝配技術(shù)的應用，不但能大大縮短飛機的研制和制造周期，而且能夠快速提高飛機的制造質(zhì)量，大力推動和加速提升我國大型客機的制造水平。