某型飛機數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)分析及在精加工生產(chǎn)線中的應(yīng)用

中航工業(yè)貴州飛機有限責(zé)任公司 田 俊 李曉青 王 亮 李凱旋 盧曉紅 陳云云

現(xiàn)代飛機的設(shè)計與制造匯集當(dāng)今各種高新技術(shù)于一體，新研飛機的技術(shù)指標(biāo)要求越來越高，對飛機整體氣動外形準確度也提出了更高的要求，而部件間結(jié)合交點的準確度是直接影響部件對接后飛機整體外形準確度的關(guān)鍵因素之一，因此飛機裝配制造技術(shù)及精加工技術(shù)也必須相應(yīng)地改進和提高，以滿足日益提高的設(shè)計要求。

為消除飛機零件制造以及部件裝配過程中的綜合積累誤差，在部件裝配完成后需對大部件的結(jié)合交點進行精加工。傳統(tǒng)的大部件結(jié)合交點精加工通常需要在大型、復(fù)雜的精加工臺上進行，該類型的精加工臺按樣件、量規(guī)協(xié)調(diào)制造，其協(xié)調(diào)、制造、使用、維護費用高，受溫度、濕度等環(huán)境影響大，通用性較差，已無法適應(yīng)未來飛機研制中多機種、小批量、并行作業(yè)的要求。

隨著數(shù)控加工精度的不斷提高，數(shù)字化檢測手段的不斷豐富，以數(shù)字量協(xié)調(diào)的精加工技術(shù)在飛機裝配中得到越來越廣泛的應(yīng)用。為了提升飛機裝配制造質(zhì)量，同時提高生產(chǎn)效率、降低制造成本，適應(yīng)多機種并行生產(chǎn)的模式，發(fā)展數(shù)字化裝配精加工生產(chǎn)線已成為必然的選擇。

本文主要論述某型飛機精加工工序由模擬量協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量協(xié)調(diào)的實現(xiàn)過程，分析了由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量協(xié)調(diào)可能遇到的生產(chǎn)問題，并運用理論數(shù)模與實物樣件對比、二次修正的方法，實現(xiàn)了產(chǎn)品的快速逆向建模。最后詳細介紹了具有在線檢測、自動調(diào)姿及數(shù)控精加工功能的數(shù)字化生產(chǎn)線實例，通過該生產(chǎn)線實現(xiàn)多機型并行制造，保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，有效地提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

1 公司的生產(chǎn)現(xiàn)狀與未來發(fā)展

公司承擔(dān)著殲擊機和教練機多種型號飛機的研制生產(chǎn)、樣機試驗以及交付試飛，具備殲擊機和教練機生產(chǎn)的基本條件和豐富經(jīng)驗。但是所有機型的部件結(jié)合交點精加工都還是采用模擬量進行協(xié)調(diào)，這種協(xié)調(diào)方式已嚴重影響和制約了飛機的生產(chǎn)任務(wù)，迫切需要改變當(dāng)前的生產(chǎn)模式，通過數(shù)字量協(xié)調(diào)的方式建成數(shù)字化生產(chǎn)線，以緩解生產(chǎn)壓力。

1.1 現(xiàn)有工藝方法的分析

公司使用現(xiàn)有工藝方法進行3大部件的精加工，主要存在以下問題：

（1）工裝的調(diào)整時間太長。目前的精加工均采用模擬量協(xié)調(diào)，精加工型架分體、獨立放置，部件的定位及調(diào)整均為人工手動進行，調(diào)整時需要多人（每個部件至少2人）配合，通過對部件的各個支撐進行手動調(diào)整，全部調(diào)整時間占精加工時間的70%左右；

（2）多機型轉(zhuǎn)換工作繁瑣。多機種之間的轉(zhuǎn)換采用標(biāo)準樣件、量規(guī)對3大部件精加工臺進行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換周期長、勞動強度大。標(biāo)準樣件、量規(guī)等標(biāo)準工藝裝備需定檢，其定檢工作繁瑣，占用資源多、勞動強度大、成本高；

（3）調(diào)整精度受到限制。調(diào)整過程都是通過人工目視檢查和讀取測量數(shù)據(jù)，通過各種規(guī)格的銷棒進行檢查、定位、檢驗，交點孔壁粗糙度的檢查采用人工目視與粗糙度樣塊進行對比；

（4）加工刀具復(fù)雜。加工刀具為專用擴孔鉆及專用鉸刀，加工步驟繁瑣，刀具種類較多，刀具管理困難，加工周期長，且受環(huán)境因素的影響較大，加工精度一般保證在 0.035～0.05mm（H8～H9）之間；

（5）由于采用實物模擬量傳遞形狀、尺寸、相對位置等幾何信息，工藝裝備的制造必須嚴格按照協(xié)調(diào)路線所規(guī)定的先后順序進行，平行作業(yè)受到很大限制[1]。

綜上所述，目前公司3大部件的精加工臺占用資源多、勞動強度大、周期長、效率低、成本高、無法再進行機型精加工的擴展。數(shù)字量協(xié)調(diào)方式是基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，取消了大量中間環(huán)節(jié)，簡化了協(xié)調(diào)路線，不同的工藝裝備可以并行制造，縮短了生產(chǎn)準備周期，降低了工藝裝備制造和使用維護成本。所以，構(gòu)建一條滿足多機型共線生產(chǎn)的數(shù)字化精加工臺勢在必行。

1.2 現(xiàn)有工藝的誤差分析

傳統(tǒng)的基于模擬量傳遞的標(biāo)準工裝都是以實物形式存在的[2]，這些工裝不僅尺寸龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且構(gòu)件的材料也不統(tǒng)一，環(huán)境溫度是一個致命的影響因素。標(biāo)準樣件、量規(guī)的材料為鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，精加工臺為鋼結(jié)構(gòu)，其中精加工臺的標(biāo)高座是預(yù)埋在混凝土中，屬于混凝土結(jié)構(gòu)，飛機部件屬于復(fù)雜的鋁合金結(jié)構(gòu)。對于熱膨脹系數(shù)，其中鋁合金的為 22～24，鋼的為 10～13，混凝土的為8～12，不考慮結(jié)構(gòu)因素，采用最簡單的計算方法，每米長度、溫差變化5℃就意味著標(biāo)準工裝之間會有0.05mm的偏差。按照公司目前的條件，要將溫差控制在±5℃以內(nèi)，只能按季節(jié)的變化選擇適時的時間和溫度實現(xiàn)，這樣標(biāo)準樣件與量規(guī)的對合、精加工臺的定檢、機型之間的轉(zhuǎn)換以及產(chǎn)品精加工都受到了很大的制約，形成了靠天吃飯的感覺，成為交付的一大瓶頸。

1.3 未來發(fā)展

隨著多機型并行生產(chǎn)和相應(yīng)機型批量生產(chǎn)訂貨的增加，公司目前的科研生產(chǎn)任務(wù)以及部件的制造都遇到了瓶頸問題，為了滿足公司未來長期發(fā)展需求，我們必須緊跟航空先進制造技術(shù)的發(fā)展，提升企業(yè)制造能力，從根本上改變傳統(tǒng)的飛機裝配制造方式，提高飛機裝配效率和裝配質(zhì)量，縮短公司現(xiàn)有飛機裝配制造周期，提升公司數(shù)字化裝配制造技術(shù)的能力和水平。公司決定用某系列教練機的大部件精加工工序作為數(shù)字化裝配生產(chǎn)線的試點，逐漸全面向飛機部件的數(shù)字化裝配技術(shù)方面發(fā)展，實現(xiàn)飛機數(shù)字化制造加工技術(shù)的突破和跨越。

2 實現(xiàn)數(shù)字化精加工的技術(shù)條件分析

通過對公司現(xiàn)有生產(chǎn)條件的分析以及公司未來發(fā)展的規(guī)劃，實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)是切實可行、也是勢在必行的。但是，目前這些機型并沒有理論數(shù)模，如何實現(xiàn)2D設(shè)計模型快速地3D數(shù)字化建模，如何保證裝配數(shù)字量與部件加工模擬量的協(xié)調(diào)共存，容差分配如何確定，這些是實現(xiàn)數(shù)字化必須要解決的問題。

2.1 數(shù)字量模型的三維建模分析

機體結(jié)構(gòu)如果采用將現(xiàn)有二維圖紙由產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字模型，將數(shù)字量與模擬量數(shù)據(jù)進行對比、擬合，并將轉(zhuǎn)換后的理論數(shù)據(jù)在生產(chǎn)中重新進行工藝設(shè)計及協(xié)調(diào)、驗證，此過程的工藝驗證周期非常漫長。目前公司的生產(chǎn)狀況不允許，結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)能力，決定采用設(shè)計理論數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，通過精加工生產(chǎn)線的試切，并與樣件進行對比驗證，對存在的差異采用二次修正補償?shù)姆椒ㄟM行鑒定，合格后對飛機實物進行加工，將最終飛機對合后的驗證固化過程取得的數(shù)據(jù)，用于飛機產(chǎn)品的數(shù)字化精加工，快速地將模擬量協(xié)調(diào)中的標(biāo)準樣件逆向轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的零件制造依據(jù)，該工藝方法主要用于與機身、機翼上各交點孔相關(guān)的零件。

2.2 數(shù)字量模型與樣件的可能誤差分析

公司目前現(xiàn)有的二維圖紙在生成時并沒有三維數(shù)模，由設(shè)計圖轉(zhuǎn)化為模線，再轉(zhuǎn)化為模板、樣件的過程中都會產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致最后實物與理論設(shè)計數(shù)模存在一定的誤差。

目前，該系列飛機是采用模擬量進行協(xié)調(diào)，在制造過程中通過實物模擬量（如樣件、量規(guī)等）傳遞形狀、尺寸、相對位置關(guān)系，由于結(jié)構(gòu)形式和協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，實物模擬量（如樣件、量規(guī)等）受環(huán)境、溫度等外界因素影響較大，飛機原始的理論數(shù)據(jù)與樣板、樣件、量規(guī)等之間可能存在較大偏差，而早期的工藝裝備等都是基于樣板、樣件、量規(guī)等制造依據(jù)，對合后再通過協(xié)調(diào)其上交點孔位置、對合面位置等，與理論位置并不重合，產(chǎn)品在裝配過程中是通過樣件來保證協(xié)調(diào)和互換的。簡單地以原始的理論數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型作為數(shù)字化的數(shù)據(jù)源，可能帶來大量裝配協(xié)調(diào)問題，因此，如何合理有效地評估并確定有效數(shù)據(jù)模型，將會是該系列飛機數(shù)字化協(xié)調(diào)精加工的主要問題。

3 精加工工藝流程再造

基于上述大部件精加工臺的加工狀態(tài)分析，為了實現(xiàn)和滿足當(dāng)前公司飛機數(shù)字化裝配制造的需求，從根本上改變傳統(tǒng)的飛機精加工制造方式，提高飛機大部件結(jié)合交點精加工效率和質(zhì)量，縮短公司現(xiàn)有飛機裝配制造周期，公司研制出一套工藝性好、效率高、性能穩(wěn)定可靠的大部件數(shù)字化精加工專用系統(tǒng)，重點解決飛機大部件的調(diào)姿，機身機翼交點孔/面的加工、起落架交點孔/面的加工、對和面/孔的加工，機身機翼測量點的打制。通過該系統(tǒng)有效地提升裝配精度，穩(wěn)定加工質(zhì)量，緩解生產(chǎn)壓力，并使數(shù)字化精加工系統(tǒng)能夠在今后的生產(chǎn)中適應(yīng)于多種機型。

為了適應(yīng)這種新的數(shù)字量協(xié)調(diào)工藝模式，大部件的精加工協(xié)調(diào)、加工、調(diào)姿、測量方式等均會發(fā)生改變，因此，需對精加工的工藝流程進行改造。

3.1 制造依據(jù)的確定

精加工生產(chǎn)系統(tǒng)由原來傳統(tǒng)的模擬量協(xié)調(diào)加工轉(zhuǎn)化為數(shù)字量協(xié)調(diào)加工，其制造依據(jù)同樣需要改為數(shù)字量?？紤]到公司后續(xù)的發(fā)展需要及精加工工序前的大部件裝配協(xié)調(diào)方法的轉(zhuǎn)換，數(shù)字化精加工生產(chǎn)線的制造采用理論數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的模式，并將標(biāo)準樣件轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量與理論數(shù)據(jù)進行對比，并修正補償。目前公司生產(chǎn)準備任務(wù)繁重，在短時間內(nèi)完成大部件標(biāo)準樣件的對合及逆向建模工作的能力不足，由此確定數(shù)字化精加工生產(chǎn)線的制造依據(jù)，由產(chǎn)品設(shè)計依據(jù)二維圖紙計算出精加工系統(tǒng)所需的制造依據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化模型，用于數(shù)字化精加工生產(chǎn)線的先行制造。待數(shù)字化精加工生產(chǎn)線安裝后，將標(biāo)準樣件置于精加工系統(tǒng)中進行調(diào)姿、測量提取與制造依據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化模型，與理論數(shù)據(jù)及實物測量數(shù)據(jù)進行對比分析，得出理論數(shù)據(jù)與樣件提取的數(shù)據(jù)的差別，通過試驗機及3架次的產(chǎn)品加工的驗證是否能將此誤差加工掉，然后對理論數(shù)據(jù)進行二次修正和補償，通過修正和補償后的數(shù)據(jù)作為精加工的制造依據(jù)，數(shù)字化精加工生產(chǎn)線制造依據(jù)提取的工藝過程如圖1所示。

3.2 零件制造工藝容差的分配

在飛機裝配過程中，無論是數(shù)字量協(xié)調(diào)還是模擬量協(xié)調(diào)，零件的制造及裝配過程均存在制造誤差，合理地進行工藝容差的分配，不但減輕了修配工作量，還保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了飛機制造工藝水平，同時簡化了工藝裝備，縮短了生產(chǎn)準備周期，也保證了飛機裝配準確度及裝配質(zhì)量。

圖1 精加工生產(chǎn)制造依據(jù)的提取工藝過程Fig. 1 Drawing process of finish machining production reference

制造誤差的積累，使形成大部件后各交點孔的孔位與理論數(shù)據(jù)存在一定的偏差，為消除裝配誤差積累，在零件加工階段需在各交點孔預(yù)留固定的加工余量[3]。此種工藝容差的分配與模擬量協(xié)調(diào)的精加工生產(chǎn)線是一致的，如在部件調(diào)整過程中，出現(xiàn)交點位置偏差過大，會導(dǎo)致在加工余量范圍內(nèi)無法完成孔的糾偏。根據(jù)部件調(diào)整測量結(jié)果確定交點孔實際位置與理論位置的偏差，此偏差值在實際孔位偏移到圖紙允許的極限位置時最大，因此孔的預(yù)留加工余量應(yīng)能包含住孔偏移到極限位置時的偏心量，才能保證加工完成后初孔無殘留。因精加工的協(xié)調(diào)方法及加工工藝方法的改變，為保證加工質(zhì)量及驗證預(yù)留的加工預(yù)留合理，采用數(shù)字化精加工生產(chǎn)線加工產(chǎn)品前，在試驗機上壓入與各交點相同材料及孔徑的工藝襯套進行試加工，合格后方可加工產(chǎn)品；如不合格則對工藝襯套的預(yù)留加工余量進行二次分配及試驗機重新調(diào)整，直至加工合格，通過試加工，尋找出較合理的工藝容差分配量。

近幾年，我公司承接了各種類型的飛機制造業(yè)務(wù)，無論是在數(shù)控加工、模線繪制、工裝設(shè)計和制造上都積累了大量的經(jīng)驗。針對零件制造中對接面及套合面的外形容差，摸索出了一套比較合理的工藝容差分配。為了減小裝配誤差，降低裝配過程中的修合工作量，減小裝配應(yīng)力，改善水平測量值的穩(wěn)定性和一致性，對機體結(jié)構(gòu)的機加套合件工藝容差進行了重新分配，即各套合零件的下陷深度公差按mm制造，套合端面縮短0.2mm（見圖2）。

為了提高生產(chǎn)效率，減小零件制造誤差及裝配誤差，使部件到達精加工工序時的制造誤差積累最小化，公司后續(xù)將對整個飛機的機加零件采用數(shù)控加工的方法，同時將零件及部件的制造加工依據(jù)逐步轉(zhuǎn)換為數(shù)字量協(xié)調(diào)。

圖2 零件套合容差分配示意圖Fig. 2 Distribution diagram of part register differences

3.3 數(shù)字化精加工生產(chǎn)線的工藝方案

根據(jù)公司現(xiàn)有的生產(chǎn)能力和條件，針對數(shù)字化精加工生產(chǎn)線重新制定了生產(chǎn)工藝方案，具體工藝流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字化精加工工藝流程圖Fig. 3 Flow diagram of digital finish machining process

在新的工藝流程中完全放棄了傳統(tǒng)的模擬量工具，從部件入位、姿態(tài)調(diào)整、交點孔加工、質(zhì)量檢驗全部都是通過測量系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)，并且與理論數(shù)據(jù)進行對比，大大提高了協(xié)調(diào)效率。

4 基于數(shù)字量協(xié)調(diào)的精加工生產(chǎn)線應(yīng)用

基于數(shù)字量協(xié)調(diào)的精加工生產(chǎn)線如圖4所示，主要用于加工前機身、后機身、機翼3大部件上的機翼機身對合交點的精加工、前起落架和主起落架轉(zhuǎn)軸孔的精加工、前后機身對合螺栓孔的精加工及對合端面銑切、前后機身對合蒙皮的切割、水平測量點的打制。整個工作區(qū)域分為2個部分：機身工位（前后機身調(diào)姿及精加工區(qū)域）；機翼工位（左右機翼調(diào)姿及精加工區(qū)域）。整套系統(tǒng)含精加工設(shè)備、調(diào)姿設(shè)備、測量設(shè)備、控制管理系統(tǒng)、輔助工作梯。根據(jù)功能要求和性能要求，管理軟件由7大模塊構(gòu)成，在基于工業(yè)以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)對各底層設(shè)備集成控制、裝配現(xiàn)場的可視化管理和監(jiān)控、協(xié)調(diào)完成飛機部件入位、測量、調(diào)姿、精加工及被加工對象的檢測等工藝過程。輔助工作梯用于操作人員在測量及加工時的位置可達性。

圖4 數(shù)字量協(xié)調(diào)的精加工生產(chǎn)線總體布置示意圖Fig.4 Layout diagram of digital quantity coordination finish machining production line

理論數(shù)模作為調(diào)姿標(biāo)準，將關(guān)鍵檢測點設(shè)定為調(diào)姿目標(biāo)值，將合理的容差值賦予每一個檢測點，形成三維容差球。通過激光跟蹤儀等測量系統(tǒng)對當(dāng)前架次飛機的檢測點進行實時檢測，將各點與理論值的差值讀入調(diào)姿控制軟件，采用虛擬多軸的路徑算法，自動生成西門子系統(tǒng)可讀的G代碼，由控制系統(tǒng)驅(qū)動一組三坐標(biāo)定位器，通過這組數(shù)控定位器的協(xié)同多軸聯(lián)動實現(xiàn)飛機部件的六自由度調(diào)整，直至滿足公差要求，完成飛機姿態(tài)的調(diào)整。在飛機部件姿態(tài)調(diào)整完成后，精加工系統(tǒng)按照理論數(shù)模的確切位置對飛機部件交點進行孔面的加工。

生產(chǎn)線采用數(shù)控定位器、柔性工裝和剛性托架進行機身和機翼的定位，如圖5所示，對不同的機型，只需調(diào)整柔性過渡工裝就可以實現(xiàn)各機型的快速轉(zhuǎn)換，使機型之間的轉(zhuǎn)換操作簡單、快捷，能夠輕松實現(xiàn)多機型共用。生產(chǎn)線精加工專用設(shè)備采用數(shù)控機床，機身機翼同用2套數(shù)控定梁動柱龍門銑，如圖7所示，前起落架轉(zhuǎn)軸孔專用數(shù)控機床，如圖6所示，并針對翼身各交點的特性設(shè)計出相應(yīng)的銑頭；各交點孔的加工采用鏜孔的形式，加工孔時無需更換刀具，加工精度能夠達到0.02mm。根據(jù)各交點孔的結(jié)構(gòu)形式，采用不同的專用銑頭，設(shè)計出相應(yīng)的數(shù)控程序，達到自動更換銑頭和數(shù)控加工。

通過3架機來驗證數(shù)字化精加工生產(chǎn)線的數(shù)字量協(xié)調(diào)依據(jù)、零件制造時的工藝容差分配、精加工工藝流程設(shè)置等的合理性，并對相應(yīng)的工藝進行再次修正和補償，形成最終的合理工藝，實現(xiàn)多機型從模擬量加工制造到數(shù)字化加工制造的技術(shù)突破和跨越。

圖5 過渡托架示意圖Fig.5 Transition bracket diagram

圖6 前起交點精加工機床Fig.6 Finish machining machine tool for nose landing gear intersection point

圖7 機身、機翼精加工機床Fig.7 Finish machining machine tool for fuselage and wing

5 結(jié)束語

通過數(shù)字化精加工生產(chǎn)線的實施，可以為公司數(shù)字化制造、智能化制造奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)，拉動現(xiàn)有模擬量機型的數(shù)字化制造和智能化制造能力的轉(zhuǎn)化和提升，解決生產(chǎn)瓶頸，同時數(shù)字化精加工適應(yīng)多機型交叉進行精加工，能夠保障新機研制工作并行開展，適應(yīng)未來科研生產(chǎn)的發(fā)展需要。數(shù)字化交點精加工是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要在傳統(tǒng)模擬量飛機上實現(xiàn)數(shù)字化精加工，還有一些關(guān)鍵問題有待驗證和解決，如全機數(shù)字化建模,模擬量協(xié)調(diào)的工藝裝備向數(shù)字化工藝裝備的轉(zhuǎn)化等問題。

[1] 高紅.飛機大部件結(jié)合交點精加工.航空制造技術(shù),2010(23):27.

[2] 唐水龍,盧鵠.飛機裝配數(shù)字化協(xié)調(diào)與模擬量協(xié)調(diào)的對比分析.航空制造技術(shù), 2012(10):26.

[3] 程寶蕖.飛機制造協(xié)調(diào)準確度與容差分配. 北京:航空工業(yè)出版社, 1987.