大型飛機壁板組件先進裝配技術(shù)

（沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽 110136）

隨著自主研發(fā)與制造大型飛機項目的順利開展，引進國際化航空先進制造技術(shù)的同時，我國大型飛機數(shù)字化裝配技術(shù)得以快速發(fā)展。大型飛機具有壁板組件曲面復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、空間較開敞、氣動布局穩(wěn)定性和組件裝配質(zhì)量要求高等特點，對先進裝配技術(shù)的需求迫在眉睫。

由于壁板組件裝配的質(zhì)量要求與本身結(jié)構(gòu)特點，國外各大飛機制造廠采用壁板組件先進裝配技術(shù)，如波音、空客、法航及龐巴迪等大型軍民用飛機的機身與機翼壁板組件、翼梁組件等廣泛采用了先進裝配工藝、自動鉆鉚、柔性裝配及裝配仿真分析等技術(shù)，快速實現(xiàn)并完成了壁板組件高質(zhì)量、高效率及低成本的裝配。面對航空企業(yè)競爭日益激烈的國際形勢，我國在研制大型飛機壁板組件數(shù)字化裝配系統(tǒng)時需要綜合考慮裝配效率、系統(tǒng)柔性、設(shè)備成本等因素[1]。飛機壁板組件數(shù)字化、自動化的裝配應(yīng)用研究較為廣泛，隨著技術(shù)引進與柔性工藝裝備的研發(fā)，壁板組件裝配已經(jīng)初步應(yīng)用自動鉆鉚系統(tǒng)。

本文討論自動鉆鉚機與柔性工裝集成鉚接裝配壁板組件技術(shù)，并闡述壁板組件快速裝配過程中仿真技術(shù)的應(yīng)用，以期為大型飛機壁板組件快速精確裝配和大部件裝配技術(shù)研究提供參考。

壁板組件裝配先進工藝設(shè)計系統(tǒng)

目前在大型飛機新型號研制中，裝配工藝設(shè)計采用MBD技術(shù)，即通過三維模型表達設(shè)計意圖，在三維模型上標注尺寸、定義公差、注釋加工信息等，取消傳統(tǒng)的二維圖樣[2]。針對飛機壁板組件裝配工藝而言，由于壁板、長桁及隔框等零組件裝配曲度大、結(jié)構(gòu)開敞等自身特點，單純通過二維圖紙和傳統(tǒng)的三維數(shù)模表達很難完成裝配工藝規(guī)劃的準確實施，而壁板組件裝配工藝又是分塊壁板對接及飛機大部件對接裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其裝配工藝設(shè)計與精確的實施較重要。新型號飛機壁板裝配先進工藝設(shè)計改變傳統(tǒng)的剛性工裝裝配產(chǎn)品的工藝流程設(shè)計或采用典型的剛性工裝對壁板預(yù)裝配，使用自動鉆鉚機完成壁板組件鉚接裝配。采用基于PDM一體化三維工藝設(shè)計方案，實現(xiàn)基于MBD的壁板組件裝配工藝規(guī)劃、詳細設(shè)計及指令開發(fā)，使得裝配工藝流程設(shè)計通過MBD技術(shù)一體化集成平臺完成[3]。

新型號飛機壁板裝配先進工藝（圖1）采用預(yù)裝配與全自動鉆鉚機相結(jié)合的工藝流程方案，基于PDM的一體化三維工藝設(shè)計采用三維CAPP系統(tǒng)作為先進裝配工藝方案的編制工具，三維CAPP編制的壁板組件裝配工藝界面包括壁板零組件及工藝裝備結(jié)構(gòu)化參數(shù)信息、裝配工藝流程、裝配輕量化模型、裝配使用柔性工裝及自動鉆鉚機型號、實物圖片及容差分配的方式等可視化信息通過PDM系統(tǒng)平臺集成管理。同時壁板組件裝配三維工藝數(shù)據(jù)通過與自動鉆鉚機、柔性工裝及數(shù)字化測量設(shè)備等制造執(zhí)行系統(tǒng)銜接，可以將輕量化模型發(fā)布到數(shù)字化、柔性化生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)中，壁板組件裝配現(xiàn)場的操作者可以通過數(shù)字化生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的人機交互界面，瀏覽可視化3D工藝流程，執(zhí)行裝配操作。

壁板組件裝配先進工藝設(shè)計系統(tǒng)主要包括工藝設(shè)計軟件，裝配工藝設(shè)計數(shù)據(jù)采集、流程管理及與三維CAPP、MES與ERP的集成系統(tǒng)。通過PDM集成系統(tǒng)完成工藝流程設(shè)計，工藝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對裝配工藝數(shù)據(jù)進行EBOM管理，將采集的數(shù)據(jù)進行PBOM/MBOM/AO/FO數(shù)據(jù)管理，完成工藝流程仿真干涉檢驗，將問題反饋至工藝設(shè)計更改系統(tǒng)進行修改，設(shè)計更改PBOM時PDM系統(tǒng)能夠自動提示工藝編制人員進行工藝優(yōu)化修改。壁板組件工藝設(shè)計人員可從PDM系統(tǒng)直接啟動工藝編輯環(huán)境進行編輯工作。壁板組件裝配工藝編輯環(huán)境直接利用PDM系統(tǒng)管理的PBOM/MBOM相關(guān)信息及三維設(shè)計模型/工藝模型及自動鉆鉚機等產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行工藝設(shè)計工作，完成工藝文件的編輯與裝配工藝流程界面自動關(guān)聯(lián)。工藝編輯環(huán)境直接利用PDM系統(tǒng)中的輕量化模型進行可視化數(shù)據(jù)的重組和存儲。通過先進工藝設(shè)計系統(tǒng)對工藝數(shù)據(jù)發(fā)放與接收，并通過工藝數(shù)據(jù)的執(zhí)行系統(tǒng)進行工藝流程執(zhí)行，當遇到不同機型壁板時，選用相應(yīng)的柔性工裝與自動鉆鉚設(shè)備，調(diào)用輔助測量設(shè)備及相關(guān)設(shè)備進行精準裝配，便于壁板組件裝配批量生產(chǎn)。該工藝設(shè)計系統(tǒng)能對先進裝配工藝流程信息和可視化文件進行同步存儲和管理，當設(shè)計數(shù)據(jù)發(fā)生更改時，能自動提醒工藝設(shè)計人員及時更改，以及更改相關(guān)數(shù)據(jù)與可視化仿真文件，實現(xiàn)壁板組件從工藝設(shè)計到柔性裝配數(shù)據(jù)的一體化集成。

圖1 壁板組件裝配先進工藝設(shè)計Fig.1 Advanced process design for panel component assembly

壁板組件先進自動鉆鉚技術(shù)

隨著工業(yè)4.0智能化技術(shù)的到來，數(shù)字化、自動化裝配技術(shù)已經(jīng)成為飛機制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。國外軍、民用飛機制造公司將飛機裝配過程中的自動鉆鉚機技術(shù)作為一項重要的核心技術(shù)，已經(jīng)成熟應(yīng)用于飛機壁板及大梁裝配，后期已在飛機大部件對接裝配中使用柔性機器人自動鉆鉚技術(shù)[4]。圖2為實現(xiàn)壁板組件自動鉆鉚裝配不同類型的自動鉆鉚機。目前各國使用的自動鉆鉚系統(tǒng)主要有:（1）柔性機器人自動鉆鉚技術(shù)。該鉆鉚機通過協(xié)同機器人對機身壁板進行定位，利用全自動鉆鉚系統(tǒng)實現(xiàn)壁板鉆孔和鉚接，同時系統(tǒng)配備有鉚釘自動篩選裝置，可識別和傳送不同規(guī)格的鉚釘，輔助配置涂膠槍，實現(xiàn)不同連接工藝涂膠，可應(yīng)用于飛機機翼壁板、機身壁板、艙口與尾翼等鉚接裝配，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在波音787飛機的鉆鉚與涂膠工藝中[5]。（2）電磁鉚接技術(shù)。該技術(shù)具有鉚接效率高、連續(xù)噪聲低、能量利用率高等特點，可將桁條快速連接到機翼壁板上，并可鉚接裝配部分壁板對接帶板上的緊固件，通常用于機翼壁板鉚接裝配。（3）虛擬五軸自動鉆鉚技術(shù)。該技術(shù)由運動滑軌、虛擬五軸模塊和自動鉆鉚終端等組成，一次裝夾可加工6個面，主軸可反向加工且加工區(qū)域大，移動速度較快且動態(tài)響應(yīng)高，具有高剛性、靈活性的特點，通常使用在表面不規(guī)則的多層有縫隙結(jié)構(gòu)（復(fù)合材料）、鋁或鈦金屬的壁板快速自動鉆鉚。（4）C/D型自動鉆鉚技術(shù)。這兩種類型自動鉆鉚技術(shù)都具有獨特性，在高速運行的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)托架與鉆鉚機基體精確定位移動，旋轉(zhuǎn)托架保持穩(wěn)定與可重復(fù)，上鉚接頭與下鉚頭橫向安裝可隨壁板使用鉚釘?shù)姆N類不同隨時更換，通過輔助工裝的設(shè)計可以裝配機身壁板、機翼壁板及框梁類等產(chǎn)品。

在進行飛機壁板組件自動鉚接裝配過程中，將飛機壁板組件放置在與鉆鉚機圍框相結(jié)合的工裝上，選擇鉆鉚試板對鉆頭、鉚頭及鉚釘試鉆，調(diào)整工裝到指定位置自動調(diào)平，進行鉆孔/注膠/壓鉚循環(huán)。在工作循環(huán)過程中將壓力腳襯套下行到工件表面，數(shù)據(jù)反饋主機啟動鉆軸旋轉(zhuǎn)并向下行進時下鉚頭上升，下鉚模夾緊套接觸到飛機壁板表面，送釘器將一個鉚釘推送到上鉚模組件的送釘器指夾中，啟動吹屑裝置。由控制系統(tǒng)在蒙皮壁板上方預(yù)設(shè)適當?shù)母叨仁广@頭空轉(zhuǎn)，直到壁板被夾緊。夾緊后，鉆軸按照設(shè)定的進給率向下行進并鉆孔及锪窩。當鉆頭退出壁板鉆孔表面，吹屑裝置停止工作，上鉚頭轉(zhuǎn)換到壓鉚工位，下鉚頭向上移動到鉚釘插入點，上鉚頭向下移動將鉚釘插入鉆孔內(nèi)。通過鉚頭檢測系統(tǒng)檢測鉚釘是否傾斜或鉚釘長度是否合適，檢測合格下鉚頭開始向上升起。下鉚頭內(nèi)的鉚模接觸到鉚釘尾部，按照設(shè)定的鐓鉚力或定位鉚接點擠壓鉚釘，將鉚釘壓到預(yù)定的高度完成鉚接，下鉚頭開始回撤到行程起始位置，松開飛機壁板夾緊。下鉚頭松開夾緊后，啟動上鉚頭回縮，上工作頭轉(zhuǎn)換到制孔工位，切換到鉆削工位后，啟動壓力腳回縮，完成銑平，壁板組件鉆鉚循環(huán)完成。

圖2 用于壁板組件裝配的自動鉆鉚機Fig.2 Automatic drilling and riveting machine applied in panel component assembly

柔性工裝先進裝配技術(shù)

目前國外壁板組件從預(yù)裝配到自動鉆鉚機鉆鉚裝配實現(xiàn)柔性工裝集成裝配，即對壁板、長桁及隔框?qū)崿F(xiàn)柔性裝配連接，從而將壁板組件工裝直接與自動鉆鉚機相結(jié)合，減少工裝二次定位誤差[5]。國內(nèi)部分航空制造企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)機翼與機身部分壁板的柔性裝配，但只是單純的壁板組件裝配或與機器人制孔機結(jié)合實現(xiàn)壁板組件裝配自動制孔，完成壁板組件的預(yù)裝配，將預(yù)裝配壁板組件二次定位自動鉆鉚機工裝，并沒有實現(xiàn)壁板組件柔性工裝與自動鉆鉚機工裝的集成[6]。針對壁板組件預(yù)裝配工裝設(shè)計面向自動鉆鉚機的壁板組件裝配柔性工裝，實現(xiàn)預(yù)裝配工裝與自動鉆鉚機柔性工裝的集成，可減少二次定位誤差，加快壁板組件裝配。

壁板組件柔性工裝主要針對壁板類組/部件裝配，實現(xiàn)與自動鉆鉚機柔性工裝的集成鉆鉚裝配，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要由硬件和軟件組成。硬件主要包括與自動鉆鉚機集成的多個模塊化工裝結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字化先進測量設(shè)備等；軟件主要包括裝配仿真軟件和優(yōu)化計算軟件、控制軟件及測量軟件等[7]。壁板組件先進裝配柔性工裝組成如圖3所示。

典型壁板組件在剛性預(yù)裝配工裝上手工鉚接部分零/組件完成壁板組件初裝配，將壁板預(yù)裝配組件安裝至自動鉆鉚機進行鉆鉚連接，這種連接裝配使得人工鉚接與二次定位誤差較大。壁板組件柔性工裝先進裝配技術(shù)采用數(shù)字化先進裝配仿真、先進誤差補償控制系統(tǒng)及在線測量仿真軟件，結(jié)合自動鉆鉚機模塊化柔性工裝與預(yù)裝配工裝集成，通過先進在線測量技術(shù)將預(yù)裝配完成的壁板組件通過工裝底座與關(guān)鍵工具球孔，建立飛機坐標系，在飛機坐標系下標定壁板組件關(guān)鍵位置工具球點，將關(guān)鍵點檢測數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)結(jié)合，檢測壁板組件關(guān)鍵測量點，使壁板組件及工裝底座精確安裝在自動鉆鉚機柔性工裝上，實現(xiàn)實時跟蹤檢測裝配，通過人機交互視頻實現(xiàn)壁板組件快速化、精確化裝配，從而加快實現(xiàn)壁板組件裝配脈動式生產(chǎn)線制造模式。

壁板組件裝配先進仿真分析技術(shù)

國外對于壁板組件裝配仿真分析技術(shù)已經(jīng)進行了大量的研究，并在原有的軟件基礎(chǔ)上開發(fā)了各類裝配仿真分析軟件，從而使壁板組件在設(shè)計-制造-裝配-檢測中采用了仿真分析技術(shù)，提高了裝配效率[8]。國內(nèi)目前已經(jīng)實現(xiàn)了單純的裝配工藝仿真、物流仿真、人機仿真、生產(chǎn)線布局仿真及容差分析仿真等，并沒有實現(xiàn)壁板組件裝配仿真技術(shù)軟件的集成平臺仿真分析，從而造成機身大部件裝配誤差難以控制，檢測數(shù)據(jù)參考性不高及裝配誤差因子無法實時查看的問題。壁板組件裝配先進仿真分析技術(shù)采用數(shù)字化、智能化裝配協(xié)調(diào)設(shè)計技術(shù)，通過裝配仿真、虛擬現(xiàn)實、人機工程技術(shù)及容差分析技術(shù)等虛擬制造技術(shù)實現(xiàn)智能化的集成，最終使壁板組件裝配過程仿真優(yōu)化。將自動鉆鉚設(shè)備、柔性工裝、數(shù)字化在線測量及數(shù)控系統(tǒng)集成為一系列的自動化裝配系統(tǒng)，進行壁板組件無人化或工程師參與智能裝配，最終實現(xiàn)壁板零/組部件的高質(zhì)量、高效率、長壽命、低成本及短周期的數(shù)字化裝配，壁板組件裝配仿真分析技術(shù)部分軟件組成如圖4所示。

圖3 壁板組件先進裝配柔性工裝組成Fig.3 Composition of flexible tooling for advanced panel component assembly

圖4 壁板組件裝配仿真分析技術(shù)部分軟件組成Fig.4 Part of the software components for panel component assembly simulation analysis technology

壁板組件裝配仿真分析技術(shù)與三維裝配工藝動畫設(shè)計工具、工藝簡圖設(shè)計工具、裝配容差仿真設(shè)計、在線測量仿真及三維可視化工具封裝集成[9-10]，使工藝編制人員在工藝流程設(shè)計過程中可以實時分析每個組件裝配工序及之后零/組件的裝配情況，并可以利用3D可視化效果工具提供生產(chǎn)現(xiàn)場需求，制作裝配動畫。在壁板組件裝配工藝編輯環(huán)境可實時查看產(chǎn)品裝配仿真動畫、人機仿真及工裝參數(shù)、裝配誤差協(xié)調(diào)方案、測量數(shù)據(jù)實時分析及輔助可視化文件，建立壁板組件裝配工序?qū)ο?、人機仿真、控制過程仿真、自動鉆鉚機執(zhí)行仿真與對應(yīng)動畫場景的銜接。同時可以根據(jù)不同產(chǎn)品各工序裝配的零組件選擇相應(yīng)的柔性工裝，從而自動獲取裝配大綱中的零組件列表及參數(shù)信息進行裝配。集成裝配仿真分析時，理論數(shù)模輕量化處理，利用三維輕量化工具標準功能可以使壁板組件裝配人員通過人機交互界面，快速實現(xiàn)三維輕量化模型中設(shè)計、工藝、檢驗信息的提取，并可基于該輕量化模型進行測量、標注及鉆鉚裝配操作的執(zhí)行。因此，針對壁板類組件的裝配，需要先進的仿真分析技術(shù)的集成，詳細分析裝配過程中干涉情況，誤差傳遞情況及測量數(shù)據(jù)的實時仿真處理，獲取最佳的數(shù)據(jù)從而建立正確快速的裝配方法，實現(xiàn)壁板組件的快速裝配。

結(jié)束語

大型飛機壁板組件先進裝配技術(shù)與裝備的應(yīng)用，突破了壁板組件裝配高度柔性化工藝裝配的研制技術(shù)，提高了壁板組件裝配的生產(chǎn)效率和裝配質(zhì)量。采用基于PDM的一體化三維工藝設(shè)計，實現(xiàn)壁板組件工藝設(shè)計到柔性裝配數(shù)據(jù)的集成，使用先進的自動鉆鉚技術(shù)，針對壁板組件預(yù)裝配工裝設(shè)計面向自動鉆鉚機的壁板組件裝配柔性工裝，實現(xiàn)預(yù)裝配工裝與自動鉆鉚機柔性工裝的集成，減少二次定位誤差并加快壁板組件裝配。研究裝配仿真、人機仿真、測量仿真及容差仿真分析等集成平臺，從而獲取精確快速的裝配方法，提高壁板組件高質(zhì)量及高效率裝配，可為飛機組件及大部件對接裝配提供先進裝配技術(shù)基礎(chǔ)，對實現(xiàn)精確裝配具有重要意義。

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