導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)在傳統(tǒng)飛機修理中的應(yīng)用*

舒　送　范　鑫　張小輝　馬　俊

(國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

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導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)在傳統(tǒng)飛機修理中的應(yīng)用*

舒送范鑫張小輝馬俊

(國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

介紹了導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)在飛機修理中的應(yīng)用?；谏a(chǎn)實際情況,對目標換新導(dǎo)管的篩選、關(guān)鍵點識別與標記、逆向測繪與標準化修改、精確下料與切割、導(dǎo)管加工批量確定等相關(guān)內(nèi)容進行了研究，實現(xiàn)了某典型三代機相當(dāng)比例導(dǎo)管的數(shù)字化批量生產(chǎn)。相比傳統(tǒng)手工制造，通過數(shù)字化制造，目標導(dǎo)管制造效率與質(zhì)量得到有效提升，導(dǎo)管安裝調(diào)試時間明顯減少，安裝應(yīng)力狀況大為改善，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益與軍事效益。

導(dǎo)管；數(shù)字化制造；飛機修理；批量生產(chǎn)

隨著航空數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的不斷發(fā)展，我國最新一代空軍主力戰(zhàn)機均已基本實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計與制造[1]。但對于航空修理企業(yè)，由于處在整個行業(yè)下游，其在修飛機絕大部分仍為傳統(tǒng)二、三代飛機，原始數(shù)字化水平較低，這對在修理過程中推廣數(shù)字化制造技術(shù)增加了不少難度，導(dǎo)致其相比上游航空制造業(yè)已形成明顯差距。

作為航空數(shù)字化制造技術(shù)的重要組成部分，數(shù)控彎管相比傳統(tǒng)手工彎管優(yōu)勢明顯：可從三維數(shù)模中直接提取數(shù)據(jù)進行彎曲，無需機上取樣，縮短導(dǎo)管制造周期；無需留有實樣，節(jié)省空間；數(shù)字化制造的導(dǎo)管精度高、質(zhì)量好[2]。但必須指出的是，導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)運用嚴重依賴于整機的數(shù)字化制造水平，因為在導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計階段，其很多設(shè)計參考點均源于機體結(jié)構(gòu)位置點，機體結(jié)構(gòu)數(shù)模是導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計的母本。

針對現(xiàn)役飛機導(dǎo)管形狀精度與安裝應(yīng)力問題，各航空修理企業(yè)均在積極引入與消化導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)，但現(xiàn)役飛機其設(shè)計制造均未實現(xiàn)數(shù)字化，在缺乏設(shè)計母本的前提下，如何實現(xiàn)在其修理過程中運用導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)，成為航空修理企業(yè)需要迫切解決的一個難題。本文提出了一整套導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)在傳統(tǒng)飛機維修中的應(yīng)用方案，實現(xiàn)了某典型三代機相當(dāng)比例導(dǎo)管的數(shù)字化批量生產(chǎn)。

1　技術(shù)應(yīng)用方案

在技術(shù)方案制定前，須對傳統(tǒng)飛機導(dǎo)管制造特點進行系統(tǒng)梳理與分析，再針對性制定解決措施。

1.1傳統(tǒng)飛機導(dǎo)管制造特點

傳統(tǒng)飛機導(dǎo)管生產(chǎn)過程中均采用手工彎管模式，這一特殊模式主要體現(xiàn)在以下幾點：

(1)無三維數(shù)?！，F(xiàn)役二、三代飛機導(dǎo)管均通過實樣比對制造，屬于模擬量傳遞，無三維數(shù)字模型。

(2)管形未實現(xiàn)規(guī)整化。由于手工彎管工藝限制較少，傳統(tǒng)飛機導(dǎo)管大量存在過大圓弧、任意曲線、復(fù)合彎以及大于180°的圓弧等不符合數(shù)控彎管工藝限制的情況。

(3)管形彎曲半徑未實現(xiàn)標準化。現(xiàn)役二、三代飛機導(dǎo)管彎曲半徑具有很大隨意性，既沒有考慮彎曲半徑標準化，也沒有考慮彎曲半徑統(tǒng)一化。

(4)互換性差。由于手工彎管模擬量傳遞誤差大，故現(xiàn)役二、三代飛機同圖號導(dǎo)管形狀架次間基本不具備統(tǒng)一性，互換性差。

1.2傳統(tǒng)飛機修理中導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用方案

基于上述提及的傳統(tǒng)飛機導(dǎo)管制造特點，可基本確定傳統(tǒng)飛機導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用方案如下：

(1)通過逆向測量獲取原機導(dǎo)管三維數(shù)字模型。

(2)機上實際查看并標記導(dǎo)管安裝卡箍位置與可能發(fā)生干涉位置等關(guān)鍵控制點。

(3)通過自編接口實現(xiàn)逆向三維數(shù)模的CATIA平臺導(dǎo)入。

(4)基于CATIA軟件，結(jié)合關(guān)鍵控制點信息，修改三維數(shù)字模型，使其既能滿足數(shù)控彎管工藝要求，又能滿足機上安裝實際要求。

(5)通過管路模塊從修改后數(shù)模提取出導(dǎo)管加工信息并利用數(shù)控彎管機進行導(dǎo)管數(shù)字化制造。

(6)將已加工導(dǎo)管同時進行2～3個架次的試裝，如發(fā)生安裝困難或干涉情況，重復(fù)第4、5步直至達到試裝要求，最終獲取目標導(dǎo)管定型數(shù)模。

(7)對在修理飛機故檢信息進行統(tǒng)計，建立全機導(dǎo)管修理數(shù)學(xué)模型，計算每根導(dǎo)管的報廢概率，根據(jù)飛機修批量計算出每根導(dǎo)管的加工批量。

整個應(yīng)用方案流程如圖1所示。

2　技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵步驟與要點

區(qū)別于飛機制造廠的導(dǎo)管數(shù)字化制造，傳統(tǒng)飛機導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用過程中涉及到以下關(guān)鍵技術(shù)步驟或要點。

2.1數(shù)控彎制范圍篩選

傳統(tǒng)飛機導(dǎo)管由于采用手工制造，其彎制過程限制因素較少，形狀缺乏規(guī)整性(如圖2)，難以簡單全盤照收采用數(shù)控彎制。在確定數(shù)控彎制范圍與對象前必須進行必要的篩選。

篩選可采用目視檢查的方式進行，當(dāng)遇到以下情況時，則應(yīng)將目標對象排除到數(shù)控批量彎制范圍以外：

(1)當(dāng)存在彎曲角度過大，超過或接近180°時，應(yīng)予以剔除，否則將無法正常送料或退模。

(2)當(dāng)存在過小直線段，同時確認由于機上實際情況難以進行形狀優(yōu)化時應(yīng)予以剔除，否則數(shù)控彎制時由于夾持長度不夠會造成不可接受的表面質(zhì)量缺陷。

(3)當(dāng)存在空間彎，同時確認由于機上實際情況難以進行形狀優(yōu)化時應(yīng)予以剔除。因為空間彎違背了數(shù)控彎制必須是平面彎的原則，既不能進行逆向測繪也不能進行數(shù)控彎制。

2.2導(dǎo)管形狀關(guān)鍵點識別與標記

為適應(yīng)數(shù)控彎管工藝要求，對傳統(tǒng)手工彎制導(dǎo)管進行數(shù)字化仿造前，必需對其進行形狀優(yōu)化以確保其在機上能順利安裝，為此首先須識別出影響導(dǎo)管機上安裝效果的關(guān)鍵點。影響導(dǎo)管機上安裝效果的因素很多，其中卡箍位置、間隙控制、兩端直線段為最重要的3個因素。其識別與標記方法如下：

(1)關(guān)于卡箍位置，首先須將所有卡箍位置在目標導(dǎo)管上進行標記，同時還應(yīng)關(guān)注其約束方式。若為固定式，由于其與機體通過結(jié)構(gòu)件進行直接連接，其可調(diào)性很小；若為懸空式，由于其與機體機構(gòu)無直接機械連接，所以具有一定的可調(diào)性。在進行導(dǎo)管形狀修改時，卡箍位置所在直線段允許長度上有調(diào)整(保證卡箍安裝長度)，但其空間方向與位置不允許有修改，尤其對于固定式卡箍。

(2)關(guān)于間隙控制，由于航空裝配工藝規(guī)定導(dǎo)管與導(dǎo)管之間，導(dǎo)管與機體之間須有一定間隙，故需在目標導(dǎo)管靠近機體位置或其他導(dǎo)管位置處進行標記。在進行導(dǎo)管形狀修改時，有間隙控制的位置點/面只可微調(diào)，不允許有較大幅度修改。

(3)關(guān)于兩端直線段，兩端直線段直接影響導(dǎo)管間的連接質(zhì)量。在進行導(dǎo)管形狀優(yōu)化時，只允許對其向內(nèi)長度方向進行修改(同時務(wù)必保證最小直線段長度)，不允許對管端位置和空間方位進行修改。

2.3逆向數(shù)據(jù)CATIA平臺導(dǎo)入與定量編輯

由于需要借助CATIA平臺來實現(xiàn)對目標導(dǎo)管逆向數(shù)據(jù)的更改，故必須解決逆向數(shù)據(jù)CATIA平臺的導(dǎo)入問題。為解決逆向數(shù)據(jù)與CATIA要求的導(dǎo)入文件格式不一致問題，開發(fā)了相應(yīng)的小型文件格式轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的快速一鍵轉(zhuǎn)換。針對導(dǎo)入后CATIA操作復(fù)雜，使其能夠?qū)崿F(xiàn)測量機逆向數(shù)據(jù)到CATIA導(dǎo)入的問題，利用CATIA二次開發(fā)技術(shù)對所有操作過程后臺代碼進行了集成化編程設(shè)計，也實現(xiàn)了一鍵快速操作。圖3為逆向數(shù)據(jù)CATIA平臺的導(dǎo)入流程示意圖。

為實現(xiàn)對目標導(dǎo)管形狀的定量修改，在CATIA平臺Tube Design模塊中，利用CATIA羅盤功能可以方便地實現(xiàn)導(dǎo)管形狀控制坐標點的定量編輯。圖4給出了對導(dǎo)管某一直線段長度進行定量延伸操作的示意圖。編輯完的數(shù)字模型可通過CATIA內(nèi)置文件輸出器輸出導(dǎo)管理論加工數(shù)據(jù)，如CSV文件。

2.4導(dǎo)管加工批量的確定

區(qū)別于飛機制造廠批量制造的生產(chǎn)特點，航空修理企業(yè)導(dǎo)管采用修造結(jié)合的生產(chǎn)方式，大部分導(dǎo)管只對故障部位進行針對性修理，只有無法修理或固定報廢的導(dǎo)管才進行重新制造。傳統(tǒng)作業(yè)方式以報廢導(dǎo)管為原始參考，手工彎制成新導(dǎo)管裝機使用，并不涉及批量制造的概念。而若要采用數(shù)字化制造技術(shù)，為發(fā)揮其最大優(yōu)勢，必須采用批量加工模式。

表1某型飛機大修時各報廢頻次與涉及導(dǎo)管數(shù)量信息表

報廢頻次數(shù)量占總量比例數(shù)量累計占比≥1064822.4%22.4%91986.8%29.2%…………52207.6%65.1%…………12047.1%100%總量2893

為確定所有導(dǎo)管批量加工的具體數(shù)值，必須通過對同型號一定批量的原機導(dǎo)管修理前故檢信息進行數(shù)學(xué)統(tǒng)計，得出每根導(dǎo)管的平均報廢概率，結(jié)合修理批量便可得出每根導(dǎo)管的制造批量。表1給出了某型飛機大修時(10架次統(tǒng)計樣本)各報廢頻次與涉及導(dǎo)管數(shù)量信息表，一般認為報廢率超過30%的導(dǎo)管就具備批量加工的可行性，而報廢率超過50%的導(dǎo)管則能充分顯示批量加工的優(yōu)越性。

2.5導(dǎo)管的精確下料與切割

目前飛機制造廠一般采用大余量下料，彎制后采用標準鋼絲樣板對目標新管進行劃線切割，但航修工廠由于缺乏制造時所用的標準鋼絲樣板而無法照搬此方法。為解決該難題，必須實現(xiàn)導(dǎo)管的精確下料長度計算。

為此，通過借鑒總結(jié)已有經(jīng)驗，輔以相關(guān)試驗，對所得數(shù)據(jù)進行有效整合，得出了航空導(dǎo)管數(shù)控彎管精確下料的計算為

L精確下料=L理論下料-L形變修正+L工藝補償

其中：Y代表理論直線進給距離，C代表理論彎角大小，B代表兩個彎曲平面的夾角，R為彎曲半徑。

同時為了現(xiàn)場使用方便，通過計算機方法實現(xiàn)了自動化，其界面如圖5所示。

基于導(dǎo)管下料長度的精確計算結(jié)果，一種情況可直接采用精確下料后的管材進行無余量加工，另一種情況針對那些必須留有彎管工藝余量的導(dǎo)管，則可以在彎管程序中加入人工干涉步驟，采用邊彎管邊劃線的方式進行加工。

2.6結(jié)構(gòu)修理信息與制造廠原始批次信息考量

區(qū)別于飛機制造廠新機導(dǎo)管裝配過程中機體結(jié)構(gòu)一致性好的特點，航修企業(yè)在飛機大修過程中或多或少會對相關(guān)機體結(jié)構(gòu)進行改裝或加強，這勢必會影響與其匹配的導(dǎo)管安裝形狀，故在目標導(dǎo)管納入批量制造時應(yīng)將此因素納入考量，或?qū)Y(jié)構(gòu)修理改裝高發(fā)部位導(dǎo)管剔除出批量加工范圍，或根據(jù)實際改裝情況重新測繪以確保新形狀能夠適應(yīng)裝配需求。

對于非數(shù)字化設(shè)計傳統(tǒng)機型，雖然導(dǎo)管也是批量制造，但該批量僅適合小批次范圍內(nèi)，對于機型全批次范圍內(nèi)，往往存在一定變化。故在確定目標導(dǎo)管批量制造數(shù)模時，應(yīng)對其批次間的差異進行比較確認，若無批次變化則統(tǒng)一使用一個原始加工數(shù)模，若批次間變化較為明顯，則應(yīng)使用多個數(shù)模以適應(yīng)其變化。

3　導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)在某型三代機上的應(yīng)用效果

某典型三代機，全機導(dǎo)管數(shù)量約為1 400根，每架次平均報廢數(shù)量約為300根，其中固定報廢與高概率報廢導(dǎo)管數(shù)量約為200根，占報廢總量的2/3，除去那些不符合數(shù)控彎管工藝且同時無法進行形狀優(yōu)化的導(dǎo)管，超過1/2的報廢換新導(dǎo)管實現(xiàn)了導(dǎo)管數(shù)字化制造。相比傳統(tǒng)手工制造，其制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到明顯提高與改善。在飛機維修后總裝進行導(dǎo)管安裝時應(yīng)力狀況大大改善，大幅減少了以前導(dǎo)管由于應(yīng)力過大在機上補彎曲造成質(zhì)量不好的現(xiàn)象。導(dǎo)管的數(shù)字化制造使導(dǎo)管的連接性能得到極大的優(yōu)化，實現(xiàn)了導(dǎo)管無應(yīng)力安裝，漏油率降到了最低點。

4　結(jié)語

傳統(tǒng)機型導(dǎo)管由于缺少原始數(shù)模支撐，架次間互換性差，使得導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)難以推行，但通過一系列技術(shù)手段后，仍有可觀比例的導(dǎo)管可成功實現(xiàn)數(shù)字化制造。通過該技術(shù)，可降低航修企業(yè)換新導(dǎo)管制造的成本，有效縮短飛機裝配調(diào)試周期，保證最終導(dǎo)管裝配質(zhì)量。導(dǎo)管數(shù)字化技術(shù)在某傳統(tǒng)機型維修過程中的成功應(yīng)用，有效促進了先進數(shù)字化制造技術(shù)在航修領(lǐng)域的應(yīng)用。

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(編輯孫德茂)

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Application of tube digital manufacturing technology in the repair of conventional plane

SHU Song, FAN Xin, ZHANG Xiaohui, MA Jun

(State-owned Machinery Factory in Wuhu, Wuhu 241007, CHN)

Application of tube digital manufacturing technology in the repair of conventional plane has been introduced. Based on the actual production, the filtration of the target tube, the identification and marking of the key points, the reverse mapping and standard modification, the precision cutting, the batch and other related contents have been studied. The digital batch production of a considerable part of the tubes has been realized in a typical third generation battle plane. Compared with the traditional handmade, higher quality and precision tube can be achieved through digital manufacturing, the commissioning time of the installation has been significantly reduced and the installation stress situation has been greatly improved although. A better economic and military benefit has been produced.

tube; digital manufacturing; aviation repairing; batch production

TP18；TP27；V25

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.029

舒送，男，1986年生，男，工程師，碩士研究生，主要研究方向：先進數(shù)字化制造技術(shù)

2015-11-17)

160645

* 空軍裝備部2014 重點支持項目(裝工[2013]194 號)