飛機(jī)裝配型架模塊化設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)分析

（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，陜西 西安， 710089）

飛機(jī)裝配型架模塊化設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)分析

李繼紅

（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，陜西 西安， 710089）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的日益提高，我國制造業(yè)發(fā)展水平也日益凸出，其中，飛機(jī)制造水平已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。飛機(jī)裝配型架作為飛機(jī)制造水平的關(guān)鍵指標(biāo)，在整個(gè)飛機(jī)研制過程中起著相當(dāng)重要的作用，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定了工裝制造的周期與費(fèi)用，進(jìn)而影響著飛機(jī)研制的成本和周期，同時(shí)也對產(chǎn)品裝配的準(zhǔn)確度與協(xié)調(diào)性起著決定性作用，最終影響飛機(jī)制造的整體質(zhì)量。

飛機(jī)裝配；型架設(shè)計(jì)；模塊化設(shè)計(jì)

飛機(jī)裝配主要是通過將產(chǎn)品零件結(jié)合相關(guān)的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行組裝，最終形成裝配件和整機(jī)的過程，其產(chǎn)品尺寸、零件數(shù)量及形狀復(fù)雜程度等影響著飛機(jī)的制造工作量，所以對于飛機(jī)裝配技術(shù)的提高越來越得到飛機(jī)制造商的廣泛關(guān)注。由于飛機(jī)零件制造和裝配精度都有很高的要求，制造和裝配過程中的難度很大，裝配型架作為飛機(jī)裝配必要的工藝裝備，在保證飛機(jī)質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性等方面需要進(jìn)行嚴(yán)格的要求，飛機(jī)制造質(zhì)量與裝配型架的設(shè)計(jì)和制造過程息息相關(guān)，而且是把握產(chǎn)品質(zhì)量的唯一尺度，直接影響著產(chǎn)品制造和裝配的精度，所以本文對飛機(jī)裝配型架模塊化設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)的研究分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1][2]。

1 傳統(tǒng)型架的設(shè)計(jì)方法

對于傳統(tǒng)型架的設(shè)計(jì)方法，通常可以分為設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備工作、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和最終設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。工裝設(shè)計(jì)人員還應(yīng)結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和具體要求對工裝的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，在保證工裝功能的同時(shí)還要盡可能的節(jié)約材料，確保產(chǎn)品裝配的協(xié)調(diào)性。對于前期準(zhǔn)備工作，主要包括熟悉產(chǎn)品圖紙等設(shè)計(jì)資料，了解工藝方案和裝配方案，考慮是否采用標(biāo)準(zhǔn)工裝和模線樣板作為協(xié)調(diào)依據(jù)，以保證產(chǎn)品的制造精度和互換協(xié)調(diào)性。在裝配型架結(jié)構(gòu)方面通常采用剛性結(jié)構(gòu)，每套型架只用于一個(gè)裝配對象，所以飛機(jī)制造過程中裝配型架的數(shù)量很多。型架上安裝有多個(gè)定位器，以保證產(chǎn)品裝配的精度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通常而言，飛機(jī)的研制周期需要占飛機(jī)研制周期的一半以上，因而，裝配型架對縮短整個(gè)產(chǎn)品的研制周期具有重要意義[3]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，都希望飛機(jī)生產(chǎn)用工裝能夠快速投入使用，而對于型架的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，又需要標(biāo)準(zhǔn)樣件和模線樣板協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)的型架設(shè)計(jì)通常在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后才進(jìn)行，采用串行的設(shè)計(jì)制造方法，大大延長了整個(gè)工裝的研制周期。

2 現(xiàn)代裝配型架設(shè)計(jì)的新技術(shù)

隨著科技的快速發(fā)展，市場競爭的日益激烈，各國在航空制造領(lǐng)域都取得了快速的發(fā)展，傳統(tǒng)的型架設(shè)計(jì)方法在成本、質(zhì)量、周期、環(huán)保、服務(wù)等方面已經(jīng)無法滿足市場發(fā)展的要求，設(shè)計(jì)師通過不斷研究新的設(shè)計(jì)方法和工具來提高工裝技術(shù)水平，減少制造周期和成本，其中，并行設(shè)計(jì)方法使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝性得到了很大提高，也大大縮短了工裝設(shè)計(jì)周期，智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)和有限元分析使零件和組合件的設(shè)計(jì)達(dá)到了很高的精度，優(yōu)化了裝配型架的結(jié)構(gòu)。

圖1 飛機(jī)框架配置圖

2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)和工裝的并行設(shè)計(jì)方法

工裝和產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)的一個(gè)基本思路是改變傳統(tǒng)的工裝結(jié)構(gòu)，將其劃分為獨(dú)立于產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或只需要基本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和依賴于最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)的專用結(jié)構(gòu)兩部分[4]。裝配型架的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)部分主要有立柱、底座、輔助支撐等，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，需用專用大型加工設(shè)備，制造周期長。專用部分主要有卡板、接頭定位件等，專用件一般尺寸較小，設(shè)計(jì)、制造周期短，不需要專門的大型專用設(shè)備。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期就可以進(jìn)行工裝標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造，當(dāng)產(chǎn)品最終版本發(fā)放后，只需設(shè)計(jì)制造專用結(jié)構(gòu)就可以進(jìn)行型架裝配了。

2.2 裝配型架的柔性設(shè)計(jì)方法

柔性裝配工裝是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的、可重組的模塊化、自動(dòng)化裝配工裝系統(tǒng)。提高工藝裝備“柔性”的方式有三種，一是拼裝型架方式，用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的型架元件來拼裝型架，實(shí)現(xiàn)工裝快速設(shè)計(jì)與制造；二是可卸定位件方式，即型架骨架基本不變，而分布于骨架上的定位器做成可拆卸的，當(dāng)產(chǎn)品對象發(fā)生變化時(shí)，只需要更換定位器；三是通過數(shù)字化技術(shù)、模塊化結(jié)構(gòu)和自動(dòng)控制技術(shù)，使工裝具有快速重構(gòu)調(diào)整的能力，一臺工裝可以用于多個(gè)產(chǎn)品的裝配[5]。柔性工裝的快速重構(gòu)功能使飛機(jī)工裝的設(shè)計(jì)制造等準(zhǔn)備周期大大縮短，同時(shí)其“一架多用”的功能大幅減少工裝數(shù)量及占地面積，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 裝配型架的內(nèi)定位裝配設(shè)計(jì)方法

所謂內(nèi)定位裝配設(shè)計(jì)方法，指的是在剛性較好的骨架零件上預(yù)先制出坐標(biāo)定位孔，裝配時(shí)在裝配型架中以骨架零件上的坐標(biāo)定位孔按相應(yīng)定位器進(jìn)行定位的一種方法。裝配型架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以大量采用孔定位件。在剛性好的結(jié)構(gòu)件上，直接利用結(jié)構(gòu)孔定位或者事先在結(jié)構(gòu)件上留取工藝孔。此外，型架的整體結(jié)構(gòu)可以采用多支點(diǎn)可調(diào)支撐形式，以便將地基的不均勻變形對裝配型架精度的影響限制在局部范圍內(nèi)。這是一種“以動(dòng)制動(dòng)”的制約方式，型架結(jié)構(gòu)也變得輕巧，焊接框架的截面尺寸普遍減小。另外，采用多支點(diǎn)可調(diào)支撐給吊裝、搬運(yùn)帶來很大的方便。

2.4 裝配型架的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法

裝配型架的數(shù)字化包括數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造和數(shù)字化檢測。型架的數(shù)字化設(shè)計(jì)是指在三維環(huán)境下，進(jìn)行型架結(jié)構(gòu)的零組件設(shè)計(jì)和數(shù)字化預(yù)裝配。數(shù)字化制造是應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)的工裝模型，采用數(shù)字化加工設(shè)備，對工裝的關(guān)鍵特征型面、互換協(xié)調(diào)交點(diǎn)等進(jìn)行加工和裝配。數(shù)字化檢測則是采用數(shù)字化測量設(shè)備對型架進(jìn)行檢驗(yàn)測量[6]。裝配工裝采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，是依據(jù)產(chǎn)品外形數(shù)模和結(jié)構(gòu)模型，利用設(shè)計(jì)軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行工裝三維模型的數(shù)字化定義，應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行工裝剛度強(qiáng)度校核，應(yīng)用仿真軟件對產(chǎn)品裝配過程進(jìn)行模擬，從而避免工裝結(jié)構(gòu)剛性不足或剛性過剩，消除工裝結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的干涉以及裝配不協(xié)調(diào)問題。

2.5 裝配型架的模塊化設(shè)計(jì)方法

型架的模塊化設(shè)計(jì)是基于工裝設(shè)計(jì)的各種數(shù)據(jù)庫的建立和完善，包括標(biāo)準(zhǔn)件庫，工藝數(shù)據(jù)庫，工裝典型結(jié)構(gòu)庫，參數(shù)化模型等。模塊化設(shè)計(jì)對提高工裝設(shè)計(jì)效率是一條簡單而有效的途徑。此外，針對所使用的設(shè)計(jì)軟件開發(fā)輔助設(shè)計(jì)工具，將設(shè)計(jì)師從繁瑣的操作和重復(fù)勞動(dòng)中解放出來，對提高設(shè)計(jì)效率也是非常有效的。在數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程中，應(yīng)充分考慮目前工裝設(shè)計(jì)的主流平臺，使不同的系統(tǒng)能夠互相無縫連接。工裝模塊化設(shè)計(jì)的前提是首先應(yīng)對現(xiàn)有工裝的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié)，提煉出具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，使這些標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)能夠提前加工儲備。當(dāng)接到訂單后能很快的調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的模塊進(jìn)行型架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且僅需加工一些專用定位件，如此可以大大縮短設(shè)計(jì)、制造周期。

3 結(jié)束語

綜上所述，飛機(jī)裝配型架模塊化的設(shè)計(jì)對飛機(jī)的制造周期、質(zhì)量、成本等起著至關(guān)重要的作用，在進(jìn)行裝配型架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過采用先進(jìn)的工裝設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，減少工裝制造成本，縮短飛機(jī)研制周期。本文就傳統(tǒng)型架的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡要的分析概述，并對現(xiàn)代裝配型架設(shè)計(jì)的新技術(shù)做了詳細(xì)的討論，希望通過本文能夠給相關(guān)工作者帶來幫助。

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[1]李慶利. 飛機(jī)裝配型架快速設(shè)計(jì)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京: 南京航空航天大學(xué), 2012.

[2]劉平, 魏瑩, 邱燕平. 現(xiàn)代飛機(jī)裝配型架設(shè)計(jì)新技術(shù)[J]. 洪都科技, 2007(3):17-21.

[3]鄒仁珍. 飛機(jī)裝配型架設(shè)計(jì)約束求解技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京:南京航空航天大學(xué), 2009.

[4]叢培源. 數(shù)字化測量技術(shù)在型架裝配中的應(yīng)用研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2015.

[5]張?jiān)迫A. 飛機(jī)壁板裝配柔性工裝設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)研究[D]. 沈陽:沈陽航空航天大學(xué), 2014.

[6]李汝鵬, 安魯陵, 張富官. 飛機(jī)裝配型架有限元分析的參數(shù)化技術(shù)研究[J]. 中國制造業(yè)信息化, 2009(5):49-52.

上接P12頁勢，但是變形量的差別不大。

綜上所述，可得出以下結(jié)論，一是工件（零件）放入淬火液過程中的姿態(tài)、淬火液工作溫度對工件變形有一定的影響，但效果非常有限；二是不同的淬火介質(zhì)對工件（零件）的變形量更起到了決定性作用，比如，試驗(yàn)中所采用的高分子聚合物淬火液要比傳統(tǒng)的水對零件的變形量減小近百倍。這些對現(xiàn)實(shí)過程具有較好的啟發(fā)作用。

4 結(jié)論

本文對薄壁鋁合金固溶處理過程變形的機(jī)理和影響因素進(jìn)行了分析，制定了工藝試驗(yàn)方案并經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析得出采用高分子聚合物淬火介質(zhì)可以最大程度減小淬火操作所產(chǎn)生的變形。該方法可以統(tǒng)一納入工藝設(shè)計(jì)過程，制定符合實(shí)際的作業(yè)指導(dǎo)書和操作規(guī)程，通過與粗加工、精加工、去應(yīng)力等手段的共同運(yùn)用，有效減小或控制變形量，滿足薄壁鋁合金零件變形控制的需要。