飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配及測(cè)量技術(shù)

陳勇哲

摘要：用于滿足飛機(jī)產(chǎn)品最終裝配準(zhǔn)確度要求的裝配工裝，隨著先進(jìn)自動(dòng)化連接設(shè)備和連接技術(shù)的發(fā)展，逐步由剛性工裝演變成具有數(shù)字化、模塊化、可重構(gòu)、可重復(fù)利用優(yōu)點(diǎn)的柔性工裝。在線測(cè)量系統(tǒng)提供裝配過(guò)程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工裝的數(shù)字化定位，對(duì)實(shí)現(xiàn)裝配全數(shù)字量傳遞、工裝調(diào)形全“閉環(huán)”控制提供了基礎(chǔ)保障。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；柔性工裝；數(shù)字化測(cè)量

飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量多，裝配過(guò)程中極易發(fā)生變形，為保證裝配準(zhǔn)確度，采用了大量的裝配工裝。早期飛機(jī)裝配應(yīng)用的工裝是剛性構(gòu)架，專(zhuān)用性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，但設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、占地面積大，而且結(jié)構(gòu)開(kāi)敞性差，不利于先進(jìn)自動(dòng)化連接設(shè)備和連接技術(shù)的應(yīng)用。為了克服剛性工裝的上述缺點(diǎn)，在現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)的裝配過(guò)程中開(kāi)始應(yīng)用各種數(shù)字化柔性工裝，使得裝配工裝的設(shè)計(jì)制造等準(zhǔn)備周期顯著縮短，減少了工裝數(shù)量以及工裝設(shè)計(jì)制造成本，同時(shí)提高了工裝快速響應(yīng)產(chǎn)品變化的能力。此外，數(shù)字化測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)采集測(cè)量對(duì)象的形位信息，測(cè)量分析軟件對(duì)測(cè)量信息快速分析處理，然后將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給編程及仿真管理系統(tǒng)進(jìn)行分析、優(yōu)化。柔性工裝的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)模式提高了工裝的定位準(zhǔn)確度。

1 數(shù)字化柔性裝配工裝

1.1 數(shù)字化柔性工裝工作原理

數(shù)字化柔性裝配工裝是用于飛機(jī)裝配，具有柔性可重構(gòu)能力，具備“一架多用”功能的工藝裝備，通過(guò)調(diào)整或重構(gòu)可用于多種飛機(jī)零組件的定位裝配。其由復(fù)雜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成的綜合工裝系統(tǒng)。

柔性工裝一般具有柔性化、數(shù)字化、模塊化和自動(dòng)化特點(diǎn)。柔性化表現(xiàn)為工裝具有快速重構(gòu)調(diào)整的能力，工裝設(shè)計(jì)、制造、安裝到應(yīng)用均采用數(shù)字量傳遞方式，且工裝硬件主要由具有模塊化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的單元組成，模塊化結(jié)構(gòu)單元的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工裝的柔性，各模塊化單元可根據(jù)裝配需求自動(dòng)完成裝配動(dòng)作。

柔性工裝系統(tǒng)工作過(guò)程：首先，在應(yīng)用集成管理系統(tǒng)中進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，同時(shí)進(jìn)行裝配工藝仿真，將生成的工裝理論驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)解析為數(shù)控系統(tǒng)動(dòng)作指令并傳遞至工裝的數(shù)控系統(tǒng)；然后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)作指令計(jì)算各定位器軸的調(diào)形軌跡，驅(qū)動(dòng)定位器調(diào)形；定位器調(diào)形到位后，在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量定位器位置，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞至離線編程與仿真管理系統(tǒng)；最后，離線編程與仿真管理系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢查其是否滿足裝配要求，若測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法滿足裝配需求，系統(tǒng)將自動(dòng)生成優(yōu)化數(shù)據(jù)并由數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)一步調(diào)形，直到定位器位置精度滿足裝配要求。

1.2 飛機(jī)裝配應(yīng)用的典型柔性裝配工裝

飛機(jī)裝配一般分為組合件裝配、段件和部件裝配、大部件對(duì)接裝配，不同的裝配對(duì)象有不同的定位與裝配特點(diǎn)。

組合件裝配，結(jié)構(gòu)剛性較弱，裝配零件數(shù)量多，主要采用裝配工裝定位各個(gè)零件，控制其形狀。常見(jiàn)的組合件是壁板組件，典型柔性工裝有：數(shù)控柔性工裝和多點(diǎn)陣真空吸盤(pán)式柔性工裝及行列式柔性工裝。數(shù)控柔性工裝用于機(jī)身剛性較弱的壁板組件，多點(diǎn)陣真空吸盤(pán)式柔性工裝用于機(jī)身剛性較強(qiáng)的壁板組件，行列式柔性工裝結(jié)構(gòu)開(kāi)敞性好，與自動(dòng)鉆鉚機(jī)配合用于機(jī)翼壁板組件。

部件裝配柔性工裝主要針對(duì)大型部件的總裝配，分為整體式和分體式。整體式的柔性裝配平臺(tái)用于機(jī)身部件，其以工裝框架作為可調(diào)整定位器的支撐平臺(tái)，通過(guò)框架橫梁上定位器的運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整定位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)部件結(jié)構(gòu)中各個(gè)關(guān)鍵件的定位。當(dāng)飛機(jī)產(chǎn)品型號(hào)變化時(shí)，通過(guò)調(diào)整或更換定位器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的裝配，從而實(shí)現(xiàn)工裝的柔性功能，使其滿足“一架多用”的需要。分體式柔性裝配工裝適用于翼面類(lèi)部件結(jié)構(gòu)，其由一個(gè)固定內(nèi)框、前后兩個(gè)可沿導(dǎo)軌移動(dòng)的外框和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，外框上布置飛機(jī)骨架及蒙皮定位器，內(nèi)框上布置梁及交點(diǎn)接頭定位器，裝配中外框沿軌道向外滑動(dòng)，內(nèi)、外框上零件裝配定位后，外框與內(nèi)框?qū)?，?shí)現(xiàn)翼身對(duì)接部件的裝配。

部件對(duì)接柔性工裝是大部件自動(dòng)化對(duì)接平臺(tái)，其集成了自動(dòng)化工裝、測(cè)量系統(tǒng)及計(jì)算軟件的綜合系統(tǒng)，對(duì)接平臺(tái)為分散式裝有定位器的立柱結(jié)構(gòu)。對(duì)接過(guò)程中，用仿真優(yōu)化軟件和數(shù)字化測(cè)量設(shè)備提供的優(yōu)化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工裝運(yùn)動(dòng)，然后在控制系統(tǒng)控制下工裝自動(dòng)完成定位和調(diào)整。對(duì)接時(shí)工裝上的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝配應(yīng)力變化情況，保證了對(duì)接安全可靠。

2 飛機(jī)裝配數(shù)字化測(cè)量

為提高飛機(jī)裝配質(zhì)量，確保飛機(jī)裝配精度，利用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和方法進(jìn)行裝配過(guò)程控制，使產(chǎn)品最終幾何特征達(dá)到設(shè)計(jì)要求。飛機(jī)幾何特征的多樣性、裝配流程的復(fù)雜性以及裝配協(xié)調(diào)與準(zhǔn)確度的要求，使得飛機(jī)裝配測(cè)量具有多種需求，其類(lèi)型主要分為兩大類(lèi)，即空間點(diǎn)位測(cè)量及復(fù)雜曲面測(cè)量。

2.1 通用測(cè)量設(shè)備及應(yīng)用

隨著飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配的發(fā)展，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用于飛機(jī)裝配中。常用的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備主要有關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)、經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)、全站儀測(cè)量系統(tǒng)、攝影測(cè)量系統(tǒng)、激光掃描測(cè)量系統(tǒng)、激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)和室內(nèi)空間測(cè)量系統(tǒng)等。

激光掃描測(cè)量系統(tǒng)、激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)和室內(nèi)空間測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)精度高，測(cè)量范圍大，可用于工裝安裝、部件裝配定位、對(duì)接裝配及裝配質(zhì)量檢測(cè)等裝配生產(chǎn)環(huán)節(jié)；關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)和攝影測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，可用于特定裝配要求的測(cè)量或輔助其他測(cè)量設(shè)備協(xié)同測(cè)量。

2.2 測(cè)量系統(tǒng)建立

現(xiàn)代飛機(jī)的氣動(dòng)性和隱身性對(duì)裝配質(zhì)量提出了更高的要求，從而對(duì)數(shù)字化檢測(cè)也提出更高挑戰(zhàn)。在裝配與檢測(cè)過(guò)程中除了對(duì)大部件的氣動(dòng)外形進(jìn)行檢測(cè)外，也要對(duì)一個(gè)大部件的某些小尺寸特征進(jìn)行精確測(cè)量，如配合面間隙、接頭交點(diǎn)孔位置等，所以檢測(cè)設(shè)備既要測(cè)量范圍大、精度高，又要操作快速簡(jiǎn)單方便。受限于測(cè)量原理，單個(gè)測(cè)量手段存在一定的局限性，基于組合機(jī)制的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種方式的信息互補(bǔ)，優(yōu)化配置，使測(cè)量結(jié)果達(dá)到最優(yōu)。

建立一個(gè)具有多臺(tái)不同測(cè)量設(shè)備的大尺寸空間組合集成測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大空間、多特征測(cè)量。構(gòu)建的全局精密測(cè)量控制網(wǎng)，通過(guò)高精度全局控制點(diǎn)，為集成系統(tǒng)提供可靠的測(cè)量基準(zhǔn)，利用“轉(zhuǎn)站”測(cè)量實(shí)現(xiàn)各集成設(shè)備之間坐標(biāo)系的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)換，以提高整體空間測(cè)量精度。在裝配測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)采用激光跟蹤儀和iGPS設(shè)備對(duì)布設(shè)的空間全局控制點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)精確測(cè)量和定位，并建立大空間精密三維測(cè)量坐標(biāo)系。

3 國(guó)內(nèi)、外現(xiàn)狀

在數(shù)字化技術(shù)的支持下，國(guó)外在飛機(jī)產(chǎn)品的各個(gè)裝配階段中，均已經(jīng)研發(fā)應(yīng)用了相應(yīng)的柔性工裝，并取得了良好的效益。國(guó)內(nèi)飛機(jī)裝配中應(yīng)用的工裝，其結(jié)構(gòu)仍主要以傳統(tǒng)的剛性、專(zhuān)用形式為主。近年來(lái)國(guó)內(nèi)也研制了一批數(shù)字化柔性工裝，但從整體上看，研究和應(yīng)用方面仍處于起步階段。

4 結(jié)束語(yǔ)

航空事業(yè)的發(fā)展，特別是民用運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展需求，使得目前數(shù)字化裝配技術(shù)正在朝著原型機(jī)快速研制和穩(wěn)定化大批量快速生產(chǎn)兩個(gè)方向發(fā)展，以滿足新型飛機(jī)的快速研制和快速大批量生產(chǎn)的需求。飛機(jī)裝配的發(fā)展需求與變化，使柔性裝配工裝向著移動(dòng)式、低成本及基于動(dòng)態(tài)監(jiān)控的可靠性等方向發(fā)展。裝配測(cè)量技術(shù)已成為飛機(jī)裝配技術(shù)的重要組成部分，應(yīng)用數(shù)字化測(cè)量使裝配能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。基于數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的柔性裝配工裝是現(xiàn)代大飛機(jī)裝配生產(chǎn)的支撐與保障。

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