飛機(jī)部件智能柔性精加工技術(shù)研究

吳小剛，吳振勇，熊 千，李 琳，閆利青，韋繼東

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

0 引言

飛機(jī)各功能部件在組合裝配完工后，由于零件制造誤差、裝配制造誤差的存在，相互對(duì)接部件的外形不協(xié)調(diào)(對(duì)接處外形階差大)，對(duì)接交點(diǎn)孔不同軸度（同軸度誤差大），部件對(duì)接強(qiáng)迫裝配，影響飛機(jī)的氣動(dòng)外形、機(jī)體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度及壽命[1]，因此為消除對(duì)接部件的零件、裝配制造誤差，保證部件的互換協(xié)調(diào)要求，部件在架內(nèi)鉚接裝配完工后，需對(duì)交點(diǎn)接頭孔進(jìn)行精加工[2]。

1 現(xiàn)階段的精加工

各部件一般是在專用的精加工型架上進(jìn)行，傳統(tǒng)飛機(jī)部件工藝協(xié)調(diào)精加工方法難以滿足技術(shù)要求，保證飛機(jī)部件交點(diǎn)對(duì)接協(xié)調(diào)的核心是交點(diǎn)位置準(zhǔn)確度和對(duì)接部件間相應(yīng)交點(diǎn)位置的一致性（交點(diǎn)重復(fù)精度），重復(fù)精度越高越容易保證部件對(duì)接協(xié)調(diào)。

傳統(tǒng)飛機(jī)制造為保證部件對(duì)接協(xié)調(diào)，一般有4種工藝協(xié)調(diào)和精加工方法。

1.1 配鉆協(xié)調(diào)精加工法

交點(diǎn)配鉆協(xié)調(diào)精加工法是將部件Ⅰ與部件Ⅱ在對(duì)接架上進(jìn)行定位、裝夾、固定，用小插銷配合起來，對(duì)交點(diǎn)孔位置進(jìn)行手工劃線定位，用專用或通用刀具同時(shí)進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔，使孔徑最終尺寸符合孔徑技術(shù)要求，再用結(jié)合螺栓將部件Ⅰ與部件Ⅱ連接起來，達(dá)到對(duì)接協(xié)調(diào)的方法。此方法雖然其協(xié)調(diào)性極高，但交點(diǎn)重復(fù)位置精度極低、互換性極差、結(jié)構(gòu)和使用條件要求苛刻，使用范圍極小，工程上一般不使用。

1.2 數(shù)字量協(xié)調(diào)精加工法

交點(diǎn)數(shù)字量協(xié)調(diào)精加工法[3]如圖1所示：按裝配架數(shù)模設(shè)計(jì)制造部件Ⅰ裝配架、按裝配架裝配部件Ⅰ、進(jìn)入裝配部件Ⅰ精加工架對(duì)交點(diǎn)孔進(jìn)行精加工，部件Ⅱ類似。由于用激光跟蹤儀安裝精加工架時(shí)，靶標(biāo)點(diǎn)的確定是手工操作，精加工時(shí)是半手工操作，導(dǎo)致交點(diǎn)位置精度較低、重復(fù)位置精度低、協(xié)調(diào)性和互換性較低，此方法適用于3個(gè)交點(diǎn)以下部件，并且一個(gè)部件要一臺(tái)專用精加工臺(tái)。

圖1 典型交點(diǎn)數(shù)字量協(xié)調(diào)精加工法

1.3 模擬量協(xié)調(diào)精加工法

交點(diǎn)模擬量協(xié)調(diào)精加工法如圖2所示：與交點(diǎn)數(shù)字量協(xié)調(diào)和精加工法最大差別是精加工架前一環(huán)節(jié)增加了標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)協(xié)調(diào)，傳遞過程中利用高精度孔軸配合關(guān)系ΦDH7/h6使交點(diǎn)重復(fù)位置精度大大提高，以提高部件間的協(xié)調(diào)性和互換性。此方法克服了數(shù)字量協(xié)調(diào)法用激光跟蹤儀安裝精加工架時(shí)靶標(biāo)點(diǎn)確定手工操作帶來的誤差，使交點(diǎn)重復(fù)位置精度大大提高、協(xié)調(diào)性和互換性大大提高，此方法適用于所有部件，但需要增加許多標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)，同樣一個(gè)部件需要一臺(tái)專用精加工架。

圖2 典型交點(diǎn)模擬量協(xié)調(diào)和精加工法

1.4 同一模板協(xié)調(diào)精加工法

交點(diǎn)同一模板協(xié)調(diào)和精加工法如圖3所示：它與模擬量協(xié)調(diào)和精加工法最大的不同點(diǎn)是部件Ⅰ和部件Ⅱ使用同一精加工型架精加工，其核心是使用同一標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)協(xié)調(diào)制造同一精加工型架，使用同一精加工型架、同一精加工導(dǎo)向裝置、同一刀桿刀具、同一加工環(huán)境、甚至同一操作人員、同時(shí)或分別加工部件Ⅰ和部件Ⅱ?qū)咏稽c(diǎn)，以提高部件間的協(xié)調(diào)性和互換性。雖然其位置精度不是很高，但重復(fù)位置精度極高、協(xié)調(diào)性和互換性極高。問題是結(jié)構(gòu)條件苛刻，一般部件難以滿足，適用范圍十分有限。

圖3 典型交點(diǎn)同一模板協(xié)調(diào)和精加工法

2 智能柔性精加工系統(tǒng)

交點(diǎn)智能柔性精加工系統(tǒng)如圖4所示：部件Ⅰ與部件Ⅱ分別在柔性精加工臺(tái)上經(jīng)過自動(dòng)調(diào)姿、定位、裝夾、固定、數(shù)控加工，使各自交點(diǎn)孔徑最終尺寸符合技術(shù)公差要求，以達(dá)到部件Ⅰ與部件Ⅱ?qū)訁f(xié)調(diào)的精加工方式。它沒有傳統(tǒng)方法的專用精加工裝置，完全由數(shù)控裝置精加工，也沒有數(shù)字量協(xié)調(diào)和精加工方式手動(dòng)靶標(biāo)的誤差，交點(diǎn)的位置精度、重復(fù)位置精度極高，因而具有極好的協(xié)調(diào)性和互換性，是先進(jìn)的交點(diǎn)協(xié)調(diào)和精加工方式。

3 各種精加工技術(shù)對(duì)比

綜合比較工程上實(shí)用的工藝協(xié)調(diào)和精加工方法，見表1，可以看出智能柔性精加工系統(tǒng)是較為先進(jìn)的數(shù)字化的工藝協(xié)調(diào)和精加工方案，它集合了傳統(tǒng)的數(shù)字量協(xié)調(diào)和精加工法、模擬量協(xié)調(diào)和精加工法、同一模板協(xié)調(diào)和精加工法所有優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)，交點(diǎn)位置精度最高、交點(diǎn)協(xié)調(diào)性最好、交點(diǎn)重復(fù)位置精度最高、協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)最少、部件互換性高、溫度等環(huán)境要求低、過失誤差最小、標(biāo)準(zhǔn)工裝最少、精加工臺(tái)最少、精加工作業(yè)方式最先進(jìn)、結(jié)構(gòu)條件和工藝條件要求低、適用范圍廣泛。采用智能柔性精加工系統(tǒng)是飛機(jī)裝配中工藝協(xié)調(diào)技術(shù)和精加工技術(shù)的一次數(shù)字化、智能化的技術(shù)進(jìn)步。

4 智能化柔性化精加工系統(tǒng)特點(diǎn)

智能化柔性化精加工系統(tǒng)具有柔性化和通用性的特點(diǎn)，而沿用傳統(tǒng)工藝協(xié)調(diào)方法和精加工方式需要大量專用標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)和專用精加工臺(tái)，且沒有通用性，同一飛機(jī)不同部件和不同飛機(jī)需要不同的標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)和精加工臺(tái)。

表1 工藝協(xié)調(diào)和精加工方案對(duì)比表

交點(diǎn)重復(fù)位置精度是保障部件交點(diǎn)對(duì)接協(xié)調(diào)和部件互換性的核心問題，交點(diǎn)重復(fù)位置精度越高，交點(diǎn)協(xié)調(diào)性和部件互換性越好。傳統(tǒng)工藝協(xié)調(diào)方法和精加工方式硬件系統(tǒng)確定后，交點(diǎn)重復(fù)位置精度不可改變的，一旦出現(xiàn)大的偏差會(huì)造成交點(diǎn)對(duì)接不協(xié)調(diào)甚至報(bào)廢部件。智能化柔性化精加工系統(tǒng)可以在線適時(shí)測量、識(shí)別、記錄部件交點(diǎn)孔精加工的實(shí)際位置誤差，具有對(duì)相對(duì)應(yīng)部件交點(diǎn)孔位置進(jìn)行智能化補(bǔ)償精加工的特點(diǎn)，使交點(diǎn)孔重復(fù)位置精度≤0.013mm，保障部件交點(diǎn)的協(xié)調(diào)性和部件的互換性。

5 飛機(jī)部件智能柔性精加工技術(shù)

參照中國制造2025技術(shù)路線，以智能制造為核心的第四次工業(yè)革命正席卷全球，飛機(jī)智能裝配必將是世界各國爭奪技術(shù)領(lǐng)先的戰(zhàn)略高地[4]。針對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品具有小批量、多種類、系列化、研制周期短、市場需求變化快等特點(diǎn)的形勢(shì)，研究部件智能柔性精加工技術(shù)系統(tǒng)必將對(duì)飛機(jī)裝配水平的提升以及航空制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展起到極其重要的推動(dòng)作用。智能柔性精加工技術(shù)涉及傳感器、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動(dòng)化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，是控制、計(jì)算機(jī)、人工智能等多學(xué)科交叉融合的高新技術(shù)[5]。

5.1 部件智能運(yùn)輸

將部件吊裝至無人運(yùn)輸車（AGV車），運(yùn)用基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、激光導(dǎo)航（見圖5）、視覺技術(shù)的智能感知技術(shù)，通過配置各類傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)，使無人運(yùn)輸車（AGV車）對(duì)現(xiàn)場工作場地全面感知、認(rèn)知[6-7]，AGV車運(yùn)行至智能柔性精加工系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)AGV車準(zhǔn)確定位固定，部件粗定位。

5.2 部件智能調(diào)姿

利用數(shù)控定位器對(duì)部件的空間位置進(jìn)行調(diào)姿，通過激光跟蹤儀等感知技術(shù)，按測量數(shù)據(jù)判斷飛機(jī)的翻轉(zhuǎn)和俯仰是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)外形、交點(diǎn)進(jìn)行擬合[8-9]，部件準(zhǔn)確定位，如果滿足要求，進(jìn)入精加工階段，如果不滿足要求，需要進(jìn)行二次調(diào)姿。二次調(diào)姿以不超出加工余量為邊界條件，最終優(yōu)化飛機(jī)的外形位置。

圖5 激光導(dǎo)航AGV車

5.3 部件智能夾持

利用傳感器技術(shù)對(duì)部件夾持后的受力狀態(tài)進(jìn)行感知，防止部件夾持后強(qiáng)迫，夾持力對(duì)等，使部件在自由狀態(tài)下精加工。

5.4 部件智能精加工

利用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換末端執(zhí)行器及刀具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鏜削孔、銑削端面功能。

5.5 部件智能檢測

部件精加工完后，對(duì)加工誤差進(jìn)行數(shù)字檢測、智能分析及后續(xù)的協(xié)調(diào)分配，智能柔性精加工系統(tǒng)（如圖6）可在線實(shí)時(shí)測量、識(shí)別、記錄部件Ⅰ交點(diǎn)孔精加工的實(shí)際位置誤差，對(duì)部件Ⅱ相對(duì)應(yīng)交點(diǎn)孔位置進(jìn)行智能化補(bǔ)償精加工。通過對(duì)已精加工的部件對(duì)接交點(diǎn)孔位置誤差的在線感知、測量、記錄和分析判斷，轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)部件的對(duì)接交點(diǎn)孔位置誤差的智能補(bǔ)償[10]，保證相互對(duì)接部件相應(yīng)交點(diǎn)孔位置重復(fù)精度，保證兩部件對(duì)接交點(diǎn)孔位置的準(zhǔn)確性、一致性，以保障部件間對(duì)接的協(xié)調(diào)性和互換性。

圖6 智能柔性精加工系統(tǒng)

6 結(jié)語

通過采用無人運(yùn)輸車（AGV車）、智能柔性調(diào)姿、智能數(shù)字測量、數(shù)控加工等智能柔性集成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多機(jī)型和同一機(jī)型所有部件共用一套精加工系統(tǒng)的目的，從而徹底改變傳統(tǒng)飛機(jī)裝配中不同機(jī)型要配置不同的精加工系統(tǒng)、同一機(jī)型的每一個(gè)部件配置一套加工平臺(tái)的精加工模式，可滿足飛機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸在一定范圍內(nèi)所有部件精加工需求，將來研制的飛機(jī)無需設(shè)計(jì)制造專用部件精加工臺(tái)，可縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長，降低研制成本。

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