飛機(jī)外翼總裝型架數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究與應(yīng)用

閆寶強(qiáng) 楊文舉 張程

摘要：本文介紹了工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)的研究背景現(xiàn)狀，確定了課題的研究方向和重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)合對(duì)飛機(jī)外翼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配順序和協(xié)調(diào)模式的分析，研究了型架總體設(shè)計(jì)方案和定位結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，介紹了框架、壁板組件和工作梯的具體定位結(jié)構(gòu)和形式，最后進(jìn)一步研究與應(yīng)用了數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)研究和應(yīng)用提高了工裝設(shè)計(jì)效率，縮短了研制周期。

關(guān)鍵詞：外翼總裝型架;工裝設(shè)計(jì);數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù);裝配技術(shù);工作梯

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

國(guó)內(nèi)外航空工業(yè)均已步人數(shù)字化時(shí)代，基于CATIA三維建模的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為航空工業(yè)發(fā)展的主動(dòng)力，隨著計(jì)算機(jī)和信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)也已全面應(yīng)用到工裝的研制過(guò)程中[1]。大型飛機(jī)機(jī)翼部件結(jié)構(gòu)尺寸大，裝配準(zhǔn)確度要求高，研制周期短，在工裝設(shè)計(jì)和制造過(guò)程必須充分利用各種數(shù)字化的手段，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高效率，縮短周期，本文所研究的外翼總裝型架，是基于CATIA三維建模產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開展數(shù)字化工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作，以滿足使用單位工裝研制需求。

本飛機(jī)外翼部件包括外翼盒段部件、前緣組件、外襟翼、內(nèi)副翼、外副翼等。其中外翼盒段部件包括了10肋到32肋、上下壁板及梳狀接頭、前梁組件、后梁組件、發(fā)動(dòng)機(jī)接頭組件、浮筒接頭和翼尖等零組件，如圖1所示。單側(cè)外翼產(chǎn)品全長(zhǎng)約15m，最寬處約4m，產(chǎn)品外形復(fù)雜，零組件數(shù)量多且定位精度高，由于產(chǎn)品外形尺寸長(zhǎng)，裝配過(guò)程中受影響的因素多，裝配難度大。

1 數(shù)字化傳遞協(xié)調(diào)下的裝配協(xié)調(diào)流程

1.1 數(shù)字化傳遞協(xié)調(diào)技術(shù)

飛機(jī)制造工藝的難度就是解決互換與協(xié)調(diào)的問(wèn)題，而保證工裝的協(xié)調(diào)性是滿足互換和協(xié)調(diào)要求的主要途徑。飛機(jī)工裝協(xié)調(diào)是飛機(jī)研制過(guò)程中重要的工藝環(huán)節(jié)，它影響著整個(gè)飛機(jī)的技術(shù)性能、產(chǎn)品質(zhì)量、制造周期及制造成本等，工裝協(xié)調(diào)的主要內(nèi)容是確定工裝的制造依據(jù)和工裝協(xié)調(diào)方案，控制工裝制造環(huán)節(jié)，確保產(chǎn)品滿足精度要求。

飛機(jī)數(shù)字化裝配仿真技術(shù)是一門多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉發(fā)展的高端技術(shù)[2]，一般機(jī)械零件制造是通過(guò)控制產(chǎn)品零件的尺寸公差來(lái)保證產(chǎn)品的裝配協(xié)調(diào)，而飛機(jī)產(chǎn)品由于龐大的零件數(shù)量、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系，若采用控制零件尺寸公差的工藝方法會(huì)形成很大的誤差累積而難以保證最終的裝配要求。因此，在飛機(jī)制造工藝過(guò)程中通過(guò)控制關(guān)鍵裝配部位的協(xié)調(diào)關(guān)系這一途徑來(lái)滿足產(chǎn)品的裝配要求。一般的協(xié)調(diào)采用以下三種傳遞途徑：模擬量傳遞協(xié)調(diào)、數(shù)字化傳遞協(xié)調(diào)（如圖2所示）、數(shù)字化與模擬量傳遞協(xié)調(diào)相結(jié)合[3]。

經(jīng)過(guò)對(duì)上述三種協(xié)調(diào)方法的比較，決定在中央翼與外翼部件對(duì)接時(shí)，采用數(shù)字化傳遞協(xié)調(diào)方法，即利用數(shù)字化標(biāo)工對(duì)中央翼與外翼部件對(duì)接部位進(jìn)行連接孔軸線的協(xié)調(diào)制造加工[4]。

1.2 產(chǎn)品裝配協(xié)調(diào)流程

外翼總裝型架上需要定位安裝的組件有：前梁組件、后緣組件、翼尖、10-31肋、上壁板組件、下壁板組件、發(fā)動(dòng)機(jī)接頭組件、各浮筒接頭。在工裝設(shè)計(jì)過(guò)程中采用并行設(shè)計(jì)模式，并通過(guò)軟件進(jìn)行了外翼盒段部件的數(shù)字化預(yù)裝配[5]，最終確認(rèn)了產(chǎn)品裝配協(xié)調(diào)流程圖，如圖3所示。

2 外翼總裝型架數(shù)字化總體設(shè)計(jì)方案

2.1 上架產(chǎn)品的擺放姿態(tài)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)型的產(chǎn)品排放姿態(tài)通常采用“立放”方式，航向向上或向下，前梁組件或后梁組件處于水平位置，便于定位件布置和鉚接裝配[6]。

外翼產(chǎn)品尺寸較大，除了前梁組件、后梁組件、上下壁板、發(fā)動(dòng)機(jī)接頭組件和浮筒接頭組件的裝配工作量以外，在產(chǎn)品的上、下翼面上也有較多的制孔工作量，在確定產(chǎn)品的擺放姿態(tài)時(shí)，需要考慮為產(chǎn)品裝配過(guò)程提供良好的人員操作空間和姿態(tài)。在工裝設(shè)計(jì)初始階段，先后論證了兩種擺放姿態(tài)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終決定采取“航向向下”產(chǎn)品擺放姿態(tài)。

2.2 型架框架結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

（1）型架整體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于此機(jī)型外翼產(chǎn)品長(zhǎng)度方向長(zhǎng)、跨度大，且產(chǎn)品需要定位安裝的零部件多，型架框架的總體結(jié)構(gòu)必然為大跨度剛性梁結(jié)構(gòu)，在保證產(chǎn)品裝配有足夠空間的原則下，應(yīng)合理設(shè)計(jì)裝配型架整體框架的結(jié)構(gòu)，使型架的穩(wěn)定性滿足對(duì)廠房地基、工裝制造條件和產(chǎn)品裝配的要求。原則上工裝需采用“左右合一式”的框架結(jié)構(gòu)（如圖4所示），型架的上梁組件必須連接組成一個(gè)整體剛性框架，同時(shí)型架采用連接式整體底盤結(jié)構(gòu)，以增加型架的整體穩(wěn)定性。

（2）型架框架結(jié)構(gòu)的材質(zhì)設(shè)計(jì)

相對(duì)于大型工裝來(lái)說(shuō)，溫度變化是引起工裝變形的重要因素之一，在設(shè)計(jì)工裝的過(guò)程中要充分考慮溫度變化情況[6]。參考以往機(jī)型的外翼總裝型架，為抵消溫度變化引起的工裝變形，主要采取框架整體為鋁結(jié)構(gòu)，工裝上梁為鋁板焊接的矩形管，立柱采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，底盤由多塊鑄鋁標(biāo)準(zhǔn)塊拼接而成。由于框架的材料與產(chǎn)品材料膨脹系數(shù)接近，不需要另外設(shè)置膨脹板以補(bǔ)償溫度變化的影響，減輕了上梁的重量（質(zhì)量），避免了嚴(yán)重降低定位器精度的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）產(chǎn)品的出架方式設(shè)計(jì)

外翼盒段部件一般有三種出架方式：側(cè)向出架、縱向出架、上方出架。產(chǎn)品的出架方式是工裝使用功能的重要組成部分，對(duì)于本工裝來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品位于框架內(nèi)部，并且兩側(cè)均有外形卡板，產(chǎn)品采用“側(cè)向出架”“縱向出架”的出架方式十分困難。

因此，產(chǎn)品采用“上方出架”的出架方式較便捷（如圖5所示）。為了清理產(chǎn)品出架通道，需將上梁向下翼面方向滑動(dòng)、翼尖組件向框架外側(cè)滑動(dòng)，偏離產(chǎn)品一定距離。

當(dāng)上梁向下翼面方向滑動(dòng)、翼尖組件向框架外側(cè)滑動(dòng)，偏離產(chǎn)品一定距離后，可以為產(chǎn)品出架提供足夠的出架通道，從而使產(chǎn)品可以從上方直接吊出型架，大大降低了產(chǎn)品出架難度。

2.3 工裝主要定位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）前梁組件主要定位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于前梁上的角盒、J型件和接頭等均沒(méi)有可利用的關(guān)鍵外形特征，所以前梁在本型架上為初定位。首先完成的是根段前梁和梢段前梁本體的定位。在航向方向設(shè)置梁托件定位前梁平面，翼展方向以選定的梁立筋面作為展向定位基準(zhǔn)，同時(shí)在梁兩側(cè)的翻邊設(shè)置外形定位塊控制上、下翼面的位置。

（2）后梁組件主要定位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

后梁組件在流轉(zhuǎn)到總裝型架時(shí)已在后梁裝配型架上組合成整體，后梁組件在本型架上為二次定位，定位時(shí)選用的基準(zhǔn)與后梁裝配型架保持一致。

（3）壁板組件定位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在常規(guī)工裝的設(shè)計(jì)中，當(dāng)外翼部件產(chǎn)品采用外形定位方式時(shí)，壁板外形按外形卡板定位;當(dāng)外翼部件產(chǎn)品采用骨架定位方式時(shí)，壁板外形按骨架外形定位。同時(shí)還需在壁板邊緣處設(shè)置定位擋件或邊緣線進(jìn)行準(zhǔn)確的位置定位。

上、下壁板組件定位是以端面平板定位梳狀接頭平面控制翼展方向，航向方向借助梳狀接頭上的兩個(gè)定位孔進(jìn)行定位（如圖6所示）;在壁板中部的各前梁托板上設(shè)置外形塊檢查壁板在前梁邊緣處的外形;在壁板梢部設(shè)置外形塊進(jìn)行支撐。

3 外翼總裝型架用工作梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在外翼產(chǎn)品裝配過(guò)程中，全部的工作量集中在外翼總裝型架周圍，同時(shí)有20多人在外翼總裝型架上進(jìn)行不同部件、不同工序的裝配鉚接工作，因此，總裝型架周圍大量的鉚接工作量需要借助工作梯才能完成。工作梯分為兩層，第一層平臺(tái)距地面0.8m，第二層平臺(tái)距離地面2.8m，主要結(jié)構(gòu)用120mm×120mm×5mm的方管焊接而成，工作平臺(tái)用骨架用100mm×60mm×3mm焊接，在其上面鋪設(shè)4mm的防滑鋁板，并用抽芯鉚釘與骨架部分連接，在每層工作平臺(tái)上安裝有1100mm高的護(hù)欄和120mm高的踢腳板，兩層工作平臺(tái)之間設(shè)置梯子，梯子的傾斜角a為：30°≤α≤70°，在空間允許的情況下，α盡可能小，工作梯具體結(jié)構(gòu)如圖7所示，在工作梯上靠近飛機(jī)產(chǎn)品地方設(shè)置可以伸縮的氣動(dòng)抽板機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)[7]。

4 外翼總裝型架優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

裝配型架優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足型架整體剛度要求下，實(shí)現(xiàn)型架結(jié)構(gòu)型材規(guī)格的參數(shù)化自動(dòng)選擇，從而達(dá)到整體結(jié)構(gòu)重量最輕、加工成本最小或研制周期最短的目的[8]。飛機(jī)裝配型架主要由骨架和定位夾緊件組成，型架骨架作為大型裝配型架的主體支撐，對(duì)型架整體剛度的多少起著至關(guān)重要的影響，因此，型架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程主要是針對(duì)型架骨架基體而說(shuō)的。

借助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行型架模型輸入、有限元網(wǎng)格劃分、邊界條件限定、計(jì)算等環(huán)節(jié)，將優(yōu)化的最優(yōu)解結(jié)果作為設(shè)計(jì)型材選型的參考數(shù)值，對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)型材牌號(hào)選擇適當(dāng)?shù)男筒臉?biāo)準(zhǔn)，從而確定真正的型材牌號(hào)，最終優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析情況見表1。

從表1可以看出，型架框架的剛度分析是大型裝配型架設(shè)計(jì)中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9]，通過(guò)利用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力可以便捷準(zhǔn)確地求出型架的結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解，然后可以指導(dǎo)后期的型架的總體設(shè)計(jì)技術(shù)工作，提高設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的可靠性，強(qiáng)化設(shè)計(jì)人員的成本控制意識(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本課題的研究不僅解決飛機(jī)研制過(guò)程中外翼各零組件精確調(diào)姿、定位、裝配的技術(shù)問(wèn)題，完成產(chǎn)品裝配任務(wù)，而且在工裝局部結(jié)構(gòu)采用數(shù)字量傳遞和數(shù)字化標(biāo)工，并利用激光跟蹤儀對(duì)型架各段的空間位置進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)量[10]，同時(shí)在支撐結(jié)構(gòu)上采用了多支點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，為以后研究外翼部件自動(dòng)化裝配系統(tǒng)提供了必要的參考，實(shí)踐證明，本工裝完全實(shí)現(xiàn)了翼盒部件的高效精準(zhǔn)制造，降低了研制成本，縮短了研制周期，滿足了飛機(jī)裝配生產(chǎn)線需求。

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