某型機(jī)外翼假件裝配型架設(shè)計(jì)、制造技術(shù)研究

孫朝輝，寇永興，陳金祥

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司制造工程部，西安710089）

1 引言

伴隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)不斷的進(jìn)步，飛機(jī)設(shè)計(jì)周期在迅速縮短。為了將產(chǎn)品盡快投入使用，型號(hào)研制留給裝配型架設(shè)計(jì)的時(shí)間被壓縮到傳統(tǒng)時(shí)間的1/3,因此，完成裝配型架的快速設(shè)計(jì)與制造，已成為確保項(xiàng)目順利實(shí)施的基本要求[1]。

某型機(jī)外翼假件由前、中、后梁，前、中梁連接板，前、后銷(xiāo)軸接頭及鉸鏈接頭構(gòu)成。假件需安裝的零件類(lèi)型多，連接部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過(guò)標(biāo)工協(xié)調(diào)安裝銷(xiāo)軸接頭及鉸鏈接頭。如果按傳統(tǒng)工裝的設(shè)計(jì)與制造方法執(zhí)行，周期長(zhǎng)，已無(wú)法滿(mǎn)足項(xiàng)目進(jìn)度要求，因此，需要通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)工裝的設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行研究，提出新型工裝設(shè)計(jì)與制造的理念，提高設(shè)計(jì)及制造效率，節(jié)省時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，裝配出合格的假件，外翼假件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 外翼假件結(jié)構(gòu)

2 裝配型架的設(shè)計(jì)與制造

裝配工藝裝備，是指在完成產(chǎn)品從組件到部件裝配以及總裝配過(guò)程中，用以控制幾何參數(shù)的具有定位功能的專(zhuān)用裝備。

裝配型架是具有獨(dú)立的定位系統(tǒng)而不依靠工裝或產(chǎn)品來(lái)完成本工藝階段的定位裝配的鉚接類(lèi)裝配工藝裝備。

裝配型架是飛機(jī)裝配中數(shù)量最多的鉚接裝配工藝裝備，一般由骨架（框架）、定位件、壓緊件及輔助裝置組成。

骨架是型架的基礎(chǔ)，用于固定和支撐定位件、夾緊件等其他元件，保持各元件空間位置的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性；定位件是確定產(chǎn)品幾何參數(shù)或尺寸要素的元件；壓緊件是壓緊工件以配合定位件完成其定位功能的元件；輔助裝置是為了保證工作方便、安全，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率而配置的輔助設(shè)施。

2.1 裝配型架設(shè)計(jì)

裝配型架設(shè)計(jì)是以工藝提出的技術(shù)條件及相關(guān)的指令性技術(shù)要求等作為依據(jù)，按照產(chǎn)品裝配順序及定位要求，設(shè)計(jì)骨架、定位件、壓緊件及所需的輔助裝置。

設(shè)計(jì)的裝配型架要滿(mǎn)足使用性、協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性的要求。

2.2 裝配型架的制造

裝配型架由零件制造和型架裝配兩部分組成。大部分零件制造采用通用設(shè)備加工即可完成，型架裝配是裝配型架制造的關(guān)鍵制造技術(shù)。

按照型架裝配的不同方法，裝配型架的制造劃分為專(zhuān)用加工設(shè)備安裝及激光跟蹤儀安裝。

2.2.1 加工設(shè)備安裝

專(zhuān)用加工設(shè)備安裝可劃分為：劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)安裝、型架裝配機(jī)安裝和光學(xué)機(jī)械工具塢安裝，此3 類(lèi)安裝方法都是采用機(jī)械坐標(biāo)系系統(tǒng)將安裝板安裝到工裝坐標(biāo)系定位件的定位位置，通過(guò)安裝板將定位器安裝到型架上。

劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)是帶有T 型槽的高精度安裝平臺(tái)，安裝平臺(tái)長(zhǎng)度為3～20m。平臺(tái)兩側(cè)沿長(zhǎng)度方向分布著兩個(gè)等高平行平面，每個(gè)平面平面度公差為0.03mm，兩平面平行度公差為0.05mm，相對(duì)高度公差為0.1～0.5mm。在兩個(gè)平面上等距分布了高精度定尺寸孔，任意4 個(gè)孔的位置度公差不大于φ0.01。劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)工作面的平面度與平臺(tái)長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)，平面度公差最小0.04mm，最大0.10，典型劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)如圖2所示。

圖2 典型劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)

劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)高精度定位孔用于安裝劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)附件。劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)附件按用途分為標(biāo)尺、定位件、轉(zhuǎn)換定位件、標(biāo)尺用輔件、標(biāo)準(zhǔn)墊板等。劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)及其附件的定位面按50 倍數(shù)關(guān)系分布有高精度定位孔，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)定位銷(xiāo)定位，可以構(gòu)造以劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)平面為基準(zhǔn)的機(jī)械坐標(biāo)系系統(tǒng)，完成型架裝配。

劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)安裝工裝速度快，但受限于平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及尺寸，不能安裝帶有固定框架的工裝；定位器安裝存在轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，安裝精度不高。

2.2.2 激光跟蹤儀安裝

激光跟蹤儀是20世紀(jì)80年代中后期發(fā)展起來(lái)的一種新型的大尺寸空間坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，它集干涉測(cè)距自動(dòng)跟蹤、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)軟件及控制技術(shù)為一體，能夠?qū)臻g運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)跟蹤及三維坐標(biāo)實(shí)時(shí)測(cè)量，具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)快速、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、造船、機(jī)械制造等工業(yè)制造領(lǐng)域。

裝配型架的激光跟蹤儀安裝，是工裝制造在安裝現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)工裝數(shù)模所提供的工裝零組件上的OTP 點(diǎn)理論坐標(biāo)值及公差要求，通過(guò)激光跟蹤儀點(diǎn)位值測(cè)量，將零組件調(diào)整定位安裝到工裝骨架上的安裝方法。

工裝零組件上的OTP 點(diǎn)理論坐標(biāo)值賦值是在同一坐標(biāo)系下，依據(jù)空間定位6 自由度原理，在確定主控制定位基準(zhǔn)前提下，按照“3-2-1”原則所確定。OTP 點(diǎn)值的公差是依據(jù)裝配產(chǎn)品安裝精度要求，提高精度等級(jí)來(lái)確定。

激光跟蹤儀安裝型架，要建立增強(qiáng)參考系統(tǒng)，即ERS 系統(tǒng)，按制造文件要求，大約每隔500mm 設(shè)置一個(gè)ERS 點(diǎn)，ERS系統(tǒng)作用是建立測(cè)量場(chǎng)的包容空間，為工裝提供轉(zhuǎn)換測(cè)量基準(zhǔn)。

激光跟蹤儀安裝型架，無(wú)轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，安裝精度高，但定位件安裝時(shí)要反復(fù)測(cè)量調(diào)整，直到OTP 點(diǎn)值滿(mǎn)足要求，因此安裝速度低。

3 某型機(jī)外翼假件裝配型架的設(shè)計(jì)與制造

3.1 型架設(shè)計(jì)方案

依據(jù)裝配型架的構(gòu)成要素，型架設(shè)計(jì)需要確定骨架、定位件、壓緊件、輔助裝置結(jié)構(gòu)形式及加工要求，確定型架安裝方法。

骨架采用劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)作為工裝基體，未采用焊接式平面框架；定位件依據(jù)產(chǎn)品定位要求，劃分為模塊，均按精鑄件設(shè)計(jì)；壓緊件采用外購(gòu)各類(lèi)夾鉗，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在定位件上穩(wěn)定夾持；產(chǎn)品水平放置在劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)上，采用現(xiàn)場(chǎng)天車(chē)與吊帶將產(chǎn)品吊離平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)下架，除此無(wú)需其他輔助裝置。

假件銷(xiāo)軸接頭及鉸鏈接頭要通過(guò)標(biāo)工來(lái)協(xié)調(diào)安裝，傳統(tǒng)方案要設(shè)計(jì)交點(diǎn)定位器?？紤]到此處是通過(guò)正、反標(biāo)工協(xié)調(diào)的，因此決定不設(shè)計(jì)交點(diǎn)定位器，采用反標(biāo)工作為定位器安裝產(chǎn)品，用激光跟蹤儀安裝。

3.2 型架制造方案

零件的制造：劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接式框架，節(jié)約框架制造、時(shí)效時(shí)間，有效降低制造總周期。

模塊化設(shè)計(jì)的精鑄定位件和焊接定位件，降低工藝準(zhǔn)備時(shí)間。精鑄定位件采用3D 打印技術(shù)制造精鑄件鑄模，3D 打印不必采用傳統(tǒng)的加工機(jī)床和工模具，只需傳統(tǒng)加工方法10%～30%的工時(shí)和20%～35%的成本，就能制造出產(chǎn)品，圖3為模塊化設(shè)計(jì)的定位件。

型架的裝配：采用劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)與激光跟蹤儀混合安裝。

與標(biāo)工協(xié)調(diào)的工裝定位器安裝采用激光跟蹤儀安裝。ERS系統(tǒng)采用劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)及其附件組裝形成的定尺寸高精度孔系來(lái)建立。

采用反標(biāo)工作為定位器，其必須穩(wěn)定支撐，需要設(shè)計(jì)支撐架。支撐架要快速安裝到劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)上，要設(shè)計(jì)調(diào)整結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)工在支撐架上位置的調(diào)整，支撐架如圖4所示。

圖4 支撐架

3.3 型架設(shè)計(jì)、制造方案特點(diǎn)分析

本型架設(shè)計(jì)與制造特點(diǎn)如下：

第一，實(shí)現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與工裝制造工具相結(jié)合。將劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)作為工裝骨架，充分利用了劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)高精度平面及孔系的定位功能，將安裝工具轉(zhuǎn)換為工裝部件，又可以充分利用其安裝功能。

第二，實(shí)現(xiàn)工裝劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)安裝與激光跟蹤儀安裝相結(jié)合。傳統(tǒng)工裝安裝的兩種方法是不能混用的，各自安裝優(yōu)缺點(diǎn)明顯，無(wú)法去缺存優(yōu)。劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)安裝是用安裝板在坐標(biāo)系內(nèi)形成孔面定位面，是“實(shí)”，激光跟蹤儀安裝是通過(guò)測(cè)量空間OTP 點(diǎn)值安裝，是“虛”，將“實(shí)”與“虛”結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低精度定位件的快速安裝及協(xié)調(diào)交點(diǎn)的高精度安裝。

劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)能夠建立激光跟蹤儀的ERS 系統(tǒng)，因此，可以通過(guò)激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝定位件、裝配的產(chǎn)品關(guān)鍵特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)“實(shí)”與“虛”之間的統(tǒng)一與轉(zhuǎn)換。

第三，實(shí)現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)制造技術(shù)在設(shè)計(jì)、制造中的應(yīng)用。

工裝安裝設(shè)計(jì)時(shí)采用拼裝夾具的理念，工裝零件設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)思路，通過(guò)劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)的附件及少量非標(biāo)零件，將模塊化定位件墊到安裝位置，壓縮工裝零件類(lèi)別，降低設(shè)計(jì)、制造周期。采用3D 打印技術(shù)，制造工裝零件，降低制造周期。

第四，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)工裝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)轉(zhuǎn)型為工裝骨架，反標(biāo)工轉(zhuǎn)化為工裝定位器，不僅可以降低設(shè)計(jì)工作量，有效回避設(shè)計(jì)、制造的難點(diǎn)，節(jié)約大量時(shí)間，同時(shí)也是對(duì)統(tǒng)工裝設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。工裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，假件裝配如圖6所示。

圖5 工裝結(jié)構(gòu)

圖6 假件裝配

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)假件裝配型架設(shè)計(jì)、制造技術(shù)研究，采用將劃線(xiàn)鉆孔臺(tái)作為骨架的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將模塊化設(shè)計(jì)、拼裝夾具設(shè)計(jì)理念融入設(shè)計(jì)過(guò)程中，工裝零件制造中采用3D 打印技術(shù)，工裝裝配將傳統(tǒng)安裝與數(shù)字化安裝糅合成整體，發(fā)揮出各自?xún)?yōu)勢(shì)，降低設(shè)計(jì)、制造周期約30%，僅骨架制造成本降低約80 萬(wàn)元，本裝配型架已經(jīng)按項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)要求，裝配出合格產(chǎn)品，并交付用戶(hù)安裝。

本研究提供的設(shè)計(jì)、制造思路，特別適用于型號(hào)研制中結(jié)構(gòu)相同，尺寸多樣，數(shù)量多的試驗(yàn)件部件的裝配，是一種快速、低成本裝配型架設(shè)計(jì)、制造方案。