飛機機身制造中柔性裝配技術(shù)探究

摘 要：在現(xiàn)代飛機研制過程中，已越來越重視柔性裝配技術(shù)的應用。而柔性裝配工裝是現(xiàn)代飛機柔性裝配技術(shù)的重要組成，對飛機柔性裝配的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有最直接的影響。由于柔性裝配工裝無論在整體結(jié)構(gòu)形式或是元件定位方式等方面都較傳統(tǒng)專用裝配工裝更具靈活性和復雜性。本文以飛機機身部件為研究對象，對機身部件柔性裝配技術(shù)進行了研究。

關鍵詞：柔性裝配工裝;機身裝配工藝

1 引言

飛機裝配是飛機制造過程的主要環(huán)節(jié)，它是將大量飛機零件按圖紙和技術(shù)要求等進行組合、連接的過程。另外，飛機的結(jié)構(gòu)件主要是鈑金件或復合材料壁板件組成的薄殼結(jié)構(gòu)，形狀復雜、連接面多、工藝剛性小，在加工、裝配過程中都會產(chǎn)生變形[2]。飛機的裝配工作量約占整個飛機制造勞動量的 40%～50%（一般的機械制造中裝配和安裝工作量只占產(chǎn)品總勞動量的 20%左右）。因此，飛機裝配技術(shù)在飛機制造過程中占有非常重要的地位，其技術(shù)水平直接體現(xiàn)了飛機制造的先進性。

傳統(tǒng)飛機裝配方法在早期飛機制造中發(fā)揮了重要作用，但是，也存在著如下弊端。隨著對飛機性能要求的提高，特別是現(xiàn)代飛機長壽命、高可靠性（新一代軍機 6000小時以上，大型客機 60000～70000 小時）以及新一代軍機提出了隱身等戰(zhàn)術(shù)性能指標，同時，基于數(shù)字化設計方法的飛機快速研制技術(shù)的應用，對飛機裝配精度、質(zhì)量和效率提出了更高要求。顯然，傳統(tǒng)飛機裝配方法所存在的不足更加突出，已不能適應現(xiàn)代飛機制造要求，也不能適應先進生產(chǎn)管理模式和精益生產(chǎn)的要求。

2飛機柔性裝配工裝技術(shù)

2.1 柔性工裝定義

柔性裝配工裝是指其主要構(gòu)成元件可進行調(diào)節(jié)或局部重組，以適應一組結(jié)構(gòu)相似和尺寸相近的裝配件在其裝配過程中的定位、保形、支撐和夾緊等工藝需求，進而達到減少工裝品種和數(shù)量、縮短工裝準備周期和降低工裝研制成本等目的。這組裝配件或同屬于一個機型，或?qū)儆诓煌臋C型。

2.2 柔性工裝特點

與傳統(tǒng)專用裝配型架相比較，柔性裝配工裝具有如下特點[1]：

（1）結(jié)構(gòu)離散化 在柔性裝配工裝結(jié)構(gòu)中，通常不采用整體骨架結(jié)構(gòu)，這是實現(xiàn)定位柔性化、通用化的有利條件之一。即使在某些采用整體骨架結(jié)構(gòu)的柔性裝配工裝中，其定位元件也是采用離散化布局形式。

（2）元件模塊化 在同一模塊中，集成了支撐、定位和夾緊等主要結(jié)構(gòu)，并為這些結(jié)構(gòu)配備了相應的自動控制裝置。此外，不同模塊可通過自動控制來調(diào)整相互間的位置關系，以適應不同裝配件的定位要求。這是實現(xiàn)工裝柔性化、通用化的關鍵技術(shù)保證。

（3）元件控制自動化 柔性裝配工裝的主要模塊和元件，均采用自動化控制方式來調(diào)節(jié)這些模塊和元件間的相互位置關系，以快速形成工裝定位構(gòu)型，并確保此構(gòu)型的準確性。

（4）自適應調(diào)節(jié)與定位精度補償 通過在線測量系統(tǒng)，包括激光跟蹤儀等，實時采集和反饋工件的空間位置，通過與理論位置的對比，確定定位調(diào)整量，利用這些調(diào)整量自動調(diào)整相關定位元件的方位，以達到工件準確定位的要求。

（5）支持自動化裝配方式 柔性裝配工裝可以實現(xiàn)快速定位和夾緊，以適應于自動鉆孔和鉚接等自動化裝配方式。

3 機身柔性裝配技術(shù)研究

3.1 國外的研究現(xiàn)狀

國外學者在飛機柔性裝配發(fā)展歷程、柔性裝配系統(tǒng)及其單元設計等方面開展研究。Butterfield，J.等提出了應用數(shù)字化制造與協(xié)同產(chǎn)品和生命周期以用于航空裝配工裝和工作單元設計的集成化敏捷方法以滿足可持續(xù)發(fā)展;Heilala，J.等介紹了用于飛機總裝配的模塊化可重構(gòu)柔性總裝系統(tǒng);Yeung，B.H.B.等介紹了用于柔性裝配的 6 自由度可重構(gòu)夾持器，該夾持器可以具有六個自由度，靈活性高。Lehmker[等提出了基于柔性化的大尺寸機身裝配方法。

以美國為首的西方發(fā)達國家首先開始研究和采用數(shù)字化技術(shù)，并將其應用到了航空航天制造業(yè)中。

波音公司精確機身裝配 AFA 和機身裝配改進團隊 FAIT 首次采用“Snap- together”裝配技術(shù)于 1999 年 11 月首架交付的 747 客機。通過機身的所謂“超壁板”上的精密孔，借助激光安裝與定位調(diào)整使得超壁板與其它零件實現(xiàn)自定位，從而簡化了裝配夾具。洛克希德？馬丁公司牽頭研制的 JSF 戰(zhàn)機原型機 X-35 目標縮短飛機裝配制造周期三分之本降低一半。其核心技術(shù)之一就是充分體現(xiàn)柔性裝配特點的龍門鉆削系統(tǒng)技術(shù)，采用激光定位、電磁驅(qū)動實現(xiàn)精密鉆孔，不僅降低了鉆孔出錯率，而且大大減少了工具和工裝。在此基礎上，波音公司在研制 JSF 的 X-32 樣機和無人機 X-45 樣機時，同樣實現(xiàn)了柔性裝配技術(shù)和系統(tǒng)創(chuàng)新，提出了包括根據(jù)零件關鍵特征以較少的安裝工作快速定位不同零件的無專用型架制造技術(shù)，取消了巨大的型架，而是采用一種通用支架支承樣機的主要部件，利用 4 臺 Zeiss 激光跟蹤儀對部件進行空間定位和其它裝配工作。

德國 BRoTJE 公司開發(fā)一種“集成化機身壁板裝配系統(tǒng)”，該系統(tǒng)采用了基于模塊化的 POGO 柱單元的柔性工裝系統(tǒng)、自動鉆鉚和環(huán)鉚技術(shù)，并在波音 B737、C-17 和空客 A380 的機身壁板裝配中得到了應用。

杜爾公司開發(fā)的 EcoPositioner 是一種模塊化和可重置定位系統(tǒng)，它提出了一種新的定位技術(shù)概念，可整體解決飛機大部件對接時的定位方案，不僅考慮了定位任務以及使用條件，還考慮了環(huán)境影響。它是由多種機械手或多種定位器組成的機械系統(tǒng)，可在確定的附著點拾取飛機部件，并能以 6 自由度運動（3 個平移，3 個旋轉(zhuǎn)）。EcoPositioner 系統(tǒng)包括一個測量模塊（大型度量系統(tǒng)和測量軟件，可提供飛機部件目前和理想的位置和方向信息）。當前和理想姿態(tài)是根據(jù)相關零件 CAD 模型和飛機結(jié)構(gòu)的坐標參考系確定的。其中可靠的機器人控制平臺保證每個控制裝置多達 48 個感應軸的同步。安裝在每個定位器末端的力傳感器，能夠監(jiān)控作用于運動中的飛機零件上的力，這保證了零件操作中無應變，防止不可控的變形。

3.2國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學者對飛機機身柔性裝配技術(shù)及其系統(tǒng)進行了研究[2]，典型的柔性裝配工裝有飛機壁板柔性裝配工裝、機身部件柔性裝配工裝和總裝用的柔性對接工裝系統(tǒng)等。

陳昌偉等分析了目前中國飛機裝配中存在的問題，總結(jié)了國外飛機先進數(shù)字化柔性工裝的研究及應用現(xiàn)狀，綜述了虛擬裝配、柔性工裝、數(shù)控鉆鉚、激光跟蹤等數(shù)字化裝配關鍵技術(shù)，指出了實現(xiàn)中國飛機數(shù)字化裝配跨越發(fā)展的技術(shù)途徑。王亮系統(tǒng)研究了飛機數(shù)字化裝配柔性工裝技術(shù)及系統(tǒng)研究，并開發(fā)了相應的軟件和硬件系統(tǒng)，進行了飛機壁板類組件、部件類數(shù)字化柔性工裝技術(shù)研究與開發(fā)。

在組件裝配方面，秦政琪等研究了飛機薄壁組件數(shù)字化柔性裝配相關技術(shù)。肖慶東開展了飛機數(shù)字化裝配定位技術(shù)研究，設計開發(fā)了“十字架支臂式”機械隨動定位裝置，并基于該定位裝置進行了數(shù)字化裝配定位系統(tǒng)平臺的組建;肖慶東等將飛機壁板類零件柔性工裝的功能模塊分為靜態(tài)框架與動態(tài)模塊;建立了數(shù)字化柔性裝配工裝的控制測量圖，組建了飛機壁板類數(shù)字化裝配平臺，并且分析了該平臺在飛機零部件裝配應用中的特點。

在飛機部件裝配方面，朱明華等提出以具有三坐標自由度的柔性支撐裝置為基本單元組成柔性多點支撐系統(tǒng)的飛機部件支撐方法。高紅研究了飛機部件柔性裝配技術(shù)應用及工藝設計。蔣君俠、黃小東等提出了一種大飛機中機身數(shù)字化裝配方案;張開富等提出了機身壁板對合柔性定位方法及其裝置。

參考文獻：

[1] ?邱益， 鄭國磊， 饒有福等. 飛機柔性裝配工裝智能化設計（FFixCAD）系統(tǒng) [J]. 航空制造技術(shù)，2010，24： 90-94

[2] ?鄒方，薛漢杰，周萬勇等. 飛機數(shù)字化柔性裝配關鍵技術(shù)及其發(fā)展 [J]. 航空制造技術(shù)， 2006， 9（2）：30-35

作者簡介：

焦彥超（19870814），男，籍貫：吉林白山，職稱：工程師，研究方向：檢驗檢測.