飛機(jī)裝配型架骨架優(yōu)化布局方法研究與應(yīng)用

李世達(dá)

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089）

飛機(jī)作為具有一具或多具發(fā)動機(jī)動力裝置而產(chǎn)生前進(jìn)的推力和拉力，且由機(jī)身固定機(jī)翼產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)飛行的重于空氣的航空器。飛機(jī)成為生活和現(xiàn)代文明不可缺少的工具，改變著人民的生活習(xí)慣。所以對于飛機(jī)裝置的優(yōu)化布局非常重要。飛機(jī)外形復(fù)雜，零件裝置的組成繁雜數(shù)量極多，不僅裝配和安裝的時間長，裝配技術(shù)更是一項(xiàng)非常有技術(shù)難度的工作，這項(xiàng)裝配工作一直困擾著飛機(jī)制造業(yè)。下面將通過研究方法，達(dá)到能夠縮短裝配周期和裝配型架和骨架的優(yōu)化，并將這種方法應(yīng)用，使得骨架布局速度加快，提高裝配型架骨架技術(shù)的質(zhì)量和效率。

1 飛機(jī)裝配型架骨架的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，飛機(jī)的研制進(jìn)程也逐漸在加快，其研究過程中會大量地采用數(shù)字化的設(shè)計制造技術(shù)、復(fù)合材料成形等新興技術(shù)，不僅促進(jìn)了飛機(jī)裝配技術(shù)的進(jìn)步和變革，也使飛機(jī)裝配型架骨架的技術(shù)越來越成熟。下面將簡述具體的飛機(jī)裝配型架骨架的設(shè)計技術(shù)發(fā)展歷程。首先，飛機(jī)的工藝裝配方法由傳統(tǒng)走向新興，采用了全新的工作方法。傳統(tǒng)的互換協(xié)調(diào)體系是以模擬量傳遞飛機(jī)的尺寸和形狀，采用橫線樣板一標(biāo)準(zhǔn)樣件一工藝裝備的工作方法。但是現(xiàn)在被以數(shù)字量傳遞飛機(jī)尺寸和形狀的互換協(xié)調(diào)體系的全新工作方法取而代之。數(shù)字化的裝配工作方法使飛機(jī)的裝配質(zhì)量大大提高，也使裝配工程的速度加快。另外，因?yàn)轱w機(jī)不是半硬殼式就是硬殼式，這樣總是大量的采用整體的結(jié)構(gòu)件，這種整體的結(jié)構(gòu)件尺寸大并且剛性強(qiáng)。所以，在飛機(jī)裝配中可以以骨架為定位的標(biāo)準(zhǔn)，大幅度地簡化飛機(jī)裝配型架，節(jié)省時間，提高了飛機(jī)的裝配的效率。也節(jié)省了大量的外形卡板，簡化了飛機(jī)生產(chǎn)工藝設(shè)備。[1]其次，采用計算機(jī)輔助光學(xué)儀器——激光跟蹤儀、電子全站儀，進(jìn)行飛機(jī)的定位測量和飛機(jī)裝配工作，加快了裝置工程的制造過程。

2 飛機(jī)裝配型架骨架的結(jié)構(gòu)分類

關(guān)于飛機(jī)裝配型架的設(shè)計，總的來說就是根據(jù)裝配對象的具體結(jié)構(gòu)情況和裝配的準(zhǔn)確度要求，能夠正確的選擇處裝配產(chǎn)品的定點(diǎn)位和定位方式還有定位件的形式和固定方式，能夠優(yōu)化型架骨架的結(jié)構(gòu)布局，總覽總體布局。目前，裝配型架骨架可以主要分為以下兩種。

2.1 整體平面框架式裝配型架

整體平面框架式裝配型架主要是用與尺寸較小的平面組合件，其骨架用料是槽鋼或鋼管焊接成的平面框架。[2]外形的定位件一般采用分散的布局，而為了裝配工作的勞動條件更好一點(diǎn)，面對一些尺寸較大的裝配型架，一般采用立式的固定結(jié)構(gòu)。

2.2 平板式裝配型架

平板式裝配型架多應(yīng)用于尺寸不大的框、肋組合件的裝置。這種結(jié)構(gòu)型的裝配形式簡化了型架的安裝工作。另外裝配時也可以對照位置安裝配件，不容易出錯而且安裝快捷方便。

3 裝配型架的安裝過程及環(huán)節(jié)

型架的安裝過程是按照設(shè)計圖紙將制造好的骨架、定位件、夾緊件組裝在一起，并且調(diào)整規(guī)定的位置準(zhǔn)確度。而型架的安裝是飛機(jī)裝配型架骨架中一個極其重要的環(huán)節(jié)。因?yàn)樵陲w機(jī)部件的裝配過程中，要有成形配套的裝配型架，也要確保各種裝配型架之間的協(xié)調(diào)性和適用性。又因?yàn)轱w機(jī)制造裝配過程中使用的裝配型架數(shù)量大，生產(chǎn)的周期很長，所以安裝飛機(jī)裝配型架占飛機(jī)生產(chǎn)過程中非常大的比例。由此可以看出，飛機(jī)裝配型架骨架的技術(shù)難度非常大，是飛機(jī)制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

我國也樂此不疲經(jīng)常對飛機(jī)型架骨架的安裝技術(shù)進(jìn)行深刻而廣泛的研究，而這些研究也主要集中在優(yōu)化骨架布局等方面。骨架是飛機(jī)裝配型架的基本，而原件空間的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都是需要骨架的優(yōu)化布局。同時飛機(jī)外形和其他元件位置的約束都是飛機(jī)骨架在設(shè)計過程中需要考慮的問題。[3]而現(xiàn)在中國的科學(xué)技術(shù)足以支撐飛機(jī)骨架布局設(shè)計，但是依舊對設(shè)計人員和設(shè)計工具有更高的要求，為保證飛機(jī)制造水平的提高，必須注重對飛機(jī)裝配型架的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計研制規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。開發(fā)更多的設(shè)計功能，在飛機(jī)工裝設(shè)計的原理技術(shù)上，創(chuàng)新飛機(jī)的裝配設(shè)計布局。

4 現(xiàn)今存在的飛機(jī)裝配型架骨架優(yōu)化布局的方法

首先有元件造型的算法，開發(fā)出來柔性裝配工裝fixC AD 系統(tǒng)的骨架設(shè)計功能，后為提高骨架設(shè)計的自動化程度，又有了在先前基礎(chǔ)上的新算法，這是來自北航研究團(tuán)隊的飛機(jī)裝配型架算法；另外，有南航的設(shè)計團(tuán)隊設(shè)計研究了關(guān)于骨架和線框元件的處理。這些現(xiàn)存的飛機(jī)裝配的設(shè)計方法會造成一些骨架返修乃至延誤制造周期的不良結(jié)果，會嚴(yán)重影響飛機(jī)裝配型架和骨架設(shè)計布局的效率，而且在定位件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的前提下，會對骨架的結(jié)構(gòu)造成更多不便利的裝配設(shè)計問題。

對于骨架布局的研究方法非常稀少，僅僅只有一個通過布局約束而分級演進(jìn)求解的布局算法，進(jìn)而層層遞進(jìn)獲得骨架布局的合理區(qū)域。但該算法也有缺陷，無法求出最優(yōu)解。這些都是現(xiàn)今已經(jīng)提出的飛機(jī)裝配型架骨架優(yōu)化布局的方法，但是并不盡善盡美，都要各自的優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)今的裝配過程都過于依賴設(shè)計和安裝人員，并沒有充分利用高級科學(xué)技術(shù)手段，自動化的水平也有待提高。這告訴專業(yè)的設(shè)計人員，要學(xué)習(xí)新興的科技手段，提高飛機(jī)裝配的自動化率，不斷提出新的對于飛機(jī)裝配型架的研究方法，并早日應(yīng)用于飛機(jī)制造中去。

通過上述對現(xiàn)今存在的飛機(jī)裝配型架和骨架設(shè)計布局方法的對闡述和總結(jié)，要吸取經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮裝置之間的關(guān)系和聯(lián)系，在傳統(tǒng)焊接型架和可重構(gòu)型架中尋找兩者都適用的設(shè)計方法。[4]北京航空航天大學(xué)在對飛機(jī)裝配型架骨架優(yōu)化布局的研究中，提出最小二乘法的算法，也能討論出不同的飛機(jī)裝配產(chǎn)品在不同定位下的最優(yōu)解，并且能夠用CATIA 系統(tǒng)作為平臺，進(jìn)行算法的模擬驗(yàn)證，很有效地提高了飛機(jī)裝配型架骨架的質(zhì)量問題，同時也大大地提高了飛機(jī)制造的效率。

5 關(guān)于飛機(jī)裝配型架骨架的基本組成部分

5.1 關(guān)于主型架梁的定義

根據(jù)字面意思來看，主型架梁是作為骨架的主要安裝部分，絕大部分的定位加緊件會安裝于主型架梁上。由此可以看出主型架梁的重要地位，并能夠合理地綜合的考慮到布局設(shè)計，將骨架與其他原件的協(xié)調(diào)關(guān)系調(diào)節(jié)完善。

5.2 關(guān)于輔助型的架梁的定義

簡單來說，輔助性架梁的作用是起支撐的作用的梁子，主要是輔助性架梁的支撐強(qiáng)度和穩(wěn)定性可以幫助飛機(jī)裝配型架。其因?yàn)椴蛔鳛橹饕芰核栽O(shè)計得多樣化，比較隨意。大部分裝配時會根據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)和知識積累。

綜上所述，骨架也分為主型架梁和輔助性架梁，兩者缺一不可。并且，定位加緊件的安裝也需要設(shè)計師進(jìn)行合理化的布局設(shè)計，要協(xié)調(diào)好骨架梁與其他元件的關(guān)系，使飛機(jī)裝配型架質(zhì)量更高，也是飛機(jī)制造效率加快，完成重要部分的裝配，飛機(jī)其他部分就會更快速高效的安裝適配。

6 飛機(jī)裝配型架和骨架布局設(shè)計的問題

現(xiàn)今的研究飛機(jī)裝配型架骨架優(yōu)化布局的方法非常眾多，但是現(xiàn)存的問題也是非常復(fù)雜和困難，一旦解決這些繁雜的關(guān)鍵問題，那么飛機(jī)裝配型架的效率也會大幅度提高。

首先，飛機(jī)型骨架的設(shè)計安裝需要綜合考慮各個元件的定位問題的協(xié)調(diào)一致性，當(dāng)一個元件的位置出現(xiàn)輕微的變動那么骨架和其他所有的元件都要重新設(shè)計布局，非常耗費(fèi)時間和人力物力。這是現(xiàn)今急需要解決的問題。[5]根據(jù)這種問題分析并研究解決的辦法，并應(yīng)用于飛機(jī)裝配型架。

7 結(jié)語

本篇通過對飛機(jī)裝配型架的簡單論述和分析，對飛機(jī)骨架布局設(shè)計的方法和基本的定義進(jìn)行總結(jié)，并分析現(xiàn)存的飛機(jī)裝配型架的問題。在問題的基礎(chǔ)上，我們得出有一種基于最小二乘法的算法，能夠得出飛機(jī)裝配型架骨架布局的最優(yōu)解。該算法能夠綜合性的考慮問題，也能夠協(xié)調(diào)飛機(jī)裝配型架的其他元件，能夠考慮元件在位置移動后的如何解決的問題。那么在科技興國的今天，飛機(jī)裝配型架骨架的自動化技術(shù)還是非常落后，如何提高飛機(jī)裝配型架骨架的自動化技術(shù)，而不是僅僅依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)和知識儲備，都是在飛機(jī)制造中需要考慮的問題，提高飛機(jī)裝配型架的效率與質(zhì)量，提高骨架布局的速度，都需要在今后繼續(xù)深化研究，并將成熟的設(shè)計廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)制造。