飛機(jī)數(shù)字化裝配定位技術(shù)分析

鄧長喜　惠盼飛

摘 要 飛機(jī)制造技術(shù)對(duì)于我國航天事業(yè)的發(fā)展有著重要的意義，與其他的機(jī)械制造技術(shù)不同，飛機(jī)制造必須對(duì)精準(zhǔn)度尤為重視，同時(shí)還要對(duì)飛機(jī)的外形制造進(jìn)行充分的優(yōu)化。這是因?yàn)轱w機(jī)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間緊湊的交通工具，在飛行的過程中必須保證機(jī)組和乘機(jī)人的安全，這就需要在裝配的過程中尤其注重工作量的協(xié)調(diào)和協(xié)作問題的解決。近年來，我國飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)不斷發(fā)展，在飛機(jī)裝配的過程中又添加了新的定位技術(shù)，這就使得飛機(jī)的裝配與信息技術(shù)良好地進(jìn)行結(jié)合，不僅提高了裝配效率，還能讓飛機(jī)數(shù)字化裝配更具有智能性。本文主要對(duì)飛機(jī)數(shù)字化裝配定位系統(tǒng)的技術(shù)方案進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，同時(shí)對(duì)這種技術(shù)的裝配過程及原理進(jìn)行闡釋，希望能夠?yàn)槲覈w機(jī)數(shù)字化裝配水平的提升提供有益的幫助。

關(guān)鍵詞 飛機(jī)制造技術(shù) 航天事業(yè) 數(shù)字化裝配技術(shù) 數(shù)字化定位技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）03-0019-03

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)飛機(jī)的需求越來越多，而飛機(jī)的制造與裝配是非常復(fù)雜的過程，在裝配的過程當(dāng)中，飛機(jī)的各個(gè)零部件及尺寸以及安裝規(guī)則都不盡相同。因此，必須要注重飛機(jī)各零部件的安裝順序和工作流程，以便于能夠保證各零部件的安裝良好地完成，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)各零部件的組合與連接，形成高級(jí)裝配件，進(jìn)一步確保飛機(jī)裝配的實(shí)現(xiàn)。高級(jí)裝配件在飛機(jī)制造的過程當(dāng)中起著極其關(guān)鍵的作用。

近年來，我國科技不斷發(fā)展，飛機(jī)的裝配技術(shù)也日漸成熟，由從前的人工裝配發(fā)展到半自動(dòng)化，再由半自動(dòng)化發(fā)展成為自動(dòng)化的智能裝配技術(shù)。這意味著我國飛機(jī)的裝配技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，但是飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展也為飛機(jī)裝配提出了更多的挑戰(zhàn)，因?yàn)閿?shù)字化的裝配需要考慮到技術(shù)的成熟性和穩(wěn)定性。[1]

因此，本文著重對(duì)飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)定位技術(shù)進(jìn)行探討，希望能夠提升飛機(jī)裝配水平，進(jìn)而在最大程度上推動(dòng)我國飛機(jī)航空事業(yè)的快速發(fā)展，為我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1 飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展歷程

我國飛機(jī)的數(shù)字化裝配技術(shù)在近年來獲得快速的發(fā)展，首先我國飛機(jī)重大型號(hào)工程得以實(shí)施，因此我國飛機(jī)裝配技術(shù)逐漸與國際飛機(jī)航空產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)接，其數(shù)字化技術(shù)得到廣泛的發(fā)展與深入。在應(yīng)用方面，因?yàn)槲覈粩鄧L試飛機(jī)設(shè)計(jì)與飛機(jī)制造，而且在近年來飛機(jī)制造技術(shù)也獲得了長足的發(fā)展，因此其應(yīng)用程度也不斷獲得深入發(fā)展。在裝配方面，因?yàn)轱w機(jī)裝配的過程當(dāng)中，必須將零件和組件按照設(shè)計(jì)圖紙，同時(shí)遵循一定的技術(shù)要求進(jìn)行組合和連接，然后形成更高級(jí)別的裝配件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛機(jī)的安裝。[2]這就對(duì)于飛機(jī)裝配過程當(dāng)中的零部件的尺寸以及形狀提出了更高的要求，而在飛機(jī)裝配的過程當(dāng)中，傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配是人工裝配，其誤差產(chǎn)生的概率大，而且裝配效率低。

近年來，通過飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，我國飛機(jī)裝配的效率得到有效的提升，而且飛機(jī)零部件的重量也不斷減輕，裝配結(jié)構(gòu)也不斷得到優(yōu)化，可見我國的飛機(jī)裝配技術(shù)處在不斷的發(fā)展過程中。

2 飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)方案分析

2.1 立柱組合式裝配方案

在數(shù)字化裝配技術(shù)當(dāng)中，立柱組合式裝配技術(shù)是以型架骨架為平臺(tái)的定位基礎(chǔ)。在進(jìn)行裝置安裝的過程當(dāng)中，能夠?qū)γ善ず烷L桁進(jìn)行加持，這與傳統(tǒng)的型架骨架有一定的區(qū)別。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的型架骨架主要由定位器和蒙皮擋件以及內(nèi)型卡板等裝置來實(shí)現(xiàn)骨架底座上的固定功能，但是立柱組合式數(shù)字化裝配技術(shù)并不是這樣的，它是通過機(jī)械隨動(dòng)定位裝置來實(shí)現(xiàn)固定立柱的功能。[3]

因此，采用這種技術(shù)不僅能夠從水平方向上進(jìn)行蒙皮和長桁的移動(dòng)，還能保證蒙皮和長橫在豎直方向也可以進(jìn)行相互移動(dòng)。這種組合能夠促使定位平臺(tái)更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)蒙皮和長桁的精確定位，讓飛機(jī)系統(tǒng)更加完善安全。

2.2 十字架支臂技術(shù)

十字架支臂技術(shù)能夠確保定位裝置進(jìn)行水平方向移動(dòng)和豎直方向移動(dòng)，因此長桁的轉(zhuǎn)動(dòng)方向更加靈活，而且還能在長桁移動(dòng)的過程當(dāng)中對(duì)其進(jìn)行空間定位。十字架支臂式數(shù)字裝配技術(shù)的基礎(chǔ)仍然與立柱組合式技術(shù)相同，由型架骨架構(gòu)成。但是二者之間又有一定的區(qū)別，因?yàn)樵谑旨苤П凼郊夹g(shù)當(dāng)中骨架被去除了定位器和壓緊器，因此蒙皮擋件和內(nèi)型卡板得到保留，這樣能夠減少飛機(jī)的重量和安裝的繁瑣。除此之外，型架骨架上固定的十字架直臂式機(jī)械隨動(dòng)定位裝置，能夠促使定位的精確性提升。[4]

3 數(shù)字化裝配技術(shù)的分析

薄壁結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，且大部分零件都是鈑金件。這種零件的形狀比較復(fù)雜，容易變形，且尺寸大，剛性小，這樣一來，裝配準(zhǔn)確度會(huì)在很大程度上決定飛機(jī)外形的準(zhǔn)確度。飛機(jī)制作過程中會(huì)通過使用多種工藝裝備，如標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備、零件制造工藝裝備等，通過這些工藝裝備的應(yīng)用來確保飛機(jī)裝配的準(zhǔn)確度和裝配零、組件間的協(xié)調(diào)，那么接下來重點(diǎn)就是如何協(xié)調(diào)零件、組合件、部件之間的準(zhǔn)確度，下面將就這些問題展開論述。

3.1 數(shù)字化裝配原理

數(shù)字化裝配就是將若干零件通過一定的自動(dòng)化信息技術(shù)原理進(jìn)行合理的拼接，在拼接的過程中不是人工完成，而是通過在計(jì)算機(jī)內(nèi)部輸入程序代碼，通過數(shù)控機(jī)床對(duì)零件完成自動(dòng)化拼合。[5]該拼合過程的裝配和調(diào)整，以及后期的檢驗(yàn)和包裝都是數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化完成，通過數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行操作和控制并且監(jiān)督，因此更加高效和精準(zhǔn)。在飛機(jī)的數(shù)字化裝配過程中，必須考慮裝配的精準(zhǔn)程度和工藝的嚴(yán)謹(jǐn)性，否則就不能保證良好的裝配質(zhì)量。目前，飛機(jī)數(shù)字化裝配不僅可以保證較好的裝配質(zhì)量，還能有效提升生產(chǎn)效率，從而促使生產(chǎn)成本得到良好的降低。這意味著采用數(shù)字化裝配技術(shù)來進(jìn)行飛機(jī)零部件的裝配，才能有效提升裝配效率和裝配質(zhì)量。

3.2 數(shù)字化定位系統(tǒng)的控制

數(shù)字化裝配系統(tǒng)的控制需要通過集成線路來完成，這就需要在數(shù)字化裝配過程當(dāng)中，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的操作將定位信息傳達(dá)給定位系統(tǒng)。而系統(tǒng)通過控制平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，最后分析出結(jié)果，再將信息回傳給PLC進(jìn)行編程控制。在這個(gè)過程當(dāng)中，PLC會(huì)將這些控制信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)信息，再利用定位驅(qū)動(dòng)器等機(jī)構(gòu)對(duì)零件進(jìn)行定位。這一過程的操作不僅能夠完成對(duì)零部件的定位安裝，還能驅(qū)動(dòng)光學(xué)測量儀進(jìn)行零件情況的實(shí)時(shí)跟蹤，確保零件的完好。在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程當(dāng)中，零件定位的補(bǔ)償信息數(shù)據(jù)得以被監(jiān)測，飛機(jī)零件的位置也得到最佳的測量。但是集成控制系統(tǒng)的組成系統(tǒng)非常復(fù)雜，包括設(shè)備網(wǎng)和控制網(wǎng)以及以太網(wǎng)等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)互相作用，保證IP傳輸控制協(xié)議能夠良好地在開放性先進(jìn)信息網(wǎng)絡(luò)中互相傳達(dá)。其工作原理主要是數(shù)字化裝配定位系統(tǒng)的集成控制，通過以太網(wǎng)與局域網(wǎng)的相互配合來實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的交互，從而實(shí)現(xiàn)零部件裝配的準(zhǔn)確定位，確保飛機(jī)零部件能夠準(zhǔn)確安裝。[6]在實(shí)際的裝配過程當(dāng)中，設(shè)備往中間輸入和輸出系統(tǒng)也可能將現(xiàn)場的設(shè)備與PLC進(jìn)行相連，相連的過程可以通過零件，也可以通過電線。這種智能化的連接能夠讓傳感器和變頻器更好地定位裝配中的零件，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)安裝。

3.3 數(shù)字化的柔性裝配

在裝配飛機(jī)的過程當(dāng)中，對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)先定位是為了保證零部件能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行安裝。只有在確保零部件定位準(zhǔn)確的情況下，才能進(jìn)行下一步的連接和裝配，從而保證飛機(jī)制造的準(zhǔn)確度和飛機(jī)質(zhì)量的安全性。因?yàn)轱w機(jī)本身其外形必須符合動(dòng)力美學(xué)，因此對(duì)于零部件的定位就顯得格外重要。在裝配的過程當(dāng)中，采用數(shù)字化柔性裝配技術(shù)能夠保證零部件的數(shù)字尺寸與飛機(jī)整體相協(xié)調(diào)，從而保證自動(dòng)化裝配得到良好實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)模塊重組的優(yōu)化。

數(shù)字化柔性技術(shù)之所以在近年來備受關(guān)注，是因?yàn)椴捎眠@項(xiàng)技術(shù)則不需要使用傳統(tǒng)的型架。而且在裝配的過程當(dāng)中，能夠?qū)︼w機(jī)的信息數(shù)字進(jìn)行快速的傳遞，從而保證飛機(jī)裝配的高質(zhì)量性和高效率性。數(shù)字化柔性裝配技術(shù)通常包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)模式，靜態(tài)模式是數(shù)字化裝配技術(shù)的基礎(chǔ)，在裝配的過程當(dāng)中是裝配型架的重要框架，而動(dòng)態(tài)模式之下所包含的內(nèi)容則更加多樣，不僅包括機(jī)械隨動(dòng)的定位設(shè)備還包括類型卡板。因此可以看出，靜態(tài)模式是動(dòng)態(tài)模式的基礎(chǔ)，而動(dòng)態(tài)模式是靜態(tài)模式的延伸，在飛機(jī)安裝的過程當(dāng)中，靜態(tài)模式和動(dòng)態(tài)模式兩種技術(shù)必須要結(jié)合起來。通過轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)機(jī)身零部件的完美裝配。以裝配飛機(jī)機(jī)身的零部件為例，在裝配的過程當(dāng)中內(nèi)型卡板和靜態(tài)模板需要用來定位蒙皮，但是將二者連接起來需要使用螺栓。[7]因此機(jī)械隨定的定位設(shè)備會(huì)對(duì)長桁進(jìn)行定位，而在完成定位之后，還需要用光學(xué)測量來進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以便于保證蒙皮和長桁的裝配精度達(dá)到一定的要求才能確保飛機(jī)機(jī)身的安裝合乎標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 數(shù)字化定位技術(shù)

數(shù)字化定位技術(shù)的基本原理是用數(shù)字量來將位置進(jìn)行信息化，隨后進(jìn)行傳遞。但是在傳遞的過程當(dāng)中，還需要光學(xué)測量器的輔助從而進(jìn)行誤差補(bǔ)償。因此，數(shù)字化定位技術(shù)是數(shù)字傳遞技術(shù)與誤差補(bǔ)償技術(shù)之間的良好結(jié)合，通過兩種技術(shù)來對(duì)飛機(jī)裝配的各個(gè)零部件進(jìn)行精確的定位。數(shù)字化裝配技術(shù)雖然使用誤差補(bǔ)償技術(shù)，但是其更多使用的是數(shù)字化集成自動(dòng)控制技術(shù)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)零部件的高效裝配。但是因?yàn)轱w機(jī)的功能比較多樣化，因此在裝配的過程當(dāng)中，堅(jiān)固只是最基本的要求。[8]除此之外，還要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的平穩(wěn)飛行，同時(shí)盡可能地減少飛機(jī)的重量，才能保證飛機(jī)在投入使用之后能更好地發(fā)揮其功用。這就需要在裝配的過程當(dāng)中，對(duì)裝配零件進(jìn)行易變性和剛性的檢查。同時(shí)對(duì)于鉑金件而言，要進(jìn)行更好的檢測，因?yàn)橥ǔｃK金件的尺寸比較大，重量也比較大，零件的裝配精確度會(huì)因?yàn)檫@些尺寸較大的鉑金件而產(chǎn)生影響。除此之外，這些尺寸加大的鉑金件還有可能影響飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)形態(tài)，因此，在裝配的過程當(dāng)中，通過數(shù)字化裝配定位技術(shù)，才能改變這些尺寸較大鉑金件給飛機(jī)帶來的缺陷，并且確保飛機(jī)零部件的精確安裝。

3.5 基于機(jī)身壁板的數(shù)字化柔性裝備工裝技術(shù)

數(shù)字化柔性裝配工裝分為兩種，其分別為尾靜態(tài)模塊和動(dòng)態(tài)模塊。其中作為裝配型架的基礎(chǔ)框架——靜態(tài)模塊是數(shù)字化裝配平臺(tái)的基礎(chǔ)，且動(dòng)態(tài)模塊也是以此為基礎(chǔ)而建立的。動(dòng)態(tài)模塊包含機(jī)械隨動(dòng)定位裝置和內(nèi)型卡板及和蒙皮擋件。首先，通過螺栓將內(nèi)型卡板和工裝靜態(tài)模塊鏈接，其主要作用是對(duì)蒙皮進(jìn)行定位，以有效保證蒙皮的外型準(zhǔn)確度;其次，通過螺栓將機(jī)械隨動(dòng)定位裝置與工裝靜態(tài)模塊鏈接，其主要作用是定位長桁。利用光學(xué)測量與誤差補(bǔ)償系統(tǒng)來確保長桁和蒙皮的裝配準(zhǔn)確度，[9]在進(jìn)行不同壁板零件的裝備時(shí)，動(dòng)態(tài)模塊需要進(jìn)行調(diào)整或者是更換。

4 結(jié)語

在我國航空領(lǐng)域的發(fā)展過程當(dāng)中，飛機(jī)是非常重要的交通工具。近年來，我國在飛機(jī)裝配領(lǐng)域不斷獲得飛躍式的進(jìn)展，但是對(duì)于數(shù)字化裝配技術(shù)的研究仍然存在一定的瓶頸和缺陷。這主要是因?yàn)槲覈w機(jī)裝配技術(shù)的研究起步較晚，而且飛機(jī)的數(shù)字化裝配定位技術(shù)涉及到的科學(xué)領(lǐng)域比較龐雜，因此在研究的過程當(dāng)中往往難度也比較大。但是為了確保飛機(jī)的外形和內(nèi)部質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)，就必須提高零部件裝配的精確度和效率性。因此，應(yīng)該矢志不渝地對(duì)飛機(jī)數(shù)字化裝配定位技術(shù)進(jìn)行發(fā)展，推動(dòng)我國飛機(jī)的裝配進(jìn)程。

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