飛機裝配間隙協(xié)調(diào)及數(shù)字化加墊補償技術(shù)探析

劉 琪，岳 權(quán)，趙敬宇，王 寧

（航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110000）

為進(jìn)一步推動航空事業(yè)的發(fā)展，航空制造業(yè)占有舉足輕重的地位，是國家的戰(zhàn)略核心產(chǎn)業(yè)，而且在衡量國家綜合實力這方面，其技術(shù)水平已經(jīng)成為主要的指標(biāo)。促進(jìn)航空制造業(yè)的發(fā)展，加快其發(fā)展的進(jìn)程，注重對新技術(shù)和新材的利用，對航空制造業(yè)發(fā)展發(fā)揮著重要的推進(jìn)作用。隨著社會不斷發(fā)展，飛機這一高科技產(chǎn)品也隨之向著更復(fù)雜、集成的方向發(fā)展，隨著飛機改型換代，飛機制造技術(shù)水平逐漸得到提升，飛機裝配水平得到相應(yīng)的發(fā)展。與此同時，飛機制造裝配技術(shù)水平會關(guān)系到飛機產(chǎn)品的產(chǎn)量和交貨周期。通常來講，飛機制造過程有以下階段：毛坯制造階段、零件加工階段，還有裝配安裝和試驗階段。其中飛機裝配過程較為復(fù)雜，在精度這方面具有較高的要求，還有就是在飛機制造中，裝配協(xié)調(diào)過程是非常重要的。裝配間隙是一個航空制造業(yè)需要嚴(yán)格控制的因素，如果沒有合理地控制裝配間隙，那么從某種程度上來看，很有可能存在安全隱患?；诖耍斜匾M(jìn)一步分析飛機裝配間隙協(xié)調(diào)和數(shù)字化加墊補償技術(shù)。

1 飛機裝配技術(shù)的現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)以來，世界兩大民用飛機制造企業(yè)——波音公司和空客公司，一直大力發(fā)展數(shù)字化裝配技術(shù)，在很多裝配過程中應(yīng)用數(shù)字化柔性裝配工裝，裝配效率大大提高，飛機制造技術(shù)發(fā)展迅速。

我國的飛機制造企業(yè)的裝配工裝主要還是傳統(tǒng)的剛性工裝和專用工裝，傳統(tǒng)工裝占用的空間大、使用過程不方便、生產(chǎn)返修時間長。隨著飛機發(fā)展節(jié)奏的加快，傳統(tǒng)工裝在某種程度上不能滿足現(xiàn)代飛機多品種、小批是生產(chǎn)的需求，成為一種影響我國飛機裝配技術(shù)發(fā)展的主要因素。

近幾年，一些數(shù)字化柔性工裝也逐漸投入到飛機裝配制造中，提高了一些裝配效率，但是與國外先進(jìn)企業(yè)相比，我國在飛機裝配柔性工裝的設(shè)計使用上還處于追趕階段。先進(jìn)裝配技術(shù)和柔性工裝應(yīng)用較少，缺乏足夠的經(jīng)驗，特別是在規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用方面的經(jīng)驗，數(shù)字化裝配技術(shù)在一線的生產(chǎn)線上的應(yīng)用受到各方面因素的制約，在某種程度上阻礙了我國數(shù)字化裝配生產(chǎn)線的構(gòu)建與大規(guī)模應(yīng)用。

2 常見的飛機數(shù)字化裝配技術(shù)

2.1 數(shù)字化測量技術(shù)

數(shù)字化測量技術(shù)是非常重要的，合理的應(yīng)用數(shù)字化測量設(shè)備，除了能精確得到飛機關(guān)鍵特征以外，還能提升數(shù)據(jù)處理技術(shù)水平。就當(dāng)前情況來看，不管是激光跟蹤儀測量，還是數(shù)字照相測量，已經(jīng)成為數(shù)字化測量技術(shù)最常見的技術(shù)。其中，使用頻率最高的就是以激光跟蹤儀為基礎(chǔ)的數(shù)字化測量系統(tǒng)，并且得到了廣泛的應(yīng)用，它就是對激光跟蹤學(xué)靶標(biāo)充分的利用，通過自身測角，確定其空間點的坐標(biāo)，相對于其他設(shè)備，數(shù)字化測量系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢，除了便于檢測以外，還能靈活使用、合理配置。

激光掃描測量就是對激光跟蹤儀和掃描儀進(jìn)行合理的利用，實現(xiàn)目標(biāo)整體完整的三坐標(biāo)測量，從而獲取完整全面的全景點坐標(biāo)數(shù)據(jù)的過程[1-2]。激光掃描系統(tǒng)也非常的重要，它之所以能得到高密度的點云數(shù)據(jù)主要的原因就是以高分辨率，對環(huán)境沒有太高的要求，不管是在全黑暗環(huán)境下，還是光照射環(huán)境下，均能充分的應(yīng)用。而且針對飛機接合面裝配間隙測量場景，從某種程度上來看更加的適用。通常來講，掃描測量方式分為兩種，一種是手持式測量，另一種是自動化測量。手動式測量在尺寸小飛機零件測量中具有一定的應(yīng)用價值，而針對大尺寸和配合區(qū)域多的飛機部件測量，可利用自動化測量這種方式。在進(jìn)行自動化測量的過程中，通常掃描儀會安裝在機器人上，機器人作為主要載體，利用事先規(guī)劃好的測量路徑，在一定程度上可提升自動化測量工作水平。

2.2 數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)

為達(dá)到飛機部件和部件、飛機部件和工裝以及裝配工裝之間尺寸協(xié)調(diào)配合的目的，數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)是一項主要的依據(jù)。數(shù)字量協(xié)調(diào)過程就是通過數(shù)字量的方式，實時地傳遞尺寸信息，再利用數(shù)字測量設(shè)備，通過控制系統(tǒng)，進(jìn)一步地檢測所有對象，并實現(xiàn)裝配，為產(chǎn)品的幾何形狀和尺寸能相協(xié)調(diào)一致提供重要保障。數(shù)字量協(xié)調(diào)方法的實現(xiàn)需要以數(shù)字化工裝設(shè)計、數(shù)字化制造和測量系統(tǒng)為基礎(chǔ)。再以數(shù)控加工為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對零件外形和所有定位元素制造，運用數(shù)字化測量系統(tǒng)，實時監(jiān)控，對產(chǎn)品進(jìn)行測量，將工裝上關(guān)鍵點測量數(shù)據(jù)與3D 模型定義數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再對空間測量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)分析，分析其偏差的情況，以便依據(jù)它檢驗產(chǎn)品。在數(shù)字化環(huán)境下，注重對協(xié)調(diào)方法的應(yīng)用，這區(qū)別于傳統(tǒng)模板樣板，它依據(jù)其測量數(shù)據(jù)，利用動態(tài)反饋調(diào)整這種方式。

2.3 柔性化定位技術(shù)

柔性化定位技術(shù)是以數(shù)字量協(xié)調(diào)體系為基礎(chǔ)，基于模塊化和自動化柔性定位工裝，實現(xiàn)飛機裝配對象的精準(zhǔn)定位，確保飛機裝配外形和數(shù)字模型能一致性的技術(shù)，它對于各個產(chǎn)品裝配的需求，從某種程度上來看，能夠更好地適應(yīng)，促進(jìn)工裝制造成本降低，縮短工裝周期。當(dāng)前，不管是在飛機組件還是在對接裝配中，國外已經(jīng)應(yīng)用柔性定位工裝，并大力地發(fā)展，這不僅能達(dá)到飛機裝配目的，避免增加飛機制造成本，還能提高飛機裝配精確度。多點陣真空吸盤式柔性工裝和行列式柔性工裝非常重要，在飛機組件裝配這一重要階段已經(jīng)得到了合理的應(yīng)用。而且合理地利用多點成形技術(shù)，真空吸盤式柔性工裝能夠生成符合裝配件型面的點陣，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，為裝配件結(jié)構(gòu)外形和剛度提供重要保障，當(dāng)前已經(jīng)滲透在一些航空公司柔性裝配和生產(chǎn)中，并得到合理的應(yīng)用。不管是在進(jìn)行飛機裝配還是在對接裝配中，主要是利用激光跟蹤測量設(shè)備組成柔性配合系統(tǒng)，對飛機裝配對象進(jìn)行合理定位，把裝配關(guān)系合理地協(xié)調(diào)好。

2.4 自動化制孔和鉆柳技術(shù)

自動化制孔技術(shù)是以三維模型作參照，對數(shù)控程序進(jìn)行合理編制，由自動化設(shè)備與制孔末端執(zhí)行器相配合，實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)制孔加工的技術(shù)，而且這種自動制孔技術(shù)具有非常多的優(yōu)勢，不僅具有較高的制孔精度，還有較好的穩(wěn)定性，便于更好地操作。與此同時，不管是飛機長壽命還是高精度與高效率的制孔的需求，為能給予充分的滿足，國內(nèi)外企業(yè)加大研究力度，進(jìn)一步地去研究自動化制孔技術(shù)。

2.5 數(shù)字化加墊技術(shù)

數(shù)字化加墊技術(shù)就是通過數(shù)字掃描系統(tǒng)，得到飛機接合面點云數(shù)據(jù)，把實測三維數(shù)據(jù)設(shè)計為主要依據(jù)，制造出所需要補償墊片的技術(shù)。當(dāng)前，預(yù)測加墊技術(shù)在機翼輔助裝配中得到合理的應(yīng)用。我國一些公司申請了專利，并在專利中對數(shù)字化加墊測量方式給出了相關(guān)介紹，提出通過數(shù)控加工中心實現(xiàn)墊片生產(chǎn)制造的方法，但是對相關(guān)理論模型和具體實施方法均沒有涉及。

3 飛機裝配間隙協(xié)調(diào)及數(shù)字化加墊補償技術(shù)措施

3.1 飛機數(shù)字化裝配間隙控制技術(shù)

裝配間隙直接影響飛機結(jié)構(gòu)的完整性，如果帶應(yīng)力連接帶有裝配間隙的構(gòu)件，會致使裝配變形，存在連接裂紋，這種情況很有可能發(fā)生安全隱患。在進(jìn)行飛機制造的過程中，有必要加大控制力度，進(jìn)一步地去控制飛機裝配間隙。為更好地控制飛機裝配間隙，可以從提高零組件精度、提高飛機裝配協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度和加墊工藝補償這三個角度進(jìn)行著手。一直讓零組件制造精度有所提升，還會增加成本，且在進(jìn)行飛機復(fù)雜各個層次裝配這一期間，很容易存在裝配間隙[3]。基于此，為實現(xiàn)飛機數(shù)字化裝配間隙控制，可以對飛機裝配協(xié)調(diào)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

飛機數(shù)字化裝配系統(tǒng)是通過數(shù)字化激光掃描儀對裝配對象的特征進(jìn)行相應(yīng)的測量。結(jié)合實際情況，從多功能數(shù)控機床結(jié)構(gòu)入手，利用各種方式將其合理地設(shè)計好，優(yōu)化掃描測量的功能。在測量效率最優(yōu)約束下，對其測量路徑合理設(shè)計規(guī)劃；實現(xiàn)獲得掃描儀器預(yù)處理，尤其是去噪和拼接以及精簡等。就當(dāng)前的情況來看，間隙容差已經(jīng)成為數(shù)字化協(xié)調(diào)控制裝配間隙最重要的問題，而且對飛機裝配對象的最優(yōu)定位位置進(jìn)行相應(yīng)計算，對接完裝配對象，應(yīng)避免存在裝配間隙。在工藝集成控制系統(tǒng)的調(diào)度下，數(shù)控定位器帶動裝配對象，從掃描測量的過程中的分離位置移動到理想位置，進(jìn)而實現(xiàn)對裝配間隙更好的控制[4]。

3.2 裝配間隙協(xié)調(diào)優(yōu)化

通常來講，不管是在飛機零件還是在組部件相互配合和連接部位中，都會出現(xiàn)裝配間隙，基于此，對于裝配間隙應(yīng)進(jìn)一步探討，就當(dāng)前的情況來看，搭接和角接以及對接已經(jīng)成為飛機結(jié)構(gòu)連接的主要方式。在角接配合的過程中，飛機裝配件各個互成角度的配合面和另外裝配件互相接觸連接，裝配件自身尺寸和配合區(qū)域尺寸不是很大。型面對接指的就是一個裝配件的外形面，去配合另一個裝配件的內(nèi)型面，由于整個接觸面很大，很容易出現(xiàn)裝配間隙。在傳統(tǒng)飛機裝配線上，往往利用人工操作這種方式來進(jìn)行裝配間的協(xié)調(diào)，通過人工調(diào)節(jié)型架，利用托架，讓裝配對象位置發(fā)生改變，尤其是配合區(qū)域間隙大小。該協(xié)調(diào)結(jié)果無法實現(xiàn)全局最優(yōu)，應(yīng)不斷地去調(diào)整嘗試，其對人工操作水平非常的依賴，還難以控制飛機裝配時間，確保產(chǎn)品質(zhì)量[5]。在數(shù)字化裝配環(huán)境中，這種關(guān)鍵特性數(shù)字量協(xié)調(diào)方法已經(jīng)在飛機組、部件對接裝配中得到合理的應(yīng)用。該方法的原理為：在飛機部件上，選擇若干個關(guān)鍵特征點組，通過對點組進(jìn)行對比，實現(xiàn)對飛機協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度的評價，數(shù)字定位系統(tǒng)可把其評價結(jié)果作為主要的依據(jù)，對飛機部件在X、Y、Z 方向上的位置進(jìn)行調(diào)整，直到對于裝配質(zhì)量的要求，飛機部件能夠更好地滿足為止，實現(xiàn)裝配協(xié)調(diào)。為協(xié)調(diào)控制好裝配間隙，合理地利用數(shù)字激光測量系統(tǒng)，對接合面數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的采集，在一定程度上能夠使得裝配間隙協(xié)調(diào)優(yōu)化得以充分實現(xiàn)，減少裝配間隙[6]。

3.3 裝配間隙加墊補償

為更好地控制裝配間隙，在實際裝配過程中，加墊補償方法是一個重要的辦法。它是利用墊片去填充裝配件之間的間隙，使其能夠間接貼合裝配件接合面，進(jìn)而確保結(jié)構(gòu)更加完整，提升其承載能力。在進(jìn)行飛機裝配間隙補償?shù)倪^程中，通常來講金屬墊片和復(fù)合材料墊片是較為常用的墊片[7]。除此之外，采用數(shù)字化加墊補償方式，在一定程度上能確保墊片補償精度，提高裝配效率。數(shù)字化加墊通過數(shù)字化掃描測量，之后進(jìn)行精準(zhǔn)制造，制造出間隙輪廓完全一致的墊片。這種定制化墊片需要投入資金多，很有可能造成材料浪費的現(xiàn)象，在飛機裝配的過程中，很少有這方面的需求[8]。通過對國內(nèi)外裝配間隙補償?shù)霓k法進(jìn)行統(tǒng)計，可知固液混合墊片已經(jīng)得到合理的使用。而且根據(jù)掃描測量數(shù)據(jù)，把固態(tài)墊片尺寸計算出來，至于一些細(xì)微間隙采用液體墊片，進(jìn)而達(dá)到固液混合墊片補償目的，這種方法非常經(jīng)濟實用[9-11]。

4 結(jié)語

總而言之，裝配間隙是一個對飛機氣動外形和氣密性影響很大的因素，為提高氣動外形準(zhǔn)確度，確保連接結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，進(jìn)而避免潛在的安全隱患，應(yīng)重視并且合理地將先進(jìn)的飛機轉(zhuǎn)配間隙協(xié)調(diào)和加墊補償技術(shù)應(yīng)用到飛機制造中。在應(yīng)用中，多總結(jié)整理裝配間隙的三維空間形態(tài)，進(jìn)而歸納出裝配間隙形成規(guī)律，針對不同情況，采用最適合的間隙補償方法，從而消除裝配部件之間的間隙，提高飛機整體裝配質(zhì)量。