1、基于飛機數(shù)字化裝配技術(shù)的研究飛機數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國飛機重大型號工程實施，在融入國際航空產(chǎn)業(yè)鏈、數(shù)字化技術(shù)廣 泛深入應用等方面不斷推進，我國的飛機設計與制造技術(shù)得到了飛速發(fā)展。在裝配技術(shù)方面，飛機裝配是將零件、組件或部件按照設計和技術(shù)要求進行 組合、連接形成高一級的裝配件或整機的過程。 飛機裝配由于產(chǎn)品尺寸大、形狀 復雜、零件以及連接件數(shù)量多，其勞動量占飛機制造總勞動量的一半左右甚至更 多。我國的飛機裝配技術(shù)和組織管理方式，雖然在局部上采用了較先進的技術(shù)， 如利用激光跟蹤儀或計算機輔助經(jīng)緯儀技術(shù)安裝型架，少數(shù)采用了自動鉆鉚技 術(shù)，簡化了裝配型架結(jié)構(gòu)。但與發(fā)達國家相比還存在較大差距因

2、此飛機裝配技術(shù) 已成為制約我國飛機制造技術(shù)能力的瓶頸，發(fā)展飛機數(shù)字化裝配技術(shù)迫在眉睫。 飛機數(shù)字化裝配技術(shù)飛機數(shù)字化裝配技術(shù)體系涉及飛機設計、零部件制造、數(shù)字化自動鉆鉚系統(tǒng)、 數(shù)字化互換協(xié)調(diào)、數(shù)字化先進測量與檢測和計算機軟件等眾多先進技術(shù)和裝備， 是機械、電子、控制、計算機等多學科交叉融合的高新技術(shù)。其體系結(jié)構(gòu)，主要 包括飛機數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)字化裝配工藝裝備兩大部分。飛機數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)主要包括：飛機數(shù)字化裝配基礎技術(shù)、應用技術(shù)和標準規(guī)范；飛機數(shù)字 化裝配工藝裝備主要包括：組件數(shù)字化裝配系統(tǒng)、部件數(shù)字化裝配系統(tǒng)和飛機總 裝數(shù)字化裝配生產(chǎn)線。飛機設計對裝配技術(shù)的影響在飛機的設計階段，對飛

3、機空間結(jié)構(gòu)、機構(gòu)運動和裝配工藝以及人機工程進 行分析，確保產(chǎn)品的無干涉和可裝配等特性； 對局部樣機進行系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)對 產(chǎn)品的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化、機構(gòu)運動優(yōu)化、裝配模擬優(yōu)化以及數(shù)字樣機的整體優(yōu)化。123 等）;456飛機數(shù)字化裝配實施成功的關(guān)鍵在于將數(shù)字化裝配的具體需求融入到飛機 結(jié)構(gòu)設計中，即面向數(shù)字化裝配的飛機結(jié)構(gòu)設計。 在結(jié)構(gòu)設計過程中，需要融入 與裝配相關(guān)的關(guān)鍵點： -遵循面向數(shù)字化裝配的飛機設計原則；考慮數(shù)字化裝配的定位、檢測、支撐要求；-定義在數(shù)字化裝配過程中需要的關(guān)鍵特性（如定位點、參考點、測量點 -在主要結(jié)構(gòu)件上建立裝配自定位特征、安放光學測量設備的工藝接頭;-實現(xiàn)面向裝配誤差的結(jié)構(gòu)

4、設計補償；-實現(xiàn)面向數(shù)字化裝配過程的飛機數(shù)字樣機仿真。T 11自定位與無型架定位的數(shù)字化裝配技術(shù)飛機結(jié)構(gòu)和裝配型架的并行設計民用飛機的結(jié)構(gòu)尺寸愈來愈大，如目前最大的超大型客機A380,雙層客艙，高24m長73m翼展寬80m標準機型載客550650人。飛機結(jié)構(gòu)的大型化對 設計人員提出了新的挑戰(zhàn)。由于結(jié)構(gòu)尺寸的增大，設計人員需要解決承載和空氣 動力外形方面所遇到的許多問題， 從而導致設計周期更長，設計更改更多，這必 然影響工裝的設計，制造周期，延長了產(chǎn)品的上市周期。要縮短產(chǎn)品上市周期，在飛機結(jié)構(gòu)設計的同時就應開始工裝設計，即飛機產(chǎn) 品和飛機工裝的并行設計。由于工裝的設計依據(jù)來源于飛機產(chǎn)品數(shù)據(jù)， 要

5、在最終 產(chǎn)品數(shù)據(jù)還未確定的情況下進行工裝設計，工裝的部分結(jié)構(gòu)必須獨立于產(chǎn)品數(shù) 據(jù)。工裝和產(chǎn)品并行設計的一個基本思路是改變傳統(tǒng)的工裝結(jié)構(gòu)，將其劃分為獨立于產(chǎn)品數(shù)據(jù)或只需要基本數(shù)據(jù)的標準結(jié)構(gòu)和依賴于最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)的專用結(jié)構(gòu) 件兩部分。裝配型架的標準結(jié)構(gòu)部分主要有立柱、底座、輔助支撐等，專用部分 主要有用于定位桁條的刻度板、接頭定位件等。專用件一般尺寸較小，設計、加 工制造周期很短，并且不需專門的大型加工設備。標準結(jié)構(gòu)尺寸大，結(jié)構(gòu)復雜， 往往需要專用大型加工設備，其設計、制造周期長。標準結(jié)構(gòu)的設計不需要最終 產(chǎn)品數(shù)據(jù)或只需一些基本數(shù)據(jù)，因此在飛機產(chǎn)品設計的初期就可進行設計制造， 當產(chǎn)品最終版本發(fā)放后只

6、需較短的時間就可完成專用結(jié)構(gòu)的設計制造。 標準件和 專用件采用確定裝配設計方法，裝配非常方便，并且不需專用安裝工具，裝配周 期短。這樣，在產(chǎn)品設計完成后很短時間內(nèi)型架就可投入產(chǎn)品裝配。確定裝配和并行設計方法在A380壁板裝配型架的設計制造中取得了巨大的成 功。空中客車英國公司以三維零件實體定義和開發(fā)的智能設計系統(tǒng)為工具，制造工程師可以將零件幾何特征很快轉(zhuǎn)換為桁條定位指針 (Stringer index)，用于定 位每一個桁條。裝配型架的柔性設計大型飛機的裝配型架更加龐大，制造周期長，占地面積大。傳統(tǒng)的裝配型架采 用剛性結(jié)構(gòu)，一套型架只能裝配一個組合件或部件。 柔性裝配型架可以裝配不同 產(chǎn)品，能

7、夠減少型架數(shù)量，從而減少工裝制造周期和費用，減少生產(chǎn)用地。柔性設計的基本思想是在型架中采用可以快速調(diào)整的機構(gòu)，以滿足不同裝配對象的裝配要求。一般型架有數(shù)個立柱，每個立柱上有多個定位件。分析A340-600 的柔性型架的桁條定位部分可以發(fā)現(xiàn)。柔性型架的立柱、定位件，甚至底座都是 可以移動或調(diào)整的。采用確定裝配設計方法設計制造的A380壁板裝配型架有數(shù)個桁條定位在型架上。型架的立柱上有帶多個坐標孔的“銷釘板”，定位桁條的 刻度板通過定位銷固定在“銷釘板”上。立柱上的定位指針在z向可以通過螺紋調(diào)整，通過絲杠可以在y向移動。立柱通過底座 上的導軌可作X向移動。為了保證裝配對象在y向的定位，在底座上往往

8、有多個 輔助支撐。輔助支撐通過導軌可作 X向移動，y向定位點可以通過調(diào)整伸縮頂桿 來調(diào)整?？湛陀局圃斓娜嵝愿咚巽T接系統(tǒng)中有兩套柔性裝配型架，可以鉚接A330/340, A319/320/321; A300系列飛機機翼上下共有12種壁板，型架經(jīng)過一定的調(diào)整，還可用于8種壁板的裝配。每套型架有10個可移動的立柱, 個圍框式接頭定位板，5個輔助支撐及底座。每個立棒上有一套定位系統(tǒng)以滿足 不同壁板結(jié)構(gòu)的定位要求。定位系統(tǒng)包括 4個可調(diào)節(jié)指針定位機構(gòu)，其中上下數(shù)字化自動鉆鉚系統(tǒng)自動鉆鉚系統(tǒng)的核心技術(shù)主要包括：變形分析與誤差補償技術(shù)、 自動鉆鉚系統(tǒng)工藝模擬、大尺寸高精度控制與保證技術(shù)、柔性工裝技術(shù)、

9、自動鉆鉚工藝及裝備等。自動鉆鉚機運動仿真模擬系統(tǒng)在裝配過程中自動完成大型壁板的定位、夾緊、鉆孔/锪窩、涂膠、送釘、鉚接/安裝等工作，并且保證所裝壁板的定位精度?？椎亩ㄎ痪仁且粋€ 極其復雜的過程。執(zhí)行過程仿真在建立整個系統(tǒng)的運動仿真模型的基礎上，依據(jù)鉚接工藝方案對系統(tǒng)所有運動執(zhí)行機構(gòu)進行模擬，檢查鉚接頭和裝夾設備在鉚接過程中的干涉以及系統(tǒng)中的碰撞；通過運動仿真的方法綜合柔性托架和壁板的變形，分析鉚接過程中的隨機誤差， 在此基礎上進行鉚接質(zhì)量預測； 首先通過仿真保證鉚接方案的正確性和可行性然后輸出自動 鉚接控制指令。主要工作包括：(1) 自動鉆鉚機系統(tǒng)的精確建模。包括鉆鉚機、基座、拖架、工裝等在

10、CATIA V5下的精 確數(shù)模的建立。(2) 自動鉆鉚機運動模型的建立。利用CATIA V5 DMU 中的運動模擬功能建立自動鉆鉚 機運動模型。(3 )自動鉆鉚機運動模擬控制軟件的開發(fā)。利用 CATIA V5二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)自動鉆鉚機 運動模擬控制軟件。自動鉆鉚機運動模擬控制軟件可讀取數(shù)控程序， 自動完成自動鉆鉚機運 動仿真模擬、干涉檢查、運動特性分析等功能。程編員可直觀地看到程序運行后的效果。數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)方法也可稱數(shù)字化標準工裝協(xié)調(diào)方法，是一種先進的基于數(shù) 字化標準工裝定義的協(xié)調(diào)互換技術(shù)，將保證生產(chǎn)用工藝裝備之間、生產(chǎn)工藝裝備 與產(chǎn)品之間、產(chǎn)品部件與組件之間的尺寸和形狀協(xié)調(diào)互換。數(shù)字量裝配

11、協(xié)調(diào)與容 差分配技術(shù)是保證飛機裝配準確度， 提升飛機產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。數(shù)字量裝配協(xié)調(diào) 與容差分配技術(shù)在工藝規(guī)劃階段以飛機數(shù)字化設計數(shù)據(jù)為基礎， 在數(shù)字化環(huán)境下 完成對飛機協(xié)調(diào)方案及容差方案的規(guī)劃， 保證裝配可行性、 裝配精度與裝配質(zhì)量。 其關(guān)鍵技術(shù)點在于：數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)數(shù)字量傳遞協(xié)調(diào)路線：(1) 飛機大型結(jié)構(gòu)件 ( 與飛機外形及定位相關(guān) ) 如框、梁，桁、肋、接頭等用 NC 方式加工，(2) 在飛機坐標系下，工裝設計人員以產(chǎn)品工程數(shù)模為原始依據(jù)，進行工裝的數(shù) 字化設計，并且在工裝與產(chǎn)品定位相關(guān)的零件上用 NC方式加工出所有的定位元 素；(3) 工裝在裝配時利用數(shù)字標工 ( 數(shù)據(jù))協(xié)調(diào)，采用激

12、光自動跟蹤測量系統(tǒng)測量， 通過坐標系擬合，定位出零件的安裝位置， 滿足安裝基準的空間坐標及精度要求；(4) 飛機鈑金件模具數(shù)字化設計以及用 NC方式加工，鈑金零件數(shù)控加工。 數(shù)字化裝配容差分配技術(shù) ：容差數(shù)值直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本，因而根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，進行零、組 件的容差分析和設置，可以經(jīng)濟合理地決定零部件的尺寸容差，保證加工精度， 提高產(chǎn)品質(zhì)量，在滿足最終設計要求的同時使產(chǎn)品獲得最佳的技術(shù)水平和經(jīng)濟效、人益。在產(chǎn)品裝配前僅憑以往的經(jīng)驗或某個方案分配給每個零件公差，裝配成產(chǎn) 品后公差能不能達到產(chǎn)品設計的要求， 難以定論。 現(xiàn)在可通過數(shù)理統(tǒng)計的方法來 模擬裝配過程和次數(shù)， 可看到最終形成產(chǎn)品

13、的公差與零件的公差、 零件的裝配順 序等因素有關(guān)。 在零件數(shù)模的基礎上， 對于我們關(guān)注的關(guān)鍵的質(zhì)量特征， 設定公 差和裝配順序，通過數(shù)理統(tǒng)計的方法仿真， 分析各種因素對質(zhì)量特性的影響程度， 為查找質(zhì)量問題的原因和改進容差分配提供了依據(jù)， 不斷仿真找出最優(yōu)的公差分 配方案。裝配過程的數(shù)字化仿真技術(shù)數(shù)字化裝配與仿真技術(shù)的應用主要從以下幾個方面展開。(1) 建立數(shù)字化預裝配以及裝配過程模擬規(guī)范體系。 根據(jù)國標、航標以及工廠標準化的要求， 建立全數(shù)字環(huán)境下結(jié)構(gòu)產(chǎn)品預裝配的方 法和使用管理的標準和技術(shù)規(guī)范，包括數(shù)字化預裝配標準體系、三維建模存取、 裝配模型建立規(guī)范、 數(shù)字化預裝配空間干涉運動干涉分析規(guī)范

14、、 并行工作管理規(guī) 范以及工作流程管理規(guī)范等。這些都是進行數(shù)字化預裝配工作的基礎。(2) 數(shù)字化產(chǎn)品裝配模型集成仿真技術(shù)。利用數(shù)字化樣機模型、 工裝模型、 裝配工藝過程模型， 實現(xiàn)裝配模型的集成分析 技術(shù)，其內(nèi)容包含產(chǎn)品與產(chǎn)品之間、 產(chǎn)品與工裝之間的干涉檢查技術(shù)以及運動分 析技術(shù)等內(nèi)容。 根據(jù)數(shù)字化預裝配軟件所提供的功能， 設計人員能夠以最小的代 價解決產(chǎn)品零件與工裝零件之間本身存在的問題。(3) 數(shù)字化裝配過程模型的建立。 數(shù)字化裝配過程模型可以根據(jù)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線可視化裝配過程的不同要求采 取不同的方式。 對于裝配生產(chǎn)線以動畫過程為指令核心的裝配要求， 可以利用數(shù) 字化裝配仿真軟件建立動畫

15、模型； 對于那些需要文字工作指令以及圖解裝配過程 分解說明的裝配模型， 也可以由數(shù)字化裝配過程仿真系統(tǒng)建立， 并提交給產(chǎn)品數(shù) 據(jù)管理系統(tǒng)管理。 數(shù)字化裝配過程模型的建立過程包括： 早期計劃、 裝配過程模 擬、標準時間分析、裝配工藝模型、產(chǎn)品資源、工作計劃、目標成本分析等。(4) 數(shù)字化裝配過程的優(yōu)化技術(shù)與知識庫的建立。數(shù)字化裝配優(yōu)化與拆卸仿真技術(shù)主要是工藝人員將自身在長期裝配飛機的實踐 過程中積累的經(jīng)驗應用到裝配仿真環(huán)境中，并建立相關(guān)的裝配工藝過程知識庫， 從而實現(xiàn)工藝人員知識在數(shù)字化生產(chǎn)過程中的應用。（5）裝配模型管理技術(shù)。在現(xiàn)有的PDM系統(tǒng)基礎上，根據(jù)實際需要進行二次開發(fā)工作，提供數(shù)字化預

16、裝配 工作中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和過程管理， 并通過PDM系統(tǒng)建立單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，支持 飛機產(chǎn)品多專業(yè)并行設計的信息共享問題。數(shù)字化測量系統(tǒng)在裝配中的應用采用數(shù)字化設備進行全機水平測量。根據(jù) AQS中確定的方法和檢測內(nèi)容， 將全機測量模型傳遞到裝配生產(chǎn)的數(shù)字化設備上，按照數(shù)字化檢驗要求，進行全機水平測量。通過數(shù)字測量系統(tǒng)（如激光跟蹤儀、IGPS）實時監(jiān)控、測量工裝或產(chǎn) 品上相關(guān)控制點（關(guān)鍵特性）的位置，建立起產(chǎn)品零部件基準坐標系統(tǒng)，并在此坐 標系統(tǒng)中將工裝或產(chǎn)品上關(guān)鍵特征點的測量數(shù)據(jù)和 3D模型定義數(shù)據(jù)直接進行比 較，分析出空間測量數(shù)值與理論數(shù)據(jù)的偏差情況， 作為檢驗產(chǎn)品是否合格及進一 步調(diào)整的依據(jù)。產(chǎn)品從零件的三維數(shù)模到零件的數(shù)控加工再到零件的數(shù)字化檢測，其整個過程都實現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)的數(shù)字化傳遞。結(jié)束語飛機數(shù)字化裝配技術(shù)體系涉及多學科多領(lǐng)域的綜合研究與應用， 通過飛機數(shù) 字化裝配技術(shù)體系的