工裝的優(yōu)化及設(shè)計制造一體化

周洪巖，王麗卿，向元滿

（1.中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧沈陽110850；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽100086）

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，飛機的制造技術(shù)邁上了新的臺階。在現(xiàn)階段不斷地研制出多種新機型，每種機型都需要大量的裝配工藝裝備（簡稱工裝），而最影響飛機研制小批量的難題，是如何快速研制新型飛機的裝配工裝并縮短研制周期，降低研制成本。這些是目前迫切需要解決的難題，而解決這個難題的關(guān)鍵，是工裝的優(yōu)化及設(shè)計制造一體化。

裝配工裝，是飛機工裝的重中之重，裝配工裝的研制周期占飛機生產(chǎn)準備周期的1/2左右。而工裝的制造精度，通常選取產(chǎn)品公差的1/3左右，工裝的制造水平在一定程度上反映了一個國家的制造能力。為保證產(chǎn)品的精度和互換協(xié)調(diào)，每種飛機機型在制造過程中采用數(shù)百套裝配工藝裝備。在研制裝配中，產(chǎn)品的變化是不可預(yù)知的，裝配型架的設(shè)計制造又隨著產(chǎn)品數(shù)據(jù)的變化而改動，這無疑又延長了裝配型架的制造周期。因此，為加速新機型的研制進程，工裝的優(yōu)化及設(shè)計制造一體化，是我們目前迫切需要解決的難題。

1 我國現(xiàn)階段的飛機工裝制造體系

1.1 普遍采用數(shù)字化制造技術(shù)

隨著飛機制造技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的模線樣板——標準樣件的協(xié)調(diào)方法，已越來越不適應(yīng)新機型的發(fā)展需要，隨之而來的是三維數(shù)字化技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)在新機型的制造中展示了很好的應(yīng)用前景，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效果。數(shù)字化制造技術(shù)在新機型中的廣泛應(yīng)用，縮短了新機研制周期，降低了新機研制費用，可平行作業(yè)，提高制造準確度。

在裝配工藝裝備制造方面，對必要的且形狀和協(xié)調(diào)關(guān)系復雜的組合件的標準樣件、裝配型架的內(nèi)外卡板等，可以采用數(shù)控加工和數(shù)控測量技術(shù)。對于工藝裝備數(shù)控加工所需要的有關(guān)形狀和尺寸的幾何數(shù)據(jù)，可以直接從飛機的幾何數(shù)據(jù)庫中提取，不再需要經(jīng)過模線和樣板等模擬量尺寸傳遞過程。這樣可以大大提高工藝裝備的制造準確度和協(xié)調(diào)準確度，提高加工效率，縮短生產(chǎn)準備周期。

在工裝裝配方面，直接按激光跟蹤儀裝配。其裝配原理是：在工裝定位器上設(shè)計出3個光學目標點，并給出該定位器在空間的正確位置時3個目標點的理論坐標值：P1理（X1，Y1，Z1）；P2理（X2，Y2，Z1）；P3理（X3，Y3，Z3），在工裝裝配時，用激光跟蹤儀測出該定位器 3點的實際值：P1實（X1，Y1，Z1）；P2實（X2，Y2，Z1）；P3實（X3，Y3，Z3）。由于實際坐標系與理論坐標系存在誤差，需適當調(diào)整定位器的位置，使實際坐標值在理論坐標值的公差范圍內(nèi)，這樣就確定了定位器在工裝中的正確位置。工裝設(shè)計中應(yīng)遵循3-2-1原則和自由度分離原則。

2.2 工裝設(shè)計制造“孤島”現(xiàn)象仍嚴重

工裝設(shè)計數(shù)字化、制造數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化應(yīng)有機地結(jié)合在一起，形成完整的產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)。而工裝設(shè)計制造的“孤島”現(xiàn)象嚴重，工裝數(shù)字化設(shè)計制造僅限于工裝制造部門，并沒有工裝制造單位參與。工裝設(shè)計制造“孤島”現(xiàn)象，這種設(shè)計制造方法必然導致工裝設(shè)計制造缺陷，造成工裝結(jié)構(gòu)不合理，工裝笨重，定位器的選擇不合理等，導致工裝頻繁的返工故障，返修成本很高。

2 工裝的優(yōu)化

2.1 建立工裝優(yōu)化集成系統(tǒng)軟件

通過總結(jié)歸納飛機工裝的設(shè)計經(jīng)驗和流程，創(chuàng)建裝配工裝、模具、焊接夾具設(shè)計等一系列知識庫，研發(fā)飛機工裝設(shè)計制造流程導航的重大關(guān)鍵技術(shù)，以CATIA V5為統(tǒng)一平臺，開發(fā)飛機工裝智能化快速設(shè)計集成系統(tǒng)（系統(tǒng)的規(guī)劃框見圖1）。

圖1 設(shè)計集成系統(tǒng)規(guī)劃框

在飛機工裝典型結(jié)構(gòu)自適應(yīng)建模技術(shù)中，針對飛機各部分工裝的典型結(jié)構(gòu)的特點，采用一種基于虛擬零件的飛機工裝典型結(jié)構(gòu)自適應(yīng)建模技術(shù)，拓展工裝建模思路，以提高計算機對工裝結(jié)構(gòu)幾何描述能力和建模效率。把飛機工裝常用的典型定位器的結(jié)構(gòu)特點，分類別放在軟件系統(tǒng)中，需要時直接調(diào)取。

在飛機工裝相關(guān)的設(shè)計技術(shù)條件中，歸納了數(shù)字化工裝設(shè)計的技術(shù)要求。一般裝配工裝中大體包括：卡板，托板，定位器，壓緊裝置，成品件等。卡板和托板設(shè)計制造方法，就材料選擇方面而言，一般小尺寸的直接選擇鋁件2A12，對于大尺寸的最好選擇鑄鋁ZL101，防止在加工使用中變形。卡板或托板一面是站位面，需精加工，平面度控制在0.08 mm以內(nèi)，站位面上至少安裝3個工具球，給出工具球的坐標值。數(shù)控加工時，以基準面定位，加工數(shù)控型面以及工具球孔。裝配時，按工具球把卡板調(diào)整到公差范圍內(nèi)。壓緊裝置最好都選擇標準件，以節(jié)約設(shè)計制造周期。定位器設(shè)計要考慮可加工性和易裝配性。對于叉耳類定位器兩端面控制公差，孔與面垂直，兩端給出雙點目標工具球值。軸類零件最好軸兩端給出單點工具球值，盡量不一端給出雙點目標，以防軸線安裝傾斜。

在數(shù)字化設(shè)計制造裝配型架時應(yīng)特別注意，裝配工裝零件材料選擇，應(yīng)選擇膨脹系數(shù)相近的，對于大型裝配型架，工裝地基框架設(shè)計應(yīng)模塊化、標準化，可節(jié)省大量時間。支撐件選擇大型鑄鐵支座，具有較高的剛性和減震功能。對于整體式方形框架，如果有機加設(shè)備加工的條件，原則上必須上機床加工框架，這樣在激光跟蹤儀裝配中容易裝配，減少框架的不平度，減小實際坐標系與理論坐標系的偏角，在有水平和垂直要求的框架中，要特別注意這一點。

2.2 運用精益理念，選取必須的裝配工裝

由于飛機結(jié)構(gòu)的復雜性及其特殊性，每種機型都需要大量的裝配工裝，以滿足其制造裝配的準確性、互換性及氣動外形的正確性。在保證飛機零件準確裝配定位的前提下，運用多種工藝裝配方法，簡化裝配結(jié)構(gòu)，盡可能減少裝配工裝的數(shù)量。這樣可以降低飛機研制成本，縮短飛機研制周期，并減少飛機裝配的轉(zhuǎn)接誤差等。

2.3 建立品種齊全的標準件和成品件庫

工裝設(shè)計中采用大量的標準件，可以縮短工裝的設(shè)計制造周期，降低工裝的研制費用。目前航空標準件還不夠全面，還需增加新的標準。這樣在工裝設(shè)計時，只要引用標準就可以了，可大大節(jié)省工裝設(shè)計制造時間。尤其是液壓裝置，工裝中需要數(shù)十套液壓裝置，采取統(tǒng)一的標準型號，方便安裝、使用和維修。特別要說明的是，在新研制的機型中，液壓裝置的選取很混亂，不同的工裝選取不同廠家的液壓裝置，而且工裝中沒有液壓原理圖，給使用和維修帶來很大的麻煩，廠家維修不了的，只能報廢，極大程度上浪費了生產(chǎn)成本。

目前，有些設(shè)計人員對工裝標準件不是很熟悉，一些定位器的功能完全可以用標準件來代替，而實際上卻隨意設(shè)計出一個新的定位器，全新制造，極大程度上浪費工裝設(shè)計制造時間。在新機型工裝中，常用的定位器應(yīng)建立新的標準。在新標準中，規(guī)定材料及加工方法。對于所有的新舊標準件，都應(yīng)以電子版存放在CATIAV5標準件庫中，工裝設(shè)計人員可隨意從標準件庫中引用標準，工裝制造時直接領(lǐng)用成品，或領(lǐng)用半成品加工成成品。

3 設(shè)計制造一體化

3.1 組織體系上的人員分工

在新機型數(shù)字化研制中，為縮短研制周期，采取并行工程及IPT工作組。飛機數(shù)模生成或部分生成后，應(yīng)組建一個新機裝配工裝設(shè)計制造團隊，其成員來自工裝設(shè)計部門、工裝制造部門、工裝使用單位的精英，他們直接參與工裝的設(shè)計任務(wù)。裝配工裝設(shè)計制造團隊相互協(xié)作，確定新機工裝數(shù)量、工裝類型、工裝產(chǎn)品定位方式、工裝的裝配公差、成品件的選取等；對裝配工裝的總體結(jié)構(gòu)大致確定好，綜合考慮到飛機的出架方式、廠房空間等因素。裝配工裝設(shè)計團隊應(yīng)注意及時跟蹤飛機產(chǎn)品數(shù)據(jù)改動、及時與上一級領(lǐng)導協(xié)調(diào)等問題。

3.2 設(shè)計與制造單位的溝通協(xié)調(diào)

新機型需大量的裝配工裝，工裝設(shè)計部門應(yīng)全部參與工裝的設(shè)計任務(wù)，工裝制造單位和工裝使用單位各派出1～2人參與工裝設(shè)計制造團隊。工裝設(shè)計部門由新機工裝設(shè)計制造團隊統(tǒng)一協(xié)調(diào)一些具體問題。對于飛機的某一部分型架，相關(guān)單位直接找相關(guān)人員來具體協(xié)調(diào)，充分考慮到專人專項，發(fā)揮個人特長。

例如某機型后機身總裝型架，工裝制造單位和工裝使用單位專門負責人對該工裝的結(jié)構(gòu)和使用功能非常了解，設(shè)計部門設(shè)計該型架時，設(shè)計制造團隊中的工裝制造廠人員可通知本單位具體負責的人員，設(shè)計制造團隊中的使用單位人員可通知本單位具體使用的人員，一起約定時間，聚在設(shè)計室研究工裝的結(jié)構(gòu)、定位器的定位方式并改正以往類似工裝定位器的缺陷，共同研制出合理簡潔的工裝定位方式。有問題時，三方應(yīng)及時約定時間溝通。這樣，工裝型架設(shè)計完后，工裝制造不會有大改動，不再有以往工裝強度不好、安裝費勁、返修困難和定位器不好用等問題。為縮短工裝設(shè)計制造周期，工裝設(shè)計制造可并行工作，工裝設(shè)計者和工裝制造者每天及時溝通，設(shè)計完一個組件，可制造一個組件，工裝設(shè)計更改及時貫徹，這樣設(shè)計完后，零件制造也快要制造完了。在現(xiàn)場裝配時，零件裝配可平行作業(yè)，大大縮短裝配周期。

4 結(jié)束語

數(shù)字化制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加速了新機型研制的進程，開發(fā)工裝的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)計、制造、使用單位、管理的集成工作平臺，是生產(chǎn)出高質(zhì)量飛機的關(guān)鍵。我國已是飛機制造業(yè)的大國，多研制新機型，提高飛機的性能，從不斷研制的新機型中總結(jié)經(jīng)驗，縮短我國飛機制造技術(shù)與發(fā)達國家的距離，研制出具有自主產(chǎn)權(quán)高性能的機型，提高我國整體裝備制造業(yè)的水平，把我國變成一個軍事強國。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，工裝的設(shè)計制造將更加合理快捷。

[1]范玉清.現(xiàn)代飛機制造技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[2]《飛機制造工程手冊》總編委會.飛機制造工程手冊（飛機工藝裝備分冊）[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994.

[3]王 強，萬世明，等.飛機工裝數(shù)字化制造技術(shù)的研究[C]，成都：四川省航空宇航學會，2009.