關于大型飛機數字化裝配技術分析

常仕軍

摘要：隨著現代工業技術與制造業的不斷發展，裝配技術得到深入的研究。從飛機工業的歷程來看，飛機的裝配技術經過了人工裝配、半自動化的裝配、機械裝配、自動化裝配，隨著各國經濟與技術的進步，數字化裝配技術已經開始在多個國家的飛機制造領域得以應用，成為現代飛機制造技術的新焦點。

關鍵詞：數字化；裝配；制造；系統；應用

1.引言

隨著社會的進步與發展，航空制造業的競爭形勢不斷嚴峻，市場上對于大型飛機的需求則是出現品種多、數量少的特點，一般要求在較短的交貨周期內完成。新的數字化裝配技術可以一改傳統的人工裝配模式，極大地提高效率。

2.數字化裝配技術概述

目前對于數字化裝配技術的定義還不完全，國內外對于其定義的研究還在進行當中。從其技術發展歷程來看，該項技術不僅可以達到快速研制，還能滿足生產低成本的制造標準，往往將數字化在飛機設計制造的時候得以更為深層次的應用。對于數字化裝配方法而言，主要包含傳統的數字化裝配概念中的工裝設計、制造及其裝配的虛擬仿真，還包含柔性裝配方法，更包含無型架裝配方法這些自動化技術。[1]

對于飛機的數字化裝配技術來說，一般包含數字化裝配工藝技術以及數字化柔性裝配工裝技術，還包含光學檢測以及反饋技術、數字化鉚接技術與集成控制等多種先進技術的綜合應用。

3.數字化裝配技術國內外發展現狀

3.1國外研究現狀

在上世紀的八十年代，由于現代網絡的興起，加上計算機技術的不斷發展，美國波音、洛克希德·馬丁公司，還有歐洲的空客公司這些大型飛機公司都陸續地對飛機數字化裝配技術進行使用。國外一些發達國家數字化裝配飛機技術的應用已經取得了成功，典型的產品包括波音777、A380與JSF等。其中洛克希德·馬丁公司在進行JSF戰斗機研究制造之中，果斷地將每架飛機的生產周期由之前的15個月縮短到了5個月，把工裝數量從350個降低到19個，實現降低成本一半。通過采用數字化裝配技術后，對制孔的工具與工裝大部分進行取消，利用較為先進的龍門鉆削系統，充分利用了激光定位、電機驅動的精密制孔，提高了孔的質量，最終節省了九成以上的時間。[2]而美國波音787客機的裝配連接中，充分應用復合材料，根據復合材料的力學性能特點，對其連接技術進行改善。根據此應用需求以及鉆孔需求，波音公司與其他公司合作研制了專用的自動化鉆孔鉚接設備與技術，從而提高波音787的裝配質量與速度，同時也降低了成本。另外波音公司還采用了數字化的壁板裝配系統，對電磁鉚拉技術與柔性裝配工裝進行集成，解決了大型構件的自動化裝配面臨的困難。

3.2國內發展水平

目前國內對于飛機數字化裝配技術的應用，也取得了一定的進步，但是與國外相比，還存在著一定的差距。多數企業利用CAD技術建立型架標準件庫與優化型架參數設計，對工裝與工具的裝配過程中采用三維仿真，也采用了激光測量與數控驅動的模式，還采用了自動鉚接技術。

我國的飛機裝配技術不足主要體現在以下幾個方面：首先由于研究起步晚，對于一些先進的裝配技術應用不夠成熟。對于飛機裝配技術的研究資金投入不足，造成配套不完善，缺乏相應的技術支持，一些飛機的部件裝配制造還停留在手工作業階段，嚴重影響了飛機裝配的質量與效率；其次飛機的裝配設計模式有的還停留于串行模式進行生產與加工，部分先進的技術功能應用起來存在局限性；第三，數字化裝配技術在我國的飛機裝配過程應用數量較少，一些設計生產中利用數字化技術的效果不明顯，雖然有需求，但應用過程沒有做到順暢過渡；第四，數字化裝配技術是結合了多個學科的研究成果，形成多門類的技術集成，而某些領域研究的滯后性決定了模擬傳輸無法得到最有效的解決辦法，飛機數字化裝配設計過程生產線無法正常運行；第五，工業設計與產品設計沒有做到并行設計，造成返工現象明顯。

4.數字化裝配工藝

數字化裝配工藝的設計主要是以模型的定義技術為基礎，采用三維實體模型來對產品定義信息進行完美表達。模型定義技術主要是根據數字化定義的規范，利用三維建模對數字化產品實施合理的定義，成功構建出符合協調要求的全機三維數字樣機以及工裝模型。技術工作者按照實體模型從事三維工藝設計，避免在二維工程圖紙與三維模型來對產品裝配工藝進行設計的模式。本文的主要數字化裝配工藝技術研究主要包括裝配定位技術，同時還包括裝配制孔與連接技術。

4.1裝配定位技術

對于該項技術，其一方面包括工裝定位，另一方面也包含零件裝配基準孔面自定位。工裝往往指進行飛機裝配的時候反復使用的保障進入裝配的飛機部件以及零件均可定位精確。柔性工裝很好處理了剛性工裝剛性專用及其設計制造時間久的不足之處，具有數字化與模塊化的特點。柔性工裝可以快速進行重構調整，同一套工裝可以應用于多種產品的裝配。模塊化結構的研究上具有模塊化結構特點的單元，軟件上包括控制軟件與測量軟件、仿真軟件等。[3]

傳統的加工模式在精度與質量、效率上都難以滿足現代飛機生產需求。大部件對合技術包括機身、機翼、垂尾與起落架的安裝等，能夠快速地、準確地對安裝姿態進行定位，當調整到位或不到位時，會有相應的報警系統提示，降低了對接過程中的調整難度避免大部件在對合過程中出現的損傷隱患。在未來，數字化裝配定位技術的研究將主要集中于基于機器人的定位終端執行器的研究與多層運動規劃與控制技術的研究，進一步提高定位效率與準確度。

4.2裝配制孔技術

目前飛機結構件主要采用機械連接模式，新型飛機要求壽命較長，對于飛機部件各個連接點的技術狀態要求也非常高。隨著現代材料的不斷發展，新型復合材料的應用日益廣泛起來，讓制孔技術有了更高要求。之前的手工制孔技術經常產生復材分層問題，孔徑橢圓的問題也往往出現，不能確保產品的高質量。特別是大直徑與厚夾層的制孔讓工人操作技術有了更高要求，制孔效率不高。自動化的精確定位與制備技術可以有效提高制孔的質量與效率。對于裝配制孔技術的數字化研制內容主要包括自動制孔技術研究、復材部件的高性能制孔工藝技術的研究等。

4.3裝配連接技術

飛機結構的抗疲勞性能與可靠性和裝配連接質量有著直接的關系。對于高空飛機的航空器機械連接結構，需要采用更為優越的連接技術，如干涉配合鉚接、電磁鉚接以及新型緊固件這些。使用了以上的強化技術，提升了連續結構的抗疲勞性能，還增強了可靠性，減少結構重量。通過自動化連接設備的使用能提升連接效率，也能增加產品的質量。

圖一 電磁鉚接柔性系統

5.現代柔性生產線技術

對于柔性生產線而言，其不僅由數字化的柔性可重構工裝以及自動化數控連接設備，還需要數字化的測量檢驗設備及其信息化管理平臺得以組成，促使了現代飛機裝配技術的不斷快速發展。在軍機生產方面，柔性裝配生產線技術發展已經相對成熟。美國F-22進行生產的時候，往往使用U型裝配生產線，使裝配周期時間從之前的16個月降低到了12個月。同時F-35具有更先進的裝配生產線，基于前者，就傳送系統優化，還優化了工作臺，提升了自動化程度，促使工裝變少，在裝配線上，之前的高架吊車變少了。在生產線上，增加了質量檢測系統，準確地就每個裝配環節裝配質量實施有效檢測，進行的噴漆工作以及隱身涂料的噴涂經常通過機器人得以完成。[4]

國內對于柔性生產線的研究與應用僅限于某個工位點，無法對整條生產線形成自動化柔性裝配。其主要原因是飛機產品在設計過程中并沒有考慮產品柔性裝配技術應用需求，產品在生產過程中才發現與將要設計的生產線模式不符，無法滿足生產。數字化檢測技術的落后，也從一定程度上影響到了生產線的效率，無法實現在線控制與快速精確測量。

6.光學測量技術

現代飛機制造中，速度快、精度高，采用傳統的人工測量方法或落后的機械測量方法已經難以滿足現代制造業發展需求。數字化檢測技術可以順利實現飛機零件與大尺寸零件的設計、裝配與檢測形成一體化工程。采用基于數字化檢測設備的產品三維檢測與質量控制手段，建立數字化立體檢測技術體系，推動計算機輔助檢測技術與測量數據的分析，制定相應的數字化檢測技術規范，提高整體的檢測效率與質量。

7.數字化裝配系統的應用

數字化裝配技術的應用是快速發展的多種先進技術的綜合應用。先進數字化裝配技術的發展與應用是一個長期的過程，其中受到技術條件、資金與應用風險等因素的影響，不可能短時間內完成，這個核心技術的突破與數字化裝配技術的應用形成一個體系與系統。數字化裝配系統的應用要以長遠與近期發展目標為導向，根據實際情況，由易到難，有分解也有綜合，基于數字測量協調技術與數字化模擬仿真技術、測量技術與軟件技術，形成完整的飛機數字化裝配集成系統。

數字化裝配系統包括裝配工藝規劃、數字化柔性定位、裝配制孔技術、自動控制與先進的測量技術等，是機械、電子與控制、計算機等多學科的綜合。

8.大型飛機數字化裝配工程應用概況

中航工業商飛一直關注于世界先進的數字化裝配技術發展情況，結合我國飛機裝配業的基本情況，制定公司長遠發展規劃。以提高數字化核心技術與能力，實現自主研究為目標，在數字化裝配領域內進行了積極的探索，以滿足新機裝配過程對制孔設備、精度與工程流程優化的要求。[5]目前，經過多年的研究與探索，成飛公司已經在數字裝配生產領域內的工藝設計、精確定位、制孔、部件對合與檢測監控方面實現了數字化控制，同時對于數字人裝配也提出了一定的要求。首先要滿足工藝的繼承性與裝配流程的繼承性，通過數字量進行測量數據的協調與傳遞，確保制造依據的唯一性與操作的便利性，最終采用“開放式伺服移動裝配定位平臺+數控五坐標多作業單元移動龍門制孔機床”技術，對裝配定位系統與制孔設備進行分離，實現了人工作業與設備自動作業的解耦，確保各項系統的架構一致性。目前C919數字化生產線技術已經得到了初步的應用，取得了良好的效果，同時在細節方面將會進一步研究與深入。

圖二 成飛公司數字化裝配技術應用示意圖

9.結語

隨著現代工業的發展，飛機數字化裝配技術將會進一步發展，充分結合數字化工藝技術與檢測技術的高集成系統將會在柔性生產線中得以廣泛應用，促進飛機生產效率的提升，縮短裝配時間，降低成本，促進現代飛機制造業整體水平的提高。

參考文獻：

[1]肖慶東，王仲奇，馬強，孟俊濤.大型飛機數字化裝配技術研究[J].中國制造業信息化，2007，03：26-29.

[2]陳雪梅，劉順濤.飛機數字化裝配技術發展與應用[J].航空制造技術，2014，Z1：60-65.

[3]鄭瑋.對于飛機數字化裝配技術體系研究[J].企業技術開發，2014，02：47-48.

[4]劉志強.關于飛機數字化裝配技術的研究[J].科技創業家，2013，15：135.

[5]馮廷廷.基于MBD的飛機裝配工藝規劃與仿真[D].南京航空航天大學，2011.