數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用研究

李琎

摘 要：飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)涉及飛機(jī)設(shè)計、零部件制造、裝配工藝規(guī)劃、互換協(xié)調(diào)技術(shù)、數(shù)字化測量系統(tǒng)、自動控制和計算機(jī)軟件等眾多先進(jìn)技術(shù)，因而難度較大，所以在一定意義上，飛機(jī)的數(shù)字化裝配是數(shù)字化技術(shù)最后需要攻克的堡壘，它將從根本上改變傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配技術(shù)，可以說是飛機(jī)制造的一次革命性的變革。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；飛機(jī)裝配；應(yīng)用

引言

數(shù)字化技術(shù)以全面采用數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化預(yù)裝配、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、并行工程和虛擬制造技術(shù)為主要標(biāo)志，從根本上改變了飛機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計與制造方式，大幅度地提高了飛機(jī)設(shè)計制造技術(shù)水平。

一、數(shù)字化裝配技術(shù)的內(nèi)涵

數(shù)字化裝配技術(shù)是一個新的概念，精確的為其下一個定義還需要更多的探索。數(shù)字化裝配是一種能適應(yīng)快速研制和生產(chǎn)及低成本制造要求的技術(shù)，從其發(fā)展的歷程看，它實質(zhì)上是數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計制造過程中更深層次的應(yīng)用及其延伸。數(shù)字化裝配方法不僅包括了傳統(tǒng)數(shù)字化裝配概念中工裝的設(shè)計、制造及裝配的虛擬仿真等，還包括了像柔性裝配方法、無型架裝配方法等其他自動化裝配方法。飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)是數(shù)字化裝配工藝技術(shù)、數(shù)字化柔性裝配工裝技術(shù)、光學(xué)檢測與反饋技術(shù)、數(shù)字化鉆鉚技術(shù)及數(shù)字化的集成控制技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用。數(shù)字化裝配技術(shù)在飛機(jī)裝配過程中實現(xiàn)裝配的數(shù)字化、柔性化、信息化、模塊化和自動化，將傳統(tǒng)的依靠手工或?qū)Ｓ眯图軍A具的裝配方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化的裝配方式，將傳統(tǒng)裝配模式下的模擬量傳遞模式改為數(shù)字量傳遞模式。

二、數(shù)字化裝配工藝技術(shù)

數(shù)字化裝配工藝主要包括數(shù)字化裝配過程的優(yōu)化設(shè)計、誤差分析及容差分配和數(shù)字化預(yù)裝配。其接收工裝系統(tǒng)的設(shè)計信息和產(chǎn)品三維實體模型，通過裝配過程的模擬仿真進(jìn)行預(yù)裝配及誤差分析，再將信息反饋到工裝系統(tǒng)，進(jìn)行工裝設(shè)計的調(diào)整和裝配過程的優(yōu)化。

數(shù)字化裝配過程優(yōu)化設(shè)計分為裝配順序的生成和優(yōu)化、裝配路徑的規(guī)劃和優(yōu)化、誤差分析和容差分配、數(shù)字化預(yù)裝配等幾部分。

誤差分析和容差分配用來在產(chǎn)品的設(shè)計階段，預(yù)測和控制全部系統(tǒng)的誤差。其出發(fā)點是全部系統(tǒng)的目標(biāo)誤差，然后通過容差分配方法來分配目標(biāo)誤差作為次級系統(tǒng)的誤差。這樣誤差預(yù)算就在各種次級系統(tǒng)中，作為一個跟蹤工具來平衡目標(biāo)誤差和達(dá)到目標(biāo)誤差的難度這兩者之間的關(guān)系。飛機(jī)數(shù)字化預(yù)裝配是在數(shù)字化產(chǎn)品定義的基礎(chǔ)上利用計算機(jī)模擬裝配的全過程，用于在研制過程中及時地進(jìn)行動靜態(tài)界面設(shè)計和干涉檢查、工藝性檢查、可拆卸性檢查、可維護(hù)性檢查。其對象是工裝與工裝的裝配、工裝與零組件之間的裝配及零件與零件之間的直接裝配關(guān)系，可有效地減少因設(shè)計錯誤而引起的設(shè)計返工和更改。

三、數(shù)字化柔性裝配工裝技術(shù)

在數(shù)字化裝配中，將工裝按功能劃分為靜態(tài)框架和動態(tài)模塊。靜態(tài)框架是模塊化框架，由標(biāo)準(zhǔn)零件和連接件組合而成。動態(tài)模塊依據(jù)飛機(jī)產(chǎn)品的不同需要而設(shè)計，它具有多個自由度，通過可調(diào)轉(zhuǎn)接器依附于靜態(tài)框架上，根據(jù)不同的產(chǎn)品特征而配置不同的動態(tài)模塊；動態(tài)模塊本身可以通過轉(zhuǎn)接器調(diào)整或自由度調(diào)整改變自己的特征，以滿足同類相似的產(chǎn)品。這樣動態(tài)模塊和靜態(tài)框架之間就可以依據(jù)不同的產(chǎn)品或者產(chǎn)品的不同特征而進(jìn)行調(diào)整配置。數(shù)字化裝配工裝實現(xiàn)柔性的方式主要是調(diào)整動態(tài)模塊或者更換動態(tài)模塊，對于不同的壁板部件裝配，按照具體部件裝配的要求增加或減少柔性夾持模塊，通過調(diào)整轉(zhuǎn)接器自由度、調(diào)整卡板的形狀或者更換卡板，使之適應(yīng)具體特征的要求。

在數(shù)字化環(huán)境下，柔性工裝的定位不再依靠工裝上的固定定位器，而采用獨立的一套定位系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)把定位數(shù)據(jù)傳遞給裝配定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字量傳遞，稱該定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械隨動定位裝置。機(jī)械隨動定位裝置是一個數(shù)字化自動控制的高精度裝置，其結(jié)構(gòu)根據(jù)產(chǎn)品裝配過程中的定位要求而定。該裝置中的伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動自動化定位機(jī)構(gòu)對裝配件進(jìn)行調(diào)整和支撐，實現(xiàn)裝配件的定位。自動化定位機(jī)構(gòu)依靠控制系統(tǒng)的控制來同時協(xié)調(diào)多個機(jī)械隨動裝置的運動，保證以確定方式、可預(yù)見地移動飛機(jī)零件，一級操作用戶可以通過圖形用戶界面顯示零件的位置坐標(biāo)，然后設(shè)定控制參數(shù)，控制機(jī)械隨動定位裝置的運動。

四、光學(xué)測量與補(bǔ)償技術(shù)

飛機(jī)產(chǎn)品部件外形檢測、鉚接邊距檢測和機(jī)械隨動定位機(jī)構(gòu)的調(diào)整控制都離不開光學(xué)儀器。在數(shù)字化裝配過程中，光學(xué)測量與補(bǔ)償技術(shù)不僅能夠準(zhǔn)確地獲取裝配零件的尺寸參數(shù)和位置信息，而且將數(shù)據(jù)傳送到控制系統(tǒng)，進(jìn)行零件空間坐標(biāo)的反饋。而待裝配部件在裝配之前進(jìn)行固定時，由于實際的裝配位置與數(shù)學(xué)模型的裝配位置不一致，因此必須采用一套定位系統(tǒng)對裝配部件進(jìn)行定位，保證精確數(shù)學(xué)模型的裝配位置和實際裝配位置具有共同的加工基準(zhǔn)點。

以激光跟蹤測量儀器為例。激光跟蹤定位儀器測量裝夾后的裝配部件的基準(zhǔn)點，獲得的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理單元處理后，直接反饋到裝配系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過對實際裝配位置與精確數(shù)學(xué)模型的裝配位置進(jìn)行比較后，獲得部件裝配位置的修正補(bǔ)償值，自主地對定位元件的空間位置進(jìn)行快速調(diào)整，實現(xiàn)飛機(jī)零部件、裝配工裝和鉆鉚系統(tǒng)定位的閉環(huán)控制，逐步對定位進(jìn)行補(bǔ)償，將精確數(shù)學(xué)模型的裝配位置與實際裝配位置統(tǒng)一起來，從而完成快速準(zhǔn)確定位、安裝與調(diào)整。

五、數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用——數(shù)字化裝配系統(tǒng)

多種先進(jìn)數(shù)字化裝配技術(shù)相結(jié)合使用，共同工作來實現(xiàn)對某些零組件的裝配，這些成組的數(shù)字化裝配工作系統(tǒng)構(gòu)成了數(shù)字化裝配系統(tǒng)。數(shù)字化裝配系統(tǒng)（Digital Assembly System，DAS）以數(shù)字化裝配技術(shù)為支撐，體現(xiàn)了數(shù)字化裝配工藝技術(shù)、數(shù)字化裝配工裝技術(shù)、光學(xué)檢測與補(bǔ)償技術(shù)、數(shù)字化鉆鉚技術(shù)及數(shù)字化集成控制技術(shù)的綜合應(yīng)用。該系統(tǒng)相應(yīng)地包含了數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)、數(shù)字化柔性裝配工裝系統(tǒng)、光學(xué)檢測與補(bǔ)償系統(tǒng)、數(shù)字化鉆鉚系統(tǒng)和數(shù)字化集成控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

以大型飛機(jī)機(jī)身壁板零件為例， 組建數(shù)字化的裝配系統(tǒng)平臺， 平臺示意圖如圖1所示。

注：1.計算機(jī)等輔助控制裝置沒有畫出；2.光學(xué)儀器（激光跟蹤裝置）沒有畫出。

該數(shù)字化裝配系統(tǒng)平臺有如下特點：

a.裝配零件和裝配工裝的自身特征，以及它們之間的裝配特征在飛機(jī)設(shè)計階段就被輸入到系統(tǒng)服務(wù)器中。裝配集成控制系統(tǒng)不僅能夠直接共享該數(shù)據(jù)，還能夠不斷控制工藝系統(tǒng)對這些特征信息進(jìn)行分析優(yōu)化，使零件和工裝的設(shè)計及其裝配特征的設(shè)計不斷完善。

b.數(shù)字化柔性裝配工裝主要包括機(jī)械隨動定位裝置和一些柔性的夾具。通過更換卡板和一些專用的夾具，該工裝可以滿足不同機(jī)型、但零部件大小相似的多種零部件的裝配。這樣僅需更換卡板和少量專用夾具就可以在一套工裝平臺上裝配多種零部件。

c.機(jī)械隨動定位裝置和光學(xué)測量儀器的綜合使用，通過測量儀器的時時跟蹤測量與反饋，實現(xiàn)了對零件定位、工裝定位和鉆鉚裝置定位的閉環(huán)控制，極大地提高了定位準(zhǔn)確度。

d.數(shù)字化裝配系統(tǒng)實現(xiàn)了裝配過程的自動化、信息化等，極大地提高了裝配的效率，使快速制造和靈活面對市場的多樣化需求有了實現(xiàn)的可能。

六、結(jié)束語

數(shù)字化、自動化、柔性化裝配技術(shù)代表著現(xiàn)代飛機(jī)制造的發(fā)展方向。飛機(jī)制造過程中的工藝規(guī)劃技術(shù)、測量技術(shù)、柔性工裝技術(shù)、自動化制孔技術(shù)、自動化鉆鉚技術(shù)與集成控制技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了飛機(jī)的裝配質(zhì)量與效率，是研制多機(jī)種、變批量、高質(zhì)量與長壽命飛機(jī)的必備條件。

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