模擬量與數(shù)字化協(xié)調(diào)在飛機(jī)對(duì)接中的應(yīng)用分析

蔣力誠(chéng)

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436）

隨著飛機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，協(xié)調(diào)互換技術(shù)也在不斷提高，同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)字化制造技術(shù)的全面應(yīng)用，使得飛機(jī)制造中的協(xié)調(diào)互換方法也正在逐步以數(shù)字化協(xié)調(diào)為主。目前國(guó)際上許多先進(jìn)的飛機(jī)制造商都把以數(shù)字模型為依據(jù)的數(shù)字化協(xié)調(diào)作為協(xié)調(diào)互換的主要傳遞依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造的數(shù)字一體化。這些數(shù)字一體化工作不但簡(jiǎn)化了飛機(jī)制造過程中的協(xié)調(diào)互換工作，也縮短了飛機(jī)的研制周期，提高了飛機(jī)的制造質(zhì)量。

近年來，我國(guó)的航空制造業(yè)也在不斷學(xué)習(xí)及引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)，并將其逐步應(yīng)用在民用飛機(jī)制造中。傳統(tǒng)的模擬量協(xié)調(diào)技術(shù)雖與國(guó)際先進(jìn)裝配協(xié)調(diào)技術(shù)相比存在明顯差距，但還是在普遍應(yīng)用中促進(jìn)了我國(guó)航空企業(yè)的發(fā)展。隨著我國(guó)民用飛機(jī)制造技術(shù)手段和方法的不斷積累、不斷進(jìn)步，飛機(jī)裝配互換協(xié)調(diào)的數(shù)字化傳遞法也會(huì)被廣泛應(yīng)用。

1 模擬量協(xié)調(diào)與數(shù)字化協(xié)調(diào)概述

模擬量協(xié)調(diào)是一種傳統(tǒng)的飛機(jī)工藝制造協(xié)調(diào)方法，其協(xié)調(diào)路線為圖紙理論尺寸—模線—樣板—標(biāo)準(zhǔn)樣件—生產(chǎn)工裝，這一過程主要是通過實(shí)物標(biāo)工或標(biāo)準(zhǔn)樣件來傳遞協(xié)調(diào)，把飛機(jī)的各種復(fù)雜理論外形、尺寸、數(shù)據(jù)等技術(shù)要求通過這種直觀的協(xié)調(diào)方法準(zhǔn)確傳遞到最后制造出的飛機(jī)產(chǎn)品上。在這個(gè)過程中，標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備起著至關(guān)重要的作用，是以實(shí)物模擬量形式體現(xiàn)產(chǎn)品的外形和尺寸。它確定了產(chǎn)品部件、組合件或零件外形尺寸、接頭、孔系之間的相對(duì)正確位置，是制造工裝的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，一般是以實(shí)物形式存在的稱之為“實(shí)物標(biāo)工”或“硬標(biāo)工”。圖1為模擬量裝配協(xié)調(diào)路線表。

圖1 模擬量裝配協(xié)調(diào)路線

數(shù)字化協(xié)調(diào)是指以飛機(jī)理論外形及相關(guān)基準(zhǔn)的3D數(shù)字模型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)的數(shù)字化定義為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)和數(shù)控技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量定位、裝配技術(shù)，完成對(duì)產(chǎn)品或工裝的制造及安裝，其協(xié)調(diào)依據(jù)是產(chǎn)品的同一個(gè)數(shù)字化定義模型即數(shù)字標(biāo)工模型。作為飛機(jī)產(chǎn)品裝配制造或工裝制造、協(xié)調(diào)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來源，數(shù)字化協(xié)調(diào)以引用工程圖紙數(shù)字模型數(shù)據(jù)信息形成數(shù)字標(biāo)工信息為制造依據(jù)。

采用數(shù)字標(biāo)工模型控制產(chǎn)品協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度的方法是利用帶公差的3D數(shù)模（工程數(shù)模、工藝數(shù)模、工裝數(shù)模）無誤差地轉(zhuǎn)換成各加工裝配制造數(shù)模，通過各級(jí)數(shù)字化協(xié)調(diào)系統(tǒng)和數(shù)字化標(biāo)工的約束關(guān)系，將產(chǎn)品協(xié)調(diào)部位尺寸與形狀信息通過采用并行數(shù)字傳遞的方法，準(zhǔn)確無誤地傳遞到產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝裝備的過程，保證飛機(jī)制造裝配全過程的協(xié)調(diào)互換。圖2為數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)路線圖。

圖2 數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)路線圖

2 模擬量協(xié)調(diào)的特點(diǎn)

在飛機(jī)裝配中，由于不同材料在不同的實(shí)際裝配環(huán)境中使用，會(huì)引起變形。同時(shí)，由于人為因素會(huì)造成制造尺寸上的變化和誤差，導(dǎo)致零部件之間裝配的不協(xié)調(diào)，而模擬量的實(shí)物標(biāo)工正是消除這種不協(xié)調(diào)的制造依據(jù)。

盡管傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工裝在保證生產(chǎn)用工裝、產(chǎn)品部件和組件之間的尺寸及形狀互換協(xié)調(diào)方面起了很重要的作用，但模擬量的實(shí)物標(biāo)工在生產(chǎn)制造和使用過程中有以下6個(gè)方面的特點(diǎn)。

（1）模擬量裝配協(xié)調(diào)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)積累完善，技術(shù)理論體系成熟。由于模擬量協(xié)調(diào)一般是采用關(guān)聯(lián)制造原則，可通過增加中間過渡傳遞環(huán)節(jié)來控制產(chǎn)品的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度。在模擬量協(xié)調(diào)環(huán)境下，各大主機(jī)制造廠或供應(yīng)廠商可簡(jiǎn)便直觀地反映產(chǎn)品在制造中的協(xié)調(diào)問題。

（2）模擬量協(xié)調(diào)的協(xié)調(diào)路線長(zhǎng)，傳遞環(huán)節(jié)多，難以取得某些外形復(fù)雜或某些關(guān)鍵位置在全機(jī)坐標(biāo)系中的真實(shí)幾何尺寸數(shù)據(jù)，且工裝數(shù)量大、品種多，累積的誤差較大，易造成精確度誤差，產(chǎn)生協(xié)調(diào)問題，這類誤差在實(shí)際操作中往往難以預(yù)防。

（3）一件實(shí)物標(biāo)工只能在一個(gè)生產(chǎn)制造工作地點(diǎn)使用，不能同時(shí)用在多個(gè)工作場(chǎng)所。要在不同的工作地點(diǎn)同時(shí)使用此標(biāo)工（保證廠際協(xié)調(diào)），唯一的方法就是復(fù)制一套標(biāo)工，但這樣不可避免地會(huì)帶來再?gòu)?fù)制誤差，造成零部件之間的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確性有所降低。

（4）在標(biāo)準(zhǔn)樣件、模線、樣板及與之協(xié)調(diào)的各類生產(chǎn)工藝裝備制造中，手工操作的工作量通常會(huì)占很大比重，其制作成本較高，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)。大量的實(shí)物標(biāo)工制作將會(huì)大大影響生產(chǎn)進(jìn)程，并且在研制階段需頻繁地對(duì)實(shí)物標(biāo)工的制造技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷完善及更改，其結(jié)果將會(huì)顯著降低工作效率、延長(zhǎng)研制周期。

（5）實(shí)物標(biāo)工在使用中易造成磨損，為保證它的準(zhǔn)確度需要進(jìn)行定期檢測(cè)。如果在制造裝配工裝與標(biāo)準(zhǔn)樣件工裝之間發(fā)現(xiàn)了不協(xié)調(diào)問題，一般需要檢查所有相關(guān)聯(lián)工裝，而這是一件費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的工作，同時(shí)也會(huì)影響生產(chǎn)效率。

（6）為了防止實(shí)物標(biāo)工變形，需要控制保存實(shí)物標(biāo)工的環(huán)境，包括溫度、濕度，同時(shí)也會(huì)增加維護(hù)成本。

3 數(shù)字化協(xié)調(diào)的特點(diǎn)

數(shù)字化標(biāo)工在設(shè)計(jì)制造中的作用與實(shí)物標(biāo)工一樣。對(duì)于交點(diǎn)的協(xié)調(diào)，采用數(shù)字量規(guī)取代實(shí)體量規(guī)，以幾何數(shù)字模型取代傳統(tǒng)的模線樣板和標(biāo)準(zhǔn)樣件協(xié)調(diào)法。數(shù)字化協(xié)調(diào)在實(shí)際生產(chǎn)制造和使用過程中有以下4個(gè)方面的特點(diǎn)。

（1）數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)是一種新的裝配協(xié)調(diào)方法，在飛機(jī)制造中具有獨(dú)立制造原則且有利于并行工程的開展，采用數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)是未來飛機(jī)裝配制造技術(shù)的趨勢(shì)所在。

（2）在飛機(jī)的裝配方面，尺寸外形可以通過計(jì)算機(jī)來建立3D數(shù)字化模型并加以準(zhǔn)確地描述，能最大限度地再現(xiàn)工程的設(shè)計(jì)外形理念。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的幾何形狀和尺寸可以準(zhǔn)確地存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，可快速地對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行及時(shí)更新維護(hù)，可通過大型打印機(jī)或繪圖儀來按需快速及時(shí)地繪制理論模線、結(jié)構(gòu)模線和飛機(jī)生產(chǎn)圖紙，大大提高了理論模線、結(jié)構(gòu)模線和飛機(jī)生產(chǎn)圖紙的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

（3）由于現(xiàn)代飛機(jī)采用較多模塊化設(shè)計(jì)、裝配和制造技術(shù)，機(jī)身中許多重要結(jié)構(gòu)件在設(shè)計(jì)上較多采用了整體結(jié)構(gòu)件形式，如飛機(jī)整體肋和整體梁、整體壁板、整體框等，這些零件在制造加工方面都可采用工程數(shù)模無誤差地轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床加工數(shù)據(jù)。高精度的數(shù)控機(jī)械加工設(shè)備和數(shù)控測(cè)量技術(shù)可以幾乎無誤差地實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零件的外形加工和成型制造。因其加工制造尺寸可以通過數(shù)據(jù)模型直接準(zhǔn)確地傳遞，減少了許多模擬量傳遞的中間環(huán)節(jié)，因此大大提高了零件加工的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度和制造準(zhǔn)確度。

（4）在工藝裝備制造方面，幾乎不借助實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備。對(duì)于形狀和協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜的用于鈑金零件制造的大量成型模具、裝配型架上內(nèi)/外形卡板等，可以直接采用數(shù)控加工和數(shù)控測(cè)量技術(shù)，能最大限度地再現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的外形尺寸要求。對(duì)于裝配型架和零件制造工裝模具數(shù)控加工所需的有關(guān)形狀和尺寸的幾何數(shù)據(jù)，可以直接從飛機(jī)理論模型的幾何數(shù)據(jù)庫(kù)中提取，不再需要經(jīng)過傳統(tǒng)模線、樣板、標(biāo)工等工藝路線反復(fù)傳遞。一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)問題，只要把相關(guān)過程的數(shù)據(jù)模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬仿真，就可以發(fā)現(xiàn)問題的根源所在。這樣不但大大提高了加工效率，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)還提高了工藝裝配型架和零件制造工裝模具的制造準(zhǔn)確度及協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

某型飛機(jī)機(jī)身主要是由蒙皮、長(zhǎng)桁、隔框組合而成的半硬殼式鋁合金結(jié)構(gòu)，典型剖面形狀為上、下圓弧組成的倒“8”字形。橫向骨架由隔框、地板橫梁及其支撐件組成。縱向骨架為沿圓周均勻分布相應(yīng)數(shù)量的“Z”形長(zhǎng)桁，與蒙皮鉚接為機(jī)身壁板；在機(jī)身大開口處沿長(zhǎng)桁方向安排了龍骨梁、地板滑軌、門框縱梁等加強(qiáng)件。機(jī)身裝配對(duì)接的結(jié)構(gòu)形式分為框間對(duì)接和框上對(duì)接兩種對(duì)接方式。

框間對(duì)接工藝分離面設(shè)在兩個(gè)相鄰框中間，采用對(duì)接帶板連接蒙皮、長(zhǎng)桁通過鈑彎的套接接頭連接。這種不可拆卸的工藝分離面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接頭柔性好、對(duì)接零件少、生產(chǎn)周期和裝配周期短等優(yōu)點(diǎn)。

框上對(duì)接工藝分離面一般設(shè)在機(jī)身強(qiáng)框上 ，框?yàn)椤肮ぁ弊中谓Y(jié)構(gòu)，框軸線為蒙皮對(duì)縫，采用對(duì)接帶板、框緣連接蒙皮。長(zhǎng)桁連接一部分通過套接接頭連接，另一部分通過鏟形接頭直接連接在框緣上。這兩種裝配對(duì)接協(xié)調(diào)方式有些類似，本文主要以框間裝配對(duì)接的協(xié)調(diào)為例進(jìn)行分析。

機(jī)身裝配對(duì)接采用可移動(dòng)千斤頂?shù)膶?duì)接小車為支撐形式，在協(xié)調(diào)時(shí)采取以下措施：

（1）機(jī)身對(duì)接時(shí)可用X、Y、Z三維軸向調(diào)節(jié)移動(dòng)千斤頂?shù)膶?duì)接小車支撐對(duì)接機(jī)身，使用激光跟蹤測(cè)量?jī)x通過OTP建立機(jī)身裝配對(duì)接數(shù)字化坐標(biāo)系。需確定某一對(duì)接機(jī)身部段為基準(zhǔn)部段，以基準(zhǔn)機(jī)身部段的座椅滑軌為對(duì)接測(cè)量基準(zhǔn)，在座椅滑軌X1、X4相應(yīng)站位上安裝4個(gè)激光測(cè)量支座。使激光跟蹤測(cè)量?jī)x根據(jù)數(shù)字化坐標(biāo)系來測(cè)量支座上工具測(cè)量靶球的Z向、X向讀數(shù)，調(diào)整驅(qū)動(dòng)絲杠可進(jìn)行微小進(jìn)給量位移，將基準(zhǔn)機(jī)身部段移動(dòng)至理論對(duì)接位置，保證基準(zhǔn)機(jī)身部段水平、準(zhǔn)直。基準(zhǔn)機(jī)身部段調(diào)姿完成固定鎖緊好基準(zhǔn)部段，將另一對(duì)接機(jī)身部段靠近基準(zhǔn)部段，調(diào)整另一對(duì)接機(jī)身部段，通過工藝?yán)o接頭與基準(zhǔn)部段工藝?yán)o接頭協(xié)調(diào)來保證機(jī)身外形、長(zhǎng)桁軸線等位置協(xié)調(diào)對(duì)接。圖3為基準(zhǔn)機(jī)身部段測(cè)量調(diào)姿示意圖。

圖3 基準(zhǔn)機(jī)身部段測(cè)量調(diào)姿示意圖

（2）在對(duì)接前，由于機(jī)身對(duì)接工藝分離面處的端面開口尺寸大，導(dǎo)致機(jī)身對(duì)接站位區(qū)域剛性較差、難以協(xié)調(diào)定位。同時(shí)各對(duì)接機(jī)身模塊在不同制造廠裝配生產(chǎn)，并且要保證其機(jī)身蒙皮外形協(xié)調(diào)、長(zhǎng)桁軸線位置協(xié)調(diào)，需要在對(duì)接時(shí)增加過渡的工藝接頭作為定位器來保證長(zhǎng)桁軸線和機(jī)身蒙皮外形的協(xié)調(diào)，這種工藝接頭稱為拉緊接頭。在整個(gè)機(jī)身圓周上一般按需分布6～8對(duì)工藝?yán)o接頭，各拉緊接頭在各部件制造廠裝配型架的外形對(duì)接平板上是通過數(shù)據(jù)模型數(shù)字化來協(xié)調(diào)定位、安裝。圖4為拉緊接頭示意圖。

圖4 拉緊接頭示意圖

（3）為了保證各制造廠對(duì)接機(jī)身拉緊接頭的位置準(zhǔn)確性，各個(gè)對(duì)接機(jī)身裝配型架前后外形對(duì)接平板、配對(duì)的工藝?yán)o接頭之間共用一組數(shù)字化標(biāo)工模型數(shù)據(jù)，其裝配位置的準(zhǔn)確性主要通過數(shù)字化標(biāo)工來協(xié)調(diào)保證。每對(duì)工藝?yán)o接頭端面上螺栓連接孔的位置坐標(biāo)尺寸取自數(shù)字化標(biāo)工模型數(shù)據(jù)，作為將工藝?yán)o接頭定位安裝在機(jī)身裝配型架外形對(duì)接平板上的定位依據(jù)。

（4）在對(duì)接機(jī)身各模塊時(shí)，不但要考慮機(jī)身蒙皮、長(zhǎng)桁、框的對(duì)接協(xié)調(diào)問題，還需要考慮其他結(jié)構(gòu)件的協(xié)調(diào)問題，如機(jī)身客艙地板結(jié)構(gòu)件上的座椅滑軌協(xié)調(diào)。客艙地板座椅滑軌可以分段安裝在各機(jī)身模塊上，也可以在機(jī)身模塊對(duì)接完成后一起安裝。在某機(jī)型中，客艙地板座椅滑軌分段安裝在各機(jī)身模塊上，這樣就需要考慮分段安裝時(shí)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一性。座椅滑軌在部件裝配中的定位依據(jù)是模擬量協(xié)調(diào)的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)工裝，同時(shí)在機(jī)身對(duì)接時(shí)各機(jī)身段的座椅滑軌也是采用實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)來進(jìn)行測(cè)量定位對(duì)接的協(xié)調(diào)。

5 應(yīng)用結(jié)果分析

某型飛機(jī)在研制中能依據(jù)實(shí)際情況首次采用數(shù)字化協(xié)調(diào)與模擬量協(xié)調(diào)相結(jié)合的裝配協(xié)調(diào)技術(shù)，在基準(zhǔn)機(jī)身姿態(tài)調(diào)整測(cè)量時(shí)用激光跟蹤儀建立數(shù)字化坐標(biāo)系測(cè)量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水平儀、準(zhǔn)直儀、標(biāo)尺等測(cè)量方法，具有操作簡(jiǎn)便直觀、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量調(diào)整、測(cè)量精度高、工作效率高等優(yōu)勢(shì)。

在機(jī)身對(duì)接時(shí)采用以座椅滑軌為基準(zhǔn)的數(shù)字化測(cè)量法，同時(shí)增加通過數(shù)字化定位協(xié)調(diào)的工藝?yán)o接頭作為定位器來保證長(zhǎng)桁軸線和機(jī)身外形的協(xié)調(diào)，不需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)接型架，而是采用可移動(dòng)千斤頂?shù)膶?duì)接小車的方法實(shí)現(xiàn)機(jī)身結(jié)構(gòu)對(duì)接。簡(jiǎn)化了裝配對(duì)接型架，并使其初步具備了這種方式通用性、柔性化趨勢(shì)。

由于在裝配對(duì)接型架上不再使用傳統(tǒng)的、大量的定位基準(zhǔn)夾緊裝配工藝，因此簡(jiǎn)化了對(duì)接型架工裝及對(duì)接方式，給操作人員提供了良好的操作空間，有利于保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量并提高裝配效率。

6 結(jié)束語

某型飛機(jī)在研制的開始階段，能充分根據(jù)該型飛機(jī)的立項(xiàng)需求、設(shè)計(jì)定位、生產(chǎn)組織形式、經(jīng)濟(jì)合理性，利用目前已掌握的飛機(jī)制造技術(shù)，并結(jié)合新技術(shù)、新工藝等因素來制定合理的裝配協(xié)調(diào)原則。目前某型國(guó)產(chǎn)支線飛機(jī)采用數(shù)字化協(xié)調(diào)與模擬量協(xié)調(diào)相結(jié)合的裝配協(xié)調(diào)方式，不僅有利于開展并行工程，且有利于發(fā)現(xiàn)、分析并解決飛機(jī)對(duì)接中的裝配協(xié)調(diào)問題。合理利用數(shù)字化協(xié)調(diào)與模擬量協(xié)調(diào)相結(jié)合的方式，將對(duì)縮短研制（設(shè)計(jì)/制造）周期、降低研制/生產(chǎn)成本、提高民機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起到重要作用，并對(duì)提升我國(guó)民機(jī)裝配工藝技術(shù)水平、提高產(chǎn)品自主研制能力具有重要意義。