機翼翼盒數字化裝配關鍵技術應用研究

樊 虎 楊靖雯

（航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安710089）

1 概述

飛機數字化裝配涉及工藝流程規劃、柔性定位、自動制孔加工、數字化測量與檢測、多系統集成等大量先進技術及裝備，是機械、控制、計算機科學等眾多學科高度融合的新技術[1-6]。

近年來，數字化集成裝備及數字化制造技術已在航空航天企業得到廣泛應用，目前，國內飛機在壁板類、活動翼面、前后緣等組部件上實現了數字化裝配[7-9]。而機翼作為整機的主升力結構和主傳力部件，其裝配質量影響著整機飛行安全和氣動性能。同時，機翼翼盒作為飛機的整體油箱，對密封性、疲勞性有著極高要求，相比于機身類部件機翼承載著更多的載荷，所以對它的外形、結構、布局、制造誤差及裝配精度都有著更高的要求。因此，機翼翼盒數字化裝配技術的研究及應用就變得十分重要，以機翼翼盒數字化裝配為代表的裝配系統正向著多功能、高集成、高自動化的方向發展，它也是整機數字化裝配的關鍵所在[10-13]。本文通過對機翼翼盒數字化裝配的應用研究，詳細分析了翼盒數字化裝配過程中涉及和應用的關鍵技術。

2 關鍵技術應用研究

翼盒數字化裝配技術的應用解決了傳統裝配四大難題。通過溫度變形補償技術解決了溫度變化對工裝及產品變形影響的問題；通過柔性裝配技術解決了機翼組部件剛性差、應力裝配的問題；通過自動制孔加工技術解決了傳統裝配手工制孔精度低、質量差的問題；通過數字化裝配仿真和系統布局仿真技術解決了裝配過程干涉的問題，提高了產品裝配效率與裝配過程的可操作性；另外，通過系統集成設計及聯鎖控制技術實現了制孔、檢測過程全自動化，保證了產品加工過程的有序性、可靠性、安全性、高效性。

2.1 溫度變形補償技術

由于機翼翼盒本身的結構特點，在不同的溫度下，機翼的前后緣會隨溫度變化產生不同程度的伸縮，同時，傳統翼盒工裝也存在熱膨脹變形問題。產品材料熱膨脹系數與工裝及地基的膨脹系數不一致，造成工裝與產品的不協調，如圖1 所示。因此，翼盒數字化裝配型架考慮了溫度變化的協調補償，數字化工裝主體采用了與產品同材質的材料，且在地面和工裝底座之間設置滑軌，后緣、前緣以及4#肋在鐵制底座的基礎上并設有膨脹板，在前緣工裝上設置有補償滑塊結構，使各工裝有穩定基礎的同時，其熱變形與產品的熱變形保持一致。通過該方法提高了產品和工裝的協調性，避免了裝配過程中由溫度引起的伸縮變化造成定位精度降低的問題。

圖1 工裝、產品熱變形示意圖

2.2 柔性裝配技術

多數機翼組件都具有弱剛性的典型特征，在其裝配過程中易發生變形、扭曲。為保證飛機機翼裝配精度。在數字化裝配系統中針對機翼壁板、框、梁等典型部件的結構特點，提取其定位、夾持技術需求，基于“N-2-1”定位原則，如圖2 所示，確定定位器布局、夾持、驅動方式，進行飛機調姿定位器的模塊化設計；對于后緣及機翼壁板采用連接工藝球頭方式入位，如圖3 所示，通過在線測量和實時反饋技術，在線測量定位誤差，集成控制系統在與理論位姿進行計算比較后計算出產品最佳姿態，然后對產品進行調姿路徑規劃，并將上述信息反饋到柔性定位運動機構，實時調整定位姿態，直到定位誤差達到精度要求。該技術實現了飛機機翼翼盒零、組件裝配的精密柔性定位，解決了傳統裝配產品入位難、強迫定位、位置精度差的難題。

圖2“N-2-1”定位示意

圖3 調姿入位

2.3 自動化制孔加工技術

傳統裝配手工制孔方式極易造成孔壁劃傷、燒傷，難以滿足設計長壽命連接和整體油箱密封的技術要求。數字化裝配自動制孔加工采用復合刀具一次完成自動制孔锪窩，同時，避免產生制孔垂直度和孔位精度差、孔壁劃傷、燒傷等質量缺陷，如圖4 所示。對自動制孔加工的工藝流程進行設計，根據產品的結構特點及加工部位對制孔路徑進行規劃，如圖5 所示，同時，將加工翼面按加工部位及不同孔徑進行劃分并規定加工次序。另外，通過對參數優化完成了加工參數庫的建立。最終制孔孔徑的精度誤差有效地控制在0.02mm 以內，窩深精度誤差在0.03mm 以內，表面粗糙度≤1.6μm，制孔效率達到7 個/min，實現了制孔質量和加工效率雙提升。

圖4 自動制孔锪窩

圖5 兩種制孔路徑

2.4 數字化裝配仿真及系統布局仿真技術

由于機翼翼盒裝配過程中存在結構件復雜、操作空間狹小等特點，通過數字化裝配仿真、系統布局仿真有效解決了裝配加工過程干涉、碰撞等問題，通過對人機功效深入分析，提高了人員裝配效率和工作舒適性，保證了產品安全、精準、快速裝配。在數字化裝配仿真中以數字化裝配作業過程和數字化裝配系統布局為研究對象，利用人機工程技術及虛擬的裝配環境，仿真操作人員在裝配過程中的各種操作姿態，然后展開研究測試，研究人員與其所安裝操作產品之間的相關聯系；數字化裝配系統布局仿真主要是在數字化裝配環境下，搭建系統布局的性能評價體系，基于產品的原始數據，利用工藝流程等建立裝配系統布局仿真模型，并以搭建的系統布局性能評價體系作為評判標準進行數字化裝配系統布局的優化。

2.5 系統集成設計與聯鎖控制技術

系統控制設計是飛機數字化裝配的核心，因為在飛機數字化裝配的實施過程中，需要進行大量軟硬件協調，同時，數據及圖表的交互方式也是多種多樣錯綜復雜的，包括各類設計及工藝數據、測量及調姿數據等，而系統集成設計與控制便是各類信息流、數據流順利交互的保障，如圖6 所示。翼盒數字化裝配系統取得了系統集成設計與聯鎖控制技術的突破，通過翼盒數字化裝配系統集成控制單元的設計實現了數據處理及多接口集成的標準化；互聯互鎖設計及規則設定，實現了大型復雜裝配系統應用過程中聯鎖邏輯控制技術的突破，保證了產品裝配過程的有序性、可靠性、安全性、高效性。

圖6 多系統集成設計與控制

3 結論

飛機數字化裝備及裝配技術的應用大幅縮短了產品的生產周期，提高了產品質量，保證了飛機的飛行安全和飛行壽命。本文通過對機翼翼盒數字化裝配的研究及應用，詳細分析了翼盒數字化裝配過程中應用的關鍵技術，并與傳統裝配進行對比分析，這些技術的應用極大提高了機翼翼盒裝配精度及加工效率，從根本上解決了傳統裝配的機翼組部件裝剛性弱、應力裝配、孔徑、窩徑質量差、加工效率低的難題。同時，助力國內數字化裝配技術及裝備的發展，為國家培養了一批優秀的數字化裝配技術人才。另外，這些技術的成功應用還可以為同行業或其他行業的新型數字化裝備及新技術的應用提供重要參考。