初教六飛機生產線裝配工裝復制技術研究

李仁花，程世明，曹唐珍，劉洋洋

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

近年來，國內軍機制造領域發展迅速，外國產品逐步被國內軍機代替。初教六飛機是20世紀50年代末研制的下單翼螺旋槳初級教練機，飛行性能優越。該機要進入民機市場需要增大生產能力，作為此飛機的裝配生產線，老舊工裝數字化復制和優化任務迫在眉睫。

在飛機裝配工裝設計制造技術方面，王文俊研究了標準化在數字化工裝設計中的有效運用。董峻朋對飛機裝配型架典型構件的設計要求與常見典型構件進行研究。吳冰根據機身特點，將前機身總裝型架設計成柔性平臺機構。李汝鵬開發了飛機裝配型架骨架CAD系統。王彥喜等分析了用激光跟蹤儀安裝型架的優點及測量誤差。付刺利研究了測量中的誤差。王巍分析激光跟蹤測量設備最佳擬合型架坐標系算法。以上研究均是現代裝配工裝設計制造技術，沒有針對老舊裝配工裝數字化再設計的研究。

本文通過研究基于二維圖紙設計的裝配工裝基本特征，測量現有裝配工裝實物的特征參數，得到由二維圖紙設計制造的裝配工裝實物實現三維數字化設計制造的技術方案。借鑒同行業在老舊工裝設計制造中的先進技術和管理辦法，在現有工裝設計制造技術的基礎上進行優化設計制造。初步實現此飛機裝配工裝的數字化設計與制造，形成老機型工裝數字化設計與制造規范，并在公司內轉化應用，促進公司在二維圖紙設計制造時期的工裝實物向數字化模型轉化的快速發展。

1 初教六飛機生產線裝配工裝復制技術

1.1 初教六飛機生產線裝配工裝實物狀況分析

此飛機現有裝配工裝主要依靠劃線鉆孔臺、型架裝配機、普通光學儀器等設備進行安裝協調。現有實物以二維設計圖紙作為唯一的制造和檢驗依據。

現有實物上卡板工作面部分磨損，存在凹坑，無法用測量的方式獲取卡板工作面特征數據。同時，框架、定位裝置、夾緊裝置、安裝測量系統、標高系統、支撐及輔助裝置的設計制造方式已經發生了改變。因此，該飛機所有裝配工裝已經不能按照當初設計制造方式進行生產線復制，需按照現代設計制造方式進行重新設計制造。

1.2 初教六飛機生產線裝配工裝復制方案

現代裝配工裝制造以數控加工為主，采用激光跟蹤儀進行安裝。數控加工需要模型，激光跟蹤儀安裝需要基準點三維坐標值。因此所有裝配工裝需進行三維設計。裝配工裝的三維模型依靠飛機三維骨架模型來進行建立，目前此機型只有二維圖紙，沒有三維模型。

為滿足此機型現有零件生產制造方式不改變的情況下（即保持零件工裝不變），根據圖紙和飛機骨架模型建立的裝配工裝與現有生產線上裝配工裝是否協調，新研制的裝配工裝是否能直接用于裝配生產線，還需用現代先進的測量設備進行檢驗，并對其進行修正。

綜上所述，此生產線的復制工作主要在于建立飛機骨架模型，并測量現有生產線上的工裝實物（包括樣板、量規、樣件、型架），根據測量結果對飛機骨架模型進行修正，得出可以用于裝配工裝三維設計的飛機工藝模型。

1）裝配工裝特征測量

測量特征主要有量規、卡板及其他定位裝置和夾緊裝置的安裝基準孔與基準面。由于裝配工裝外廓尺寸比較大，特征多且復雜，因此，測量裝配工裝的整體特征需要多種測量設備進行集成。

2）夾具樣板測量

由于樣板的主要特征在一個平面內，因此需選用二維平面輪廓測量的專用設備。對測量獲得的樣板輪廓進行光順擬合處理。根據測量獲得的基準孔中心位置，結合圖紙尺寸建立樣板表面所刻的基準線。

3）樣件測量

選用既能準確獲取復雜曲面又能準確獲取基準孔位置的設備進行測量。根據測量的數據進行逆向建模，得到可用于裝配工裝三維設計的模型。

1）飛機骨架模型構建

在三維軟件中設定機體坐標系原點為（0,0,0），yz平面為飛機0站位，xy平面為飛機對稱面，xz平面為飛機水平面，搭建骨架模型的絕對坐標系。根據飛機二維設計圖紙，在此絕對坐標系下定義框、肋、梁、長桁、弦面等基準面，選擇尺寸單位為mm，以1∶1的比例，搭建飛機三維基準模型。在該基準模型中，構建各部段理論外形曲面，形成完整的飛機骨架模型。

2）理論外形曲面與夾具樣板偏差分析

在三維軟件中，將各樣板設計基準面與理論外形曲面相交得到切面線，并分別與測量的夾具樣板外形輪廓進行偏差分析。

3）裝配工裝設計參數與實物特征參數偏差分析

在三維軟件中，構建測量坐標系，將骨架模型由絕對坐標系轉換到測量坐標系，進行工裝三維設計參數與工裝實物特征參數的偏差分析。

4）工藝模型設計

通過分析裝配工裝的實物與設計尺寸的偏差，根據理論外形曲面與夾具樣板偏差結果，對飛機理論外形曲面進行再設計，與實物狀態盡量保持一致，獲得用于裝配工裝三維設計的工藝模型。

完成裝配工裝設計所需的飛機工藝模型后，進行基于MBD技術的裝配工裝三維設計。根據裝配工裝的二維圖紙要求，獲取相關的資料，如協調要求、新舊標準的比對以及代用等。工裝設計的坐標系以飛機的坐標系為基準，保持基準統一。根據裝配工裝建模規范，建立裝配工裝三維數模。在數模結構中創建裝配工裝信息項，將零件的材料、熱處理以及加工檢驗要求等在信息項中注明，便于提取相關信息，用于基于MBD模型的制造。

基于MBD模型的三維標注數模，選擇性地提取各零組件的關鍵信息，編制零件制造以及組件裝配的工藝規程，用于指導后續工裝零組件的制造、裝配和檢驗全過程。對照工裝零件制造和裝配工藝規程，并結合三維標注的零件數模進行零件的加工制造和裝配工作。工裝驗收時，工藝規程和經過審簽的三維數模均作為工裝驗收的依據。

2 初教六飛機生產線典型裝配工裝復制案例研究

水平安定面總裝架，主要用于飛機水平安定面部件的鉚接裝配，是一種典型的翼面組合架。以水平安定面總裝架為實例，開展裝配工裝復制工作的具體研究。

2.1 水平安定面總裝架及配套工裝測量

用工業相機建立測量基準，使用手持掃描儀對卡板、量規接頭、翼尖定位器及卡板安裝杯座等進行測量。使用激光跟蹤儀對卡板工作面、量規接頭孔位及卡板安裝杯座的孔位進行測量。如圖1所示，點云為手持掃描儀所測結果，三維空間點為激光跟蹤儀所測結果。

圖1 水平安定面總裝架測量

1）夾具樣板測量

水平安定面總裝架夾具樣板共5塊，利用視覺質量檢測儀（VQC）分別對5塊夾具樣板進行測量。

2）翼尖樣件測量

對于翼尖定位器樣件，采用手持掃描儀進行測量。在兩個基準孔位置放置了插銷，作為測量輔助工具。根據掃描的數據進行翼尖外形的逆向設計，通過插銷表面數據可得到基準孔位，用于在水平安定面總裝架中的定位。

2.2 工裝設計參數與實物特征偏差分析

按照平尾二維理論設計圖進行平尾三維骨架模型的構建。根據構建的三維骨架模型，建立水平安定面總裝架設計所需曲面，并分別與測量的水平安定面總裝架局部特征參數、夾具樣板輪廓進行偏差分析。

圖2所示為點云與卡板設計曲面偏差圖。偏差值為正表示工作面上的點云在理論外形面外部，偏差值為負表示工作面上的點云在理論外形面內部。根據偏差色帶分析圖可得，飛機理論外形面與裝配工裝卡板之間存在較大偏差，需要后期進行校正。

圖2 測量數據與設計參數偏差圖

根據裝配工裝二維設計圖，在測量坐標系中建立基準點，分別與測量的基準點進行對比分析。表1所示為4、5肋位置的卡板安裝位置實測交點與理論交點坐標在x、y、z三個坐標方向偏差分析的結果。根據分析，卡板安裝位置交點偏差大都在0.5mm之內，在型架安裝誤差范圍之內。

表1 卡板安裝位置交點理論與實測偏差表(mm)

在裝配工裝上安裝量規實物，進行量規的架上狀態測量。圖3所示為量規在架上狀態測量的數據圖，圖中所注尺寸為量規基準孔法線之間的距離，圖中所注尺寸的理論值分別為260mm、870mm、152mm、270mm。因此，量規基準孔之間距離偏差均未超過0.5mm，在型架安裝誤差范圍之內。

圖3 量規安裝接頭相對位置測量數據圖

圖4所示為4#夾具樣板用VQC設備測量所得數據與理論設計參數偏差色帶圖。由圖可見，理論設計參數與測量數據在下陷處偏差超過0.3mm，占總偏差比率為0.8%，其他偏差都小于0.2mm，均在樣板的制造誤差之內。VQC設備測量數據與理論設計參數基本一致。

圖4 夾具樣板的VQC測量數據與理論偏差圖

2.3 水平安定面總裝架關鍵型面構建

根據夾具樣板測量數據與理論設計參數的偏差，對飛機理論外形曲面進行再設計，獲取水平安定面總裝架卡板設計所需曲面模型。圖5所示為水平安定面1肋、2肋、3肋、4肋及5肋位置交線在調整后優化的曲面模型。由圖可見，5條設計曲線曲率梳整體一致，曲面整體光順，可用于水平安定面總裝架卡板模型的設計。

圖5 水平安定面工藝模型

2.4 水平安定面總裝架快速設計及制造

按照現有工裝設計規范、訂貨及標準件庫要求重新設計，盡量保留舊工裝的上下架方式、安裝順序、定位方式等，對原有工裝進行優化設計。

原框架為整體焊接框架。基礎結構由槽鋼、鋼板進行焊接，底部與支座螺接，配合型架裝配機安裝量規接頭和卡板支座。現工裝框架設計為組合式框架，縮短了框架制造周期。

原卡板工作面依據夾具樣板制造，在型架裝配機上配合框架已有的卡板支座安裝，用快干水泥調節。新設計的工裝卡板組件采用數控制造，激光跟蹤儀輔助安裝，制造安裝的速度和精度都要高于原有工裝。同時，卡板支座與框架采用硬連接，提高型架穩定性。

原接頭均采用量規安裝，安裝過程繁瑣費時。由于與1肋卡板打開位置干涉，將對稱面處機身對接接頭的手柄均移除。新設計的接頭，均采用激光跟蹤儀安裝，支座與框架采用硬連接。通過優化，解決了接頭與卡板干涉問題。

原翼尖定位組件依據樣件制造，同時配合量規、樣件安裝。由于使用頻繁，造成了樣件表面質量差，難以提取外形。采用數控制造定位器，加工速度快，且加工質量和精度高，通過激光跟蹤儀輔助安裝，保證安裝精度。

原卡板掛架設計較矮，卡板打開后離地高度僅1.7米左右，工人使用不便。基于裝配操作過程的需要，對掛架優化設計，使卡板打開后離地高度高于1.85米。

通過對框架、卡板組件、接頭組件、翼尖組件定位器及卡板掛架等的數字化設計，完成新型水平安定面總裝架的三維模型，建立的模型如圖6所示。

圖6 水平安定面總裝架新型設計模型

3 結語

本文針對現有裝配工裝的狀況進行了分析，采用了激光跟蹤儀、手持掃描儀及VQC等先進測量設備對裝配工裝的部分組件進行測量，并與理論數據進行比較分析。基于測量工程、逆向工程、MBD技術等重新設計裝配工裝，并對當前生產裝配工裝進行改進。采用了數控加工裝配工裝的零部件，使用激光跟蹤儀輔助安裝，解決了產品向數字化設計制造轉型的問題，節約了工裝的設計制造時間。在提高裝配效率的同時，保證了裝配工裝的協調性,滿足了老舊機型向數字化轉型的研制需求。