飛機數字化裝配技術的發展與應用

蔡國慶，高育輝

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

0 引言

現階段，由于新型飛行器裝配所需時間較長，需要投資的成本費用也過高，不利于經濟效益的提高。這就要求在新飛行器柔性裝配工裝研究過程中，必須重視新技術在實際工作中的運用，特別是新技術運用過程中，必須對新飛機制造流程及其生產時間進行合理的管理。唯有如此，可以有效減少新型戰斗機生產周期，同時促進航空生產產品質量的提高。鑒于此，在航空柔性工藝裝備研發過程中，有必要提高柔性裝配工裝技術的運用，同時不斷完善生產管理模式，可以使得航空生產公司的效益提高。

1 飛機裝配特點及發展趨勢

航空拼裝是將各零部分及組成件按照我國工業生產標準規定，互相準確位置、并通過標準的聯接方法，安裝成機件及成品裝置的工業生產流程。受飛機結構特性和結構剛度等因素影響，在航空組裝中大量使用了鉚合和螺接等機械連接手段。自20 世紀50 年代開始，電子化信息技術在國外航空工業中廣泛的運用，并經過了由電子化信息技術的單個使用，到數字化系統集成使用，再到數字化協同設計制造和企業全一生同期數據信息信息管理的發展歷史。現代化航行器工程設計制造生產科技以全面應用現代數字化商品概念、商品信息系統、并行系統工程以及虛擬現實設計制造科技為重要標識，從本質上改變了航行器傳統單一的設計制造工業生產方式，明顯提升了工業生產技術標準，并獲得了較好的國際社會效益。數字化組裝工藝融合了現代工業界各領域中最先進的科學技術成果，如數字化信息技術、虛擬現實技術、激光追蹤定位技術、自動控制技術等，但它已完全不同于傳統的航空組裝工藝。而現代航空數字化組裝工藝已以自動化、數字化、柔性化和信息化為主要特征，顯著改善了航空組裝品質和效果，同時還增加了航空的疲勞壽命。先進工業科技的迅速發展促使著飛機制造工藝技術出現了本質變化，并逐步建立了現代數字化飛機制造工藝與技術系統，所應用的新概念和新科技主要表現在現代數字化的設計理念、柔性生產安裝工藝技術與裝置工藝技術、現代數字化聯接工藝技術、現代數字化手動聯接工藝技術、移動控制、現代數字化的柔性生產安裝線。

2 國內外飛機裝配技術現狀

2.1 飛機裝配技術不夠成熟

因為中國對飛機組裝關鍵技術的研發時間并不長，而且有些應用還沒有成熟。同時國家對航空組裝技術的投入也不到位，使得航空組裝技術的配套不齊全，在一些方面缺少技術。有些飛行器的組裝生產甚至是手工作業，嚴重影響了航空組裝的品質和效果，安全和穩定性[1]。

2.2 飛機的制孔質量存在問題

目前，在中國的航行器制作企業最普遍的航行器制作材料都是復合，盡管復合的應用已經讓航行器的總體參數獲得了很大的改善，不過，也因為復合自身存在問題，其在實際應用流程中卻極其易于產生制孔質量的問題。其中主要表現如下：①由于部分航行器制作企業在實際的制孔作業中，還是采用了傳統簡單的機械制孔方法，因此這些方法在實際應用流程中很易產生孔徑橢圓和復材分層等各類問題，從而極大下降了航行器制作專業的質量。②由于手動制孔方法對工作人員的專業知識水準和技術力量也存在著高度的要求，否則將會增加在制孔工作過程中發生故障的概率，并最后直接影響制孔管理工作的效果[2]。由于部門承擔飛機制造與安裝的人員的能力尚有待進一步提高，這正是直接影響中國航空制孔產品質量的主要原因。

2.3 大尺寸框梁骨架的裝配精度不高

隨著中國航空事業的不斷發展壯大，國家也對中國航空制造過程的效率與品質提出了更高要求，從而使飛機的骨架與零件生產逐步朝著規模化方向發展。而飛機骨架零部件的大型化又使得在零部件生產過程和組裝過程中很易發生變形情況，如果是無法采取相應的檢驗措施和控制措施將很難提高飛行器組裝的實際精確度。就目前狀況而言，由于很多飛行器制造商在進行組裝過程中并不掌握科學合理的檢驗措施和控制措施，往往在檢驗和操控流程中出現很大的問題和疏漏，以至于飛行器組裝手段無法適應于飛行器設計的技術特點。

3 現狀的解決策略及措施

3.1 注重國際合作

根據社會大環境來看，國際化合作已是大趨勢，可根據合作內容，并開展多種形式的工作。然而經過調查發現，國內實行國際合作的模式還不是非常多，所以相關人員應當不斷學習并吸取其他先進國家的技術，結合自身的優勢來完成創新。在工作的過程當中，還可以統一協調和部署數字化技術的計劃和實施，用較短的時間突破飛機在裝配方面的技術瓶頸，縮短關鍵技術的攻關時間。

3.2 柔性裝配工裝的仿真試驗技術

眾所周知，由于在飛行器柔性的工裝結構配置時，機械結構往往較為繁雜，并且數量龐大，致使工程技術人員在裝配工裝所需的時間較多，也非常容易發生質量問題，這就要求工程科技人員必須對工裝仿真測試技能的運用引起充分的重視，才能保證飛行器工裝裝配工作迅速進行。一般情況下，在飛行器設計完成以后，應當進行對飛行器結構中的重要零件進行模擬分析，重點針對機械構件的強度、剛性等，但與此同時，也要求科技人員對操縱平臺及其操控工具的機械結構狀況的分析引起足夠的重視，由此可見，如果模擬檢測工作煩瑣，采取了相應對策后，將操作工作加以了合理的簡化，就可以保證模擬檢測工作迅速進行。所謂仿真測試，重點就是通過運用現代先進信息技術構建了柔性裝配工裝仿真的過程，同時對各環節使用要領進行了明確，從而保證實際裝配工裝順序的準確性。

3.3 數字化裝配定位技術

數字化安裝位置信息技術一般包含了柔性位置信息技術、特征位置信息技術和數值檢測位置信息技術：①柔性位置信息技術能夠運用柔性裝飾件使不同商品的位置要求得以實現，使飛機組裝的總體品質獲得了有效保證。②特征位置工藝技術是運用數控工藝技術中的安裝孔工程設計和配合面、工序特性、工藝孔產品設計及其數字化位置等方法進行各種零部件的相互位置，使飛行器組裝時具備更高的質量和一致性。③數值檢測位置工藝技術則是運用現代數字化檢測裝置和相關檢測系統進行工作，按照飛行器產品設計要求的位置條件和構造特點實現精密位置。

3.4 數字化裝配檢測技術

由于當前飛機制造的結構日趨復雜化，傳統的檢驗技術手段已無法適應于飛機制造的精度要求和高效需求，而先進裝配檢驗技術手段不僅能夠有效提高檢驗效果和檢查品質，而且所有復雜零部件、超大型零件中的設計階段、生產階段和組裝階段均可以提供非常好的檢驗效果，從而逐步建立統一的檢驗流程[3]。同時，為了實現先進組裝測試技術手段的有效運用，還應當主動地引進激光跟蹤儀、激光掃描儀、鐳射雷達、IGPS和三維空間位置測定機等各類現代先進測試設備，并利用先進電子計算機信息建立測試分析管理系統和配套測試計劃管理系統，以便于有效地實現先進組裝測試的工作目標。

3.5 自動化精確制孔技術

航空器在組裝過程中，還必須使用自動精密制孔技術，以便完成機械間的銜接，并緊固航空器的整個裝置。由于現階段在航空器制孔工作中，一般情況下都使用的是人工制孔方式，因此這種制孔方法的精細程度尚有待于進一步提高。此外，由于人工制孔方法在實踐過程時，所要求的組裝時間也較長，從而降低了飛機制造與組裝的效率，并影響其他產品組裝工作的開展。所以，通過使用自動化精密制孔技術，就能夠在較大程度上改善航空產品制孔的精度，從而提高制孔工作效率。同時，通過使用自動化精密制孔技術還能夠節省生產成本，從而提高了公司的經營效益。

3.6 提高噴涂工作的效率和質量

如今，由于工業機器人科技的蓬勃發展，在中國汽車制造產業當中已經開始有規模的應用工業機器人開展噴漆工作。而噴涂工業機器人技術不但在汽車行業當中獲得了充分運用，同時在航天發動機生產當中也獲得了應用。因此通過應用工業機器人技術開展噴漆工作也具有相當多的好處，比如能夠有效降低噴腔的使用率、擴大了噴漆的可作業范圍、提高了噴漆工作的靈活度，以及可以減少了資源浪費的狀況出現等等。以發達國家美國為例，在美國航空航天產業當中部分飛機的機型由于尺寸很大，所以噴漆起來也相當困難[4]。為此國家使用了大規模的噴漆自動化機器人控制系統進行噴漆管理工作，該控制系統主要由四只噴漆自動化機器人所構成，同時每個的自動化機器人都能夠實現單獨作業，通過應用該技術使噴涂精度達到了百萬分之一。

3.7 挖掘自身潛力，建立人才激勵制度

當前，人員應當清楚意識到要想在當前背景下擁有一定的地位，那么就必須要保證人才的專業能力與水平。在此種情況下，管理人員應當結合當前情況制定更加具有針對性的人才培養計劃，學習當前較為先進的飛機組裝技術，從而確保我們國家飛機裝配行業的進一步發展。在具體實踐的過程當中，有關人員應當以國際合作為牽引，充分了解當前背景并建立健全人才激勵制度。定期針對培訓的內容進行考核，對于考核成績較好的人員應當給予獎勵而對于考核成績較差的人員進行批評，保證賞罰分明來激勵人才學習的積極性。

4 技術前景及應用

4.1 柔性裝配工裝仿真測試技術的研究應用前景

數字化柔性安裝作業也是整個環節中較為關鍵的一步，通過企業對該技術的有效運用能夠提高企業整體安裝作業的效率程度，同時對提升作業的質量來說也有一定的促進意義。此外，對該技術的合理運用也能夠減少企業在此方面的成本投資，同時對于公司效益的提高而言也有很大的作用，所以在企業今后的飛機制造的工作中，對該技術合理的運用也必將是該領域日后的發展趨勢。隨著當前社會經濟條件和科學技術水平的快速發展，對各個產業的工作品質需求也愈來愈高，就飛機組裝工作的發展水平來講也不例外，要想更好適應多元化的經濟發展要求，就必須加強對各種技術的合理運用來提高飛機組裝工作品質和水平，從而實現飛機整體工作效率比的提高[5]。此外，目前的飛機信息化水平也在日益提高，在飛機組裝工作中，通過合理運用各種技術就能夠達到，該飛機制造工作的高度自動化，也促使了技術向高度電子化等各領域發展，同時，隨著該技術的迅速發展，也促進了飛機整個組裝工作的資源占有面積減少，對于提高飛機資源使用率來說具有一定的幫助效果。

4.2 數字化裝配工程應用情況

中航工業成都飛機公司緊緊瞄準了海外發達區域在飛機制造工藝流程中現代數字化組裝制造工藝科技的新發展趨勢，并根據中國當前國情和企業新的未來發展計劃，在“實施自主創新、提高核心技術和管理工作技術能力”總體設計工作目標的指導下，在現代數字化組裝應用領域開展了主動并卓有成果的研究，根據全方位完成組裝制造工藝、精密位置、制孔、工件對合與精機械加工及其測量監視、業務流程管理工作的數字化來建設現代數字化組裝工廠和形成完善的現代數字化組裝管理體系，對現代數字化組裝控制系統具體給出了三項根據的工藝科技要求，即：根據組裝工藝流程以確保產品工序延續性，根據測量設備的數量協調、傳輸和管理工作以確保產品環節的閉環性，根據數模驅動設備以確保生產依據的一致性和作業的方便，最后采用開放式伺服移動安裝定位平臺+數控五坐標式多作業單位移動龍門制孔機器的組合型式，分別裝備了位置管理系統和制孔設備，完成了機器人工作業和設備自動作業之間的解耦。

5 結語

飛機數字化裝配技術、仿真技術、數字化制造管理技術已在廣泛的應用，也是產品、工藝設計必需環節。在新時期的背景下，有關人員應當對傳統飛機裝配技術進行創新，將生產效率與質量提升上來，促進我國內部相關產業的發展。目前國內相關企業在這方面的研究、應用較國外先進廠家還有一定的差距，所以應當使用數字化技術對飛機裝配生產線進行創新[1]。