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國外飛機柔性裝配技術
作者:北京航空制造工程研究所 所长 郭恩明 点击数:18946
      航空工业是国家经济建设和保卫 国家安全的战略性产业,它的产品一一现代飞行器集当今多项髙新技术于 一体,被誉为现代科技之花。
      经济发达国家把航空工业作为拉 动国民经济相关产业的支柱产业,得 到了持续的发展,同时也带动了其他 高新技术特别是髙新制造技术的飞速发展。
      在航空产品(包括飞机、发动机 和机载设备等)的制造中,飞机装配 是将零件(或组件、部件)按照设计和技术要求进行组合、连接形成高一 级的装配件或整机的过程。飞机装配 由于产品尺寸大、形状复杂、零件以 及连接件数量多,其劳动量占飞机制 造总劳动量的一半左右甚至更多,因此经济发达国家对飞机装配技术十分 关注,并投入巨资进行研发。
       迄今为止,装配技术已经历了从 手工装配、半机械/半自动化装配、 机械/自动化装配到柔性装配的发展 历程。社会的需求、市场竞争及相关 技术的不断发展,推动着装配技术不断向更高水平演进。
目前国外蓬勃发展的柔性装配技 术是一种能适应快速研制和生产及低 成本制造要求、设备和工装模块化可 重组的先进装配技术。它与数字化技术、信息技术相结合,形成了自动化 装配技术的一个新领域。柔性装配技 术的范畴很广,涵盖了柔性装配工 装、柔性制孔、装配系统、装配(含 装配工艺)设计、虚拟装配、装配集成管理、数字化检测、面向柔性装配 的设计等技术领域。
      本文仅从柔性装配工装、柔性制 孔、柔性裝配系統、數字化檢測技術等几个方面就柔性装配技术在国外的现状及发展做简要的介绍。
      装配技术已经历了从手工装配、半机械/半自动化装配、机械/自动化装配到柔性装配的发展历程。目前国外蓬勃发展的柔性装配技术是一种能适应快速研制和生产及低成本制造要求、设备和工装模块化可重组的先进 装配技术。它与数字化技术、信息技术相结合,形成了自动化装配技术的一个新领域柔性装配工装技术柔性装iix装是基于产品数字量 尺寸协调体系的、可重组的模块化、自动化装配工装系统,其目的是免除设计和制造各种产品(如飞机壁板、 翼梁等)装配专用的传统装配型架/ 夹具,从而降低了工装制造成本,缩 短工装准备周期,同时大幅度提高装 配生产率^柔性装配工装在国外飞机制造中体现得特别明显,典型的应用 有飞机壁板柔性装配工装、翼梁柔性 装配工装、水平安定面升降舵柔性装 配工装(空客飞机)、机身柔性装配工装和总装用的柔性对接工装系统等。飞机壁板柔性装配工装是种多点阵成形真空吸附式万能柔性工装系 统,它是一组带真空吸盘的 立柱阵列,模块化的立柱可 由程序控制三维移动到空间任何位置定位,生成与装配 件曲面完全符合并均勻分布 的吸附点阵,能精确和牢固 地夹持壁板以便完成钻孔、铆接和铣切等装配工作。当 壁板外形发生变化时,工装外形和布局自动进行调整,通过改变定位和夹紧位置,可以适应 不同的零部件结构和定位装夹要求, 从而降低了综合成本,也缩短了工装 准备周期和产品的研制周期^类似的柔性装配工装还用干翼梁、升降舵、 机身的柔性装配和环铆系统中。表1 列出了基干多点阵成形真空吸附式柔 性工装近10余年来国外的应用情况。 从表中可以看出,自上世纪90年代初 开始,这种柔性工装技术已广泛应用于戴姆勒_奔驰宇航、波音、麦道、 格鲁门、英宇航、CASA、EADS/空 客、庞巴迪宇航等公司军民用飞机的 柔性装配和生产中。
       柔性装配工装比较有特色的另一 种形式是Electroimpact公司开发的、 被称为“行列式高速柱阵”的柔性装 配工装系统,它已广泛用于空客系列 飞机的机翼壁板和波音公司大型军民 用飞机翼梁的柔性装配生产中。在空 客系列飞机机翼壁板柔性装配工装上可完成 A330/340、A319/320/321、 A300等系列飞机机翼壁板的装配, 它具有模块化(RRS特性)、数字化、自动化的特点。
      在总装阶段,由于柔性装配技术 的发展,传统的对接平台/精加工台已逐渐被由计算机控制的自动化千斤顶、激光跟踪定位系统、激光准直定位系统等组成的柔性对接平台所取 代,并在波音、雷神等飞机公司得到 推广应用。采用柔性对接平台,能使机体装配质量大幅度提高,以满足新一代飞机气动外形高准确度的要求; 它能自动控制,且操作简便,缩短了装配时间;能够适应不同尺寸的机身机翼结构,节省了装配工装的费用。
      现代产品特别是大型飞行器复杂 整体结构的采用,机体结构长寿命、高质量、高效 率、气动等方面的要求,使装配制孔比以往要求更精、更严;同时,现代飞 行器机体结构材料中复合 材料、钛合金比重大幅度 上升等,这些都为飞行器 装配特别是大型飞行器的装配采用自动化柔性制孔 提出了明显的需求。
      国外飞行器结构所应 用的柔性自动化制孔技术 及其发展包括:机器人制 孔、自动制孔系统、柔性 制孔系统、并联机床柔性钻孔设备、便携式自动制孔系统等几 个方面。
机器人制孔应用得比较成熟,如 F-16复合材料垂尾壁板利用辛辛那 提•米尔康T3机器人进行钻孔、C- 130飞机梁腹板用机器人进行自动制孔、波音F/A- 18E/F超级大黄蜂后 沿襟翼的ONCE (One-sided cell end effector)机器人制孔系统等。
       机器人制孔的最前沿应用,包括 洛克希德•马丁公司的F-35飞机碳 纤维环氧复合材料机翼上壁板制孔用的大型龙门式钻孔系统(JGADS)。该 系统带有便携的、灵活、低成本且重 量轻的机器人,它使用激光定位系 统、电磁马达和“压脚"(pressure foot)进行精密钻孔,加快了装配过程,并形成紧配合,产生的表面光滑, 间隙小,满足了 F-35飞机气动和耐久性的要求。由于具有上述优势,F- 16、F—22、F—2和T—50项目都对该 系统进行评估并准备用于相应的装配作业。
自动化制孔系统对批量生产的大 型构件可以实现高效、高质量、低成本的自动柔性制孔。
      运载火箭阿丽亚娜5号在结构制 造过程中,通过使用两套自动制孔系 统,提高了生产能力和质量,改善了工作条件并减少了零件总数。
       波音公司B-747、C-17等飞机 机舱地板都采用了自动化制孔系统。 过去,装配中所有难于进行点定位的部分,都要用固定夹具定位后手工制 孔。而现在采用自动化制孔系统则可进行自动定位和制孔,大大缩短了流 程时间,提高了制孔质量,并可节省 体力劳动及工具成本。
       自动制孔系统的最新发展是 A380第一阶段机翼壁板装配用的轻 便式CNC自动制孔设备GRAWDE (Gear rib automated wing drilling equipment)和 HAWDE (Horizontal automated wing drilling equipment) „ GRAWDE 的特点是能 从可拆卸的底座分离,并可安装到装 配工装的不同位置进行制孔。 H A WDE是一种卧式自动化机翼制 孔系统,其独特性在于可以沿装配工 装升降,并在不同位置上运行。最有特色的是该系统可以自动动态校正刀 具轴,精度可以达到土 150pm。配有一种可重组柔性工装的长桁 柔性制孔系统,可 适应不同种类和规 格长桁的自动化制 孔。Northrop Grumman公司为完 成F-35机身的柔性 装配,设计并制造了5种自动钻孔系统(A D S ),这些 TORRESDILL F35 ADS机床是CNC 控制的六轴系统,它们构成了 F-35自动化机身柔性裝配系統的一部分。制造与装配时,达到制孔自动化 同时又降低成本是极其重要的。因此,低成本、柔性且满足髙质量制孔要求的便携式自动化制孔系统,与配 有大量刀具的复杂结构自动制孔系统相比,极具竞争优势。波音公司开发 的Flex Track模块化柔性导轨制孔 系统正是属于此类。
      先进装配技术的重要发展方向是 柔性裝配系統。目前,世界航空发达 国家的飞机自动化装配技术已由单台数控自动钻铆机和数控托架组成的自 动钻铆系统向柔性装配工装、柔性加 工单元、数控定位系统(包括机器人)、柔性送料系统、视觉 系统和数字化检测系统等组成的柔性裝配系統发展。
       目前国外发展的柔性装 配系统主要有柔性机翼壁板 装配系统、柔性翼梁装配系 统、复合材料升降蛇柔性装配 系统、BR6TJE机身壁板柔性 装配系统、机器人柔性装配系 统、机身柔性裝配系統(如波 音的FAIT计划)等。
       空客公司研发了系列飞机机翼壁 板柔性裝配系統,用来实现空客 A320(E4000)、A340(E4100)、A380 (E4380)等机翼壁板的柔性装配。柔 性翼梁装配系统源于波音公司的 ASAT计划。ASAT是自动化大梁装 配工装的简称,它集成了电磁铆接技 术和运动磁轭装配机技术,来解决翼梁大型构件的自动化装配问题。 ASAT计划起始于B-767翼梁的自 动化装配系统,随后不断发展并集成到大多数波音民机机翼生产线上,最 新的发展是E5000(ASAT4)C-17第 四代自动化翼梁柔性裝配系統。上述 两类柔性裝配系統的最显著特点都是 采用了电磁铆接动力头和行列式高速 柱阵柔性装配工装,能适应不同规格和尺寸的壁板或翼梁的柔性装配。
       ASAT4/E5000柔性裝配系統是 美国空军为C-17开发长期制造成本 减少战略而向波音提出的,可以说代 表了新一代的装配连接技术,它占地 面积很小,并具有很高的柔性。 ASAT4由一台配有电磁铆接动力头 的垂直运动磁轭装配机和两台CNC 控制的柔性梁装配工装组成。每个装 配工装都可以接受6根C-17梁中的 任一根,梁间的结构重组完全是自动 的并可在5min内完成。E5000动力 头采用全裕度设计,安装在磁轭腿 上,允许从梁的任一方向进行钻孔和 安装紧固件,翼梁在整个装配过程中 始终通过刚性夹持保持固定。
        复合材料升降蛇柔性裝配系統是 空客公司为实现空客系列飞机复合材 料平尾升降蛇的柔性装配而研制的, 它能适应空中客车A 3 2 0系列、A330/340 和A340-500/600型飞机 的水平安定面升降能后缘的柔性铆接装配。系统可自动完成后缘的测量和 校准、上下壁板钻孔和锪窝、铆钉选 择和供给、注胶、铆接、壁板表面波纹度测量等过程。
        德国BR6TJE公司开发的机身壁 板柔性裝配系統,采用了基于模块化 的POGO柱单元的柔性工装系统和 全电动铆接(借助于滚柱丝杠)技术, 并在B-737和C-17机身壁板上得到 了应用。
        Electroimpact与空客英国公司联 合开发了一种机器人柔性裝配系統, 用于机翼壁板与骨架的装配。该系统集成了 4种主要功能:压紧壁板、探 测壁板(厚度)并钻孔、孔检测、插入螺 栓或环槽钉并安装。这种系统是空客 英国公司机翼制造过程自动化集成技 术的开发和可行性研究的一部分。
       基于数字量协调的数字化/柔 性装配技术离不开数字化的检测和试 验。国外目前在激光超声检测技术、 几何量柔性测量技术、数字化密封试验和检漏技术等方面有长足的进步。
        在JSF项目的竞争中,洛克希 德•马丁公司的數字化檢測技術就是 其战胜波音而获胜的关键技术之一。洛克希德•马丁公司利用其先进的带 有专利的激光超声检测技术,能够对 复杂型面的复合材料零件进行100% 的自动检测。此项技术目前已用于 F—22、F—35的大型油箱、大梁、复合材料进气道、机翼蒙皮等自动化检测,并显 著地提高了 生产效率,使得F-35 及F —22计 划的全寿命 周期的检验 成本减少约 3亿美元,X-33空天飞机油箱也采用了这项技术。
         在几何量柔性测量技术方面,激 光跟踪数字化定位技术在国外已得到 普遍应用。洛克希德•马丁公司还采 用了一种由挪威开发并制造的Metronor便携式计算机辅助红外照 相测量系统,与一般的坐标测量机相 比,设备成本减少3/4,测量大型件 减少检测时间56%,而对于小零件则 省时达64%。
飞机装配件中很大一部分是整体 密封结构(如整体油箱或气密座舱 等),密封试验和检漏技术是飞机密封结构装配制造中不可缺少的一环, 国外已普遍采用氦质谱检漏仪等自动 化的检测设备来保证。目前,美国正 在进行一种数字化的接触式激光检 漏方法的研究和应用,其检漏过程和检漏结果可以与产品数模相集成。
 
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