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飛機數字化柔性裝配關鍵技術及其發展
作者:北京航空制造工程研究所 邹方等 点击数:19378
      飞机由几万甚至几十万个零部件 组成,在结构上划分为机身、机翼、 垂直尾翼、水平尾翼、襟翼、副翼、升 降舵、发动机舵、舱门、口盖等。飞 机的结构尺寸大,外形复杂,其结构件主要是钣金件或复合材料壁板件组 成的薄壳结构,特点是形状复杂、连 接面多、工艺刚性小,在加工、装配 过程中都会产生变形。
      飞机装配是飞机制造过程的主要 环节。飞机装配过程就是将大量的飞 机零件按图纸、技术要求等进行组 合、连接的过程,分为部装(零件一组 合件一段件一部件)和总装(各部件一 全机身)。飞机的设计制造难度大,周 期长,不仅表现在它的零件数控加工 量大,而且表现在它的装配复杂性和 难度。飞机的装配工作量约占整个飞 机制造劳动量的40% ~ 50%(—般的 机械制造只占20%左右)。装配型架 的制造和安装精度对保证飞机的装配 质量有十分重要的意义。
      飞机零件加工与装配的每一个环 节的好与坏,都会直接影响整架飞机的性能指标。随着我国航空工厂近年 来引进了大量先进的数控机床,飞机 零件数控加工能力得以大大加强,飞 机零件的制造周期大大缩短了,加工质量也大大提髙了。但是飞机的部件装配与全机身装配仍然沿用原来的传 统方法,与先进的数控加工手段形成 了强烈的反差。飞机的装配技术已成 为制约我国飞机快速研制的巨大障 碍。随着飞机性能要求的提高,交付周期的缩短,更新换代越来越频繁 等,对飞机的装配技术提出了更高的 要求。
國內外發展狀況
     自上世纪90年代初波音公司的 B777采用无纸化设计开始全面实施 飞机数字化制造技术以来,数字化装 配技术在西方航空发达国家发展迅 速,是近年来国外先进飞机制造公司 提出的面向制造和装配的并行设计理念关键的一环。数字化装配技术集成了虚拟装配技术、无型架装配技术、 柔性装配工装技术、激光定位技术和 自动钻铆技术等自动化装配技术。
      进入90年代,人们越来越重视飞 机的装配技术。最为著名的有欧洲 JAM(Jigless Aerospace Manufacture)、欧洲 ADFAST (Automation for drilling, fastening, assembly, systems integration, and tooling)等研究项目。
      军机的研制方面,波音公司应用数字化装配技术,通过采用根据零部 件关键特征信息,以较少的安装工作 快速定位不同零部件的确定性装配技 术(Determinant Assembly),取消了 巨大的装配型架,以一种通用支架作为支撑样机的主要工装,利用4台 Zeiss激光跟踪仪对部件进行空间定位,来完成装配工作。
       在数字化连接装配技术上,国内在数字化连接装配技术上,国内有一些型号利用数模作为样板,并在型架安装和检修中基于数模采用了激 光跟踪和CAT (计算机辅助经纬仪) 技术。在军机研制和转包生产项目 中,各主机厂都不同程度地采用了这种技术。
       洛克希德、马丁公司在先进军机 研制中采用了 “柔性装配技术”,应 用激光定位、电磁驱动等技术实现精 密钻孔,不仅降低了钻孔出错率,而且大大减少了工具和工装。在F-35 的研制和生产过程中,洛克希德•马 丁公司采用了先进的模块化柔性自动 化装配工艺和系统,该装配系统是一 个作为装配工艺的一部分而无缝集成 的全系统,集成了包括制孔、锪窝、 铆接等装配技术和设备,还包括数据的收集、设备安全保障、控制过程的 监测、装配仿真建模等功能,缩短飞 机装配制造周期2/3,单机由15个月 缩短至5个月,而工艺装备则由350 件减少到19件,同时,制造成本降低一半,从订货到交忖仅用一年时间, 最终目标是实现每日生产一架。
       在民机研制方面,空客公司为在 2005年实现每月生产38套机翼,在 机翼翼盒自动装配研究项目的第二期 (AWBA II,1998年启动,为期2年) 中考虑了多种柔性装配技术,以便降 低机翼装配成本和缩短装配周期。 AWBA II项目集成了测量、定位、夹 紧、送料、机器人钻孔等技术,研制 出一台8 . 5m高的柔性装配单元样 机,并已通过A380上某机翼肋板的 加工测试。
       波音公司的精确机身装配AFA 和机身装配改进团队FAIT采用快速 组合(Snap-together)装配技术,通 过“超级壁板”上的精密孔,借助激 光安装与定位调整使得“超级壁板” 与其他零件实现自动定位,从而简化 了装配工装夹具。1999年11月波音 公司交付了首架采用该技术的B747 客机。
       目前,国内仍大量采用 基于模拟量协调体系、以传 统装配型架为主的装配工 装,数字化工装的设计和应 用水平还较低,特别是军机的装配,还采用固定工装型 架、以手工装配为主的方 法,飞机数字化柔性装配研 究和应用基本处于空白。
       通过“九五”、“十五” 期间对国外先进工艺技术 的跟踪和学习,国内在数字 化设计制造技术上有了明 显的进步,在产品数字化定 义技术上取得了一定的成绩,逐渐树立了 “设计面向制造”的设计理念。在一些先进的单项工艺技术上开 展了研究工作,如自动化制 孔和铆接技术、自动化定位 及检测技术等,并在工装上 作了适当的改进,在民机转 包和民机生产方面部分采用了自动化装配技术,这些工作为我国开展柔性装配技术的研究提供了一 定的研究基础。
       造成我国目前飞机交付周期长和 装配质量差的技术原因主要是:
      (1)     飞机构件的种类多、结构复 杂、部件连接件极多,需要大量的装 配型架。每一次新机研制或改型均会产生大量的部件装配设计和制造任 务,尺寸调整复杂困难,严重影响飞 机的交付周期;
      (2)     由于飞机的部件与全机身装 配的自动化水平低,严重影响了飞机 的有效装配时间和加工质量的一致性,装配效率低;
       (3)     模拟量移形技术协调问题多, 约占整个新机研制技术问题的80%, 严重影响周期;
       (4)     由于工装制造精度要比产品 精度高2倍,周期约占新机研制周期 的2/3,一架飞机大约有50000〜 60000项工装,制造工时约相当于试 制1架飞机的6倍,费用占新机研制 费的25%左右,并且管理复杂。
       数字化柔性装配是建立在计算机数字信息处理平台上的融合飞机的全 数字量协调体系,应用计算机信息技 术.数字控制技术,采用各种数控装 配工具,实现自动化夹持、制孔、铆
接和无缝校准对接,完成组件、部件和机身的装配连接等的综合性系统工 程。柔性装配技术能适应飞机部件品 种规格、批量、装配工艺、场地和时 间的变化要求,在有限的场地内快速完成装配任务,达到优质、高效、低 成本、节省时间。先进的飞机柔性装 配技术是保证飞机部件和飞机整体性 能的关键技术之一。飞机装配有如下特点。
        (1)     大量薄壁板零件存在弹性变 形,但还要保证飞机严格的气动外 形;
        (2)     结构复杂、零件和连接件数 量巨大;
        (3)     需用特殊的工艺装备来保证 装配的准确度;
       (4)  技术涵盖面宽,需要管理的信息量大。
        飞机的数字化柔性装配是一项系统工程,其数字技术贯穿于飞机装配 的全过程,计算机信息技术占有很重 要的地位。数字化柔性装配技术的应 用是当前国内外飞机制造业数字化制 造的大趋势,不仅能够克服传统飞机制造(模线_样板法)模拟量协调体系下装配工装应用单一、制造周期 长、制造费用高、协调需要大量实物 工装等缺点,而且,通过与自动化制 孔设备、数控钻铆机或自动铆接设备 和工业机器人等自动化设备的集成,可以组成数字化柔性装配系统。
         飞机的装配一般分为4个阶段:装配设计、装配准备、装配进行、装配测试,各个阶段有相应的关键技术 来支撑,确保整个飞机装配的高效和 高质量。
        1飞机装配工艺技术
        飞机装配工艺技术是研究飞机装配的基本结构的技术,如机翼、蒙皮 壁板和机身等,对几种装配构建模式进行分析,如蒙皮封装、长桁类零件、 隔板悬挂导轨流水线、气动工具、可 重构模块工装、模块化子装配系统和 直接作用机翼箱体等。该研究提出了 几何特征分类法,具体有外形控制、轮廓控制、方向控制、避让控制、定位控制等。总结了3种关键特征:
•産品關鍵特征(PKCs)
産品的幾何特性和材料屬性,此特征極大地影響産品的性能、功能和裝配成形。
•裝配關鍵特征(AKCs)
産品、工具、夾具裝配階段的特征,此特征極大地影響下一個裝配過程的産品關鍵特征的實現。
•制造關鍵特征(MKCs)
制造過程參數或工件工裝特性,此特征極大地影響零件特性層面的産品或裝配過程關鍵特征的實現。
 2柔性裝配工裝技術
      飞机在进行装配前必须进行部件 的固定,以保持良好的飞机动力学外 形,这一切要靠工装来实现,所以工 装技术是飞机装配技术的基础。按装 配工装的结构和性能可分为:常规工装、模块工装、柔性工装、CNC控制 工装。
    多点成形技术是柔性工装设计的基础,其基本思想是采用离散的点来拟合飞机装配部件的三维型面,即以点代面。采用柔性工装,可以使飞机 装配型架制造周期大大缩短,并可取 代大部分固定装配型架。利用它的可重构性,一套柔性工装可以装配多种飞机零件。
       固定飞机薄壁板蒙皮一般采用2 种工装形式,一种是X、F平面固定 点阵式静态工装,另一种是行列可移动式动态工装。两者的基本元件是长 度可调节的支撑夹持单元,其高度位 置采用数控伺服进行控制,最终使工装系统呈工件理论外形分布。
       柔性工装系统由许多高度可调节 的支撑单元组成,其定位支撑体可以 安装不同的操作头,以满足不同的部 件固定要求。为了可靠支撑夹持飞机 的装配部件,夹持力必须是可调的,其夹持状态的打开、关闭必须通过计 算机的程序控制,以适应不同的飞机 壁板类装配件。
3激光跟蹤測量技術
      在飞机装配的准备阶段,装配部 件和装配工装系统的位置测量的准确性直接影响飞机装配的成败。飞机的 装配部件尺寸大,结构复杂,不易采 用三维位置测量。激光跟踪测量系统 是解决这一难题的最好手段。它具有测量精度高、测量尺寸大、安装操作方便、可移动等优点,可广泛应用干 飞机的装配工作中。
      激光跟踪定位测量系统可以通过 以太网与系统计算机相连,由激光跟 踪定位系统测量装夹后的装配部件的 一些基准点,获得的测量数据经过处 理单元处理后,直接反馈到系统计算机,计算机再对实际装配位置与精确 数学模型的位置进行比较,获得部件 装配位置的修正值。这样就可以将部 件数学模型与其实际装配位置统一起 来,确定装配参考坐标系。
4計算機數字控制技術
        计算机数字控制技术是飞机实现 数字化柔性装配的基础,它将完成飞机装配过程中所需各种运动部件 的精确定位和制孔、铆接,实现工装 系统对飞机装配部件的可靠固定,保证飞机装配外形与数字化样机的一致 性。柔性装配系统包括面向装配的设 计系统、工艺数据准备系统、人机界 面、轴和逻辑控制、三维激光测量、 制孔铆接单元、移动定位平台、紧固件送料单元和柔性工装系统等。
       飞机柔性装配的电气控制是一种 典型的网络化数字控制系统,采用了 TCP/IP工业以太网和现场总线技 术。飞机柔性装配电气控制系统的上 层有面向装配的飞机设计系统和装配 工艺数据准备系统。下层有移动定位 平台、工装系统、制孔铆接单元等。移动定位平台本身是一个 五坐标伺服控制装置,而柔性 工装系统采用了更多的位置伺 服轴,少则几十根,多则上百 根。这种系统是信息技术.驱动 技术、自动化技术、逻辑控制. 过程控制的融合体。
5機器人全閉環定位技術
        在飞机装配中引人机器人 可以提高装配系统的灵活性和可达性,配合各种终端执行器 可以实现各种不同的装配作业, 如自动化钻孔和铆接。但由于 机器人的定位属于半闭环控制,定位精度不高,不适应飞机装配中高 精度制孔。近年来,由于采用了嵌人式控制 方法,三维激光跟踪仪可以通过计算机和机器人集成起来,实时快速监视机器人的空间位置方向,确定机器人 的三维绝对位置,达到机器人全闭环 控制的效果。这样就大幅度提高了机 器人的定位精度,其全工作空间精度 可达到0.05mm,完全能胜任飞机的.
6移動定位平台技術
     移动定位平台用于安放制孔铆接 单元,实现制孔铆接单元的位置和沿蒙皮法线方向的定位,解决大尺寸空 间的精确定位,应具有良好的刚度。在满足系统功能的前提下,尽可能考 虑装配部件的尺寸对系统结构性能的 影响。定位平台一般需要5个自由度以上。
7裝配仿真控制技術
      飞机柔性装配的过程复杂,有工 装、制孔、铆接、送料等装置的参与, 大部分的装配路径复杂,装配面不开 敞,所以在飞机部件正式装配之前, 必须对飞机装配的全过程进行必要的仿真和校验,以检查自动化装配过程的准确度和可靠性,保证装配的万无 一失。装配仿真系统应具有如下功能:
      (1)       设备对象特征建模;
      (2)       运动轨迹建模;
      (3)       数控程序后置处理;
      (4)       动态三维仿真;
      (5)       碰撞干涉检查。
      一般,仿真系统输入的数据包括飞机构件三维 数学模型、柔性 工装模型、装配 工艺参数、装配 特征树等数据。
       经过该仿真系统处理,将产生装配全过程的三维动态仿真,柔性工装支撑 夹持单元的种 类、布局及它们 的调节位置高 度数据,生成装配过程控制程序,显示装配工装系统 的生成时间\飞机部件的装配时间以 及装配操作性、安全性的检查评估报告。装配仿真控制技术是飞 机柔性装配系统的数字化支 撑平台技术,可保证装配系统的高柔性、高可靠性、高 效率等性能的最大限度的发挥。
展望
        数字化柔性装配是飞机 数字化制造的一个重要环 节,它保证了飞机装配过程中飞机三 维数字化样机的几何外形数学模型的 唯一性和一致性,对提高装配效率和装配质量,降低出错率,降低飞机的 制造和装配成本,缩短研制周期有着 十分重要的意义。在飞机目标成本控 制下,数字化柔性装K技术可以满足 用户所要求的全部性能指标,实现飞机性能成本比的飞跃。随着计算机信息技术、数控技术和智能机器人技术 在飞机装配中的全面应用,面向数字 化装配的装配工艺技术日益完善和成熟,已经涌现出各种高效先进的自动 化装配设备。数字化柔性装配工装的 出现,使飞机装配占用场地、装配过 程的人工干预大量减少,从而降低了 装配成本,提高了装配质量,缩短了装配周期。数字化柔性装配技术的应 用将推动全球飞机制造业向模块化、 集成化、智能化、经济化、绿色化的 方向发展。
        我国的数字化柔性装配技术刚刚 起步,有些方面还处于空白,数字化 柔性装配技术将极大地促进我国飞机 制造业的发展。具体表现在:
(1)      模拟量协调将被数字量协调 所取代;
(2)      装配场地面积和装配工装的 数量将大大减少;
(3)      飞机装配的数字化和自动化 得以实现。
 
 
 
 
 
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