飞机数字化装配

基于飞机数字化装配技术的研究

飞机数字化装配技术的发展现状

随着我国飞机重大型号工程实施，在融入国际航空产业链、数字化技术广泛深入应用等方面不断推进，我国的飞机设计与制造技术得到了飞速发展。

在装配技术方面，飞机装配是将零件、组件或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。我国的飞机装配技术和组织管理方式，虽然在局部上采用了较先进的技术，如利用激光跟踪仪或计算机辅助经纬仪技术安装型架，少数采用了自动钻铆技术，简化了装配型架结构。但与发达国家相比还存在较大差距因此飞机装配技术已成为制约我国飞机制造技术能力的瓶颈，发展飞机数字化装配技术迫在眉睫。飞机数字化装配技术

飞机数字化装配技术体系涉及飞机设计、零部件制造、数字化自动钻铆系统、数字化互换协调、数字化先进测量与检测和计算机软件等众多先进技术和装备，是机械、电子、控制、计算机等多学科交叉融合的高新技术。其体系结构，主要包括飞机数字化装配关键技术和数字化装配工艺装备两大部分。飞机数字化装配关键技术主要包括：飞机数字化装配基础技术、应用技术和标准规范；飞机数字化装配工艺装备主要包括：组件数字化装配系统、部件数字化装配系统和飞机总装数字化装配生产线。

飞机设计对装配技术的影响

在飞机的设计阶段，对飞机空间结构、机构运动和装配工艺以及人机工程进行分析，确保产品的无干涉和可装配等特性；对局部样机进行系统优化，实现对产品的空间结构优化、机构运动优化、装配模拟优化以及数字样机的整体优化。

飞机数字化装配实施成功的关键在于将数字化装配的具体需求融入到飞机结构设计中，即面向数字化装配的飞机结构设计。在结构设计过程中，需要融入与装配相关的关键点：

1·遵循面向数字化装配的飞机设计原则；

2·考虑数字化装配的定位、检测、支撑要求；

3·定义在数字化装配过程中需要的关键特性（如定位点、参考点、测量点等）；

4·在主要结构件上建立装配自定位特征、安放光学测量设备的工艺接头；

5·实现面向装配误差的结构设计补偿；

6·实现面向数字化装配过程的飞机数字样机仿真。

自定位与无型架定位的数字化装配技术

飞机结构和装配型架的并行设计

民用飞机的结构尺寸愈来愈大，如目前最大的超大型客机A380，双层客舱，高24m，长73m，翼展宽80m，标准机型载客550～650人。飞机结构的大型化对设计人员提出了新的挑战。由于结构尺寸的增大，设计人员需要解决承载和空气动力外形方面所遇到的许多问题，从而导致设计周期更长，设计更改更多，这必然影响工装的设计，制造周期，延长了产品的上市周期。

要缩短产品上市周期，在飞机结构设计的同时就应开始工装设计，即飞机产品和飞机工装的并行设计。由于工装的设计依据来源于飞机产品数据，要在最终产品数据还未确定的情况下进行工装设计，工装的部分结构必须独立于产品数据。工装和产品并行设计的一个基本思路是改变传统的工装结构，将其划分为独立于产品数据或只需要基本数据的标准结构和依赖于最终产品数据的专用结构件两部分。装配型架的标准结构部分主要有立柱、底座、辅助支撑等，专用部分主要有用于定位桁条的刻度板、接头定位件等。专用件一般尺寸较小，设计、加工制造周期很短，并且不需专门的大型加工设备。标准结构尺寸大，结构复杂，往往需要专用大型加工设备，其设计、制造周期长。标准结构的设计不需要最终产品数据或只需一些基本数据，因此在飞机产品设计的初期就可进行设计制造，

当产品最终版本发放后只需较短的时间就可完成专用结构的设计制造。标准件和专用件采用确定装配设计方法，装配非常方便，并且不需专用安装工具，装配周期短。这样，在产品设计完成后很短时间内型架就可投入产品装配。

确定装配和并行设计方法在A380壁板装配型架的设计制造中取得了巨大的成功。空中客车英国公司以三维零件实体定义和开发的智能设计系统为工具，制造工程师可以将零件几何特征很快转换为桁条定位指针(Stringer index)，用于定位每一个桁条。

装配型架的柔性设计

大型飞机的装配型架更加庞大，制造周期长，占地面积大。传统的装配型架采用刚性结构，一套型架只能装配一个组合件或部件。柔性装配型架可以装配不同产品，能够减少型架数量，从而减少工装制造周期和费用，减少生产用地。

柔性设计的基本思想是在型架中采用可以快速调整的机构，以满足不同装配对象的装配要求。一般型架有数个立柱，每个立柱上有多个定位件。分析A340—600的柔性型架的桁条定位部分可以发现。柔性型架的立柱、定位件，甚至底座都是可以移动或调整的。采用确定装配设计方法设计制造的A380壁板装配型架有数个桁条定位在型架上。型架的立柱上有带多个坐标孔的“销钉板”，定位桁条的刻度板通过定位销固定在“销钉板”上。立柱上的

定位指针在z向可以通过螺纹调整，通过丝杠可以在y向移动。立柱通过底座上的导轨可作X向移动。为了保证装配对象在y向的定位，在底座上往往有多个辅助支撑。辅助支撑通过导轨可作X向移动，y向定位点可以通过调整伸缩顶杆来调整。空客英国公司制造的柔性高速铆接系统中有两套柔性装配型架，可以铆接A330／340，A319／320／321；A300系列飞机机翼上下共有12种壁板，型架经过一定的调整，还可用于8种壁板的装配。每套型架有l0个可移动的立柱，2个围框式接头定位板，5个辅助支撑及底座。每个立棒上有一套定位系统以满足不同壁板结构的定位要求。定位系统包括4个可调节指针定位机构，其中上下2个指针从蒙皮外表面定位，中间2个指针从蒙皮内部对壁板定位。

数字化自动钻铆系统

自动钻铆系统的核心技术主要包括：变形分析与误差补偿技术、自动钻铆系统工艺模拟、大尺寸高精度控制与保证技术、柔性工装技术、自动钻铆工艺及装备等。

自动钻铆机运动仿真模拟系统在装配过程中自动完成大型壁板的定位、夹紧、钻孔／锪

窝、涂胶、送钉、铆接／安装等工作，并且保证所装壁板的定位精度。孔的定位精度是一个

极其复杂的过程。执行过程仿真在建立整个系统的运动仿真模型的基础上，依据铆接工艺方

案对系统所有运动执行机构进行模拟，检查铆接头和装夹设备在铆接过程中的干涉以及系统

中的碰撞；通过运动仿真的方法综合柔性托架和壁板的变形，分析铆接过程中的随机误差，

在此基础上进行铆接质量预测；首先通过仿真保证铆接方案的正确性和可行性然后输出自动

铆接控制指令。

主要工作包括：

（1）自动钻铆机系统的精确建模。包括钻铆机、基座、拖架、工装等在CATIA V5下的精

确数模的建立。

（2）自动钻铆机运动模型的建立。利用CATIA V5 DMU 中的运动模拟功能建立自动钻铆

机运动模型。

（3）自动钻铆机运动模拟控制软件的开发。利用CATIA V5二次开发技术开发自动钻铆机

运动模拟控制软件。自动钻铆机运动模拟控制软件可读取数控程序，自动完成自动钻铆机运

动仿真模拟、干涉检查、运动特性分析等功能。程编员可直观地看到程序运行后的效果。（4）根据仿真结果进行工艺过程与工艺路线优化。

数字量装配协调与容差分配技术

数字化装配协调方法也可称数字化标准工装协调方法，是一种先进的基于数字化标准工装定义的协调互换技术，将保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件与组件之间的尺寸和形状协调互换。数字量装配协调与容差分配技术是保证飞机装配准确度，提升飞机产品质量的关键。数字量装配协调与容差分配技术在工艺规划阶段以飞机数字化设计数据为基础，在数字化环境下

完成对飞机协调方案及容差方案的规划，保证装配可行性、装配精度与装配质量。其关键技术点在于：

数字化装配协调技术数字量传递协调路线：

(1)飞机大型结构件(与飞机外形及定位相关)如框、梁，桁、肋、接头等用NC 方式加工，

(2)在飞机坐标系下，工装设计人员以产品工程数模为原始依据，进行工装的数字化设计，并且在工装与产品定位相关的零件上用N C方式加工出所有的定位元素；

(3)工装在装配时利用数字标工(数据)协调，采用激光自动跟踪测量系统测量，通过坐标系拟合，定位出零件的安装位置，满足安装基准的空间坐标及精度要求；

(4)飞机钣金件模具数字化设计以及用NC方式加工，钣金零件数控加工。

数字化装配容差分配技术：

容差数值直接影响产品的质量与成本，因而根据产品技术要求，进行零、组件的容差分析和设置，可以经济合理地决定零部件的尺寸容差，保证加工精度，提高产品质量，在满足最终设计要求的同时使产品获得最佳的技术水平和经济效益。

在产品装配前仅凭以往的经验或某个方案分配给每个零件公差，装配成产品后公差能不能达到产品设计的要求，难以定论。现在可通过数理统计的方法来模拟装配过程和次数，可看到最终形成产品的公差与零件的公差、零件的装配顺序等因素有关。在零件数模的基础上，对于我们关注的关键的质量特征，设定公差和装配顺序，通过数理统计的方法仿真，分析各种因素对质量特性的影响程度，为查找质量问题的原因和改进容差分配提供了依据，不断仿真找出最优的公差分配方案。

装配过程的数字化仿真技术

数字化装配与仿真技术的应用主要从以下几个方面展开。

(1) 建立数字化预装配以及装配过程模拟规范体系。

根据国标、航标以及工厂标准化的要求，建立全数字环境下结构产品预装配的方法和使用管理的标准和技术规范，包括数字化预装配标准体系、三维建模存取、装配模型建立规范、数字化预装配空间干涉运动干涉分析规范、并行工作管理规范以及工作流程管理规范等。这些都是进行数字化预装配工作的基础。

(2) 数字化产品装配模型集成仿真技术。

利用数字化样机模型、工装模型、装配工艺过程模型，实现装配模型的集成分析技术，其内容包含产品与产品之间、产品与工装之间的干涉检查技术以及运动分析技术等内容。根据数字化预装配软件所提供的功能，设计人员能够以最小的代价解决产品零件与工装零件之间本身存在的问题。

(3) 数字化装配过程模型的建立。

数字化装配过程模型可以根据数字化装配生产线可视化装配过程的不同要求采取不同的方式。对于装配生产线以动画过程为指令核心的装配要求，可以利用数字化装配仿真软件建立动画模型；对于那些需要文字工作指令以及图解装配过程分解说明的装配模型，也可以由数字化装配过程仿真系统建立，并提交给产品数据管理系统管理。数字化装配过程模型的建立过程包括：早期计划、装配过程模拟、标准时间分析、装配工艺模型、产品资源、工作计划、目标成本分析等。(4) 数字化装配过程的优化技术与知识库的建立。

数字化装配优化与拆卸仿真技术主要是工艺人员将自身在长期装配飞机的实践

过程中积累的经验应用到装配仿真环境中，并建立相关的装配工艺过程知识库，从而实现工艺人员知识在数字化生产过程中的应用。

(5) 装配模型管理技术。

在现有的PDM系统基础上，根据实际需要进行二次开发工作，提供数字化预装配工作中的产品数据管理和过程管理，并通过PDM系统建立单一产品数据源，支持飞机产品多专业并行设计的信息共享问题。

数字化测量系统在装配中的应用

采用数字化设备进行全机水平测量。根据 AQS 中确定的方法和检测内容，将全机测量模型传递到装配生产的数字化设备上，按照数字化检验要求，进行全机水平测量。通过数字测量系统(如激光跟踪仪、IGPS)实时监控、测量工装或产品上相关控制点(关键特性)的位置，建立起产品零部件基准坐标系统，并在此坐标系统中将工装或产品上关键特征点的测量数据和3D模型定义数据直接进行比较，分析出空间测量数值与理论数据的偏差情况，作为检验产品是否合格及进一步调整的依据。

产品从零件的三维数模到零件的数控加工再到零件的数字化检测，其整个过程都实现了工程数据的数字化传递。

结束语

飞机数字化装配技术体系涉及多学科多领域的综合研究与应用，通过飞机数字化装配技术体系的研究，突破飞机数字化装配关键技术，构建飞机数字化装配装备，可彻底改变我国目前基于二维图纸的工艺规划方式，有效提高装配工艺准备效率；使我国航空产品的开发发生观念性的改变，飞机的装配周期预计可缩

短 50% ；研制成本预计比采用串行为主的装配方式节约 30 ％～ 40 ％；可提高企业在产品开发研制方面的快速应变能力，适应激烈的市场竞争和不同的用户需求；提高产品的技术创新能力，缩小我国飞机行业型号研制能力与国际先进水平的差距，提高国际竞争能力和在国际合作项目中的参与地位；为新型号的研制开发奠定坚实的技术基础。