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