飞机数字化柔性工装技术研究陈昌伟,胡国清,张冬至(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州　510640)摘要:中国工装设计制造水平低,已成为飞机快速研制及批量生产的瓶颈。

分析了目前中国飞机装配中存在的问题,总结了国外飞机先进数字化柔性工装的研究及应用现状,综述了虚拟装配、柔性工装、数控钻铆、激光跟踪等数字化装配关键技术,指出了实现中国飞机数字化装配跨越发展的技术途径。

关键词:飞机;虚拟装配;柔性工装;数字化钻铆;激光跟踪中图分类号:V262.4 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2009)09-0021-04 航空工业是国家经济和国防建设的战略性产业,它的持续发展推动了诸如新材料、通信及先进制造等技术的发展。

飞机制造具有结构尺寸大、零件形状复杂且种类繁多、气动外形严格及加工精度高等特点,必须使用大量的装配型架来保证装配质量。

用于设计制造装配型架(简称工装)的生产周期和成本在整机研制中占很大的比例,装配工作量占整个飞机制造总劳动量的40%～50%,且最终产品品质在很大程度上取决于装配的质量[1,2]。

成套工装的设计制造需要大量人力、物力和财力的投入。

目前,国内航空公司面临着多种型号飞机的同时研制及批量生产,工装难以满足装配需求,已成为飞机生产的瓶颈。

1　我国飞机工装设计制造研究现状我国航空工业主要沿袭前苏联的组织生产模式,飞机工装也不例外。

目前,我国工装整体设计制造水平落后,主要表现在:工装设计虽采用了计算机辅助设计(CA TIA),但未充分利用优化分析(CAE)及虚拟预装配技术,致使型架需反复修改;制造能力差,采用外协加工存在资质认证困难、保密性差、交货周期长等问题;整机装配仍采用手工作业或人工控制,精度和效率较低。

与西方先进航空企业相比,我国的工装型架数目多、占地面积大、制造周期长、成本高、安装在型架上的定位件及测量仪器缺乏标准化和模块化,同时以模拟量传输协调各工艺环节的“串行工程”模式,严重阻碍了装配质量的提高及研制周期的缩短。

低效的传统飞机装配技术已成为制约我国飞机快速研制的巨大障碍。

近年来,我国航空企业及科研院校在引进国外先进装配技术的同时,在工装设计方面的研究较多,主要集中在采用CAD技术进行飞机型架及相关性设计,包括型架标准件库的建立和型架优化及参数设计等[3～5]。

在测量技术方面,计算机辅助电子经纬仪(CA T)及激光跟踪仪(L T)等先进设备已逐步用于飞机装配并实现国产化。

在虚拟预装配方面,开展了飞机装配工序可视化仿真、装配路径优化及装配容差分析等研究。

总之,我国飞机工装整体研究格局相对较为零散,工程缺乏系统化。

2　国外飞机数字化柔性工装研究及应用飞机数字化装配技术兴起于20世纪80年代后期,迅速发展于西方航空发达国家。

1994年欧盟提出“基于协作型多功能操作机器人的航空产品柔性装配系统”研究项目[6],其最终目标是实现数字化无型架装配(JAM)。

美国Boeing777研制周期缩短了50%,出错返工率减少了75%,成本降低了25%,成为数字化设计制造与并行工程技术成功应用的典范。

2001年～2004年欧洲的ADFAST项目把研究目标定位于经济实用的重构工装系统(AR T)和集成测量系统上,获得重大突破。

空客公司2005年机翼盒自动装配的AWBA2研究项目应用了多种数字化柔性装配技术,降低了成本,缩短了周期,收稿日期:2008-12-22作者简介:陈昌伟(1985-),男,湖南衡阳人,华南理工大学硕士研究生,主要研究方向为飞机柔性工装。

12・现代设计与先进制造技术・ 陈昌伟　胡国清　张冬至　飞机数字化柔性工装技术研究实现了月产38套机翼。

波音公司在研制737时构建的基于构型控制的数字化制造信息管理系统(DCAC/MRM )[7],及近年来研制787所采用的全球协同管理技术(G lobal C o 2laboration Environment ,G CE ),使得数字化技术平台在同行业航空企业竞争中取得优势,象征性事件是2007年7月8日波音787Dreamliner 的如期下线,同时波音公司宣布已取得1100多亿美元的707架波音787飞机的订单。

洛克希德・马丁公司牵头研制的J SF 战机原型机X -35,采用具有激光定位、电磁精密制孔等数字化柔性装配特点的龙门钻削系统,使装配周期减少了2/3,工装数量由350件减少到19件,成本降低1/2。

Leica L TD500激光定位配合液压校平系统及移动装配生产线,大大减少了对接时间,实现了大部件的对接装配数字化。

先进的装配理念和方法,如决定性装配[8](Determinant Assembly ,DA )、以骨架为基准的自动装配技术等也广泛应用于大型飞机自动化装配。

图1为Boeing787总装及移动概念图。

图1　波音787总装及移动Boeing787机身第43段的复合材料整体筒体与钛合金框件实现了自动化装配。

采用内外两套独立的装置,在装配时实现自动定位、夹紧、制孔、安装环槽钉并完成环圈自动镦铆,由电磁提供铆接动力,目前该技术已在日本三菱重工投入使用。

为实现飞机复合材料平尾升降舵装配,空客公司研制的复合材料升降舵柔性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、铆钉选择及供给、注胶、铆接及壁板表面波纹度测量等[9,10]。

3　数字化柔性工装关键技术数字化柔性装配是建立在计算机数字信息处理平台上,一个融合飞机特征的全数字量协调体系。

通过自动夹持、制孔、铆接及无缝校准对接,完成组装、部装及总装。

它能适应飞机的尺寸规格、批量、装配工艺、场地及时间变化,在有限的场地内完成快速装配,达到优质、高效、低成本。

数字化装配关键技术包括虚拟装配技术、柔性(无型架)装配技术、自动钻铆技术及激光跟踪测量/检测技术等。

图2所示为数字化装配技术框架。

图2　数字化装配技术框架3.1　虚拟装配技术虚拟装配是基于并行设计与分析环境的数字化预装配(Digital Preassembly ,DPA ),装配过程仿真综合考虑了零件的几何信息、工装信息、BOM 定义、作业路线、工作指令等,在预装配仿真中发现问题,优化工艺,提高效率及降低成本。

图3所示为国外某航空公司先进虚拟装配环境界面。

图3先进虚拟装配用户界面3.2　柔性(无型架)装配技术柔性装配技术是一种能适应快速研制、低成本制造及工装可重组模块化的先进装配技术。

发展目标是无型架数字化装配平台,涵盖了柔性工装、精确定位与测量、数据采集/处理系统。

无型架数字化装配技术将彻底减少飞机装配对型架的依赖性。

目前国外柔性化装配技术主要表现在以下几个方面[11～14]:a.行列式高速柱柔性工装。

行列式高速柱工222009年5月　中国制造业信息化　第38卷　第9期装适用于壁板及翼梁装配,如波音飞机727、737、777、C -17等飞机翼梁的装配和空客A330系列机翼壁板的装配。

最新的A380壁板及翼梁装配也采用了此类工装。

图4所示为波音727机翼柔性装配现场。

图4　波音727机翼柔性装配b.多点阵成形真空吸盘柔性工装。

多点阵成形真空吸盘工装由一组立柱吸盘组成,吸盘在程序控制下移动定位,生成与装配件曲面完全符合并均匀分布的吸附点阵,能精确、可靠地定位和夹持壁板。

当飞机型面发生变化时,吸附点阵在伺服控制下相应改变。

该工装广泛应用于戴姆勒-奔驰宇航、波音、MD 及EADS 等公司的军、民用飞机生产。

c.移动装配生产线技术。

波音公司将飞机放在由传送链移动的轮车生产线上,使飞机沿生产线移动装配。

通过射频信号实时传送来实现对飞机移动装配生产线的远程控制,并监控飞机移动的情况。

飞机在2个装配台的移动只需1h ,可同时移动7架飞机,并能保证飞机之间的等距及等高。

同时因传送链在地板上,地下总线能够保证恒电流供应及防火等监控管理。

目前,波音公司已经在移动装配生产线上连续建造了波音717、737、757等单通道飞机。

该技术大大缩短了民用飞机交付时间。

3.3　数字化钻铆技术自动钻铆装配生产线,包括部件装配钻铆、对接钻铆及机器人钻铆,综合了数字化整体结构精确制造技术、激光跟踪测量定位、伺服控制等先进技术,实现了对大段壁板的钻铆装配工作,提高了飞机的装配质量及效率。

近年来兴起的电磁铆接在干涉配合铆接、复合材料结构铆接、难成形材料铆钉铆接、干涉配合紧固件安装及改善劳动条件方面有无法比拟的优势[15],将在大飞机制造中发挥重要作用,具有广泛的应用前景。

目前国内有关航空企业及科研院校已着手该项研究。

图5所示为空客A340机翼数控钻加工。

图5　空客A340机翼数控钻加工3.4　以激光跟踪仪为核心的数字化测量技术飞机制造使用的测量设备有:三坐标测量机、电子经纬仪、光学准直仪、激光自动跟踪仪、激光雷达扫描仪、CCD 照相测量系统及室内GPS 系统等[16]。

它们在装配线中用来测量和定位工装或直接定位装配构件,是飞机装配质量的保证。

图6所示为某航空公司实时激光准直仪测量概念图。

图6　激光准直仪测量概念图集激光干涉测距、光电检测、精密仪器、现代数值计算理论于一体的激光跟踪仪是数字化测量/检测的核心,与传统的三坐标测量机相比,具有无接触、便携、高速、高精度、高效及通用等优点,几十米内的测量精度可达±5μm ,完全满足大尺寸部件对接装配的要求。

4　我国飞机数字化柔性工装的技术途径4.1　建立工艺规范化仿真装配体系全数字化工艺规范体系是虚拟预装配技术的32・现代设计与先进制造技术・ 陈昌伟　胡国清　张冬至　飞机数字化柔性工装技术研究基础,创建基于知识工程、实例推理技术及人机交互式装配的工艺规范体系成为必然。

结合目前我国航空制造企业的需求和实际情况,亟待开发一套飞机可视化仿真装配系统。

其一,利用机构仿真、干涉检查及强度分析等虚拟装配技术验证飞机结构、功能及性能的合理性;其二,利用多媒体可视化处理仿真结果,在车间客户端输出,对装配工人具有很好的“示教”效果,避免出错及返工,其流程如图7所示。

图7　规范化工艺虚拟装配流程4.2　引进和开发柔性工装及自动钻铆等关键设备国外先进航空企业的实践证明,采用数字化柔性工装是缩短生产准备周期、降低成本及提高装配质量的有效途径。

国内航空企业可结合自身的需要,先引进部分柔性工装及自动钻铆等关键设备组建局部组件柔性装配中心,然后攻克其关键技术,开发具有自主知识产权的壁板、翼梁、水平安定面升降舵、机身及对接柔性工装系统,逐步实现装配自动化。

诸如泄漏检测、复合材料自动无损探伤、装配在线检测等先进检测技术的研究也要同时进行。

当然,这个过程需要航空企业与国内科研院校开展广泛密切的合作。

4.3　面向装配的数字化标准规范体系及数据管理目前我国航空企业所沿用的苏联生产与管理体系已严重阻碍了数字化技术的发展。