论文部分内容阅读
摘 要：在现代飞机研制过程中，已越来越重视柔性装配技术的应用。而柔性装配工装是现代飞机柔性装配技术的重要组成，对飞机柔性装配的生产效率和产品质量具有最直接的影响。由于柔性装配工装无论在整体结构形式或是元件定位方式等方面都较传统专用装配工装更具灵活性和复杂性。本文以飞机机身部件为研究对象，对机身部件柔性装配技术进行了研究。
关键词：柔性装配工装;机身装配工艺
1 引言
飞机装配是飞机制造过程的主要环节，它是将大量飞机零件按图纸和技术要求等进行组合、连接的过程。另外，飞机的结构件主要是钣金件或复合材料壁板件组成的薄壳结构，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[2]。飞机的装配工作量约占整个飞机制造勞动量的 40%～50%（一般的机械制造中装配和安装工作量只占产品总劳动量的 20%左右）。因此，飞机装配技术在飞机制造过程中占有非常重要的地位，其技术水平直接体现了飞机制造的先进性。
传统飞机装配方法在早期飞机制造中发挥了重要作用，但是，也存在着如下弊端。随着对飞机性能要求的提高，特别是现代飞机长寿命、高可靠性（新一代军机 6000小时以上，大型客机 60000～70000 小时）以及新一代军机提出了隐身等战术性能指标，同时，基于数字化设计方法的飞机快速研制技术的应用，对飞机装配精度、质量和效率提出了更高要求。显然，传统飞机装配方法所存在的不足更加突出，已不能适应现代飞机制造要求，也不能适应先进生产管理模式和精益生产的要求。
2飞机柔性装配工装技术
2.1 柔性工装定义
柔性装配工装是指其主要构成元件可进行调节或局部重组，以适应一组结构相似和尺寸相近的装配件在其装配过程中的定位、保形、支撑和夹紧等工艺需求，进而达到减少工装品种和数量、缩短工装准备周期和降低工装研制成本等目的。这组装配件或同属于一个机型，或属于不同的机型。
2.2 柔性工装特点
与传统专用装配型架相比较，柔性装配工装具有如下特点[1]：
（1）结构离散化 在柔性装配工装结构中，通常不采用整体骨架结构，这是实现定位柔性化、通用化的有利条件之一。即使在某些采用整体骨架结构的柔性装配工装中，其定位元件也是采用离散化布局形式。
（2）元件模块化 在同一模块中，集成了支撑、定位和夹紧等主要结构，并为这些结构配备了相应的自动控制装置。此外，不同模块可通过自动控制来调整相互间的位置关系，以适应不同装配件的定位要求。这是实现工装柔性化、通用化的关键技术保证。
（3）元件控制自动化 柔性装配工装的主要模块和元件，均采用自动化控制方式来调节这些模块和元件间的相互位置关系，以快速形成工装定位构型，并确保此构型的准确性。
（4）自适应调节与定位精度补偿 通过在线测量系统，包括激光跟踪仪等，实时采集和反馈工件的空间位置，通过与理论位置的对比，确定定位调整量，利用这些调整量自动调整相关定位元件的方位，以达到工件准确定位的要求。
（5）支持自动化装配方式 柔性装配工装可以实现快速定位和夹紧，以适应于自动钻孔和铆接等自动化装配方式。
3 机身柔性装配技术研究
3.1 国外的研究现状
国外学者在飞机柔性装配发展历程、柔性装配系统及其单元设计等方面开展研究。Butterfield，J.等提出了应用数字化制造与协同产品和生命周期以用于航空装配工装和工作单元设计的集成化敏捷方法以满足可持续发展;Heilala，J.等介绍了用于飞机总装配的模块化可重构柔性总装系统;Yeung，B.H.B.等介绍了用于柔性装配的 6 自由度可重构夹持器，该夹持器可以具有六个自由度，灵活性高。Lehmker[等提出了基于柔性化的大尺寸机身装配方法。
以美国为首的西方发达国家首先开始研究和采用数字化技术，并将其应用到了航空航天制造业中。
波音公司精确机身装配 AFA 和机身装配改进团队 FAIT 首次采用“Snap- together”装配技术于 1999 年 11 月首架交付的 747 客机。通过机身的所谓“超壁板”上的精密孔，借助激光安装与定位调整使得超壁板与其它零件实现自定位，从而简化了装配夹具。洛克希德？马丁公司牵头研制的 JSF 战机原型机 X-35 目标缩短飞机装配制造周期三分之本降低一半。其核心技术之一就是充分体现柔性装配特点的龙门钻削系统技术，采用激光定位、电磁驱动实现精密钻孔，不仅降低了钻孔出错率，而且大大减少了工具和工装。在此基础上，波音公司在研制 JSF 的 X-32 样机和无人机 X-45 样机时，同样实现了柔性装配技术和系统创新，提出了包括根据零件关键特征以较少的安装工作快速定位不同零件的无专用型架制造技术，取消了巨大的型架，而是采用一种通用支架支承样机的主要部件，利用 4 台 Zeiss 激光跟踪仪对部件进行空间定位和其它装配工作。
德国 BRoTJE 公司开发一种“集成化机身壁板装配系统”，该系统采用了基于模块化的 POGO 柱单元的柔性工装系统、自动钻铆和环铆技术，并在波音 B737、C-17 和空客 A380 的机身壁板装配中得到了应用。
杜尔公司开发的 EcoPositioner 是一种模块化和可重置定位系统，它提出了一种新的定位技术概念，可整体解决飞机大部件对接时的定位方案，不仅考虑了定位任务以及使用条件，还考虑了环境影响。它是由多种机械手或多种定位器组成的机械系统，可在确定的附着点拾取飞机部件，并能以 6 自由度运动（3 个平移，3 个旋转）。EcoPositioner 系统包括一个测量模块（大型度量系统和测量软件，可提供飞机部件目前和理想的位置和方向信息）。当前和理想姿态是根据相关零件 CAD 模型和飞机结构的坐标参考系确定的。其中可靠的机器人控制平台保证每个控制装置多达 48 个感应轴的同步。安装在每个定位器末端的力传感器，能够监控作用于运动中的飞机零件上的力，这保证了零件操作中无应变，防止不可控的变形。
3.2国内的研究现状
国内学者对飞机机身柔性装配技术及其系统进行了研究[2]，典型的柔性装配工装有飞机壁板柔性装配工装、机身部件柔性装配工装和总装用的柔性对接工装系统等。
陈昌伟等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。王亮系统研究了飞机数字化装配柔性工装技术及系统研究，并开发了相应的软件和硬件系统，进行了飞机壁板类组件、部件类数字化柔性工装技术研究与开发。
在组件装配方面，秦政琪等研究了飞机薄壁组件数字化柔性装配相关技术。肖庆东开展了飞机数字化装配定位技术研究，设计开发了“十字架支臂式”机械随动定位装置，并基于该定位装置进行了数字化装配定位系统平台的组建;肖庆东等将飞机壁板类零件柔性工装的功能模块分为静态框架与动态模块;建立了数字化柔性装配工装的控制测量图，组建了飞机壁板类数字化装配平台，并且分析了该平台在飞机零部件装配应用中的特点。
在飞机部件装配方面，朱明华等提出以具有三坐标自由度的柔性支撑装置为基本单元组成柔性多点支撑系统的飞机部件支撑方法。高红研究了飞机部件柔性装配技术应用及工艺设计。蒋君侠、黄小东等提出了一种大飞机中机身数字化装配方案;张开富等提出了机身壁板对合柔性定位方法及其装置。
参考文献：
[1] 邱益， 郑国磊， 饶有福等. 飞机柔性装配工装智能化设计（FFixCAD）系统 [J]. 航空制造技术，2010，24： 90-94
[2] 邹方，薛汉杰，周万勇等. 飞机数字化柔性装配关键技术及其发展 [J]. 航空制造技术， 2006， 9（2）：30-35
作者简介：
焦彦超（19870814），男，籍贯：吉林白山，职称：工程师，研究方向：检验检测.
关键词：柔性装配工装;机身装配工艺
1 引言
飞机装配是飞机制造过程的主要环节，它是将大量飞机零件按图纸和技术要求等进行组合、连接的过程。另外，飞机的结构件主要是钣金件或复合材料壁板件组成的薄壳结构，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[2]。飞机的装配工作量约占整个飞机制造勞动量的 40%～50%（一般的机械制造中装配和安装工作量只占产品总劳动量的 20%左右）。因此，飞机装配技术在飞机制造过程中占有非常重要的地位，其技术水平直接体现了飞机制造的先进性。
传统飞机装配方法在早期飞机制造中发挥了重要作用，但是，也存在着如下弊端。随着对飞机性能要求的提高，特别是现代飞机长寿命、高可靠性（新一代军机 6000小时以上，大型客机 60000～70000 小时）以及新一代军机提出了隐身等战术性能指标，同时，基于数字化设计方法的飞机快速研制技术的应用，对飞机装配精度、质量和效率提出了更高要求。显然，传统飞机装配方法所存在的不足更加突出，已不能适应现代飞机制造要求，也不能适应先进生产管理模式和精益生产的要求。
2飞机柔性装配工装技术
2.1 柔性工装定义
柔性装配工装是指其主要构成元件可进行调节或局部重组，以适应一组结构相似和尺寸相近的装配件在其装配过程中的定位、保形、支撑和夹紧等工艺需求，进而达到减少工装品种和数量、缩短工装准备周期和降低工装研制成本等目的。这组装配件或同属于一个机型，或属于不同的机型。
2.2 柔性工装特点
与传统专用装配型架相比较，柔性装配工装具有如下特点[1]：
（1）结构离散化 在柔性装配工装结构中，通常不采用整体骨架结构，这是实现定位柔性化、通用化的有利条件之一。即使在某些采用整体骨架结构的柔性装配工装中，其定位元件也是采用离散化布局形式。
（2）元件模块化 在同一模块中，集成了支撑、定位和夹紧等主要结构，并为这些结构配备了相应的自动控制装置。此外，不同模块可通过自动控制来调整相互间的位置关系，以适应不同装配件的定位要求。这是实现工装柔性化、通用化的关键技术保证。
（3）元件控制自动化 柔性装配工装的主要模块和元件，均采用自动化控制方式来调节这些模块和元件间的相互位置关系，以快速形成工装定位构型，并确保此构型的准确性。
（4）自适应调节与定位精度补偿 通过在线测量系统，包括激光跟踪仪等，实时采集和反馈工件的空间位置，通过与理论位置的对比，确定定位调整量，利用这些调整量自动调整相关定位元件的方位，以达到工件准确定位的要求。
（5）支持自动化装配方式 柔性装配工装可以实现快速定位和夹紧，以适应于自动钻孔和铆接等自动化装配方式。
3 机身柔性装配技术研究
3.1 国外的研究现状
国外学者在飞机柔性装配发展历程、柔性装配系统及其单元设计等方面开展研究。Butterfield，J.等提出了应用数字化制造与协同产品和生命周期以用于航空装配工装和工作单元设计的集成化敏捷方法以满足可持续发展;Heilala，J.等介绍了用于飞机总装配的模块化可重构柔性总装系统;Yeung，B.H.B.等介绍了用于柔性装配的 6 自由度可重构夹持器，该夹持器可以具有六个自由度，灵活性高。Lehmker[等提出了基于柔性化的大尺寸机身装配方法。
以美国为首的西方发达国家首先开始研究和采用数字化技术，并将其应用到了航空航天制造业中。
波音公司精确机身装配 AFA 和机身装配改进团队 FAIT 首次采用“Snap- together”装配技术于 1999 年 11 月首架交付的 747 客机。通过机身的所谓“超壁板”上的精密孔，借助激光安装与定位调整使得超壁板与其它零件实现自定位，从而简化了装配夹具。洛克希德？马丁公司牵头研制的 JSF 战机原型机 X-35 目标缩短飞机装配制造周期三分之本降低一半。其核心技术之一就是充分体现柔性装配特点的龙门钻削系统技术，采用激光定位、电磁驱动实现精密钻孔，不仅降低了钻孔出错率，而且大大减少了工具和工装。在此基础上，波音公司在研制 JSF 的 X-32 样机和无人机 X-45 样机时，同样实现了柔性装配技术和系统创新，提出了包括根据零件关键特征以较少的安装工作快速定位不同零件的无专用型架制造技术，取消了巨大的型架，而是采用一种通用支架支承样机的主要部件，利用 4 台 Zeiss 激光跟踪仪对部件进行空间定位和其它装配工作。
德国 BRoTJE 公司开发一种“集成化机身壁板装配系统”，该系统采用了基于模块化的 POGO 柱单元的柔性工装系统、自动钻铆和环铆技术，并在波音 B737、C-17 和空客 A380 的机身壁板装配中得到了应用。
杜尔公司开发的 EcoPositioner 是一种模块化和可重置定位系统，它提出了一种新的定位技术概念，可整体解决飞机大部件对接时的定位方案，不仅考虑了定位任务以及使用条件，还考虑了环境影响。它是由多种机械手或多种定位器组成的机械系统，可在确定的附着点拾取飞机部件，并能以 6 自由度运动（3 个平移，3 个旋转）。EcoPositioner 系统包括一个测量模块（大型度量系统和测量软件，可提供飞机部件目前和理想的位置和方向信息）。当前和理想姿态是根据相关零件 CAD 模型和飞机结构的坐标参考系确定的。其中可靠的机器人控制平台保证每个控制装置多达 48 个感应轴的同步。安装在每个定位器末端的力传感器，能够监控作用于运动中的飞机零件上的力，这保证了零件操作中无应变，防止不可控的变形。
3.2国内的研究现状
国内学者对飞机机身柔性装配技术及其系统进行了研究[2]，典型的柔性装配工装有飞机壁板柔性装配工装、机身部件柔性装配工装和总装用的柔性对接工装系统等。
陈昌伟等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。王亮系统研究了飞机数字化装配柔性工装技术及系统研究，并开发了相应的软件和硬件系统，进行了飞机壁板类组件、部件类数字化柔性工装技术研究与开发。
在组件装配方面，秦政琪等研究了飞机薄壁组件数字化柔性装配相关技术。肖庆东开展了飞机数字化装配定位技术研究，设计开发了“十字架支臂式”机械随动定位装置，并基于该定位装置进行了数字化装配定位系统平台的组建;肖庆东等将飞机壁板类零件柔性工装的功能模块分为静态框架与动态模块;建立了数字化柔性装配工装的控制测量图，组建了飞机壁板类数字化装配平台，并且分析了该平台在飞机零部件装配应用中的特点。
在飞机部件装配方面，朱明华等提出以具有三坐标自由度的柔性支撑装置为基本单元组成柔性多点支撑系统的飞机部件支撑方法。高红研究了飞机部件柔性装配技术应用及工艺设计。蒋君侠、黄小东等提出了一种大飞机中机身数字化装配方案;张开富等提出了机身壁板对合柔性定位方法及其装置。
参考文献：
[1] 邱益， 郑国磊， 饶有福等. 飞机柔性装配工装智能化设计（FFixCAD）系统 [J]. 航空制造技术，2010，24： 90-94
[2] 邹方，薛汉杰，周万勇等. 飞机数字化柔性装配关键技术及其发展 [J]. 航空制造技术， 2006， 9（2）：30-35
作者简介：
焦彦超（19870814），男，籍贯：吉林白山，职称：工程师，研究方向：检验检测.