飛機及機翼自動化裝配技術(shù)研究

石薇 劉鵬厚

摘 要：隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，飛機的裝配技術(shù)由人工裝配，逐漸發(fā)展成半自動化再到數(shù)字化裝配。飛機的裝配需要精準性和互換性，而數(shù)字自動化裝配技術(shù)要依據(jù)飛機的整體設計，零部件生產(chǎn)，數(shù)字化協(xié)調(diào)以及數(shù)字化測量和檢測。緣于飛機機翼裝配時的復雜和需要高精準度，須探究機翼的數(shù)字化調(diào)整及水平測量方式，避免出現(xiàn)誤差。數(shù)字自動化裝配技術(shù)代表著智能裝配成為我國新的研究方向。

關鍵詞：飛機;機翼;自動化裝配技術(shù);探究

引言：飛機裝配的過程涉及多個知識領域，需大量的工作人員來共同完成，裝配的質(zhì)量絕對著飛機整體的質(zhì)量。將零件依據(jù)技術(shù)指標實行銜接組合形成裝配件是飛機的裝配過程。其自身產(chǎn)品的零部件較多，結(jié)構(gòu)復雜，需投入大量的勞動力和物力，要保障飛機的平穩(wěn)性和安全性，采用數(shù)字自動化裝配，運用數(shù)字傳遞協(xié)調(diào)機翼裝配。

一、機翼自動化裝配技術(shù)

歷經(jīng)近二十年的研究和開發(fā)，歐美等發(fā)達國家在飛機自動裝配技術(shù)上逐漸成熟。飛機自動裝配技術(shù)包括數(shù)控柔性定位技術(shù)，數(shù)控孔技術(shù)，數(shù)字測量技術(shù)及計算機軟件等許多先進技術(shù)和設備，是機械，電子，控制和計算機的先進集成。飛機裝配與數(shù)字化和信息技術(shù)相結(jié)合，將傳統(tǒng)的模擬量傳輸方式轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸方式，實現(xiàn)了飛機裝配的數(shù)字化，靈活性，模塊化，自動化和信息化，成為飛機數(shù)字裝配技術(shù)領域的中堅力量。飛機組件的主要工作范圍包括對接機身部分，對接機翼和機身，對接水平和垂直尾翼和機身，安裝起落架，安裝發(fā)動機和系統(tǒng)。飛機組裝過程中使用的主要技術(shù)設備包括柔性定位器，激光跟蹤儀，自動鉆機，車間地面運輸車輛，空中吊裝和運輸系統(tǒng)以及集成控制系統(tǒng)。

國外應用數(shù)字自動化技術(shù)相對于國內(nèi)較早，在國外裝配飛機機翼的測量，生產(chǎn)，定位等已經(jīng)完全實現(xiàn)數(shù)字化，受他們的影響，我國也積極研究發(fā)展自動化技術(shù)，數(shù)字化鉚接等。

（1）互換協(xié)調(diào)。

保障生產(chǎn)，工裝和產(chǎn)品之間的協(xié)調(diào)互換尤為重要，協(xié)調(diào)互換的方式是運用數(shù)控加工生產(chǎn)出達標的部件外形和定位元素。在整個機翼的裝配過程中，測量最為主要，最后檢驗是否合格就是根據(jù)測量數(shù)據(jù)判別，而數(shù)字化測量可以提高測量結(jié)果的精確度，裝配過程中，全方位的實時監(jiān)測，例如GPS，激光雷達等都為常用的測量技術(shù)。而且，還會減少人為接觸，降抵了人員工作量，大大提高了效率。雖然現(xiàn)在實現(xiàn)了數(shù)字自動化技術(shù)，但還是存有很多技術(shù)方面問題和一些部件的質(zhì)量問題，況且飛機裝配本身就是難度系數(shù)較大的工作，還需要結(jié)合軟件進行研究分析。

（2）工藝裝配與仿真。

飛機由上千萬的零件構(gòu)成，以及用到了同樣多的工裝，夾具，所以在操作中要做到仔細，精確。合理規(guī)劃分析裝配工藝可解決過程中失調(diào)，干涉，撞擊等問題。提升裝配速度和質(zhì)量是關鍵。根據(jù)標準要求，建立工藝裝配的方法和技術(shù)規(guī)范，包括預裝配標準，模型建立，空間運動干涉規(guī)范，工作管理規(guī)范等。

對于裝配生產(chǎn)，可以應用仿真軟件建立動畫模型，;針對需要文字的指令配備詳細分解說明。工作人員可以根據(jù)軟件的功能來解決裝配零件與工裝間存留的細節(jié)問題。

（3）機翼的柔性裝配。

柔性裝配技術(shù)是依據(jù)產(chǎn)品尺寸和數(shù)字控制完成產(chǎn)品的裝配。它去除了傳統(tǒng)制造裝配的高成本，周期長且模式單一的缺陷。與現(xiàn)代化自動設備和工業(yè)機器人相結(jié)合，大幅度提高了裝配效率和精準度。

因為機翼的形狀，大小各不相同，柔性裝配方式也略有不同，可分為翼盒數(shù)字化裝配，前后緣類裝配以及數(shù)字化對接。第一個裝配類型是以平臺移動為基礎，聯(lián)合激光定位系統(tǒng)來實現(xiàn)翼盒類部件裝配。前后緣類裝配是根據(jù)機器人的鉆孔和柔性定位子系統(tǒng)來完成的。最后數(shù)字化對接則運用支撐構(gòu)造，調(diào)節(jié)機翼在不同時段的方位來保障機翼裝配。

（4）柔性定位。

運用柔性定位技術(shù)，在裝配中可適應部件的結(jié)構(gòu)變化，降低了剛性定位時不能躲避的應力。傳統(tǒng)的定位是依據(jù)工藝孔的交點或者基準面實現(xiàn)定位，但這樣導致工作繁瑣，效率極低。而柔性定位結(jié)合了模塊設計，同時可以調(diào)換不同的定位頭，因此變得更加靈活實用。但是這樣的柔性定位機構(gòu)需要考慮結(jié)構(gòu)的合理性，是否便于調(diào)整，是否適應孔及基準面的變化。有很多航空公司在設備上裝配了多自由度伺服定位機構(gòu)，它可以同時調(diào)整多個產(chǎn)品坐標，定位更加準確，這類的設備雖然已在市場發(fā)展的較為成熟，但生產(chǎn)成本過高，部分資源得不到有效利用。

二、機翼的自動化裝配技術(shù)應用現(xiàn)狀分析

從目前來看，我國新型飛機的牽引對飛機總裝配的自動化技術(shù)，例如大部件對接、全機檢測等技術(shù)進行的攻克，運用了柔性定位器、自動鉆孔、激光跟蹤儀、運輸車等設備。通過查閱和收集國內(nèi)外資料對比和分析了國內(nèi)外自動化裝配技術(shù)，國內(nèi)的自動化裝配技術(shù)的使用范疇已從簡單組件裝配拓展至大型且復雜的部件對接，并且掌握了自動化總裝配中的關鍵技術(shù)，但是有待在裝配生產(chǎn)線方面取得進展，為以后可以打造完整的自動化裝配線奠定了良好基礎。

新型飛機機翼的材料選用已將整體機加壁板替代了傳統(tǒng)的鉚接壁板，材料的使用上不僅提升了機翼的氣動性和載重能力，而且還延長了機翼的使用壽命。伴隨我國科技的創(chuàng)新，傳統(tǒng)的外形和結(jié)構(gòu)已不能滿足新型式飛機的需求，在壁板的生產(chǎn)和裝配上都提升了難度。現(xiàn)階段國外的大多生產(chǎn)廠家大多采納自動裝配，靠計算機控制的定位器來調(diào)整銜接機翼的位姿。例如柔性裝配技術(shù)，在波音機上應用廣泛。

模擬量傳遞作為傳統(tǒng)的飛機裝配基礎，工裝設計不夠新穎，使型架更加復雜又重，測量儀器也沒有統(tǒng)一規(guī)范，已經(jīng)嚴重阻礙裝配的質(zhì)量和飛機設備研制的進程。國內(nèi)經(jīng)過科研人員的不懈努力，在飛機設備的生產(chǎn)制造和數(shù)字化技術(shù)的研究上取得了很大成功，也都得到了實踐應用。但更多的裝配技術(shù)還處于設計實驗階段，與國外相比還有差距。所以還需要不斷地研究創(chuàng)新有關數(shù)字化裝配技術(shù)，為航空部門的全面發(fā)展提供了有效依據(jù)。

三、測量機翼的方式及飛機自動化裝配方法

測量飛機機翼的方式可分為倆種，水平點測量和交點測量。運用傳感器測量水平點，工業(yè)機器人直線位移傳感器是將機器人平移至目標下方，隨后傳感器的探頭升起，直至接觸到飛機機翼的目標測量點，顯示水平數(shù)據(jù)后繼續(xù)移動機器人到下一測量點，整個過程完成以后，比對測量值判定飛機機翼是否達到水平。

機翼的的端面作為交點測量點，需要結(jié)合數(shù)字自動化技術(shù)，可選用的工具為激光跟蹤儀。它是一種非接觸式光學測量儀，主要由激光干涉裝置和角度編碼器構(gòu)成。開始測量前，先設置跟蹤儀的測試坐標為機翼的裝配坐標。激光跟蹤儀會在規(guī)定的范圍內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，檢測被測量點的坐標，得到相關數(shù)據(jù)。要精準完成空間的平面和曲面的測量，運用輔助機器人對機翼外形進行自動測量，將機器人安裝在移動導軌上，在工具頂端安裝激光儀，伺服系統(tǒng)控制輔助機器人運動完成掃描任務。

在有關飛機自動化裝配中，波音等公司運用了先進的裝配方式，比如決定性裝配，以骨架進行自動化裝配。決定性裝配又叫做DA裝配，它零件以預先選定的形式實行裝配，不需要繁瑣的測量及定位工具，有點是可以減少成本，縮短生產(chǎn)周期。決定性裝配存在以下特征：運用零件或組件間的空間關系;重點特征在工程設計時來定義;重點特征依靠數(shù)控機床在一定時間來制造零件。決定性裝配保證了裝配的質(zhì)量和配件的一致性，除了減少了產(chǎn)品研制和改型的費用，還大大減少了裝配工作量。

以骨架為基準來實行自動化裝配，其本身大量用于骨架結(jié)構(gòu)和機翼機身的壁板，這種裝配方式優(yōu)勢在于用精確的骨架外形來裝配壁板，這樣壁板可被束緊帶緊壓，簡化了工裝，省去了工裝費用，這種方式需要高精度、剛度的骨架，同時要控制壁板厚度的誤差，否則會直接影響外形公差。

四、飛機裝配自動化技術(shù)發(fā)展方向

就大型飛機的裝配而言，不論是從技術(shù)角度看還是管理角度看，其都是一個很難被攻克的難題，依照制造飛機的全局考慮，目前飛機總裝生產(chǎn)線的發(fā)展方向，無論是移動還是脈動，都是從生產(chǎn)方式或者布局方面的改善，主要運用提高飛機總裝的生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期。所以，要怎樣提升飛機總裝生產(chǎn)的協(xié)調(diào)性，提高工作質(zhì)量，使裝配達到智能化、高精度，使生產(chǎn)過程中愈加穩(wěn)定，成為自動化裝配技術(shù)改進和提升的難題。

依據(jù)國內(nèi)先進的飛機自動化裝配技術(shù)應用情況來看，未來飛機自動化生產(chǎn)線應從數(shù)字化裝配、測量技術(shù)、自動化技術(shù)等方面重點研究，并慢慢推廣和使用。

（1）裝配自動化對接平臺

飛機最終組裝對接是飛機制造中的關鍵環(huán)節(jié)，并且在此階段積累了初始零件制造和零件組裝。飛機組裝的主要工作范圍包括對接機身部分，對接機翼和機身，對接水平尾翼和垂直尾翼和機身，安裝起落架和安裝發(fā)動機。用于最終組裝的主要過程設備包括柔性定位器，激光跟蹤器（或iGPS），自動鉆孔設備，車間地面運輸工具，空中吊運系統(tǒng)和其他設備，以及整個控制系統(tǒng)。

波音公司使用的自動定位和校正系統(tǒng)主要包括機械傳動，離散點掃描系統(tǒng)，激光雷達檢測表面力分配系統(tǒng)，綜合分析控制系統(tǒng)，離散點掃描技術(shù)和飛機的激光檢測表面力分配技術(shù)。這是已申請專利的最終組裝。

（2）飛機移動系統(tǒng)

使用飛機組裝移動生產(chǎn)線技術(shù)可以實現(xiàn)低成本，高質(zhì)量和快速響應的飛機產(chǎn)品制造，這對于中國下一代大中型飛機的開發(fā)和批量生產(chǎn)非常重要。飛機的移動系統(tǒng)包括整個飛機的運動（正常站運動，一般應急站位置轉(zhuǎn)換），主要是氣墊運輸技術(shù)，AGV手推車運輸技術(shù)以及組件運動技術(shù)，包括激光跟蹤儀測量和定位技術(shù)。

波音公司采用的移動裝配線技術(shù)將飛機放置在生產(chǎn)線上，車輪通過傳送鏈移動，從而使飛機可以沿著生產(chǎn)線移動和組裝。射頻信號的實時傳輸可實現(xiàn)對飛機移動裝配生產(chǎn)線的遠程控制，并監(jiān)視飛機的運動。

大中型飛機的設計球重超過40噸，僅機身重量超過20噸?？紤]到安全性，僅靠一般的牽引力很難解決這個龐大的運動問題。由于大型飛機的生產(chǎn)線是以脈動生產(chǎn)模式執(zhí)行的，因此要考慮飛機在每個工位（正常和緊急情況）的運動，并且與大型平臺結(jié)合使用時，必須考慮安全性，靈活性和運動便利性。建造和建造激光測量系統(tǒng)，數(shù)字零件運動體的研究非常重要。

因此，需要使用AGV小車和氣墊懸掛移動技術(shù)來運輸整個機器和大型零件。AGV手推車移動不受限，可以自動放置和旋轉(zhuǎn)，采用氣墊移動技術(shù)，配備靈活的裝配支架（根據(jù)不同的部件形狀進行調(diào)整），并使用激光跟蹤儀引導移動定位系統(tǒng)可以測量和放置。整機運輸和大型零件運輸。

機身和機翼各部分的專用支撐工具與標準的模塊化運輸系統(tǒng)結(jié)合在一起，形成部件支架。在飛機裝配站工作時，部件移動技術(shù)用于實現(xiàn)飛機或部件和飛機在裝配站的平穩(wěn)移動。您可以快速安全地放置工具，并在飛機移動時清空整個工具。在航空航天領域，許多氣墊運輸技術(shù)和先進的測量定位技術(shù)（iGPS）與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了大型零件的運輸和裝配，大大提高了裝配的工作效率和裝配質(zhì)量。

結(jié)語：當飛機機翼完成裝配之后，在滿足機翼水平測量的高度時，還需確定機翼是不是滿足與裝配零件間的裝配準確度以及二者的位置精度。聯(lián)合現(xiàn)有的數(shù)字自動化技術(shù)與軟件技術(shù)，對機翼的裝配，調(diào)試進行分析，具體優(yōu)化，達到使用要求。數(shù)字化技術(shù)展現(xiàn)了航空發(fā)展方向，為提高裝配飛機的效率和質(zhì)量，必定要研制成本低，質(zhì)量高，多種類的設備，同時會改變我國航空設備生產(chǎn)的觀念性，克服我國在飛機研發(fā)裝配技術(shù)中的缺陷，完成航空技術(shù)領域的偉大突破。

參考文獻：

[1]鄭文利.飛機數(shù)字化裝配定位技術(shù)研究[J].科技視界，2017（36）：111+106.

[2]周娟勤.飛機機翼前緣與縫翼數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機與配件，2017（10）：124-125.

[3]齊鵬斌，薛蘭珠.飛機機翼前緣與縫翼數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)研究[J].中國科技信息，2015（01）：15-16.