飞机装配技术

飞机装配技术简介
飞机装配是根据尺寸协调原则，将飞机零件或组件按照设计和技术要求进行组合、连接形成更高一级的装配件或整机的过程。

社会的需求、市场竞争及相关技术的不断发展，推动着飞机装配技术不断向更高水平演进。

迄今为止，飞机装配技术已经历了从人工装配、半自动化装配到自动化装配的发展历程，目前快速发展的柔性装配将自动化装配技术推向了一个新的高度。

近10于年来，国外飞机装配迅速发展，以B777、A340、A380、F-22、F-35等为代表的新型军、民机集中反映了国外飞机制造技术的现状和发展趋势，在装配技术上基于单一产品数据源的数字量尺寸协调体系，实施数字化尺寸工程技术，应用柔性模块化的工装技术、加工和检测单元并集成应用为一系列的自动化装配系统进行机体结构的自动化装配，大量采用了长寿命连接技术，实现长寿命飞机结构的高质量、高效率装配。

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（CATIA），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。

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[1～3]。

在测量技术方面，计算机辅助电子经纬仪（CAT），及激光跟踪仪（LT）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
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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[4]，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(ART)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，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）[5]，及近年来研制787所采用的全球协同管理技术（Global Co-laboration Environment，GCE），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JSF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19件，成本降低1/2，LeicaLTD500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，和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（Determinant Assembly，DA）、以骨架为基准的自动化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架实现了自动化装配。

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[6,7]。

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。

它能适应飞机的次寸规格、批量、装配工艺、场地及时间变化，在有限的场地完成快速装配，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 Pre-Assmebly，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一下几个方面：a．行列式高速柱柔性工装。

行列式高速柱工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。

当工装广泛应用于戴姆勒—奔驰宇航、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定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，将在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。

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基准仪测量概念图。

图6某航空公司实时激光基准仪测量概念图
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”结果，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。

诸如泄露检测、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。

虽然近年来航空企业在数字化工程的实施过程中，根据自身的需求制定了一些标准与规范，但还不足以构成支持整个行业的标准体系。

因此，结合我国的实际情况，有必要建立一套数字化制造的标准规范体系。

可以先建立急需的、必需的标准，如数字化装配标准规范体系，强调标准的可执行性、实用性，同时考虑后续体系表的扩展及动态管理的完善。

数字化应用技术的核心是数据，数据的生成、管理及存储遍布飞机制造整个过程。

通过实施产品数据管理（PDM），建立一套基于产品属性和配置规则的单一数据源。

研究动态产品结构的数据管理技术，逐步形成以产品数据为中心、协同工作环境下的综合数据管理和共享，实现对飞机装配零部件、工装及刀具等信息的管理与控制。

5 结束语
我国飞机装配技术落后，设备陈旧，装配质量难以满足飞机性能的要求，制约了飞机研制生产水平的提高。

数字化柔性装配技术代表了目前和未来飞机制造装配技术的发展方向。

数字化柔性装配技术的应用将推动全球飞机制造业向模块化、集成化、智能化、经济化及绿色化的方向发展。

深入研究和应用数字化柔性装配关键技术及体系，将能突破我国飞机装配技术中得薄弱环节，推动数字化设计制造技术在飞机制造中的全面、协调、有效发展和应用，彻底改变传统低效的飞机装配协调方法，使我国飞机制造水平尽快达到国外先进水平，实现行业的跨越式发展。

6参考文献
[1] 马强，飞机工艺装备模块化设计[D].西安：西北工业大学，2006.
[2] 梁云，基于实例的型架设计技术研究[D].西安：西北工业大学，2003.
[3] 韩怡，飞机工装相关性设计技术研究与实现[D].南京：南京航空航天大学，2007.
[4] 王巍，贺平，万良辉.飞机柔性装配技术研究[J].机械设计与制造，2006（11）:89-91.
[5] 范平，范玉青.突破技术趋势，波音再现竞争优势—对大型飞机研制技术的战略性分
析[J].航空学报，2008，29（3）：707—712.
[6] 张辉，飞机装配设备及供应商一览[J].航空制造技术，2008,（11）：71-74.
[7] 许国康，大型飞机自动化装配技术[J].航空学报，2008，29（3）：735-740.。