关于大型飞机数字化装配技术分析

常仕军

摘要：随着现代工业技术与制造业的不断发展，装配技术得到深入的研究。从飞机工业的历程来看，飞机的装配技术经过了人工装配、半自动化的装配、机械装配、自动化装配，随着各国经济与技术的进步，数字化装配技术已经开始在多个国家的飞机制造领域得以应用，成为现代飞机制造技术的新焦点。

关键词：数字化；装配；制造；系统；应用

1.引言

随着社会的进步与发展，航空制造业的竞争形势不断严峻，市场上对于大型飞机的需求则是出现品种多、数量少的特点，一般要求在较短的交货周期内完成。新的数字化装配技术可以一改传统的人工装配模式，极大地提高效率。

2.数字化装配技术概述

目前对于数字化装配技术的定义还不完全，国内外对于其定义的研究还在进行当中。从其技术发展历程来看，该项技术不仅可以达到快速研制，还能满足生产低成本的制造标准，往往将数字化在飞机设计制造的时候得以更为深层次的应用。对于数字化装配方法而言，主要包含传统的数字化装配概念中的工装设计、制造及其装配的虚拟仿真，还包含柔性装配方法，更包含无型架装配方法这些自动化技术。[1]

对于飞机的数字化装配技术来说，一般包含数字化装配工艺技术以及数字化柔性装配工装技术，还包含光学检测以及反馈技术、数字化铆接技术与集成控制等多种先进技术的综合应用。

3.数字化装配技术国内外发展现状

3.1国外研究现状

在上世纪的八十年代，由于现代网络的兴起，加上计算机技术的不断发展，美国波音、洛克希德·马丁公司，还有欧洲的空客公司这些大型飞机公司都陆续地对飞机数字化装配技术进行使用。国外一些发达国家数字化装配飞机技术的应用已经取得了成功，典型的产品包括波音777、A380与JSF等。其中洛克希德·马丁公司在进行JSF战斗机研究制造之中，果断地将每架飞机的生产周期由之前的15个月缩短到了5个月，把工装数量从350个降低到19个，实现降低成本一半。通过采用数字化装配技术后，对制孔的工具与工装大部分进行取消，利用较为先进的龙门钻削系统，充分利用了激光定位、电机驱动的精密制孔，提高了孔的质量，最终节省了九成以上的时间。[2]而美国波音787客机的装配连接中，充分应用复合材料，根据复合材料的力学性能特点，对其连接技术进行改善。根据此应用需求以及钻孔需求，波音公司与其他公司合作研制了专用的自动化钻孔铆接设备与技术，从而提高波音787的装配质量与速度，同时也降低了成本。另外波音公司还采用了数字化的壁板装配系统，对电磁铆拉技术与柔性装配工装进行集成，解决了大型构件的自动化装配面临的困难。

3.2国内发展水平

目前国内对于飞机数字化装配技术的应用，也取得了一定的进步，但是与国外相比，还存在着一定的差距。多数企业利用CAD技术建立型架标准件库与优化型架参数设计，对工装与工具的装配过程中采用三维仿真，也采用了激光测量与数控驱动的模式，还采用了自动铆接技术。

我国的飞机装配技术不足主要体现在以下几个方面：首先由于研究起步晚，对于一些先进的装配技术应用不够成熟。对于飞机装配技术的研究资金投入不足，造成配套不完善，缺乏相应的技术支持，一些飞机的部件装配制造还停留在手工作业阶段，严重影響了飞机装配的质量与效率；其次飞机的装配设计模式有的还停留于串行模式进行生产与加工，部分先进的技术功能应用起来存在局限性；第三，数字化装配技术在我国的飞机装配过程应用数量较少，一些设计生产中利用数字化技术的效果不明显，虽然有需求，但应用过程没有做到顺畅过渡；第四，数字化装配技术是结合了多个学科的研究成果，形成多门类的技术集成，而某些领域研究的滞后性决定了模拟传输无法得到最有效的解决办法，飞机数字化装配设计过程生产线无法正常运行；第五，工业设计与产品设计没有做到并行设计，造成返工现象明显。

4.数字化装配工艺

数字化装配工艺的设计主要是以模型的定义技术为基础，采用三维实体模型来对产品定义信息进行完美表达。模型定义技术主要是根据数字化定义的规范，利用三维建模对数字化产品实施合理的定义，成功构建出符合协调要求的全机三维数字样机以及工装模型。技术工作者按照实体模型从事三维工艺设计，避免在二维工程图纸与三维模型来对产品装配工艺进行设计的模式。本文的主要数字化装配工艺技术研究主要包括装配定位技术，同时还包括装配制孔与连接技术。

4.1装配定位技术

对于该项技术，其一方面包括工装定位，另一方面也包含零件装配基准孔面自定位。工装往往指进行飞机装配的时候反复使用的保障进入装配的飞机部件以及零件均可定位精确。柔性工装很好处理了刚性工装刚性专用及其设计制造时间久的不足之处，具有数字化与模块化的特点。柔性工装可以快速进行重构调整，同一套工装可以应用于多种产品的装配。模块化结构的研究上具有模块化结构特点的单元，软件上包括控制软件与测量软件、仿真软件等。[3]

传统的加工模式在精度与质量、效率上都难以满足现代飞机生产需求。大部件对合技术包括机身、机翼、垂尾与起落架的安装等，能够快速地、准确地对安装姿态进行定位，当调整到位或不到位时，会有相应的报警系统提示，降低了对接过程中的调整难度避免大部件在对合过程中出现的损伤隐患。在未来，数字化装配定位技术的研究将主要集中于基于机器人的定位终端执行器的研究与多层运动规划与控制技术的研究，进一步提高定位效率与准确度。

4.2装配制孔技术

目前飞机结构件主要采用机械连接模式，新型飞机要求寿命较长，对于飞机部件各个连接点的技术状态要求也非常高。随着现代材料的不断发展，新型复合材料的应用日益广泛起来，让制孔技术有了更高要求。之前的手工制孔技术经常产生复材分层问题，孔径椭圆的问题也往往出现，不能确保产品的高质量。特别是大直径与厚夹层的制孔让工人操作技术有了更高要求，制孔效率不高。自动化的精确定位与制备技术可以有效提高制孔的质量与效率。对于装配制孔技术的数字化研制内容主要包括自动制孔技术研究、复材部件的高性能制孔工艺技术的研究等。

4.3装配连接技术

飞机结构的抗疲劳性能与可靠性和装配连接质量有着直接的关系。对于高空飞机的航空器机械连接结构，需要采用更为优越的连接技术，如干涉配合铆接、电磁铆接以及新型紧固件这些。使用了以上的强化技术，提升了连续结构的抗疲劳性能，还增强了可靠性，减少结构重量。通过自动化连接设备的使用能提升连接效率，也能增加产品的质量。

图一 电磁铆接柔性系统

5.现代柔性生产线技术

对于柔性生产线而言，其不仅由数字化的柔性可重构工装以及自动化数控连接设备，还需要数字化的测量检验设备及其信息化管理平台得以组成，促使了现代飞机装配技术的不断快速发展。在军机生产方面，柔性装配生产线技术发展已经相对成熟。美国F-22进行生产的时候，往往使用U型装配生产线，使装配周期时间从之前的16个月降低到了12个月。同时F-35具有更先进的装配生产线，基于前者，就传送系统优化，还优化了工作台，提升了自动化程度，促使工装变少，在装配线上，之前的高架吊车变少了。在生产线上，增加了质量检测系统，准确地就每个装配环节装配质量实施有效检测，进行的喷漆工作以及隐身涂料的喷涂经常通过机器人得以完成。[4]

国内对于柔性生产线的研究与应用仅限于某个工位点，无法对整条生产线形成自动化柔性装配。其主要原因是飞机产品在设计过程中并没有考虑产品柔性装配技术应用需求，产品在生产过程中才发现与将要设计的生产线模式不符，无法满足生产。数字化检测技术的落后，也从一定程度上影响到了生产线的效率，无法实现在线控制与快速精确测量。

6.光学测量技术

现代飞机制造中，速度快、精度高，采用传统的人工测量方法或落后的机械测量方法已经难以满足现代制造业发展需求。数字化检测技术可以顺利实现飞机零件与大尺寸零件的设计、装配与检测形成一体化工程。采用基于数字化检测设备的产品三维检测与质量控制手段，建立数字化立体检测技术体系，推动计算机辅助检测技术与测量数据的分析，制定相应的数字化检测技术规范，提高整体的检测效率与质量。

7.数字化装配系统的应用

数字化装配技术的应用是快速发展的多种先进技术的综合应用。先进数字化装配技术的发展与应用是一个长期的过程，其中受到技术条件、资金与应用风险等因素的影响，不可能短时间内完成，这个核心技术的突破与数字化装配技术的应用形成一个体系与系统。数字化装配系统的应用要以长远与近期发展目标为导向，根据实际情况，由易到难，有分解也有综合，基于数字测量协调技术与数字化模拟仿真技术、测量技术与软件技术，形成完整的飞机数字化装配集成系统。

數字化装配系统包括装配工艺规划、数字化柔性定位、装配制孔技术、自动控制与先进的测量技术等，是机械、电子与控制、计算机等多学科的综合。

8.大型飞机数字化装配工程应用概况

中航工业商飞一直关注于世界先进的数字化装配技术发展情况，结合我国飞机装配业的基本情况，制定公司长远发展规划。以提高数字化核心技术与能力，实现自主研究为目标，在数字化装配领域内进行了积极的探索，以满足新机装配过程对制孔设备、精度与工程流程优化的要求。[5]目前，经过多年的研究与探索，成飞公司已经在数字装配生产领域内的工艺设计、精确定位、制孔、部件对合与检测监控方面实现了数字化控制，同时对于数字人装配也提出了一定的要求。首先要满足工艺的继承性与装配流程的继承性，通过数字量进行测量数据的协调与传递，确保制造依据的唯一性与操作的便利性，最终采用“开放式伺服移动装配定位平台+数控五坐标多作业单元移动龙门制孔机床”技术，对装配定位系统与制孔设备进行分离，实现了人工作业与设备自动作业的解耦，确保各项系统的架构一致性。目前C919数字化生产线技术已经得到了初步的应用，取得了良好的效果，同时在细节方面将会进一步研究与深入。

图二 成飞公司数字化装配技术应用示意图

9.结语

随着现代工业的发展，飞机数字化装配技术将会进一步发展，充分结合数字化工艺技术与检测技术的高集成系统将会在柔性生产线中得以广泛应用，促进飞机生产效率的提升，缩短装配时间，降低成本，促进现代飞机制造业整体水平的提高。

参考文献：

[1]肖庆东，王仲奇，马强，孟俊涛.大型飞机数字化装配技术研究[J].中国制造业信息化，2007，03：26-29.

[2]陈雪梅，刘顺涛.飞机数字化装配技术发展与应用[J].航空制造技术，2014，Z1：60-65.

[3]郑玮.对于飞机数字化装配技术体系研究[J].企业技术开发，2014，02：47-48.

[4]刘志强.关于飞机数字化装配技术的研究[J].科技创业家，2013，15：135.

[5]冯廷廷.基于MBD的飞机装配工艺规划与仿真[D].南京航空航天大学，2011.