模拟量与数字化协调在飞机对接中的应用分析

蒋力诚

（上海飞机制造有限公司，上海 200436）

随着飞机制造技术的不断发展，协调互换技术也在不断提高，同时计算机技术的迅速发展和数字化制造技术的全面应用，使得飞机制造中的协调互换方法也正在逐步以数字化协调为主。目前国际上许多先进的飞机制造商都把以数字模型为依据的数字化协调作为协调互换的主要传递依据，实现了飞机设计与制造的数字一体化。这些数字一体化工作不但简化了飞机制造过程中的协调互换工作，也缩短了飞机的研制周期，提高了飞机的制造质量。

近年来，我国的航空制造业也在不断学习及引进国际先进的数字化装配协调技术，并将其逐步应用在民用飞机制造中。传统的模拟量协调技术虽与国际先进装配协调技术相比存在明显差距，但还是在普遍应用中促进了我国航空企业的发展。随着我国民用飞机制造技术手段和方法的不断积累、不断进步，飞机装配互换协调的数字化传递法也会被广泛应用。

1 模拟量协调与数字化协调概述

模拟量协调是一种传统的飞机工艺制造协调方法，其协调路线为图纸理论尺寸—模线—样板—标准样件—生产工装，这一过程主要是通过实物标工或标准样件来传递协调，把飞机的各种复杂理论外形、尺寸、数据等技术要求通过这种直观的协调方法准确传递到最后制造出的飞机产品上。在这个过程中，标准工艺装备起着至关重要的作用，是以实物模拟量形式体现产品的外形和尺寸。它确定了产品部件、组合件或零件外形尺寸、接头、孔系之间的相对正确位置，是制造工装的标准依据，一般是以实物形式存在的称之为“实物标工”或“硬标工”。图1为模拟量装配协调路线表。

图1 模拟量装配协调路线

数字化协调是指以飞机理论外形及相关基准的3D数字模型数据和结构的数字化定义为基础，利用计算机和数控技术及计算机辅助测量定位、装配技术，完成对产品或工装的制造及安装，其协调依据是产品的同一个数字化定义模型即数字标工模型。作为飞机产品装配制造或工装制造、协调、检验标准来源，数字化协调以引用工程图纸数字模型数据信息形成数字标工信息为制造依据。

采用数字标工模型控制产品协调准确度的方法是利用带公差的3D数模（工程数模、工艺数模、工装数模）无误差地转换成各加工装配制造数模，通过各级数字化协调系统和数字化标工的约束关系，将产品协调部位尺寸与形状信息通过采用并行数字传递的方法，准确无误地传递到产品或生产工艺装备的过程，保证飞机制造装配全过程的协调互换。图2为数字化装配协调路线图。

图2 数字化装配协调路线图

2 模拟量协调的特点

在飞机装配中，由于不同材料在不同的实际装配环境中使用，会引起变形。同时，由于人为因素会造成制造尺寸上的变化和误差，导致零部件之间装配的不协调，而模拟量的实物标工正是消除这种不协调的制造依据。

尽管传统标准工装在保证生产用工装、产品部件和组件之间的尺寸及形状互换协调方面起了很重要的作用，但模拟量的实物标工在生产制造和使用过程中有以下6个方面的特点。

（1）模拟量装配协调的实施经验丰富，技术积累完善，技术理论体系成熟。由于模拟量协调一般是采用关联制造原则，可通过增加中间过渡传递环节来控制产品的协调准确度。在模拟量协调环境下，各大主机制造厂或供应厂商可简便直观地反映产品在制造中的协调问题。

（2）模拟量协调的协调路线长，传递环节多，难以取得某些外形复杂或某些关键位置在全机坐标系中的真实几何尺寸数据，且工装数量大、品种多，累积的误差较大，易造成精确度误差，产生协调问题，这类误差在实际操作中往往难以预防。

（3）一件实物标工只能在一个生产制造工作地点使用，不能同时用在多个工作场所。要在不同的工作地点同时使用此标工（保证厂际协调），唯一的方法就是复制一套标工，但这样不可避免地会带来再复制误差，造成零部件之间的协调准确性有所降低。

（4）在标准样件、模线、样板及与之协调的各类生产工艺装备制造中，手工操作的工作量通常会占很大比重，其制作成本较高，生产准备周期较长。大量的实物标工制作将会大大影响生产进程，并且在研制阶段需频繁地对实物标工的制造技术数据进行不断完善及更改，其结果将会显著降低工作效率、延长研制周期。

（5）实物标工在使用中易造成磨损，为保证它的准确度需要进行定期检测。如果在制造装配工装与标准样件工装之间发现了不协调问题，一般需要检查所有相关联工装，而这是一件费时、费力的工作，同时也会影响生产效率。

（6）为了防止实物标工变形，需要控制保存实物标工的环境，包括温度、湿度，同时也会增加维护成本。

3 数字化协调的特点

数字化标工在设计制造中的作用与实物标工一样。对于交点的协调，采用数字量规取代实体量规，以几何数字模型取代传统的模线样板和标准样件协调法。数字化协调在实际生产制造和使用过程中有以下4个方面的特点。

（1）数字化装配协调是一种新的装配协调方法，在飞机制造中具有独立制造原则且有利于并行工程的开展，采用数字化装配协调技术是未来飞机装配制造技术的趋势所在。

（2）在飞机的装配方面，尺寸外形可以通过计算机来建立3D数字化模型并加以准确地描述，能最大限度地再现工程的设计外形理念。飞机结构件的几何形状和尺寸可以准确地存储在计算机内，可快速地对数据模型进行及时更新维护，可通过大型打印机或绘图仪来按需快速及时地绘制理论模线、结构模线和飞机生产图纸，大大提高了理论模线、结构模线和飞机生产图纸的质量及生产效率。

（3）由于现代飞机采用较多模块化设计、装配和制造技术，机身中许多重要结构件在设计上较多采用了整体结构件形式，如飞机整体肋和整体梁、整体壁板、整体框等，这些零件在制造加工方面都可采用工程数模无误差地转换成数控机床加工数据。高精度的数控机械加工设备和数控测量技术可以几乎无误差地实现飞机零件的外形加工和成型制造。因其加工制造尺寸可以通过数据模型直接准确地传递，减少了许多模拟量传递的中间环节，因此大大提高了零件加工的协调准确度和制造准确度。

（4）在工艺装备制造方面，几乎不借助实物标准工艺装备。对于形状和协调关系复杂的用于钣金零件制造的大量成型模具、装配型架上内/外形卡板等，可以直接采用数控加工和数控测量技术，能最大限度地再现工程设计的外形尺寸要求。对于装配型架和零件制造工装模具数控加工所需的有关形状和尺寸的几何数据，可以直接从飞机理论模型的几何数据库中提取，不再需要经过传统模线、样板、标工等工艺路线反复传递。一旦某个环节出现不协调问题，只要把相关过程的数据模型在计算机上进行模拟仿真，就可以发现问题的根源所在。这样不但大大提高了加工效率，缩短了生产周期，降低了生产成本，同时还提高了工艺装配型架和零件制造工装模具的制造准确度及协调准确度。

4 实例应用分析

某型飞机机身主要是由蒙皮、长桁、隔框组合而成的半硬壳式铝合金结构，典型剖面形状为上、下圆弧组成的倒“8”字形。横向骨架由隔框、地板横梁及其支撑件组成。纵向骨架为沿圆周均匀分布相应数量的“Z”形长桁，与蒙皮铆接为机身壁板；在机身大开口处沿长桁方向安排了龙骨梁、地板滑轨、门框纵梁等加强件。机身装配对接的结构形式分为框间对接和框上对接两种对接方式。

框间对接工艺分离面设在两个相邻框中间，采用对接带板连接蒙皮、长桁通过钣弯的套接接头连接。这种不可拆卸的工艺分离面具有结构简单、接头柔性好、对接零件少、生产周期和装配周期短等优点。

框上对接工艺分离面一般设在机身强框上 ，框为“工”字形结构，框轴线为蒙皮对缝，采用对接带板、框缘连接蒙皮。长桁连接一部分通过套接接头连接，另一部分通过铲形接头直接连接在框缘上。这两种装配对接协调方式有些类似，本文主要以框间装配对接的协调为例进行分析。

机身装配对接采用可移动千斤顶的对接小车为支撑形式，在协调时采取以下措施：

（1）机身对接时可用X、Y、Z三维轴向调节移动千斤顶的对接小车支撑对接机身，使用激光跟踪测量仪通过OTP建立机身装配对接数字化坐标系。需确定某一对接机身部段为基准部段，以基准机身部段的座椅滑轨为对接测量基准，在座椅滑轨X1、X4相应站位上安装4个激光测量支座。使激光跟踪测量仪根据数字化坐标系来测量支座上工具测量靶球的Z向、X向读数，调整驱动丝杠可进行微小进给量位移，将基准机身部段移动至理论对接位置，保证基准机身部段水平、准直。基准机身部段调姿完成固定锁紧好基准部段，将另一对接机身部段靠近基准部段，调整另一对接机身部段，通过工艺拉紧接头与基准部段工艺拉紧接头协调来保证机身外形、长桁轴线等位置协调对接。图3为基准机身部段测量调姿示意图。

图3 基准机身部段测量调姿示意图

（2）在对接前，由于机身对接工艺分离面处的端面开口尺寸大，导致机身对接站位区域刚性较差、难以协调定位。同时各对接机身模块在不同制造厂装配生产，并且要保证其机身蒙皮外形协调、长桁轴线位置协调，需要在对接时增加过渡的工艺接头作为定位器来保证长桁轴线和机身蒙皮外形的协调，这种工艺接头称为拉紧接头。在整个机身圆周上一般按需分布6～8对工艺拉紧接头，各拉紧接头在各部件制造厂装配型架的外形对接平板上是通过数据模型数字化来协调定位、安装。图4为拉紧接头示意图。

图4 拉紧接头示意图

（3）为了保证各制造厂对接机身拉紧接头的位置准确性，各个对接机身装配型架前后外形对接平板、配对的工艺拉紧接头之间共用一组数字化标工模型数据，其装配位置的准确性主要通过数字化标工来协调保证。每对工艺拉紧接头端面上螺栓连接孔的位置坐标尺寸取自数字化标工模型数据，作为将工艺拉紧接头定位安装在机身装配型架外形对接平板上的定位依据。

（4）在对接机身各模块时，不但要考虑机身蒙皮、长桁、框的对接协调问题，还需要考虑其他结构件的协调问题，如机身客舱地板结构件上的座椅滑轨协调。客舱地板座椅滑轨可以分段安装在各机身模块上，也可以在机身模块对接完成后一起安装。在某机型中，客舱地板座椅滑轨分段安装在各机身模块上，这样就需要考虑分段安装时的协调统一性。座椅滑轨在部件装配中的定位依据是模拟量协调的实物标准量规工装，同时在机身对接时各机身段的座椅滑轨也是采用实物标准量规来进行测量定位对接的协调。

5 应用结果分析

某型飞机在研制中能依据实际情况首次采用数字化协调与模拟量协调相结合的装配协调技术，在基准机身姿态调整测量时用激光跟踪仪建立数字化坐标系测量代替传统的水平仪、准直仪、标尺等测量方法，具有操作简便直观、实时动态跟踪测量调整、测量精度高、工作效率高等优势。

在机身对接时采用以座椅滑轨为基准的数字化测量法，同时增加通过数字化定位协调的工艺拉紧接头作为定位器来保证长桁轴线和机身外形的协调，不需要结构复杂的对接型架，而是采用可移动千斤顶的对接小车的方法实现机身结构对接。简化了装配对接型架，并使其初步具备了这种方式通用性、柔性化趋势。

由于在装配对接型架上不再使用传统的、大量的定位基准夹紧装配工艺，因此简化了对接型架工装及对接方式，给操作人员提供了良好的操作空间，有利于保证产品的制造质量并提高装配效率。

6 结束语

某型飞机在研制的开始阶段，能充分根据该型飞机的立项需求、设计定位、生产组织形式、经济合理性，利用目前已掌握的飞机制造技术，并结合新技术、新工艺等因素来制定合理的装配协调原则。目前某型国产支线飞机采用数字化协调与模拟量协调相结合的装配协调方式，不仅有利于开展并行工程，且有利于发现、分析并解决飞机对接中的装配协调问题。合理利用数字化协调与模拟量协调相结合的方式，将对缩短研制（设计/制造）周期、降低研制/生产成本、提高民机市场竞争力起到重要作用，并对提升我国民机装配工艺技术水平、提高产品自主研制能力具有重要意义。