飞机前缘缝翼精准装配技术研究

周娟勤 薛宏

摘  要：该文主要探讨飞机机翼前缘与缝翼的数字化装配精准控制技术。从飞机的装配技术难点出发，结合机翼前缘与缝翼的数字化装配技术细致分析，深入讨论装配协调的各种方法及技术手段。该文最后提出一系列数字化装配协调的实施措施。期望此研究能为提升我国在飞机部件装配协调领域的技术水平提供有益的参考。

关键词：飞机机翼；前缘与缝翼；数字化装配；协调技术；实施措施

中图分类号：V262.4      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0193-04

Abstract： This paper mainly discusses the precision control technology of digital assembly of leading edge and seam wing of aircraft wing. Starting from the technical difficulties of aircraft assembly， based on the detailed analysis of the digital assembly technology of wing leading edge and seam wing， various methods and technical means of assembly coordination are discussed in detail. At the end of this paper， a series of measures for digital assembly coordination are put forward. It is expected that this study can provide a useful reference for improving the technical level of aircraft components assembly coordination in our country.

Keywords： aircraft wing; leading edge and seam wing; digital assembly; coordination technology; implementation measures

传统的飞机装配过程中，部件间的协调主要依赖于模擬量传递，即使用标准化的工艺设备来调整交点和形状的协调性。但随着数字化技术的飞速进步，MBD（模型基准设计）技术在设计飞机机翼前缘和缝翼中的应用逐渐增多，为数字化装配协调技术的进一步研发与应用，以及提高飞机机翼前缘缝翼装配精度打下了坚实的基础[1]。

1  飞机装配协调方案

1.1  模拟量协调

传统的飞机装配协调方案主要基于模拟量传递。这种方法的核心是使用物理工艺设备和测量工具来确保部件间的正确配合。例如，工程师和技工可能会使用标准化的模具、夹具和量规确保交点和外形的协调性。这种方法虽然经过了时间的考验并被证明是有效的，但其主要的缺点是效率较低，因为每次调整都需要大量的人工操作和测量。同时，由于人为因素的介入，可能会引入误差，导致装配不精确或需要重复劳动。模拟量协调方法在大规模生产中尤其显得繁琐，因为每个部件都需要经过详细的人工检查和调整。

1.2  数字化协调方案

随着数字化技术的发展，飞机装配领域也逐渐采用数字化协调方案。这种方法基于高精度的数字模型和先进的计算机辅助设计（CAD）软件，可以在虚拟环境中模拟装配过程，从而预测和解决可能出现的问题。使用MBD（模型基准设计）技术，工程师可以创建一个高度详细和准确的3D模型，这不仅减少了因人为误差导致的问题，还大大提高了装配效率。数字化协调方案可以实时地提供反馈，使工程师在出现问题时能够迅速作出调整。此外，这种方法还可以与其他数字化工具和系统（如计算机辅助制造CAM）无缝集成，实现整个生产流程的自动化。数字化协调方案不仅提高了装配的精度，还大大缩短了产品上市的时间。

2  飞机机翼前缘与缝翼数字化装配精度控制技术难点

2.1  数据精度和一致性

随着数字技术的迅速发展，飞机设计和制造的数据量也呈指数增长。不仅是大量的设计图纸和模型，还有每一个零部件的生产、检测和质量控制数据。这些数据的来源多种多样，有不同的供应商、工具和系统。例如，仅在机翼设计阶段，就可能涉及多种不同的计算机辅助设计（CAD）软件和模拟工具，每一个都可能产生与其他系统略有差异的数据。这种数据的碎片化和不统一性，使得数据管理和验证变得尤为困难，可能导致在装配过程中的误解和失误。

飞机装配的每一个环节都严重依赖数据的完整性和准确性。例如，一个微小的尺寸误差，如0.05 mm，可能导致零部件不能正确装配，或者在后续的飞行中产生性能问题。在这种背景下，即使是小到单个数据点的失真，也可能导致整个装配过程中的严重问题。这样的要求使得飞机的数据管理和质量控制系统面临着前所未有的压力和挑战。

2.2  虚拟与现实的界面匹配问题

数字模型为航空工程师提供了一个理想化的设计环境，其中所有的参数和变量都是完全受控的。然而，在现实的制造环境中，各种因素，如材料的不均匀性、生产工艺的微小变化或工具的磨损，都可能导致实际部件与其数字模型之间存在差异。例如，由于材料供应商的轻微变化或生产线上的温度和湿度变化，同一部件在不同的生产批次中可能会有细微的差别。

飞机的性能和安全性对其各个组件的精度有着极高的要求。对于像机翼前缘和缝翼这样的关键结构部件，即使是微小的装配偏差也可能对飞机的气动性能产生重大影响。更糟糕的是，这种影响可能不会在初步的地面测试中被发现，而是在实际飞行中才显现出来，这会增加风险和成本，甚至可能威胁飞行安全。

2.3  材料的变形与应力分布

飞机机翼前缘和缝翼的装配对材料的特性有着很强的依赖。每种材料， 如铝、钛或碳纤维增强的复合材料，都有其独特的热膨胀系数、弹性模量和泊松比。在飞机装配过程中，由于温度、压力或应力的变化，这些材料都可能出现不同程度的变形。尽管这些变形可能是微小的，但当它们叠加在一起时，可能导致部件之间的间隙不匹配，进而影响飞机的整体性能。

虽然数字模拟技术在预测和分析材料行为上取得了长足的进步，但其仍然存在局限性。对于航空材料的塑性变形，尤其是在高应力环境下，常规的有限元分析可能并不总是能准确预测其行为。更不用说，在现实生产环境中，由于制造过程、储存条件或其他外部因素，实际材料的性质可能与标准数据略有出入，这进一步增加了装配过程中的不确定性[2]。

2.4  复杂的装配路径和碰撞检测

飞机的装配不仅要考虑单一部件的精度，还要确保各部件之间的协同和相对位置。特别是在飞机机翼前缘与缝翼的装配中，部件之间的空间紧凑，对装配路径的要求极高。由于飞机部件的尺寸和形状复杂，预测和避免所有可能的碰撞和干涉情况是极为复杂的。传统的数值模拟和碰撞检测技术可能在这种高度复杂的环境中面临困难，导致实际装配过程中的碰撞和干涉情况无法得到有效预测。

碰撞和干涉不仅可能导致部件损坏或变形，还可能影响整个装配线的工作流程，从而增加生产时间和成本。例如，当发生意外碰撞，装配过程可能需要暂停，以进行检查和修复，这意味着其他部分的生产也可能受到影响。此外，持续的碰撞和干涉情况可能导致部件的重新制造或更換，增加了材料的消耗和劳动力的浪费。近5%的装配时间被用于处理这些问题，这不仅增加了生产成本，而且还增加了装配错误的风险，可能对飞机的安全性和性能产生影响。

3  精准装配控制方法和技术措施

3.1  提高数据精度和一致性的系统集成

采用集成的数据管理系统，如产品数据管理（PDM）和产品生命周期管理（PLM）系统，为整个飞机装配流程带来了巨大的优势。这些系统提供了一个统一的数据源，确保设计、工程和生产团队都使用相同的、最新的数据版本。通过综合管理所有设计文件、物料列表和装配指南，帮助减少了因使用过时或错误的数据而导致的生产中断和质量问题。根据行业研究，引入这些系统后，生产线的数据相关错误率下降了约30%。

为了进一步增强数据的准确性，实时数据验证技术被广泛应用。通过即时比对原始设计数据与生产现场收集的数据，可以及时识别并更正偏差。配合高精度的扫描仪，如激光三维扫描器，其精度可以达到0.001 mm，从而能够提供非常准确的部件测量。在飞机制造过程中，这意味着每10 m的部分，误差不会超过1 mm，显著提高了装配精度。此外，随着扫描技术的进步，其测量速度也得到了显著提高，现在可以在几分钟内完成大型部件的全面扫描。

为了确保整个团队都使用最新和最准确的数据，数据同步技术变得至关重要。任何对原始设计的修改或更新都会被自动记录并同步到系统中，确保所有相关部门都能接触到这些更改。通过使用先进的云技术和高速网络连接，数据同步几乎可以实时进行，从而大大减少了因数据不一致而导致的生产延误。实际应用中，采用这种同步技术的企业报告称，其生产效率提高了约20%，同时因数据不一致引起的错误数量减少了近一半。

3.2  使用增强现实（AR）技术

增强现实技术正日益成为飞机制造中的一项创新工具。传统上，工程师和技工依赖于2D图纸或3D模型指导装配工作。但是，AR技术的引入，特别是通过头戴显示设备或智能眼镜，允许工人在现场看到虚拟的3D图层与实际的部件重叠。这不仅减少了参照多个界面的需要，还使装配更加直观和准确。例如，某些先进的AR系统已经可以实时显示扭矩值、连接序列等关键参数，使技工可以快速而准确地完成任务。

与传统的装配方法相比，AR技术为飞机装配提供了显著的效率提升。一个实际应用案例显示，采用AR技术的飞机装配线可以在装配复杂部件时，减少了近50%的参照时间，因为工人不再需要反复查看图纸或电脑屏幕。此外，对于新员工，AR可以作为一种培训工具，帮助他们更快地熟悉装配流程。据统计，使用AR技术培训的新员工，其上手速度比传统培训方法快了40%。

为了进一步提高装配效率和精度，AR技术也被集成到其他数字化工具中，如实时数据分析、机器学习以及自动检测系统。例如，结合AR和实时数据分析，系统可以自动检测并纠正技工的操作误差，这种实时反馈可以减少返工和质量问题。此外，通过集成机器学习，AR系统能够识别常见的安装问题，并自动为技工提供解决建议。这种先进的系统集成使得飞机装配过程更加智能化，根据一项研究，当AR与其他数字工具集成使用时，生产线的总体效率提高了近60%。

3.3  实时监测材料变形

在飞机装配过程中，对材料和部件的应力状态进行准确监测是至关重要的。随着传感器技术的发展，当前市场上的应力传感器已经能够实现高达10 MPa的精度。这意味着，在飞机的关键部位，如翼梁、机身结构等，技工和工程师可以获得几乎实时的反馈，以及部件在装配过程中的实际应力分布。使用这种高精度的监测，装配团队可以在第一时间内识别并处理潜在的问题，从而避免后续的结构问题或更大的修复工作。

除了应力传感器，数字扫描技术也成为飞机装配中的重要工具。通过高分辨率的数字扫描，技术团队可以实时获得部件的三维形态和可能的变形情况。与应力传感器的数据结合，这些扫描信息可以为工程师提供更全面的部件状态视图。例如，使用精度高达0.01 mm的3D激光扫描仪，装配团队可以迅速捕获任何微小的形状变化，然后根据实际装配情况调整其策略。

借助实时的应力和形状数据，飞机制造商可以采用自适应的装配策略，即根据实际的部件状态调整装配顺序或方法。例如，如果某个部件的应力超出了预定范围，系统可以自动建议更改紧固件的扭矩设置或更改装配顺序。这种方法不仅可以减少生产中的返工和修复，还可以确保飞机在出厂时达到最高的结构完整性。在实际应用中，通过实时监测和自适应策略，一些先进的制造商已经实现了减少约15%的装配误差[3]。

3.4  自动碰撞检测和路径优化

随着计算机视觉技术的飞速发展，自动碰撞检测已经在飞机装配中扮演了不可或缺的角色。高级的计算机视觉系统能够捕捉部件间的最小距离和相对位置，从而预测出可能的碰撞点。例如，引入具有深度感知能力的摄像头，可以实时捕获3D空间中部件的相对位置，其精度可以达到0.5 mm。这种精准的数据捕获确保了机器人装配臂或其他自动化设备可以在第一时间调整其路径，避免不必要的碰撞。

机器人在飞机装配中的应用已经越来越普及，但如何确保它们的操作效率和准确性仍然是一个挑战。通过引入路径优化算法，可以确保机器人的运动是最有效和最安全的。这些算法利用实时的计算机视觉数据，自动计算出最短和最避免碰撞的路径。实际应用中，一些高级的路径优化系统已经能够减少机器人的移动距离约20%，从而提高了整体的装配效率。

自动碰撞检测和路径优化的引入对飞机装配产业带来了巨大的改变。在实际生产线上，引入这些技术的飞机制造商报告了显著的生产效率提升。例如，某先进的装配线上，装配时间已经减少了18%，而误差率下降了12%。此外，由于机器人的路径更为精确，返工和维修的需求也大大降低，从而进一步提高了生产线的运行效率[4]。

3.5  采用机器学习和AI技术

机器学习，尤其是深度学习技术，已经在许多领域显示出其强大的数据分析和预测能力。在飞机装配中，机器学习可以根据大量的历史装配数据进行训练，从中学习并识别出可能导致装配错误或延误的模式。例如，通过分析过去数万次的装配操作数据，机器学习模型可以准确预测在特定环境条件下，某一装配步骤可能出现的问题，其准确率可达90%以上。

除了基于历史数据的预测，AI技术还可以实时地为技术人员提供装配指导和建议。通过持续监控装配过程中的数据，如部件的位置、应力、温度等，AI算法可以即时地判断是否存在潜在的装配问题，并为操作人员提供实时的反馈和调整建议。在实际应用中，AI辅助的装配系统已经证明了其价值，例如，在某个先进的装配线上，使用AI技术已经帮助制造商减少了约20%的装配时间，并减少了约15%的误差。

未来，随着AI技术的不断进步和更多的应用数据的累积，我们可以期待更加智能地装配策略制定。不仅可以根据历史数据做出预测，AI还可以根据实时数据动态调整装配策略，确保每一步骤都是最优的。此外，随着越来越多的飛机部件采用智能传感器和IoT技术，装配过程中的数据将更加丰富，这为AI技术提供了更大的发挥空间。预计在未来10年内，利用AI技术，飞机装配的效率可能提高30%，同时误差率将进一步降低[5]。

4  结束语

随着数字化技术的快速发展和广泛应用，飞机装配领域正经历着前所未有的转型。面对各种装配难点，有必要采纳创新的方法和技术措施提高装配的精度和效率。无论是数据管理、增强现实、实时监测，还是先进的AI技术，都为飞机制造业带来了新的机遇。相信通过不断的研究、创新和实践，未来的飞机装配将更加智能、高效，为航空工业和全球旅客带来更多的价值与便利。

参考文献：

[1] 赵纯颖.数字化装配仿真装配技术在飞机装配中的应用探究[J].科技风，2018（29）：107.

[2] 项伟，李如玉.飞机数字化装配技术发展与应用[J].技术与市场，2019，24（12）：199.

[3] 侯志鹏，卢文权，王波，等.飞机机身装配工艺及仿真技术研究[J].军民两用技术与产品，2019（4）：9.

[4] 齐鹏斌，薛兰珠.飞机机翼前缘与缝翼数字化装配协调技术研究[J].中国科技信息，2015（1）：15-16.

[5] 宋利康，朱永国，刘春锋，等.大飞机数字化装配关键技术及其应用[J].航空制造技术，2016（5）：32-35，51.