周洪巖，王麗卿，向元滿

（1.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧沈陽110850；2.沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧沈陽100086）

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，飛機(jī)的制造技術(shù)邁上了新的臺(tái)階。在現(xiàn)階段不斷地研制出多種新機(jī)型，每種機(jī)型都需要大量的裝配工藝裝備（簡(jiǎn)稱工裝），而最影響飛機(jī)研制小批量的難題，是如何快速研制新型飛機(jī)的裝配工裝并縮短研制周期，降低研制成本。這些是目前迫切需要解決的難題，而解決這個(gè)難題的關(guān)鍵，是工裝的優(yōu)化及設(shè)計(jì)制造一體化。

裝配工裝，是飛機(jī)工裝的重中之重，裝配工裝的研制周期占飛機(jī)生產(chǎn)準(zhǔn)備周期的1/2左右。而工裝的制造精度，通常選取產(chǎn)品公差的1/3左右，工裝的制造水平在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的制造能力。為保證產(chǎn)品的精度和互換協(xié)調(diào)，每種飛機(jī)機(jī)型在制造過程中采用數(shù)百套裝配工藝裝備。在研制裝配中，產(chǎn)品的變化是不可預(yù)知的，裝配型架的設(shè)計(jì)制造又隨著產(chǎn)品數(shù)據(jù)的變化而改動(dòng)，這無疑又延長(zhǎng)了裝配型架的制造周期。因此，為加速新機(jī)型的研制進(jìn)程，工裝的優(yōu)化及設(shè)計(jì)制造一體化，是我們目前迫切需要解決的難題。

1 我國(guó)現(xiàn)階段的飛機(jī)工裝制造體系

1.1 普遍采用數(shù)字化制造技術(shù)

隨著飛機(jī)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的模線樣板——標(biāo)準(zhǔn)樣件的協(xié)調(diào)方法，已越來越不適應(yīng)新機(jī)型的發(fā)展需要，隨之而來的是三維數(shù)字化技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)在新機(jī)型的制造中展示了很好的應(yīng)用前景，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。數(shù)字化制造技術(shù)在新機(jī)型中的廣泛應(yīng)用，縮短了新機(jī)研制周期，降低了新機(jī)研制費(fèi)用，可平行作業(yè)，提高制造準(zhǔn)確度。

在裝配工藝裝備制造方面，對(duì)必要的且形狀和協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜的組合件的標(biāo)準(zhǔn)樣件、裝配型架的內(nèi)外卡板等，可以采用數(shù)控加工和數(shù)控測(cè)量技術(shù)。對(duì)于工藝裝備數(shù)控加工所需要的有關(guān)形狀和尺寸的幾何數(shù)據(jù)，可以直接從飛機(jī)的幾何數(shù)據(jù)庫中提取，不再需要經(jīng)過模線和樣板等模擬量尺寸傳遞過程。這樣可以大大提高工藝裝備的制造準(zhǔn)確度和協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度，提高加工效率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

在工裝裝配方面，直接按激光跟蹤儀裝配。其裝配原理是：在工裝定位器上設(shè)計(jì)出3個(gè)光學(xué)目標(biāo)點(diǎn)，并給出該定位器在空間的正確位置時(shí)3個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的理論坐標(biāo)值：P1理（X1，Y1，Z1）；P2理（X2，Y2，Z1）；P3理（X3，Y3，Z3），在工裝裝配時(shí)，用激光跟蹤儀測(cè)出該定位器 3點(diǎn)的實(shí)際值：P1實(shí)（X1，Y1，Z1）；P2實(shí)（X2，Y2，Z1）；P3實(shí)（X3，Y3，Z3）。由于實(shí)際坐標(biāo)系與理論坐標(biāo)系存在誤差，需適當(dāng)調(diào)整定位器的位置，使實(shí)際坐標(biāo)值在理論坐標(biāo)值的公差范圍內(nèi)，這樣就確定了定位器在工裝中的正確位置。工裝設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循3-2-1原則和自由度分離原則。

2.2 工裝設(shè)計(jì)制造“孤島”現(xiàn)象仍嚴(yán)重

工裝設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化應(yīng)有機(jī)地結(jié)合在一起，形成完整的產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)。而工裝設(shè)計(jì)制造的“孤島”現(xiàn)象嚴(yán)重，工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)制造僅限于工裝制造部門，并沒有工裝制造單位參與。工裝設(shè)計(jì)制造“孤島”現(xiàn)象，這種設(shè)計(jì)制造方法必然導(dǎo)致工裝設(shè)計(jì)制造缺陷，造成工裝結(jié)構(gòu)不合理，工裝笨重，定位器的選擇不合理等，導(dǎo)致工裝頻繁的返工故障，返修成本很高。

2 工裝的優(yōu)化

2.1 建立工裝優(yōu)化集成系統(tǒng)軟件

通過總結(jié)歸納飛機(jī)工裝的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和流程，創(chuàng)建裝配工裝、模具、焊接夾具設(shè)計(jì)等一系列知識(shí)庫，研發(fā)飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造流程導(dǎo)航的重大關(guān)鍵技術(shù)，以CATIA V5為統(tǒng)一平臺(tái)，開發(fā)飛機(jī)工裝智能化快速設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)（系統(tǒng)的規(guī)劃框見圖1）。

圖1 設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)規(guī)劃框

在飛機(jī)工裝典型結(jié)構(gòu)自適應(yīng)建模技術(shù)中，針對(duì)飛機(jī)各部分工裝的典型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用一種基于虛擬零件的飛機(jī)工裝典型結(jié)構(gòu)自適應(yīng)建模技術(shù)，拓展工裝建模思路，以提高計(jì)算機(jī)對(duì)工裝結(jié)構(gòu)幾何描述能力和建模效率。把飛機(jī)工裝常用的典型定位器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分類別放在軟件系統(tǒng)中，需要時(shí)直接調(diào)取。

在飛機(jī)工裝相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)條件中，歸納了數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。一般裝配工裝中大體包括：卡板，托板，定位器，壓緊裝置，成品件等?？ò搴屯邪逶O(shè)計(jì)制造方法，就材料選擇方面而言，一般小尺寸的直接選擇鋁件2A12，對(duì)于大尺寸的最好選擇鑄鋁ZL101，防止在加工使用中變形?？ò寤蛲邪逡幻媸钦疚幻妫杈庸?，平面度控制在0.08 mm以內(nèi)，站位面上至少安裝3個(gè)工具球，給出工具球的坐標(biāo)值。數(shù)控加工時(shí)，以基準(zhǔn)面定位，加工數(shù)控型面以及工具球孔。裝配時(shí)，按工具球把卡板調(diào)整到公差范圍內(nèi)。壓緊裝置最好都選擇標(biāo)準(zhǔn)件，以節(jié)約設(shè)計(jì)制造周期。定位器設(shè)計(jì)要考慮可加工性和易裝配性。對(duì)于叉耳類定位器兩端面控制公差，孔與面垂直，兩端給出雙點(diǎn)目標(biāo)工具球值。軸類零件最好軸兩端給出單點(diǎn)工具球值，盡量不一端給出雙點(diǎn)目標(biāo)，以防軸線安裝傾斜。

在數(shù)字化設(shè)計(jì)制造裝配型架時(shí)應(yīng)特別注意，裝配工裝零件材料選擇，應(yīng)選擇膨脹系數(shù)相近的，對(duì)于大型裝配型架，工裝地基框架設(shè)計(jì)應(yīng)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，可節(jié)省大量時(shí)間。支撐件選擇大型鑄鐵支座，具有較高的剛性和減震功能。對(duì)于整體式方形框架，如果有機(jī)加設(shè)備加工的條件，原則上必須上機(jī)床加工框架，這樣在激光跟蹤儀裝配中容易裝配，減少框架的不平度，減小實(shí)際坐標(biāo)系與理論坐標(biāo)系的偏角，在有水平和垂直要求的框架中，要特別注意這一點(diǎn)。

2.2 運(yùn)用精益理念，選取必須的裝配工裝

由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其特殊性，每種機(jī)型都需要大量的裝配工裝，以滿足其制造裝配的準(zhǔn)確性、互換性及氣動(dòng)外形的正確性。在保證飛機(jī)零件準(zhǔn)確裝配定位的前提下，運(yùn)用多種工藝裝配方法，簡(jiǎn)化裝配結(jié)構(gòu)，盡可能減少裝配工裝的數(shù)量。這樣可以降低飛機(jī)研制成本，縮短飛機(jī)研制周期，并減少飛機(jī)裝配的轉(zhuǎn)接誤差等。

2.3 建立品種齊全的標(biāo)準(zhǔn)件和成品件庫

工裝設(shè)計(jì)中采用大量的標(biāo)準(zhǔn)件，可以縮短工裝的設(shè)計(jì)制造周期，降低工裝的研制費(fèi)用。目前航空標(biāo)準(zhǔn)件還不夠全面，還需增加新的標(biāo)準(zhǔn)。這樣在工裝設(shè)計(jì)時(shí)，只要引用標(biāo)準(zhǔn)就可以了，可大大節(jié)省工裝設(shè)計(jì)制造時(shí)間。尤其是液壓裝置，工裝中需要數(shù)十套液壓裝置，采取統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，方便安裝、使用和維修。特別要說明的是，在新研制的機(jī)型中，液壓裝置的選取很混亂，不同的工裝選取不同廠家的液壓裝置，而且工裝中沒有液壓原理圖，給使用和維修帶來很大的麻煩，廠家維修不了的，只能報(bào)廢，極大程度上浪費(fèi)了生產(chǎn)成本。

目前，有些設(shè)計(jì)人員對(duì)工裝標(biāo)準(zhǔn)件不是很熟悉，一些定位器的功能完全可以用標(biāo)準(zhǔn)件來代替，而實(shí)際上卻隨意設(shè)計(jì)出一個(gè)新的定位器，全新制造，極大程度上浪費(fèi)工裝設(shè)計(jì)制造時(shí)間。在新機(jī)型工裝中，常用的定位器應(yīng)建立新的標(biāo)準(zhǔn)。在新標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定材料及加工方法。對(duì)于所有的新舊標(biāo)準(zhǔn)件，都應(yīng)以電子版存放在CATIAV5標(biāo)準(zhǔn)件庫中，工裝設(shè)計(jì)人員可隨意從標(biāo)準(zhǔn)件庫中引用標(biāo)準(zhǔn)，工裝制造時(shí)直接領(lǐng)用成品，或領(lǐng)用半成品加工成成品。

3 設(shè)計(jì)制造一體化

3.1 組織體系上的人員分工

在新機(jī)型數(shù)字化研制中，為縮短研制周期，采取并行工程及IPT工作組。飛機(jī)數(shù)模生成或部分生成后，應(yīng)組建一個(gè)新機(jī)裝配工裝設(shè)計(jì)制造團(tuán)隊(duì)，其成員來自工裝設(shè)計(jì)部門、工裝制造部門、工裝使用單位的精英，他們直接參與工裝的設(shè)計(jì)任務(wù)。裝配工裝設(shè)計(jì)制造團(tuán)隊(duì)相互協(xié)作，確定新機(jī)工裝數(shù)量、工裝類型、工裝產(chǎn)品定位方式、工裝的裝配公差、成品件的選取等；對(duì)裝配工裝的總體結(jié)構(gòu)大致確定好，綜合考慮到飛機(jī)的出架方式、廠房空間等因素。裝配工裝設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)注意及時(shí)跟蹤飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)改動(dòng)、及時(shí)與上一級(jí)領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)等問題。

3.2 設(shè)計(jì)與制造單位的溝通協(xié)調(diào)

新機(jī)型需大量的裝配工裝，工裝設(shè)計(jì)部門應(yīng)全部參與工裝的設(shè)計(jì)任務(wù)，工裝制造單位和工裝使用單位各派出1～2人參與工裝設(shè)計(jì)制造團(tuán)隊(duì)。工裝設(shè)計(jì)部門由新機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造團(tuán)隊(duì)統(tǒng)一協(xié)調(diào)一些具體問題。對(duì)于飛機(jī)的某一部分型架，相關(guān)單位直接找相關(guān)人員來具體協(xié)調(diào)，充分考慮到專人專項(xiàng)，發(fā)揮個(gè)人特長(zhǎng)。

例如某機(jī)型后機(jī)身總裝型架，工裝制造單位和工裝使用單位專門負(fù)責(zé)人對(duì)該工裝的結(jié)構(gòu)和使用功能非常了解，設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)該型架時(shí)，設(shè)計(jì)制造團(tuán)隊(duì)中的工裝制造廠人員可通知本單位具體負(fù)責(zé)的人員，設(shè)計(jì)制造團(tuán)隊(duì)中的使用單位人員可通知本單位具體使用的人員，一起約定時(shí)間，聚在設(shè)計(jì)室研究工裝的結(jié)構(gòu)、定位器的定位方式并改正以往類似工裝定位器的缺陷，共同研制出合理簡(jiǎn)潔的工裝定位方式。有問題時(shí)，三方應(yīng)及時(shí)約定時(shí)間溝通。這樣，工裝型架設(shè)計(jì)完后，工裝制造不會(huì)有大改動(dòng)，不再有以往工裝強(qiáng)度不好、安裝費(fèi)勁、返修困難和定位器不好用等問題。為縮短工裝設(shè)計(jì)制造周期，工裝設(shè)計(jì)制造可并行工作，工裝設(shè)計(jì)者和工裝制造者每天及時(shí)溝通，設(shè)計(jì)完一個(gè)組件，可制造一個(gè)組件，工裝設(shè)計(jì)更改及時(shí)貫徹，這樣設(shè)計(jì)完后，零件制造也快要制造完了。在現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)，零件裝配可平行作業(yè)，大大縮短裝配周期。

4 結(jié)束語

數(shù)字化制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加速了新機(jī)型研制的進(jìn)程，開發(fā)工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、使用單位、管理的集成工作平臺(tái)，是生產(chǎn)出高質(zhì)量飛機(jī)的關(guān)鍵。我國(guó)已是飛機(jī)制造業(yè)的大國(guó)，多研制新機(jī)型，提高飛機(jī)的性能，從不斷研制的新機(jī)型中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，縮短我國(guó)飛機(jī)制造技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家的距離，研制出具有自主產(chǎn)權(quán)高性能的機(jī)型，提高我國(guó)整體裝備制造業(yè)的水平，把我國(guó)變成一個(gè)軍事強(qiáng)國(guó)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工裝的設(shè)計(jì)制造將更加合理快捷。

[1]范玉清.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[2]《飛機(jī)制造工程手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)制造工程手冊(cè)（飛機(jī)工藝裝備分冊(cè)）[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994.

[3]王 強(qiáng)，萬世明，等.飛機(jī)工裝數(shù)字化制造技術(shù)的研究[C]，成都：四川省航空宇航學(xué)會(huì)，2009.