中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 張立安 劉 軍

由于大型客機(jī)長(zhǎng)壽命、高可靠性的設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量有較高的要求，使得飛機(jī)技術(shù)向高質(zhì)量、精確化方向發(fā)展?，F(xiàn)代飛機(jī)制造必須走優(yōu)質(zhì)、高效、精密、環(huán)保和低成本的工藝總技術(shù)路線，必須應(yīng)用自動(dòng)化裝配、柔性制造等技術(shù)。特別是通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的自動(dòng)制孔系統(tǒng)及鉚接裝配生產(chǎn)線，可以大力開展對(duì)國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)自動(dòng)化制造技術(shù)的研究，學(xué)習(xí)和積累國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及工藝方法，并結(jié)合大型飛機(jī)的研制實(shí)踐，大力提高我國(guó)的飛機(jī)制造技術(shù)。

鑒于我國(guó)在大型飛機(jī)的研制過(guò)程中的總體技術(shù)要求和工藝總方案的要求，C919垂直尾翼的裝配生產(chǎn)線按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，采用國(guó)際招標(biāo)的方式建設(shè)了數(shù)字化、自動(dòng)化的裝配線，在生產(chǎn)線的建設(shè)中大量應(yīng)用了國(guó)際先進(jìn)裝配技術(shù)，在此對(duì)生產(chǎn)線的先進(jìn)裝配技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的總結(jié)，以便國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)進(jìn)行借鑒。

基于MBD的工裝設(shè)計(jì)和工裝的模塊化

基于模型的數(shù)字化定義（MBDModel Based Definition）技術(shù)是基于產(chǎn)品的數(shù)字化定義模型，將詳細(xì)的產(chǎn)品尺寸、公差標(biāo)注、工藝信息、技術(shù)要求及屬性特征等注釋在產(chǎn)品的三維模型中。國(guó)外航空制造業(yè)對(duì)MBD技術(shù)的應(yīng)用起步較早，研究比較充分，應(yīng)用范圍也比較廣泛。而國(guó)內(nèi)在MBD技術(shù)的應(yīng)用方面，只有新研制的部分航空產(chǎn)品在工程設(shè)計(jì)上應(yīng)用了MBD技術(shù)，而以MBD為核心的工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造中還處于以2D圖紙配合3D模型的方式，沒(méi)有形成以MBD為核心的制造模式。

雖然MBD技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)展和應(yīng)用了很長(zhǎng)時(shí)間，但是在工藝裝備的設(shè)計(jì)上，國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)限于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化手段的落后，傳統(tǒng)的管理習(xí)慣和方式，造成工裝制造部門更喜歡使用2D圖紙，因此大大限制了我國(guó)工裝設(shè)計(jì)中MBD技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。目前，國(guó)外公司已經(jīng)普遍采用了MBD技術(shù)進(jìn)行工裝的設(shè)計(jì)，工裝設(shè)計(jì)部門與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝有數(shù)字化傳輸網(wǎng)絡(luò)，工裝設(shè)計(jì)部門可以實(shí)時(shí)地將工裝設(shè)計(jì)模型以及設(shè)計(jì)更改傳輸?shù)缴a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化終端，配合標(biāo)準(zhǔn)的程序作業(yè)管理文件，工裝制造部門隨時(shí)掌握工裝的設(shè)計(jì)進(jìn)度和更改情況，配合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化的測(cè)量設(shè)備，及時(shí)安裝和實(shí)施設(shè)計(jì)更改，大大提高了工裝的制造進(jìn)程和制造質(zhì)量。

國(guó)外飛機(jī)裝配工裝設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展思路多來(lái)源于汽車生產(chǎn)線技術(shù)，很多的制造廠在從事航空配套之前從事過(guò)多汽車生產(chǎn)線的配套業(yè)務(wù)，因此在飛機(jī)裝配工裝的設(shè)計(jì)上開發(fā)了很多標(biāo)準(zhǔn)化的工裝模塊，而對(duì)于飛機(jī)裝配線的集成商來(lái)說(shuō)，只需要按照裝配方案和工裝設(shè)計(jì)方案開發(fā)工裝的基礎(chǔ)框架，其他工裝組件選用現(xiàn)成的工裝模塊即可，因此大大提高了工裝的設(shè)計(jì)及制造進(jìn)度。

基于機(jī)器人的自動(dòng)制孔技術(shù)

大型飛機(jī)對(duì)外形準(zhǔn)確度要求很高，機(jī)身結(jié)構(gòu)要求壽命周期長(zhǎng)，因此對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)的制孔和鉚接質(zhì)量有較高的要求。在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料的應(yīng)用比例逐漸提高，由于復(fù)合材料在制孔和鉚接方面技術(shù)要求的特殊性，以人力為主的手工制孔和鉚接已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代航空制造質(zhì)量的要求，因此國(guó)外先進(jìn)航空制造企業(yè)大力開發(fā)和應(yīng)用自動(dòng)化制孔技術(shù)。

國(guó)外飛行器結(jié)構(gòu)所應(yīng)用的柔性自動(dòng)化制孔技術(shù)主要有機(jī)器人制孔、自動(dòng)進(jìn)給鉆制孔、柔性機(jī)器人制孔、并聯(lián)機(jī)床制孔、便攜式自動(dòng)制孔系統(tǒng)等幾個(gè)方面。

制孔精度補(bǔ)償主要有兩種方法：一種是在末端執(zhí)行器上加裝各類測(cè)量傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全局與局部網(wǎng)格實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)娜]環(huán)控制；另一種是通過(guò)激光跟蹤儀構(gòu)建一個(gè)外部高精度的在線機(jī)器人位置反饋系統(tǒng)，此系統(tǒng)提供機(jī)器人在線位置反饋，通過(guò)標(biāo)定的方法來(lái)提高機(jī)器人的絕對(duì)定位和重復(fù)定位精度。

在C919垂尾生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)不同的自動(dòng)制孔設(shè)備在空間需求、設(shè)備柔性、工作可達(dá)性、設(shè)備投資、設(shè)備可操作性、孔位精度指標(biāo)、以及設(shè)備可擴(kuò)展性等性能指標(biāo)，對(duì)目前市場(chǎng)上的自動(dòng)鉆孔設(shè)備進(jìn)行對(duì)比分析，最終選擇MRP自動(dòng)制孔機(jī)器人設(shè)備。通過(guò)MRP自動(dòng)制孔機(jī)器人FasTIP、BA-OLPS等軟件，創(chuàng)建仿真環(huán)境，編制機(jī)器人路徑點(diǎn)信息，生成加工序列，優(yōu)化機(jī)器人路徑點(diǎn)，設(shè)置機(jī)器人點(diǎn)位信號(hào)，仿真機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程，最終生成機(jī)器人離線程序。

基于3DCS的尺寸控制技術(shù)

在國(guó)內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，容差分配理論研究主要基于數(shù)值分析與公式計(jì)算，其應(yīng)用需要技術(shù)人員具有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，因此在航空制造企業(yè)內(nèi)開展有一定的困難。一般情況下，國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)對(duì)于容差分配方案，只限于比較簡(jiǎn)單的極值法，技術(shù)人員根據(jù)企業(yè)自身的制造能力，結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)容差進(jìn)行簡(jiǎn)單的分配。因此，我國(guó)的飛機(jī)容差控制和分配技術(shù)基本處于比較原始的狀態(tài)，在一定程度上限制了我國(guó)飛機(jī)制造質(zhì)量的提升。

在國(guó)外，有專業(yè)的尺寸管理工程研究，有很多軟件開發(fā)商開發(fā)出優(yōu)秀的商用軟件進(jìn)行尺寸偏差分析與優(yōu)化。目前，國(guó)外先進(jìn)的尺寸偏差分析商用軟件主要有VSA、CETOL和3DCS等軟件，其中3DCS是為尺寸工程提供解決方案的領(lǐng)先軟件產(chǎn)品。

3DCS軟件強(qiáng)調(diào)數(shù)字化裝配的變化和模擬，能更準(zhǔn)確地確定和傳達(dá)裝配需求。3DCS公差分析軟件作為Dassault系統(tǒng)中一個(gè)“成熟的”工具，將公差分析融入到CATIA V5可視化環(huán)境下，不但可以進(jìn)行偏差分析，而且能夠?qū)Τ叽绶治鼋Y(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。3DCS軟件在尺寸分析中，分析對(duì)象是由許多零件組成的裝配體，分析目標(biāo)是零件或裝配件整體的尺寸變化。當(dāng)許多零件裝配在一起的時(shí)候，零件尺寸變化可以從一個(gè)層級(jí)裝配體傳遞到另外一個(gè)層級(jí)，每個(gè)零件的尺寸變化將會(huì)影響整個(gè)裝配體的尺寸。3DCS軟件可以執(zhí)行極值法、Monte Carlo法、六西格瑪、Geo-Factor模擬等多種模擬仿真方法，在模擬分析中，可以輸出Excel和Html文件格式的仿真結(jié)果，用戶可以對(duì)比設(shè)計(jì)目標(biāo)值和仿真分析結(jié)果，也可以比較在不同的尺寸管理方案下的模擬輸出仿真結(jié)果。它能幫助用戶發(fā)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題影響最大的因素。在分析結(jié)果中，會(huì)根據(jù)公差對(duì)結(jié)果影響的大小對(duì)公差進(jìn)行排序。這樣的話，用戶就能夠比較容易地找到對(duì)問(wèn)題影響最大的因素。

在C919垂尾生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模中給定的工程設(shè)計(jì)容差要求及工程文件技術(shù)要求，利用3DCS尺寸控制軟件，按照產(chǎn)品的裝配流程，對(duì)裝配件中重點(diǎn)的外形輪廓度要求、垂直安定面與方向舵對(duì)合鉸鏈的同軸度進(jìn)行了尺寸分析與優(yōu)化，輸出零件容差要求和工裝容差要求，保證產(chǎn)品制造與裝配最終符合工程設(shè)計(jì)的要求（圖1）。

基于激光跟蹤儀的數(shù)字化測(cè)量

C919垂尾部件的數(shù)字量化測(cè)量主要使用激光跟蹤儀設(shè)備。目前，瑞士LEICA 公司推出其第五代激光跟蹤儀AT901 系列，第五代激光跟蹤儀測(cè)量速度更快、更方便。該設(shè)備適用于飛機(jī)外形及大型復(fù)雜夾具或型架上空間尺寸和目標(biāo)點(diǎn)的精確測(cè)量，能進(jìn)行尺寸測(cè)量與誤差評(píng)價(jià)、形位公差計(jì)算與評(píng)價(jià)，能對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果與分析報(bào)告能圖示化顯示與輸出，測(cè)量的原始數(shù)據(jù)和分析報(bào)告皆能按通用的幾何和文本格式輸出。

C919垂直安定面的外形測(cè)量技術(shù)方案：第1步，設(shè)置激光跟蹤儀，建立工裝坐標(biāo)系。鑒于垂直安定面的外形比較規(guī)則的特點(diǎn)，采用外加基準(zhǔn)板或采用飛機(jī)制造基準(zhǔn)面方式確定測(cè)量坐標(biāo)系，在其上選取3個(gè)以上基準(zhǔn)點(diǎn)建立測(cè)量坐標(biāo)系。第2步，測(cè)量型面，首先導(dǎo)入數(shù)模，在測(cè)量軟件圖形顯示界面上，定義部位的幾何公差和尺寸公差。使用反射球在垂直安定面蒙皮表面接觸均勻劃過(guò)，通過(guò)它的空間運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)反映空間曲面。測(cè)量點(diǎn)越密，說(shuō)明曲面的形位越接近實(shí)際曲面，而測(cè)量點(diǎn)的疏密是通過(guò)測(cè)量軟件來(lái)設(shè)定的。例如設(shè)定參數(shù)為2mm, 則在與前一點(diǎn)空間距離2mm處采集第二個(gè)點(diǎn)，通過(guò)這樣的方法就得到了空間曲面的坐標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)曲率變化較大的曲面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)使跟蹤頭水平，垂直角度變化范圍最小，這是因?yàn)楦鶕?jù)儀器自身特點(diǎn)，影響測(cè)量精度的最大因素在于它的測(cè)角，其測(cè)量誤差要大于測(cè)距誤差。 通過(guò)掃描垂尾上的反射器在設(shè)定間隔（例如100mm） 采集樣本數(shù)據(jù)，建立垂尾表面二維網(wǎng)格得到每個(gè)采樣點(diǎn)在飛機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，獲得與理論值的偏差。實(shí)際測(cè)量值形成點(diǎn)云后擬合成曲面，把實(shí)際測(cè)量結(jié)果與數(shù)模比較，按照偏差數(shù)據(jù)生成彩色溫差圖，表示測(cè)量結(jié)果，計(jì)算測(cè)得的幾何元素間的相對(duì)位置關(guān)系（距離、角度等），查看關(guān)鍵部位的特征符合情況（尺寸公差和幾何公差）。

C919方向舵鉸鏈接頭軸心測(cè)量技術(shù)方案：通過(guò)激光跟蹤儀，測(cè)量方向舵夾具上的工具球在飛機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（圖2）。首先測(cè)量各鉸鏈孔中鳥巢反射器位置，然后測(cè)量連接面上4個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)，建立鉸鏈平面（通過(guò)反射器半徑轉(zhuǎn)化）。鉸鏈孔位置是鳥巢點(diǎn)與平面的交匯點(diǎn)。得到每個(gè)孔的在飛機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，確定在理論模型上的偏差。得到各鉸鏈點(diǎn)位置最佳擬合成直線，通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量得到每個(gè)鉸鏈點(diǎn)的位置坐標(biāo)，根據(jù)實(shí)際鉸鏈點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)最佳擬合，計(jì)算直線。

圖1 3DCS偏差仿真分析報(bào)告

圖2 方向舵測(cè)量方法示意圖

結(jié)束語(yǔ)

大型客機(jī)垂尾結(jié)構(gòu)自動(dòng)化裝配技術(shù)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)從設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)方面加以綜合考慮，建立飛機(jī)自動(dòng)化制造裝配系統(tǒng)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有零件制造精度、飛機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝配工藝能力，綜合考慮國(guó)內(nèi)現(xiàn)有飛機(jī)的制造能力、批產(chǎn)數(shù)量及制造技術(shù)水平，立足國(guó)內(nèi)，有選擇性地吸收和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)飛機(jī)制造技術(shù)發(fā)展。

總之，數(shù)字化、自動(dòng)化和柔性化是當(dāng)前國(guó)外飛機(jī)制造技術(shù)發(fā)展的重要方向，其發(fā)展程度體現(xiàn)了一個(gè)飛機(jī)制造企業(yè)的技術(shù)水平，也是國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造企業(yè)的發(fā)展方向。飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)的應(yīng)用，不但能大大縮短飛機(jī)的研制和制造周期，而且能夠快速提高飛機(jī)的制造質(zhì)量，大力推動(dòng)和加速提升我國(guó)大型客機(jī)的制造水平。