（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136）

隨著自主研發(fā)與制造大型飛機(jī)項(xiàng)目的順利開(kāi)展，引進(jìn)國(guó)際化航空先進(jìn)制造技術(shù)的同時(shí)，我國(guó)大型飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)得以快速發(fā)展。大型飛機(jī)具有壁板組件曲面復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、空間較開(kāi)敞、氣動(dòng)布局穩(wěn)定性和組件裝配質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，對(duì)先進(jìn)裝配技術(shù)的需求迫在眉睫。

由于壁板組件裝配的質(zhì)量要求與本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，國(guó)外各大飛機(jī)制造廠采用壁板組件先進(jìn)裝配技術(shù)，如波音、空客、法航及龐巴迪等大型軍民用飛機(jī)的機(jī)身與機(jī)翼壁板組件、翼梁組件等廣泛采用了先進(jìn)裝配工藝、自動(dòng)鉆鉚、柔性裝配及裝配仿真分析等技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)并完成了壁板組件高質(zhì)量、高效率及低成本的裝配。面對(duì)航空企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的國(guó)際形勢(shì)，我國(guó)在研制大型飛機(jī)壁板組件數(shù)字化裝配系統(tǒng)時(shí)需要綜合考慮裝配效率、系統(tǒng)柔性、設(shè)備成本等因素[1]。飛機(jī)壁板組件數(shù)字化、自動(dòng)化的裝配應(yīng)用研究較為廣泛，隨著技術(shù)引進(jìn)與柔性工藝裝備的研發(fā)，壁板組件裝配已經(jīng)初步應(yīng)用自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。

本文討論自動(dòng)鉆鉚機(jī)與柔性工裝集成鉚接裝配壁板組件技術(shù)，并闡述壁板組件快速裝配過(guò)程中仿真技術(shù)的應(yīng)用，以期為大型飛機(jī)壁板組件快速精確裝配和大部件裝配技術(shù)研究提供參考。

壁板組件裝配先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

目前在大型飛機(jī)新型號(hào)研制中，裝配工藝設(shè)計(jì)采用MBD技術(shù)，即通過(guò)三維模型表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，在三維模型上標(biāo)注尺寸、定義公差、注釋加工信息等，取消傳統(tǒng)的二維圖樣[2]。針對(duì)飛機(jī)壁板組件裝配工藝而言，由于壁板、長(zhǎng)桁及隔框等零組件裝配曲度大、結(jié)構(gòu)開(kāi)敞等自身特點(diǎn)，單純通過(guò)二維圖紙和傳統(tǒng)的三維數(shù)模表達(dá)很難完成裝配工藝規(guī)劃的準(zhǔn)確實(shí)施，而壁板組件裝配工藝又是分塊壁板對(duì)接及飛機(jī)大部件對(duì)接裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其裝配工藝設(shè)計(jì)與精確的實(shí)施較重要。新型號(hào)飛機(jī)壁板裝配先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)改變傳統(tǒng)的剛性工裝裝配產(chǎn)品的工藝流程設(shè)計(jì)或采用典型的剛性工裝對(duì)壁板預(yù)裝配，使用自動(dòng)鉆鉚機(jī)完成壁板組件鉚接裝配。采用基于PDM一體化三維工藝設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)基于MBD的壁板組件裝配工藝規(guī)劃、詳細(xì)設(shè)計(jì)及指令開(kāi)發(fā)，使得裝配工藝流程設(shè)計(jì)通過(guò)MBD技術(shù)一體化集成平臺(tái)完成[3]。

新型號(hào)飛機(jī)壁板裝配先進(jìn)工藝（圖1）采用預(yù)裝配與全自動(dòng)鉆鉚機(jī)相結(jié)合的工藝流程方案，基于PDM的一體化三維工藝設(shè)計(jì)采用三維CAPP系統(tǒng)作為先進(jìn)裝配工藝方案的編制工具，三維CAPP編制的壁板組件裝配工藝界面包括壁板零組件及工藝裝備結(jié)構(gòu)化參數(shù)信息、裝配工藝流程、裝配輕量化模型、裝配使用柔性工裝及自動(dòng)鉆鉚機(jī)型號(hào)、實(shí)物圖片及容差分配的方式等可視化信息通過(guò)PDM系統(tǒng)平臺(tái)集成管理。同時(shí)壁板組件裝配三維工藝數(shù)據(jù)通過(guò)與自動(dòng)鉆鉚機(jī)、柔性工裝及數(shù)字化測(cè)量設(shè)備等制造執(zhí)行系統(tǒng)銜接，可以將輕量化模型發(fā)布到數(shù)字化、柔性化生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)中，壁板組件裝配現(xiàn)場(chǎng)的操作者可以通過(guò)數(shù)字化生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，瀏覽可視化3D工藝流程，執(zhí)行裝配操作。

壁板組件裝配先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括工藝設(shè)計(jì)軟件，裝配工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集、流程管理及與三維CAPP、MES與ERP的集成系統(tǒng)。通過(guò)PDM集成系統(tǒng)完成工藝流程設(shè)計(jì)，工藝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)裝配工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行EBOM管理，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行PBOM/MBOM/AO/FO數(shù)據(jù)管理，完成工藝流程仿真干涉檢驗(yàn)，將問(wèn)題反饋至工藝設(shè)計(jì)更改系統(tǒng)進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)更改PBOM時(shí)PDM系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示工藝編制人員進(jìn)行工藝優(yōu)化修改。壁板組件工藝設(shè)計(jì)人員可從PDM系統(tǒng)直接啟動(dòng)工藝編輯環(huán)境進(jìn)行編輯工作。壁板組件裝配工藝編輯環(huán)境直接利用PDM系統(tǒng)管理的PBOM/MBOM相關(guān)信息及三維設(shè)計(jì)模型/工藝模型及自動(dòng)鉆鉚機(jī)等產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)工作，完成工藝文件的編輯與裝配工藝流程界面自動(dòng)關(guān)聯(lián)。工藝編輯環(huán)境直接利用PDM系統(tǒng)中的輕量化模型進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)的重組和存儲(chǔ)。通過(guò)先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)工藝數(shù)據(jù)發(fā)放與接收，并通過(guò)工藝數(shù)據(jù)的執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行工藝流程執(zhí)行，當(dāng)遇到不同機(jī)型壁板時(shí)，選用相應(yīng)的柔性工裝與自動(dòng)鉆鉚設(shè)備，調(diào)用輔助測(cè)量設(shè)備及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)裝配，便于壁板組件裝配批量生產(chǎn)。該工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)能對(duì)先進(jìn)裝配工藝流程信息和可視化文件進(jìn)行同步存儲(chǔ)和管理，當(dāng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)生更改時(shí)，能自動(dòng)提醒工藝設(shè)計(jì)人員及時(shí)更改，以及更改相關(guān)數(shù)據(jù)與可視化仿真文件，實(shí)現(xiàn)壁板組件從工藝設(shè)計(jì)到柔性裝配數(shù)據(jù)的一體化集成。

圖1 壁板組件裝配先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)Fig.1 Advanced process design for panel component assembly

壁板組件先進(jìn)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)

隨著工業(yè)4.0智能化技術(shù)的到來(lái)，數(shù)字化、自動(dòng)化裝配技術(shù)已經(jīng)成為飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。國(guó)外軍、民用飛機(jī)制造公司將飛機(jī)裝配過(guò)程中的自動(dòng)鉆鉚機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)重要的核心技術(shù)，已經(jīng)成熟應(yīng)用于飛機(jī)壁板及大梁裝配，后期已在飛機(jī)大部件對(duì)接裝配中使用柔性機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)[4]。圖2為實(shí)現(xiàn)壁板組件自動(dòng)鉆鉚裝配不同類型的自動(dòng)鉆鉚機(jī)。目前各國(guó)使用的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)主要有:（1）柔性機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)。該鉆鉚機(jī)通過(guò)協(xié)同機(jī)器人對(duì)機(jī)身壁板進(jìn)行定位，利用全自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壁板鉆孔和鉚接，同時(shí)系統(tǒng)配備有鉚釘自動(dòng)篩選裝置，可識(shí)別和傳送不同規(guī)格的鉚釘，輔助配置涂膠槍，實(shí)現(xiàn)不同連接工藝涂膠，可應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼壁板、機(jī)身壁板、艙口與尾翼等鉚接裝配，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在波音787飛機(jī)的鉆鉚與涂膠工藝中[5]。（2）電磁鉚接技術(shù)。該技術(shù)具有鉚接效率高、連續(xù)噪聲低、能量利用率高等特點(diǎn)，可將桁條快速連接到機(jī)翼壁板上，并可鉚接裝配部分壁板對(duì)接帶板上的緊固件，通常用于機(jī)翼壁板鉚接裝配。（3）虛擬五軸自動(dòng)鉆鉚技術(shù)。該技術(shù)由運(yùn)動(dòng)滑軌、虛擬五軸模塊和自動(dòng)鉆鉚終端等組成，一次裝夾可加工6個(gè)面，主軸可反向加工且加工區(qū)域大，移動(dòng)速度較快且動(dòng)態(tài)響應(yīng)高，具有高剛性、靈活性的特點(diǎn)，通常使用在表面不規(guī)則的多層有縫隙結(jié)構(gòu)（復(fù)合材料）、鋁或鈦金屬的壁板快速自動(dòng)鉆鉚。（4）C/D型自動(dòng)鉆鉚技術(shù)。這兩種類型自動(dòng)鉆鉚技術(shù)都具有獨(dú)特性，在高速運(yùn)行的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)托架與鉆鉚機(jī)基體精確定位移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)托架保持穩(wěn)定與可重復(fù)，上鉚接頭與下鉚頭橫向安裝可隨壁板使用鉚釘?shù)姆N類不同隨時(shí)更換，通過(guò)輔助工裝的設(shè)計(jì)可以裝配機(jī)身壁板、機(jī)翼壁板及框梁類等產(chǎn)品。

在進(jìn)行飛機(jī)壁板組件自動(dòng)鉚接裝配過(guò)程中，將飛機(jī)壁板組件放置在與鉆鉚機(jī)圍框相結(jié)合的工裝上，選擇鉆鉚試板對(duì)鉆頭、鉚頭及鉚釘試鉆，調(diào)整工裝到指定位置自動(dòng)調(diào)平，進(jìn)行鉆孔/注膠/壓鉚循環(huán)。在工作循環(huán)過(guò)程中將壓力腳襯套下行到工件表面，數(shù)據(jù)反饋主機(jī)啟動(dòng)鉆軸旋轉(zhuǎn)并向下行進(jìn)時(shí)下鉚頭上升，下鉚模夾緊套接觸到飛機(jī)壁板表面，送釘器將一個(gè)鉚釘推送到上鉚模組件的送釘器指夾中，啟動(dòng)吹屑裝置。由控制系統(tǒng)在蒙皮壁板上方預(yù)設(shè)適當(dāng)?shù)母叨仁广@頭空轉(zhuǎn)，直到壁板被夾緊。夾緊后，鉆軸按照設(shè)定的進(jìn)給率向下行進(jìn)并鉆孔及锪窩。當(dāng)鉆頭退出壁板鉆孔表面，吹屑裝置停止工作，上鉚頭轉(zhuǎn)換到壓鉚工位，下鉚頭向上移動(dòng)到鉚釘插入點(diǎn)，上鉚頭向下移動(dòng)將鉚釘插入鉆孔內(nèi)。通過(guò)鉚頭檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)鉚釘是否傾斜或鉚釘長(zhǎng)度是否合適，檢測(cè)合格下鉚頭開(kāi)始向上升起。下鉚頭內(nèi)的鉚模接觸到鉚釘尾部，按照設(shè)定的鐓鉚力或定位鉚接點(diǎn)擠壓鉚釘，將鉚釘壓到預(yù)定的高度完成鉚接，下鉚頭開(kāi)始回撤到行程起始位置，松開(kāi)飛機(jī)壁板夾緊。下鉚頭松開(kāi)夾緊后，啟動(dòng)上鉚頭回縮，上工作頭轉(zhuǎn)換到制孔工位，切換到鉆削工位后，啟動(dòng)壓力腳回縮，完成銑平，壁板組件鉆鉚循環(huán)完成。

圖2 用于壁板組件裝配的自動(dòng)鉆鉚機(jī)Fig.2 Automatic drilling and riveting machine applied in panel component assembly

柔性工裝先進(jìn)裝配技術(shù)

目前國(guó)外壁板組件從預(yù)裝配到自動(dòng)鉆鉚機(jī)鉆鉚裝配實(shí)現(xiàn)柔性工裝集成裝配，即對(duì)壁板、長(zhǎng)桁及隔框?qū)崿F(xiàn)柔性裝配連接，從而將壁板組件工裝直接與自動(dòng)鉆鉚機(jī)相結(jié)合，減少工裝二次定位誤差[5]。國(guó)內(nèi)部分航空制造企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)翼與機(jī)身部分壁板的柔性裝配，但只是單純的壁板組件裝配或與機(jī)器人制孔機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)壁板組件裝配自動(dòng)制孔，完成壁板組件的預(yù)裝配，將預(yù)裝配壁板組件二次定位自動(dòng)鉆鉚機(jī)工裝，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)壁板組件柔性工裝與自動(dòng)鉆鉚機(jī)工裝的集成[6]。針對(duì)壁板組件預(yù)裝配工裝設(shè)計(jì)面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)的壁板組件裝配柔性工裝，實(shí)現(xiàn)預(yù)裝配工裝與自動(dòng)鉆鉚機(jī)柔性工裝的集成，可減少二次定位誤差，加快壁板組件裝配。

壁板組件柔性工裝主要針對(duì)壁板類組/部件裝配，實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)鉆鉚機(jī)柔性工裝的集成鉆鉚裝配，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要由硬件和軟件組成。硬件主要包括與自動(dòng)鉆鉚機(jī)集成的多個(gè)模塊化工裝結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字化先進(jìn)測(cè)量設(shè)備等；軟件主要包括裝配仿真軟件和優(yōu)化計(jì)算軟件、控制軟件及測(cè)量軟件等[7]。壁板組件先進(jìn)裝配柔性工裝組成如圖3所示。

典型壁板組件在剛性預(yù)裝配工裝上手工鉚接部分零/組件完成壁板組件初裝配，將壁板預(yù)裝配組件安裝至自動(dòng)鉆鉚機(jī)進(jìn)行鉆鉚連接，這種連接裝配使得人工鉚接與二次定位誤差較大。壁板組件柔性工裝先進(jìn)裝配技術(shù)采用數(shù)字化先進(jìn)裝配仿真、先進(jìn)誤差補(bǔ)償控制系統(tǒng)及在線測(cè)量仿真軟件，結(jié)合自動(dòng)鉆鉚機(jī)模塊化柔性工裝與預(yù)裝配工裝集成，通過(guò)先進(jìn)在線測(cè)量技術(shù)將預(yù)裝配完成的壁板組件通過(guò)工裝底座與關(guān)鍵工具球孔，建立飛機(jī)坐標(biāo)系，在飛機(jī)坐標(biāo)系下標(biāo)定壁板組件關(guān)鍵位置工具球點(diǎn)，將關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)結(jié)合，檢測(cè)壁板組件關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，使壁板組件及工裝底座精確安裝在自動(dòng)鉆鉚機(jī)柔性工裝上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)裝配，通過(guò)人機(jī)交互視頻實(shí)現(xiàn)壁板組件快速化、精確化裝配，從而加快實(shí)現(xiàn)壁板組件裝配脈動(dòng)式生產(chǎn)線制造模式。

壁板組件裝配先進(jìn)仿真分析技術(shù)

國(guó)外對(duì)于壁板組件裝配仿真分析技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，并在原有的軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了各類裝配仿真分析軟件，從而使壁板組件在設(shè)計(jì)-制造-裝配-檢測(cè)中采用了仿真分析技術(shù)，提高了裝配效率[8]。國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單純的裝配工藝仿真、物流仿真、人機(jī)仿真、生產(chǎn)線布局仿真及容差分析仿真等，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)壁板組件裝配仿真技術(shù)軟件的集成平臺(tái)仿真分析，從而造成機(jī)身大部件裝配誤差難以控制，檢測(cè)數(shù)據(jù)參考性不高及裝配誤差因子無(wú)法實(shí)時(shí)查看的問(wèn)題。壁板組件裝配先進(jìn)仿真分析技術(shù)采用數(shù)字化、智能化裝配協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)裝配仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)工程技術(shù)及容差分析技術(shù)等虛擬制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化的集成，最終使壁板組件裝配過(guò)程仿真優(yōu)化。將自動(dòng)鉆鉚設(shè)備、柔性工裝、數(shù)字化在線測(cè)量及數(shù)控系統(tǒng)集成為一系列的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)，進(jìn)行壁板組件無(wú)人化或工程師參與智能裝配，最終實(shí)現(xiàn)壁板零/組部件的高質(zhì)量、高效率、長(zhǎng)壽命、低成本及短周期的數(shù)字化裝配，壁板組件裝配仿真分析技術(shù)部分軟件組成如圖4所示。

圖3 壁板組件先進(jìn)裝配柔性工裝組成Fig.3 Composition of flexible tooling for advanced panel component assembly

圖4 壁板組件裝配仿真分析技術(shù)部分軟件組成Fig.4 Part of the software components for panel component assembly simulation analysis technology

壁板組件裝配仿真分析技術(shù)與三維裝配工藝動(dòng)畫設(shè)計(jì)工具、工藝簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)工具、裝配容差仿真設(shè)計(jì)、在線測(cè)量仿真及三維可視化工具封裝集成[9-10]，使工藝編制人員在工藝流程設(shè)計(jì)過(guò)程中可以實(shí)時(shí)分析每個(gè)組件裝配工序及之后零/組件的裝配情況，并可以利用3D可視化效果工具提供生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需求，制作裝配動(dòng)畫。在壁板組件裝配工藝編輯環(huán)境可實(shí)時(shí)查看產(chǎn)品裝配仿真動(dòng)畫、人機(jī)仿真及工裝參數(shù)、裝配誤差協(xié)調(diào)方案、測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析及輔助可視化文件，建立壁板組件裝配工序?qū)ο?、人機(jī)仿真、控制過(guò)程仿真、自動(dòng)鉆鉚機(jī)執(zhí)行仿真與對(duì)應(yīng)動(dòng)畫場(chǎng)景的銜接。同時(shí)可以根據(jù)不同產(chǎn)品各工序裝配的零組件選擇相應(yīng)的柔性工裝，從而自動(dòng)獲取裝配大綱中的零組件列表及參數(shù)信息進(jìn)行裝配。集成裝配仿真分析時(shí)，理論數(shù)模輕量化處理，利用三維輕量化工具標(biāo)準(zhǔn)功能可以使壁板組件裝配人員通過(guò)人機(jī)交互界面，快速實(shí)現(xiàn)三維輕量化模型中設(shè)計(jì)、工藝、檢驗(yàn)信息的提取，并可基于該輕量化模型進(jìn)行測(cè)量、標(biāo)注及鉆鉚裝配操作的執(zhí)行。因此，針對(duì)壁板類組件的裝配，需要先進(jìn)的仿真分析技術(shù)的集成，詳細(xì)分析裝配過(guò)程中干涉情況，誤差傳遞情況及測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)仿真處理，獲取最佳的數(shù)據(jù)從而建立正確快速的裝配方法，實(shí)現(xiàn)壁板組件的快速裝配。

結(jié)束語(yǔ)

大型飛機(jī)壁板組件先進(jìn)裝配技術(shù)與裝備的應(yīng)用，突破了壁板組件裝配高度柔性化工藝裝配的研制技術(shù)，提高了壁板組件裝配的生產(chǎn)效率和裝配質(zhì)量。采用基于PDM的一體化三維工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)壁板組件工藝設(shè)計(jì)到柔性裝配數(shù)據(jù)的集成，使用先進(jìn)的自動(dòng)鉆鉚技術(shù)，針對(duì)壁板組件預(yù)裝配工裝設(shè)計(jì)面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)的壁板組件裝配柔性工裝，實(shí)現(xiàn)預(yù)裝配工裝與自動(dòng)鉆鉚機(jī)柔性工裝的集成，減少二次定位誤差并加快壁板組件裝配。研究裝配仿真、人機(jī)仿真、測(cè)量仿真及容差仿真分析等集成平臺(tái)，從而獲取精確快速的裝配方法，提高壁板組件高質(zhì)量及高效率裝配，可為飛機(jī)組件及大部件對(duì)接裝配提供先進(jìn)裝配技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)精確裝配具有重要意義。

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