閆寶強(qiáng) 楊文舉 張程

摘要：本文介紹了工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)的研究背景現(xiàn)狀，確定了課題的研究方向和重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題，結(jié)合對飛機(jī)外翼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配順序和協(xié)調(diào)模式的分析，研究了型架總體設(shè)計(jì)方案和定位結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，介紹了框架、壁板組件和工作梯的具體定位結(jié)構(gòu)和形式，最后進(jìn)一步研究與應(yīng)用了數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過研究和應(yīng)用提高了工裝設(shè)計(jì)效率，縮短了研制周期。

關(guān)鍵詞：外翼總裝型架;工裝設(shè)計(jì);數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù);裝配技術(shù);工作梯

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

國內(nèi)外航空工業(yè)均已步人數(shù)字化時(shí)代，基于CATIA三維建模的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為航空工業(yè)發(fā)展的主動力，隨著計(jì)算機(jī)和信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)也已全面應(yīng)用到工裝的研制過程中[1]。大型飛機(jī)機(jī)翼部件結(jié)構(gòu)尺寸大，裝配準(zhǔn)確度要求高，研制周期短，在工裝設(shè)計(jì)和制造過程必須充分利用各種數(shù)字化的手段，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高效率，縮短周期，本文所研究的外翼總裝型架，是基于CATIA三維建模產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開展數(shù)字化工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作，以滿足使用單位工裝研制需求。

本飛機(jī)外翼部件包括外翼盒段部件、前緣組件、外襟翼、內(nèi)副翼、外副翼等。其中外翼盒段部件包括了10肋到32肋、上下壁板及梳狀接頭、前梁組件、后梁組件、發(fā)動機(jī)接頭組件、浮筒接頭和翼尖等零組件，如圖1所示。單側(cè)外翼產(chǎn)品全長約15m，最寬處約4m，產(chǎn)品外形復(fù)雜，零組件數(shù)量多且定位精度高，由于產(chǎn)品外形尺寸長，裝配過程中受影響的因素多，裝配難度大。

1 數(shù)字化傳遞協(xié)調(diào)下的裝配協(xié)調(diào)流程

1.1 數(shù)字化傳遞協(xié)調(diào)技術(shù)

飛機(jī)制造工藝的難度就是解決互換與協(xié)調(diào)的問題，而保證工裝的協(xié)調(diào)性是滿足互換和協(xié)調(diào)要求的主要途徑。飛機(jī)工裝協(xié)調(diào)是飛機(jī)研制過程中重要的工藝環(huán)節(jié)，它影響著整個(gè)飛機(jī)的技術(shù)性能、產(chǎn)品質(zhì)量、制造周期及制造成本等，工裝協(xié)調(diào)的主要內(nèi)容是確定工裝的制造依據(jù)和工裝協(xié)調(diào)方案，控制工裝制造環(huán)節(jié)，確保產(chǎn)品滿足精度要求。

飛機(jī)數(shù)字化裝配仿真技術(shù)是一門多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉發(fā)展的高端技術(shù)[2]，一般機(jī)械零件制造是通過控制產(chǎn)品零件的尺寸公差來保證產(chǎn)品的裝配協(xié)調(diào)，而飛機(jī)產(chǎn)品由于龐大的零件數(shù)量、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系，若采用控制零件尺寸公差的工藝方法會形成很大的誤差累積而難以保證最終的裝配要求。因此，在飛機(jī)制造工藝過程中通過控制關(guān)鍵裝配部位的協(xié)調(diào)關(guān)系這一途徑來滿足產(chǎn)品的裝配要求。一般的協(xié)調(diào)采用以下三種傳遞途徑：模擬量傳遞協(xié)調(diào)、數(shù)字化傳遞協(xié)調(diào)（如圖2所示）、數(shù)字化與模擬量傳遞協(xié)調(diào)相結(jié)合[3]。

經(jīng)過對上述三種協(xié)調(diào)方法的比較，決定在中央翼與外翼部件對接時(shí)，采用數(shù)字化傳遞協(xié)調(diào)方法，即利用數(shù)字化標(biāo)工對中央翼與外翼部件對接部位進(jìn)行連接孔軸線的協(xié)調(diào)制造加工[4]。

1.2 產(chǎn)品裝配協(xié)調(diào)流程

外翼總裝型架上需要定位安裝的組件有：前梁組件、后緣組件、翼尖、10-31肋、上壁板組件、下壁板組件、發(fā)動機(jī)接頭組件、各浮筒接頭。在工裝設(shè)計(jì)過程中采用并行設(shè)計(jì)模式，并通過軟件進(jìn)行了外翼盒段部件的數(shù)字化預(yù)裝配[5]，最終確認(rèn)了產(chǎn)品裝配協(xié)調(diào)流程圖，如圖3所示。

2 外翼總裝型架數(shù)字化總體設(shè)計(jì)方案

2.1 上架產(chǎn)品的擺放姿態(tài)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)型的產(chǎn)品排放姿態(tài)通常采用“立放”方式，航向向上或向下，前梁組件或后梁組件處于水平位置，便于定位件布置和鉚接裝配[6]。

外翼產(chǎn)品尺寸較大，除了前梁組件、后梁組件、上下壁板、發(fā)動機(jī)接頭組件和浮筒接頭組件的裝配工作量以外，在產(chǎn)品的上、下翼面上也有較多的制孔工作量，在確定產(chǎn)品的擺放姿態(tài)時(shí)，需要考慮為產(chǎn)品裝配過程提供良好的人員操作空間和姿態(tài)。在工裝設(shè)計(jì)初始階段，先后論證了兩種擺放姿態(tài)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終決定采取“航向向下”產(chǎn)品擺放姿態(tài)。

2.2 型架框架結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

（1）型架整體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于此機(jī)型外翼產(chǎn)品長度方向長、跨度大，且產(chǎn)品需要定位安裝的零部件多，型架框架的總體結(jié)構(gòu)必然為大跨度剛性梁結(jié)構(gòu)，在保證產(chǎn)品裝配有足夠空間的原則下，應(yīng)合理設(shè)計(jì)裝配型架整體框架的結(jié)構(gòu)，使型架的穩(wěn)定性滿足對廠房地基、工裝制造條件和產(chǎn)品裝配的要求。原則上工裝需采用“左右合一式”的框架結(jié)構(gòu)（如圖4所示），型架的上梁組件必須連接組成一個(gè)整體剛性框架，同時(shí)型架采用連接式整體底盤結(jié)構(gòu)，以增加型架的整體穩(wěn)定性。

（2）型架框架結(jié)構(gòu)的材質(zhì)設(shè)計(jì)

相對于大型工裝來說，溫度變化是引起工裝變形的重要因素之一，在設(shè)計(jì)工裝的過程中要充分考慮溫度變化情況[6]。參考以往機(jī)型的外翼總裝型架，為抵消溫度變化引起的工裝變形，主要采取框架整體為鋁結(jié)構(gòu)，工裝上梁為鋁板焊接的矩形管，立柱采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，底盤由多塊鑄鋁標(biāo)準(zhǔn)塊拼接而成。由于框架的材料與產(chǎn)品材料膨脹系數(shù)接近，不需要另外設(shè)置膨脹板以補(bǔ)償溫度變化的影響，減輕了上梁的重量（質(zhì)量），避免了嚴(yán)重降低定位器精度的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）產(chǎn)品的出架方式設(shè)計(jì)

外翼盒段部件一般有三種出架方式：側(cè)向出架、縱向出架、上方出架。產(chǎn)品的出架方式是工裝使用功能的重要組成部分，對于本工裝來說，產(chǎn)品位于框架內(nèi)部，并且兩側(cè)均有外形卡板，產(chǎn)品采用“側(cè)向出架”“縱向出架”的出架方式十分困難。

因此，產(chǎn)品采用“上方出架”的出架方式較便捷（如圖5所示）。為了清理產(chǎn)品出架通道，需將上梁向下翼面方向滑動、翼尖組件向框架外側(cè)滑動，偏離產(chǎn)品一定距離。

當(dāng)上梁向下翼面方向滑動、翼尖組件向框架外側(cè)滑動，偏離產(chǎn)品一定距離后，可以為產(chǎn)品出架提供足夠的出架通道，從而使產(chǎn)品可以從上方直接吊出型架，大大降低了產(chǎn)品出架難度。

2.3 工裝主要定位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）前梁組件主要定位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于前梁上的角盒、J型件和接頭等均沒有可利用的關(guān)鍵外形特征，所以前梁在本型架上為初定位。首先完成的是根段前梁和梢段前梁本體的定位。在航向方向設(shè)置梁托件定位前梁平面，翼展方向以選定的梁立筋面作為展向定位基準(zhǔn)，同時(shí)在梁兩側(cè)的翻邊設(shè)置外形定位塊控制上、下翼面的位置。

（2）后梁組件主要定位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

后梁組件在流轉(zhuǎn)到總裝型架時(shí)已在后梁裝配型架上組合成整體，后梁組件在本型架上為二次定位，定位時(shí)選用的基準(zhǔn)與后梁裝配型架保持一致。

（3）壁板組件定位器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在常規(guī)工裝的設(shè)計(jì)中，當(dāng)外翼部件產(chǎn)品采用外形定位方式時(shí)，壁板外形按外形卡板定位;當(dāng)外翼部件產(chǎn)品采用骨架定位方式時(shí)，壁板外形按骨架外形定位。同時(shí)還需在壁板邊緣處設(shè)置定位擋件或邊緣線進(jìn)行準(zhǔn)確的位置定位。

上、下壁板組件定位是以端面平板定位梳狀接頭平面控制翼展方向，航向方向借助梳狀接頭上的兩個(gè)定位孔進(jìn)行定位（如圖6所示）;在壁板中部的各前梁托板上設(shè)置外形塊檢查壁板在前梁邊緣處的外形;在壁板梢部設(shè)置外形塊進(jìn)行支撐。

3 外翼總裝型架用工作梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在外翼產(chǎn)品裝配過程中，全部的工作量集中在外翼總裝型架周圍，同時(shí)有20多人在外翼總裝型架上進(jìn)行不同部件、不同工序的裝配鉚接工作，因此，總裝型架周圍大量的鉚接工作量需要借助工作梯才能完成。工作梯分為兩層，第一層平臺距地面0.8m，第二層平臺距離地面2.8m，主要結(jié)構(gòu)用120mm×120mm×5mm的方管焊接而成，工作平臺用骨架用100mm×60mm×3mm焊接，在其上面鋪設(shè)4mm的防滑鋁板，并用抽芯鉚釘與骨架部分連接，在每層工作平臺上安裝有1100mm高的護(hù)欄和120mm高的踢腳板，兩層工作平臺之間設(shè)置梯子，梯子的傾斜角a為：30°≤α≤70°，在空間允許的情況下，α盡可能小，工作梯具體結(jié)構(gòu)如圖7所示，在工作梯上靠近飛機(jī)產(chǎn)品地方設(shè)置可以伸縮的氣動抽板機(jī)構(gòu)來驅(qū)動平臺[7]。

4 外翼總裝型架優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

裝配型架優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足型架整體剛度要求下，實(shí)現(xiàn)型架結(jié)構(gòu)型材規(guī)格的參數(shù)化自動選擇，從而達(dá)到整體結(jié)構(gòu)重量最輕、加工成本最小或研制周期最短的目的[8]。飛機(jī)裝配型架主要由骨架和定位夾緊件組成，型架骨架作為大型裝配型架的主體支撐，對型架整體剛度的多少起著至關(guān)重要的影響，因此，型架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程主要是針對型架骨架基體而說的。

借助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行型架模型輸入、有限元網(wǎng)格劃分、邊界條件限定、計(jì)算等環(huán)節(jié)，將優(yōu)化的最優(yōu)解結(jié)果作為設(shè)計(jì)型材選型的參考數(shù)值，對應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)型材牌號選擇適當(dāng)?shù)男筒臉?biāo)準(zhǔn)，從而確定真正的型材牌號，最終優(yōu)化結(jié)果對比分析情況見表1。

從表1可以看出，型架框架的剛度分析是大型裝配型架設(shè)計(jì)中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9]，通過利用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力可以便捷準(zhǔn)確地求出型架的結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解，然后可以指導(dǎo)后期的型架的總體設(shè)計(jì)技術(shù)工作，提高設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的可靠性，強(qiáng)化設(shè)計(jì)人員的成本控制意識。

5 結(jié)束語

本課題的研究不僅解決飛機(jī)研制過程中外翼各零組件精確調(diào)姿、定位、裝配的技術(shù)問題，完成產(chǎn)品裝配任務(wù)，而且在工裝局部結(jié)構(gòu)采用數(shù)字量傳遞和數(shù)字化標(biāo)工，并利用激光跟蹤儀對型架各段的空間位置進(jìn)行了準(zhǔn)確測量[10]，同時(shí)在支撐結(jié)構(gòu)上采用了多支點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)動的結(jié)構(gòu)形式，為以后研究外翼部件自動化裝配系統(tǒng)提供了必要的參考，實(shí)踐證明，本工裝完全實(shí)現(xiàn)了翼盒部件的高效精準(zhǔn)制造，降低了研制成本，縮短了研制周期，滿足了飛機(jī)裝配生產(chǎn)線需求。

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