李琎

摘 要：十余年來，以數(shù)字化、柔性化為特征的自動裝配技術已成為飛機制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。飛機制造公司將之視作一項非常重要的核心技術，在單一產品數(shù)據(jù)源的數(shù)字量尺寸協(xié)調體系的基礎上，采用數(shù)字化裝配設計技術，通過裝配仿真和虛擬現(xiàn)實技術等虛擬制造技術和并行工程實現(xiàn)裝配過程優(yōu)化。

引言

飛機的批量生產，產品安全可靠性要求高。隨著市場競爭的加劇，縮短生產周期，降低制造成本，提高產品質量，快速響應客戶等要求越來越強烈，采用自動化的裝配設備成為國內外航空制造企業(yè)的一致選擇。

一、國內飛機總裝配技術發(fā)展現(xiàn)狀

國內飛機總裝，通常采用固定機位裝配方式，即人、物、設備、工裝等圍繞著飛機轉。整個總裝過程，基本上是全部依靠人工裝配，所用的工裝主要是工作梯，測量設備落后、效率低下。雖然近年來國內也開展了一些相關技術的研究和應用探索，局部裝配環(huán)節(jié)采用了一些數(shù)字化裝配技術，但總體上與航空工業(yè)發(fā)達國家相差甚遠。遠遠不能滿足新型號的要求。這種差距，綜合體現(xiàn)在以下4個方面：

（1）飛機裝配采用手工作業(yè)模式，產品一致性差，品質不穩(wěn)定；

（2）飛機生產過程中工裝、設備來回移動，存在安全隱患；

（3）生產管理以調度管理為主，與先進的計劃管理模式存在很大差距；

（4）批生產能力不足，多品種、變批量生產快速轉換能力不強，生產組織效率低，無法實現(xiàn)連續(xù)生產均衡交付。

為了改變這種現(xiàn)狀，必須引進新技術，通過調研、深入了解了國內外飛機總裝配技術的研究、發(fā)展和應用現(xiàn)狀，自主創(chuàng)新建設飛機總裝生產線，實現(xiàn)數(shù)控定位技術、大部件自動對接技術和數(shù)字化測量技術在飛機總裝生產中的集成應用。

二、飛機柔性支撐技術

飛機總裝生產線，采用機身定位器、左右機翼定位，代替原有的千斤頂，實現(xiàn)飛機的準確入位支撐。定位器由底座、縱橫拖板、上拖板、支撐缸體、伸縮柱、球頭夾緊機構組成。采用伺服電機、蝸輪蝸桿減速器、絲杠螺母傳動，實現(xiàn)伸縮柱的X、Y、Z這3個方向移動；采用封閉式光柵尺，在每個方向上采用全閉環(huán)控制可以實現(xiàn)X、Y、Z這3個方向聯(lián)動控制，提高系統(tǒng)的控制精度。為了避免在姿態(tài)調整時的意外情況使得機身受力過大而損壞，采用壓力傳感器通過力的反饋，來控制定位器的進給，在控制上提高了系統(tǒng)工作的安全性；X、Y、Z這3個方向分別設計了限位開關和機械限位，在結構上提高工作的安全性；滾珠絲杠采取防護罩進行防護。

飛機總裝生產線支撐定位器，采用先進的數(shù)字化傳感器技術，實現(xiàn)了飛機的自適應、無應力入位；三坐標數(shù)控定位器準確支撐。改變了原有的千斤頂靠人工推入，目測方式入位的飛機支撐方式，在減輕工人勞動強度的同時，保證了飛機支撐無應力自動化支撐。

三、大部件自動對接技術

飛機大部件對接，是整機裝配的開始，其裝配品質和效率直接影響后續(xù)的裝配進程，總裝生產線通過工藝集成管理系統(tǒng)、激光測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，協(xié)調驅動三坐標數(shù)控定位器，實現(xiàn)機身前段與機身中段姿態(tài)調整和對接。

飛機總裝生產線機身前段與機身中段對接，分為支撐調平、測量調姿、自動對合共3個階段，支撐調平階段采用3個固定支撐定位器，對機身進行支撐，利用激光跟蹤儀測量機身上的水平測量點，將測量數(shù)據(jù)傳送給站位工藝控制系統(tǒng)、調姿控制系統(tǒng)，完成對機身位姿態(tài)的評價、仿真分析及調姿路徑規(guī)劃，根據(jù)剛體不變性原理，評價調姿路徑的合理性，發(fā)布命令由控制系統(tǒng)執(zhí)行調姿指令，進行機身中段調平。測量調姿階段，利用激光跟蹤儀測量機身對合面上選定的對合孔位置信息，并以此作為機身前段調姿對合的依據(jù)，由兩組定位器、組合平臺加柔性托架實現(xiàn)對機身前段的支撐，激光跟蹤儀測量機身前段上（與機身中段上被測量對合孔存在配合關系）選定的對合孔，并將測量數(shù)據(jù)傳送給站位工藝控制系統(tǒng)，站位工藝控制軟件根據(jù)對合孔的配合對應關系，計算機身前段的當前位姿和目標位姿，并將其傳遞至調姿控制系統(tǒng)。

調姿控制系統(tǒng)通過仿真分析及調姿路徑規(guī)劃，發(fā)布命令由控制系統(tǒng)執(zhí)行調姿指令，完成機身前段姿態(tài)調整。自動對合3個階段由同步移動支撐機身前段的兩組定位器，使其到達指定位置（與距離機身前段之間的相互距離可以設定），完成機身前段與機身中段的自動化對合，也可人工手輪驅動定位器同步移動（運動分辨率為0.05mm），進行機身前段與機身中段的手工對合。

飛機大部件自動對接，通過激光跟蹤儀測量定位，數(shù)控定位器支撐組合工作平臺進行調姿對合，完成機身前段與機身中段的自動化對合。徹底改變了原有吊裝對接時，飛機姿態(tài)不穩(wěn)定，推入定位靠人工目測不準，對合過程中存在應力裝配的缺陷，大大提高了飛機的裝配品質，降低了裝配過程中的風險。

四、數(shù)字化測量技術

飛機測量系統(tǒng)工作有：全機水平測量、慣導水平測量、航炮校靶、平顯校靶、雷達校靶。

4.1原有測量方法的弊端

原有的測量是利用水平儀、測量尺、靶板和校靶裝置進行的，是在飛機水平的基礎上，X-Y軸向（即水平姿態(tài)）采用水平儀測量，并將各產品調節(jié)到水平狀態(tài)；Z軸向采用了吊線加水平儀，對各自系統(tǒng)的靶板進行擺放（靶板放置在飛機前方25m）；然后，各個產品再分別對準各自的靶板進行調校。整個測量方法和測量過程，存在著一定的弊端。

（1）在操作上造成了重復工作。例如，各專業(yè)進行校靶測量時，采用了分別擺放靶板，同樣程序雷達校靶、平顯校靶、航炮校靶需做出重復的工作；

（2）各專業(yè)根據(jù)各自的測量要求，制造了各自不同形狀、不同要求的靶板，靶板多且不通用；

（3）靶板擺放遠，占用廠房有效空間；

（4）人工測量存在一定的人為誤差，測量不精確。

4.2激光測量技術的優(yōu)勢

飛機總裝生產線采用激光測量技術，利用激光跟蹤儀（LaserTracker）、手持測量裝置（T-Probe），通過計算機控制，實現(xiàn)飛機水平測量和校靶測量，包括全機水平測量、起落架參數(shù)測量、平顯校靶、航炮校靶、雷達校靶和慣導校準。其優(yōu)勢為：

（1）利用虛擬靶板代替原有實物靶板，大大減少生產面積，同時取消了靶板的擺放工作，降低勞動成本，縮短飛機的生產周期；

（2）采用高精度激光測量設備，提高了測量的精確度和重復測量的一致性，大幅度的提高了飛機的作戰(zhàn)能力。

五、機電一體化移動技術

飛機總裝生產線移動系統(tǒng)，主要由機架、主軌道、副軌道、下軌道、專用板鏈和專用鏈板、鏈輪等組成，其中專用鏈板分為長鏈板和短鏈板兩種規(guī)格，都具有一定的承載能力，可以滿足操作平臺、工裝設備及操作人員踩踏等使用要求，長鏈板用于承載和拖動飛機。

軌道安裝在地平面以下，飛機承載長鏈板以扁平的復合板式結構，寬約580mm，長約14960mm，平板下部有N=14960/133.33≈112對小滾輪。牽引板鏈上方的短鏈板，結構上類同自動人行道，其上表面與地面等高，通過性強，車間整體整潔、美觀。生產線左右對稱布置長鏈板，兩側長鏈板、短鏈板由同一輸送系統(tǒng)同步提供驅動動力，保證兩側長鏈板的同步運行。兩側長鏈板的絕對同步誤差，主要來源于機械構件的制造精度和彈性變形及各運動副的間隙。生產線對兩側長鏈板的相對同步要求較嚴格，兩側長鏈板在單向承載運行時，構件的制造誤差及運動副的間隙已基本消除；若兩側長鏈板的運行阻力相同，則左右兩側的機械構件的彈性變形量亦相同。另外，由于系統(tǒng)運送的飛機為中性面對稱，在軌道平直度等方面達到一定要求的情況下，兩側移動系統(tǒng)的運行阻力相差較小，就是說兩側長鏈板相對運行條件良好，使同步運行誤差控制得極小。

綜上所述，飛機自動化裝配生產線在航空制造領域的應用是飛機裝配技術發(fā)展趨勢，自動化、智能化航空專用裝配工藝裝備是組建生產線的技術基礎和關鍵。

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