李琎

摘 要：飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)涉及飛機(jī)設(shè)計(jì)、零部件制造、裝配工藝規(guī)劃、互換協(xié)調(diào)技術(shù)、數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)軟件等眾多先進(jìn)技術(shù)，因而難度較大，所以在一定意義上，飛機(jī)的數(shù)字化裝配是數(shù)字化技術(shù)最后需要攻克的堡壘，它將從根本上改變傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配技術(shù)，可以說是飛機(jī)制造的一次革命性的變革。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；飛機(jī)裝配；應(yīng)用

引言

數(shù)字化技術(shù)以全面采用數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化預(yù)裝配、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、并行工程和虛擬制造技術(shù)為主要標(biāo)志，從根本上改變了飛機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造方式，大幅度地提高了飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平。

一、數(shù)字化裝配技術(shù)的內(nèi)涵

數(shù)字化裝配技術(shù)是一個(gè)新的概念，精確的為其下一個(gè)定義還需要更多的探索。數(shù)字化裝配是一種能適應(yīng)快速研制和生產(chǎn)及低成本制造要求的技術(shù)，從其發(fā)展的歷程看，它實(shí)質(zhì)上是數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中更深層次的應(yīng)用及其延伸。數(shù)字化裝配方法不僅包括了傳統(tǒng)數(shù)字化裝配概念中工裝的設(shè)計(jì)、制造及裝配的虛擬仿真等，還包括了像柔性裝配方法、無型架裝配方法等其他自動(dòng)化裝配方法。飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)是數(shù)字化裝配工藝技術(shù)、數(shù)字化柔性裝配工裝技術(shù)、光學(xué)檢測(cè)與反饋技術(shù)、數(shù)字化鉆鉚技術(shù)及數(shù)字化的集成控制技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用。數(shù)字化裝配技術(shù)在飛機(jī)裝配過程中實(shí)現(xiàn)裝配的數(shù)字化、柔性化、信息化、模塊化和自動(dòng)化，將傳統(tǒng)的依靠手工或?qū)Ｓ眯图軍A具的裝配方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化的裝配方式，將傳統(tǒng)裝配模式下的模擬量傳遞模式改為數(shù)字量傳遞模式。

二、數(shù)字化裝配工藝技術(shù)

數(shù)字化裝配工藝主要包括數(shù)字化裝配過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)、誤差分析及容差分配和數(shù)字化預(yù)裝配。其接收工裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)信息和產(chǎn)品三維實(shí)體模型，通過裝配過程的模擬仿真進(jìn)行預(yù)裝配及誤差分析，再將信息反饋到工裝系統(tǒng)，進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)的調(diào)整和裝配過程的優(yōu)化。

數(shù)字化裝配過程優(yōu)化設(shè)計(jì)分為裝配順序的生成和優(yōu)化、裝配路徑的規(guī)劃和優(yōu)化、誤差分析和容差分配、數(shù)字化預(yù)裝配等幾部分。

誤差分析和容差分配用來在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，預(yù)測(cè)和控制全部系統(tǒng)的誤差。其出發(fā)點(diǎn)是全部系統(tǒng)的目標(biāo)誤差，然后通過容差分配方法來分配目標(biāo)誤差作為次級(jí)系統(tǒng)的誤差。這樣誤差預(yù)算就在各種次級(jí)系統(tǒng)中，作為一個(gè)跟蹤工具來平衡目標(biāo)誤差和達(dá)到目標(biāo)誤差的難度這兩者之間的關(guān)系。飛機(jī)數(shù)字化預(yù)裝配是在數(shù)字化產(chǎn)品定義的基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)模擬裝配的全過程，用于在研制過程中及時(shí)地進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)界面設(shè)計(jì)和干涉檢查、工藝性檢查、可拆卸性檢查、可維護(hù)性檢查。其對(duì)象是工裝與工裝的裝配、工裝與零組件之間的裝配及零件與零件之間的直接裝配關(guān)系，可有效地減少因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而引起的設(shè)計(jì)返工和更改。

三、數(shù)字化柔性裝配工裝技術(shù)

在數(shù)字化裝配中，將工裝按功能劃分為靜態(tài)框架和動(dòng)態(tài)模塊。靜態(tài)框架是模塊化框架，由標(biāo)準(zhǔn)零件和連接件組合而成。動(dòng)態(tài)模塊依據(jù)飛機(jī)產(chǎn)品的不同需要而設(shè)計(jì)，它具有多個(gè)自由度，通過可調(diào)轉(zhuǎn)接器依附于靜態(tài)框架上，根據(jù)不同的產(chǎn)品特征而配置不同的動(dòng)態(tài)模塊；動(dòng)態(tài)模塊本身可以通過轉(zhuǎn)接器調(diào)整或自由度調(diào)整改變自己的特征，以滿足同類相似的產(chǎn)品。這樣動(dòng)態(tài)模塊和靜態(tài)框架之間就可以依據(jù)不同的產(chǎn)品或者產(chǎn)品的不同特征而進(jìn)行調(diào)整配置。數(shù)字化裝配工裝實(shí)現(xiàn)柔性的方式主要是調(diào)整動(dòng)態(tài)模塊或者更換動(dòng)態(tài)模塊，對(duì)于不同的壁板部件裝配，按照具體部件裝配的要求增加或減少柔性?shī)A持模塊，通過調(diào)整轉(zhuǎn)接器自由度、調(diào)整卡板的形狀或者更換卡板，使之適應(yīng)具體特征的要求。

在數(shù)字化環(huán)境下，柔性工裝的定位不再依靠工裝上的固定定位器，而采用獨(dú)立的一套定位系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)把定位數(shù)據(jù)傳遞給裝配定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字量傳遞，稱該定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)為機(jī)械隨動(dòng)定位裝置。機(jī)械隨動(dòng)定位裝置是一個(gè)數(shù)字化自動(dòng)控制的高精度裝置，其結(jié)構(gòu)根據(jù)產(chǎn)品裝配過程中的定位要求而定。該裝置中的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)自動(dòng)化定位機(jī)構(gòu)對(duì)裝配件進(jìn)行調(diào)整和支撐，實(shí)現(xiàn)裝配件的定位。自動(dòng)化定位機(jī)構(gòu)依靠控制系統(tǒng)的控制來同時(shí)協(xié)調(diào)多個(gè)機(jī)械隨動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)，保證以確定方式、可預(yù)見地移動(dòng)飛機(jī)零件，一級(jí)操作用戶可以通過圖形用戶界面顯示零件的位置坐標(biāo)，然后設(shè)定控制參數(shù)，控制機(jī)械隨動(dòng)定位裝置的運(yùn)動(dòng)。

四、光學(xué)測(cè)量與補(bǔ)償技術(shù)

飛機(jī)產(chǎn)品部件外形檢測(cè)、鉚接邊距檢測(cè)和機(jī)械隨動(dòng)定位機(jī)構(gòu)的調(diào)整控制都離不開光學(xué)儀器。在數(shù)字化裝配過程中，光學(xué)測(cè)量與補(bǔ)償技術(shù)不僅能夠準(zhǔn)確地獲取裝配零件的尺寸參數(shù)和位置信息，而且將數(shù)據(jù)傳送到控制系統(tǒng)，進(jìn)行零件空間坐標(biāo)的反饋。而待裝配部件在裝配之前進(jìn)行固定時(shí)，由于實(shí)際的裝配位置與數(shù)學(xué)模型的裝配位置不一致，因此必須采用一套定位系統(tǒng)對(duì)裝配部件進(jìn)行定位，保證精確數(shù)學(xué)模型的裝配位置和實(shí)際裝配位置具有共同的加工基準(zhǔn)點(diǎn)。

以激光跟蹤測(cè)量?jī)x器為例。激光跟蹤定位儀器測(cè)量裝夾后的裝配部件的基準(zhǔn)點(diǎn)，獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理單元處理后，直接反饋到裝配系統(tǒng)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過對(duì)實(shí)際裝配位置與精確數(shù)學(xué)模型的裝配位置進(jìn)行比較后，獲得部件裝配位置的修正補(bǔ)償值，自主地對(duì)定位元件的空間位置進(jìn)行快速調(diào)整，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零部件、裝配工裝和鉆鉚系統(tǒng)定位的閉環(huán)控制，逐步對(duì)定位進(jìn)行補(bǔ)償，將精確數(shù)學(xué)模型的裝配位置與實(shí)際裝配位置統(tǒng)一起來，從而完成快速準(zhǔn)確定位、安裝與調(diào)整。

五、數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用——數(shù)字化裝配系統(tǒng)

多種先進(jìn)數(shù)字化裝配技術(shù)相結(jié)合使用，共同工作來實(shí)現(xiàn)對(duì)某些零組件的裝配，這些成組的數(shù)字化裝配工作系統(tǒng)構(gòu)成了數(shù)字化裝配系統(tǒng)。數(shù)字化裝配系統(tǒng)（Digital Assembly System，DAS）以數(shù)字化裝配技術(shù)為支撐，體現(xiàn)了數(shù)字化裝配工藝技術(shù)、數(shù)字化裝配工裝技術(shù)、光學(xué)檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)、數(shù)字化鉆鉚技術(shù)及數(shù)字化集成控制技術(shù)的綜合應(yīng)用。該系統(tǒng)相應(yīng)地包含了數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)、數(shù)字化柔性裝配工裝系統(tǒng)、光學(xué)檢測(cè)與補(bǔ)償系統(tǒng)、數(shù)字化鉆鉚系統(tǒng)和數(shù)字化集成控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

以大型飛機(jī)機(jī)身壁板零件為例， 組建數(shù)字化的裝配系統(tǒng)平臺(tái)， 平臺(tái)示意圖如圖1所示。

注：1.計(jì)算機(jī)等輔助控制裝置沒有畫出；2.光學(xué)儀器（激光跟蹤裝置）沒有畫出。

該數(shù)字化裝配系統(tǒng)平臺(tái)有如下特點(diǎn)：

a.裝配零件和裝配工裝的自身特征，以及它們之間的裝配特征在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段就被輸入到系統(tǒng)服務(wù)器中。裝配集成控制系統(tǒng)不僅能夠直接共享該數(shù)據(jù)，還能夠不斷控制工藝系統(tǒng)對(duì)這些特征信息進(jìn)行分析優(yōu)化，使零件和工裝的設(shè)計(jì)及其裝配特征的設(shè)計(jì)不斷完善。

b.數(shù)字化柔性裝配工裝主要包括機(jī)械隨動(dòng)定位裝置和一些柔性的夾具。通過更換卡板和一些專用的夾具，該工裝可以滿足不同機(jī)型、但零部件大小相似的多種零部件的裝配。這樣僅需更換卡板和少量專用夾具就可以在一套工裝平臺(tái)上裝配多種零部件。

c.機(jī)械隨動(dòng)定位裝置和光學(xué)測(cè)量?jī)x器的綜合使用，通過測(cè)量?jī)x器的時(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量與反饋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)零件定位、工裝定位和鉆鉚裝置定位的閉環(huán)控制，極大地提高了定位準(zhǔn)確度。

d.數(shù)字化裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了裝配過程的自動(dòng)化、信息化等，極大地提高了裝配的效率，使快速制造和靈活面對(duì)市場(chǎng)的多樣化需求有了實(shí)現(xiàn)的可能。

六、結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化、自動(dòng)化、柔性化裝配技術(shù)代表著現(xiàn)代飛機(jī)制造的發(fā)展方向。飛機(jī)制造過程中的工藝規(guī)劃技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、柔性工裝技術(shù)、自動(dòng)化制孔技術(shù)、自動(dòng)化鉆鉚技術(shù)與集成控制技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了飛機(jī)的裝配質(zhì)量與效率，是研制多機(jī)種、變批量、高質(zhì)量與長(zhǎng)壽命飛機(jī)的必備條件。

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