飞机数字化装配技术发展与展望

32航空制造技术·2015年第18期COVERSTORY封面文章飞机数字化装配技术发展与展望北京航空航天大学机械工程及自动化学院  梅中义  黄 超  范玉青飞机装配技术经历了从人工装配、半自动化装配到如今数字化装配的发展过程，已经形成了一整套数字化装配技术体系。其中，柔性装配以及脉动生产线的应用大大提高了飞机的装配质量和效率，智能装配技术更是未来飞机数字化装配发展的趋势。DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.18.032DevelopmentandProspectoftheAircraftDigitalAssemblyTechnology梅中义北京航空航天大学机械工程及自动化学院副教授，毕业于北京航空航天大学航空宇航制造工程专业，主要从事飞机数字化装配与测量技术、飞机数字化设计与制造技术等方面的研究与开发工作。回顾飞机工业的发展，飞机装配技术经历了从人工装配、半自动化装配到数字化装配的发展历程，随着各国经济与技术的进步，数字化装配技术已经在多个国家的飞机制造领域广泛应用。飞机数字化装配技术涉及飞机设计、零部件制造、数字化自动钻铆、数字化互换协调、数字化先进测量与检测和计算机软件等众多先进技术和装备，是机械、电子、控制、计算机等多学科交叉融合的高新技术[1]。由于飞机装配工作的高复杂性和高精度，柔性装配已经成为飞机数字化装配技术的重要组成部分，而飞机智能装配技术已经成为飞机装配技术发展的新方向，对飞机智能装配技术的研究将对我国飞机装配水平及航空企业智能制造水平的全面提升起到重要的推动作用。飞机数字化装配技术发展回顾在20世纪80年代，由于现代网络的兴起，加上计算机技术的不断发展，美国波音、洛克希德·马丁公司，还有欧洲的空客公司这些大型飞机公司都陆续地对飞机数字化装配技术进行应用，并已取得成功，典型的2015年第18期·航空制造技术33COVERSTORY封面文章产品包括波音787、A380与JSF等。其中洛克希德·马丁公司在进行JSF战斗机研究制造之中，将每架飞机的生产周期由之前的15个月缩短到了5个月，把工装数量从350个降低到19个，实现降低成本1/2。采用数字化装配技术后，取消了大部分的制孔工具与工装，利用较为先进的龙门钻削系统，充分利用了激光定位、电机驱动的精密制孔，提高了孔的质量，最终节省了九成以上的时间[2]。而美国波音787客机的装配连接中，充分应用复合材料，根据复合材料的力学性能特点，对其连接技术进行改善，根据此应用需求以及钻孔需求，波音公司与其他公司合作研制了专用的自动化钻孔铆接设备与技术，从而提高波音787的装配质量与速度，同时也降低了成本。另外，波音787还在总装过程中采用了iGPS系统，使多用户、大尺度、高精度的测量成为了可能[3]。此外波音公司还采用了数字化的壁板装配系统，对电磁铆接技术与柔性装配工装进行集成，解决了大型构件自动化装配面临的困难；在波音737、波音757、波音777移动装配生产线的基础上，波音787采用脉动生产线模式，使得整条生产线具有分工明确细致、工作量单一重复和装配线过程流畅等优势，提高飞机生产效率。进入21世纪，飞机制造已经步入数字化时代，工程设计通过CAD来定义，工艺设计通过CAPP进行数字化仿真，工艺装备设计通过数字化定义和发放，质保通过数字化技术进行测量，零件制造可以实现全方位的数控加工，飞机装配大面积采用数字量传递技术[1]。蓬勃发展的飞机数字化装配技术数字化技术在飞机装配中的应用大大提高了飞机制造质量，减少了工装数量，缩短了生产周期，降低了生产成本。随着数字化装配技术发展，已经形成了一整套飞机数字化装配技术体系。1 飞机数字化装配关键基础技术飞机数字化装配关键基础技术主要包括：（1）面向数字化装配的飞机结构设计技术。飞机数字化装配实施成功的关键在于将数字化装配的具体需求融入到飞机结构设计中，即面向数字化装配的飞机结构设计，在结构设计过程中，需要融入与装配相关的关键点[4]。（2）数字化互换协调技术。数字化互换协调方法是一种先进的基于数字化产品定义和标准工装定义的协调互换技术，用于保证生产和工装之间、生产工装与产品之间、产品部件和组件之间的尺寸和形状协调互换。数字化互换协调方法利用数控加工、成形制造出准确的零件外形和所有的定位元素。在工装制造时，通过数字测量系统（如激光跟踪仪、数字照相测量和室内GPS等设备）实时监控、测量工装或产品上相关控制点（关键特性）的位置，建立起产品零部件基准坐标系统，并在此坐标系统中将工装或产品上关键特征点的测量数据和3D模型定义数据直接进行比较，分析出空间测量数值与理论数据的偏差情况，作为检验产品是否合格及进一步调整的依据。（3）飞机数字化装配工艺规划与仿真技术。飞机装配过程涉及了成千上万的零部件、工装、夹具、工具，并有大量装配操作等，精确、合理地对装配工艺进行规划、分析、仿真，可有效解决装配工艺设计中的装配不协调、干涉、碰撞、超差等问题，保证产品精准快速装配，是提高产品装配效率和质量的关键。图1为波音787客机总装对接数字化仿真。2 飞机数字化装配关键应用技术飞机数字化装配关键应用技术是指支撑飞机数字化装配现场的共性关键技术，主要针对装配过程中的定位、制孔、连接、测量、控制等环节，构建相应的试验单元，支持数字化装配技术的应用实施[4]，主要包括：（1）数字化定位技术。以数字化为基础的定位技术包括数字测量定位技术、特征定位技术、柔性定位技术等。数字测量定位技术是指针对飞机产品的结构特点、定位要求，借助数字化测量设备或系统进行飞机零部件的定位；特征定位技术利用数字化定义、数控加工的具有配合关系的配合面、装配孔或工艺凸台、工艺孔等设计或工艺特征，实现零件之间的相互定位，保证装配的一致性和高装配质量；柔性定位技术是指通过采用柔性工装满足不同产品的定位需要。随着飞机装配质量越来越高的要求，数字化定位技术已经成为飞机零部件高效、高精度定位的重要保障。（2）数字化自动制孔技术。随着新工艺的不断涌现和新材料技术的不断发展，传统的装配方式无法满足现代航空制造业对于高精度和高效率的要求，对飞机结构件制孔提出了更高的要求，因此，自动制孔技术应运而生。数字化自动制孔就是按照三维模型编制CAD/CAM数控程序，由机床按照数控程序自动完成制孔加工。自动制孔设备的结构形式主要有龙门式柔性导轨制孔、柔性轨道制孔、机器人制孔和爬行机器人制孔等，这些设备已被应用于飞机装配制孔，大大提高了飞机装配制孔效率图1   波音787客机总装对接数字化仿真34航空制造技术·2015年第18期COVERSTORY封面文章和质量。图2所示为自动化制孔设备。（3）数字化自动铆接技术。数字化自动铆接技术集电气、液压、气动、自动控制为一体，在装配过程中不仅可以实现组件（或部件）的自动定位，同时还可以一次完成铆接工作。数字化铆接技术近几年来发展迅速，已由原来结构简单、功能单一的带托架自动化铆接机，发展成为装配工装和铆接设备从结构到功能都高度一体的数字化自动铆接系统。自动铆接系统主要包括自动铆接机和数控托架两部分，自动铆接机用于完成一系列的铆接过程，数控托架主要包括数控围框、托板、立柱以及各种附件等，用于工件的定位和夹持。自动铆接机需与相应的托架系统相配套，才能发挥自动铆接技术的优势，较大尺寸及复杂的结构，尤其是大型飞机机身和机翼壁板、双曲度壁板的自动铆接，需要配备全自动托架（CNC）系统以实现工件的自动定位和调平。数字化铆接系统自动化程度的提高，不仅提高了飞机的装配效率，也是保证飞机装配质量的重要手段。图3（a）为机身蒙皮自动铆接；图3（b）为美国GEMCOR公司研制应用于发动机进气罩的自动铆接设备；图3（c）是GEMCOR公司全数控式G2000型铆接机，整个半圆机身壁板可以放在工作框架中，与下方一个小C形结构互相联动，进行托架翻转，这样可从一边铆到另一边；图3（d）为未来爬行机器人自动铆接。（4）高效长寿命连接技术。随着飞机耐久性和可靠性要求不断提高，长寿命连接是大飞机研制必将广泛采用的连接方法。干涉配合能提高结构疲劳寿命，已成为结构延寿的主要工艺方法。为提高结构疲劳寿命，国内外各先进飞机制造中均采用了大量干涉配合紧固件。高性能航空器的机械连接结构必须采用先进的连接技术，如采用干涉配合铆接、电磁铆接、新型紧固件、孔挤压强化等来提高连接结构的抗疲劳性能与可靠性，减轻结构质量。而采用自动化或半自动化的连接设备则能显著提高工作效率及连接质量的稳定性。（5）数字化检验测量技术。传统的测量技术已难以满足飞机制造中快速、高效、高精度检测要求，数字化检测技术已成为打通飞机复杂零件与大尺寸零部件设计、制造、装配、检测一体化流程，提升检测效率与水平的关键环节。应采用基于数字化检测设备（三坐标测量机、激光跟踪仪、激光雷达、激光扫描仪、iGPS等）的产品三维检测与质量控制手段，建立数字化检测技术体系，开发计算机辅助检测规划与测量数据分析系统，制定相应的数字化检测技术规范，以实现提高检测效率与质量的目标。波音公司正在开发三维激光扫描成像技术，可以通过摄像头和激光扫描传感器捕捉工厂和装配中的飞机三维图像，如图4所示，在未来的飞机总装线中，机器人手持该设备扫描飞机和制造环境，然后与设计文档对照，就可以安全地装卸部件并精确地定位自动化装配设备[5]。（6）多系统集成控制技术。在图2   自动化制孔设备（a）A380机翼壁板自动钻孔设备（b）环形轨道自动化制孔设备图4   波音747-8总装线三维激光扫描成像图3   自动铆接设备（c）机身壁板自动铆接（b）波音787发动机进气罩自动铆接（d）未来爬行机器人自动铆接（a）机身蒙皮自动铆接2015年第18期·航空制造技术35COVERSTORY封面文章飞机数字化装配过程中，配套软硬件系统众多，数据处理方式丰富，设计、工艺、测量、定位、制孔、连接等数据间存在大量的交互和协调关系。系统集成与控制技术是实现交互与协调的基础，它将数字化装配技术中各支撑单元即所有自动化装配设备、传感器、测量设备通过通信网络集成在一起，共享信息，形成一个协调运作的全闭环控制系统。柔性装配是飞机数字化装配发展要点飞机数字化柔性装配技术是建立在计算机数字信息处理平台上，融合飞机的全数字量协调技术，应用计算机信息技术、数字控制技术、数字测量技术、柔性工装技术、多系统集成技术和数字仿真分析技术，采用各种数控装配工具，进行制孔、铆接，完成部件的连接，能适应场地和时间的变化要求，在有限的场地内快速完成装配任务，大大减少装配工装的使用，简化型架[6]。柔性装配工装作为柔性装配系统的关键部分和硬件主体，“壁板-部件-大部件对接”装配过程的柔性工装结构形式各不相同，下面主要针对飞机装配不同阶段介绍不同形式的柔性工装。1 多点阵真空吸盘式柔性工装多点阵真空吸盘式柔性工装是由带真空吸盘的立柱模块单元阵列排布组成的工装结构。立柱单元由伺服电机驱动，可以沿空间3个方向运动到任意位置。通过立柱单元的控制移动和真空吸盘的自适应倾斜调节，可生成与任意产品曲面相符合的均匀分布的吸附点阵。通过真空吸盘的吸附夹持作用，将产品装夹紧固[7]。图5所示为壁板类零件多点阵真空吸盘式柔性工装。2 行列式结构柔性装配工装行列式结构柔性工装适用于飞机壁板类和翼梁的装配。行列式结构柔性工装是由模块化结构单元——立柱组成的，以行列式独立排列分布。立柱单元上装有可三维移动调整的夹持单元，通过调节夹持单元的位置来完成不同产品组件、部件的装配。3 飞机部件柔性装配3.1 机翼类部件柔性装配根据不同机翼的大小、构型，机翼类部件柔性装配主要可以分为：（1）翼盒数字化装配。以移动平台为基本的装配平台，配合激光导引定位系统，完成翼盒类部件的数字化装配。（2）前后缘类数字化装配。基于机器人制孔系统和柔性定位子系统，完成前后缘类数字化装配。（3）机翼数字化对接。采用支撑式结构，通过调整机翼各段在空间中的位置，保证机翼的对接装配[4]。3.2 机身类部件柔性装配按照机身的典型结构划分，机身类部件柔性装配主要可以分为：（1）机头柔性装配。