飞机数字化柔性装配及测量技术

陈勇哲

摘要：用于满足飞机产品最终装配准确度要求的装配工装，随着先进自动化连接设备和连接技术的发展，逐步由刚性工装演变成具有数字化、模块化、可重构、可重复利用优点的柔性工装。在线测量系统提供装配过程的实测数据，实现工装的数字化定位，对实现装配全数字量传递、工装调形全“闭环”控制提供了基础保障。

关键词：数字化；柔性工装；数字化测量

飞机产品结构复杂，零部件数量多，裝配过程中极易发生变形，为保证装配准确度，采用了大量的装配工装。早期飞机装配应用的工装是刚性构架，专用性强，稳定性好，但设计制造周期长、占地面积大，而且结构开敞性差，不利于先进自动化连接设备和连接技术的应用。为了克服刚性工装的上述缺点，在现代先进飞机的装配过程中开始应用各种数字化柔性工装，使得装配工装的设计制造等准备周期显著缩短，减少了工装数量以及工装设计制造成本，同时提高了工装快速响应产品变化的能力。此外，数字化测量设备实时采集测量对象的形位信息，测量分析软件对测量信息快速分析处理，然后将实测数据传递给编程及仿真管理系统进行分析、优化。柔性工装的数字化驱动模式提高了工装的定位准确度。

1 数字化柔性装配工装

1.1 数字化柔性工装工作原理

数字化柔性装配工装是用于飞机装配，具有柔性可重构能力，具备“一架多用”功能的工艺装备，通过调整或重构可用于多种飞机零组件的定位装配。其由复杂的硬件系统和软件系统构成的综合工装系统。

柔性工装一般具有柔性化、数字化、模块化和自动化特点。柔性化表现为工装具有快速重构调整的能力，工装设计、制造、安装到应用均采用数字量传递方式，且工装硬件主要由具有模块化结构特点的单元组成，模块化结构单元的重构实现了工装的柔性，各模块化单元可根据装配需求自动完成装配动作。

柔性工装系统工作过程：首先，在应用集成管理系统中进行装配工艺规划，同时进行装配工艺仿真，将生成的工装理论驱动数据解析为数控系统动作指令并传递至工装的数控系统；然后，数控系统根据动作指令计算各定位器轴的调形轨迹，驱动定位器调形；定位器调形到位后，在线检测系统实时测量定位器位置，并将测量数据传递至离线编程与仿真管理系统；最后，离线编程与仿真管理系统将测量数据与理论数据进行比较，检查其是否满足装配要求，若测量数据无法满足装配需求，系统将自动生成优化数据并由数控系统进一步调形，直到定位器位置精度满足装配要求。

1.2 飞机装配应用的典型柔性装配工装

飞机装配一般分为组合件装配、段件和部件装配、大部件对接装配，不同的装配对象有不同的定位与装配特点。

组合件装配，结构刚性较弱，装配零件数量多，主要采用装配工装定位各个零件，控制其形状。常见的组合件是壁板组件，典型柔性工装有：数控柔性工装和多点阵真空吸盘式柔性工装及行列式柔性工装。数控柔性工装用于机身刚性较弱的壁板组件，多点阵真空吸盘式柔性工装用于机身刚性较强的壁板组件，行列式柔性工装结构开敞性好，与自动钻铆机配合用于机翼壁板组件。

部件装配柔性工装主要针对大型部件的总装配，分为整体式和分体式。整体式的柔性装配平台用于机身部件，其以工装框架作为可调整定位器的支撑平台，通过框架横梁上定位器的运动来调整定位点，实现部件结构中各个关键件的定位。当飞机产品型号变化时，通过调整或更换定位器来实现不同产品的装配，从而实现工装的柔性功能，使其满足“一架多用”的需要。分体式柔性装配工装适用于翼面类部件结构，其由一个固定内框、前后两个可沿导轨移动的外框和驱动电机组成，外框上布置飞机骨架及蒙皮定位器，内框上布置梁及交点接头定位器，装配中外框沿轨道向外滑动，内、外框上零件装配定位后，外框与内框对合，实现翼身对接部件的装配。

部件对接柔性工装是大部件自动化对接平台，其集成了自动化工装、测量系统及计算软件的综合系统，对接平台为分散式装有定位器的立柱结构。对接过程中，用仿真优化软件和数字化测量设备提供的优化数据驱动工装运动，然后在控制系统控制下工装自动完成定位和调整。对接时工装上的传感器实时监测装配应力变化情况，保证了对接安全可靠。

2 飞机装配数字化测量

为提高飞机装配质量，确保飞机装配精度，利用先进的测量技术和方法进行装配过程控制，使产品最终几何特征达到设计要求。飞机几何特征的多样性、装配流程的复杂性以及装配协调与准确度的要求，使得飞机装配测量具有多种需求，其类型主要分为两大类，即空间点位测量及复杂曲面测量。

2.1 通用测量设备及应用

随着飞机数字化柔性装配的发展，数字化测量系统大规模应用于飞机装配中。常用的数字化测量设备主要有关节臂测量机、经纬仪测量系统、全站仪测量系统、摄影测量系统、激光扫描测量系统、激光跟踪仪测量系统和室内空间测量系统等。

激光扫描测量系统、激光跟踪仪测量系统和室内空间测量系统相对精度高，测量范围大，可用于工装安装、部件装配定位、对接装配及装配质量检测等装配生产环节；关节臂测量机和摄影测量系统具有体积小、便于携带的优点，可用于特定装配要求的测量或辅助其他测量设备协同测量。

2.2 测量系统建立

现代飞机的气动性和隐身性对装配质量提出了更高的要求，从而对数字化检测也提出更高挑战。在装配与检测过程中除了对大部件的气动外形进行检测外，也要对一个大部件的某些小尺寸特征进行精确测量，如配合面间隙、接头交点孔位置等，所以检测设备既要测量范围大、精度高，又要操作快速简单方便。受限于测量原理，单个测量手段存在一定的局限性，基于组合机制的测量系统实现了多种方式的信息互补，优化配置，使测量结果达到最优。

建立一个具有多台不同测量设备的大尺寸空间组合集成测量系统，实现大空间、多特征测量。构建的全局精密测量控制网，通过高精度全局控制点，为集成系统提供可靠的测量基准，利用“转站”测量实现各集成设备之间坐标系的统一和转换，以提高整体空间测量精度。在装配测量现场采用激光跟踪仪和iGPS设备对布设的空间全局控制点进行三维坐标精确测量和定位，并建立大空间精密三维测量坐标系。

3 国内、外现状

在数字化技术的支持下，国外在飞机产品的各个装配阶段中，均已经研发应用了相应的柔性工装，并取得了良好的效益。国内飞机装配中应用的工装，其结构仍主要以传统的刚性、专用形式为主。近年来国内也研制了一批数字化柔性工装，但从整体上看，研究和应用方面仍处于起步阶段。

4 结束语

航空事业的发展，特别是民用运输的发展需求，使得目前数字化装配技术正在朝着原型机快速研制和稳定化大批量快速生产两个方向发展，以满足新型飞机的快速研制和快速大批量生产的需求。飞机装配的发展需求与变化，使柔性装配工装向着移动式、低成本及基于动态监控的可靠性等方向发展。装配测量技术已成为飞机装配技术的重要组成部分，应用数字化测量使装配能够实现闭环控制。基于数字化测量技术的柔性装配工装是现代大飞机装配生产的支撑与保障。

参考文献

[1]李薇.数字化技术在飞机装配中的应用研究.航空制造技术.2004年第8期

[2]肖庆东，王仲奇，马强等.大型飞机数字化装配技术研究.中国制造业信息化.No.36卷No.3期

[3]范玉青.飞机数字化装配技术综述—飞机制造的一次革命性变革.航空制造技术.2006年第10期endprint