现代飞机装配技术的发展.docx
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现代飞机装配技术的发展
飞机装配技术
现代飞机装配技术的发展
现代飞机装配技术的发展
摘要
社会的需求、市场竞争及相关技术的不断发展,推动着飞机装配技术不断向更高水平演进。
迄今为止,飞机装配技术已经历了从人工装配、半自动化装配到自动化装配的发展历程,目前快速发展的柔性装配将自动化装配技术推向了一个新的高度。
本文先介绍了飞机装配技术的研究现状,然后从飞机装配的协调技术、飞机数字化装配、数字化测量技术和工艺装备等方面论述了现代飞机装配技术的发展及应用。
关键词:
飞机装配,协调技术,数字化装配,测量技术,工艺装备
Thedevelopmentofthemodernaircraftassemblytechnology
Abstract
Socialdemand,marketcompetitionandrelatedtechnologydevelopingpromotetheaircraftassemblytechnologytoahigherlevel.Sofar,Aircraftassemblytechnologyhasgonethroughthedevelopmentfrommanualassembly,semi-automaticassemblytoautomatedassembly.Atpresentrapiddevelopmentofflexibleassemblypushedtheautomatedassemblytechnologytoanewheight.Thispaperfirstintroducesthecurrentresearchstatusofaircraftassemblytechnology,thendiscussesthedevelopmentandapplicationofmodernaircraftassemblytechnologyfromaircraftassemblycoordinatetechnology,aircraftdigitalassemblytechnology,digitalmeasurementtechnologyandprocessequipmentandsoon.
KeyWords:
Aircraftassembly;Coordinatetechnology;Digitalassemblytechnology;Measurementtechnology;Processequipment
第一章引言
1.1飞机装配技术
飞机装配是根据尺寸协调原则,将飞机零件或组件按照设计和技术要求进行组合、连接形成更高一级的装配件或整机的过程。
社会的需求、市场竞争及相关技术的不断发展,推动着飞机装配技术不断向更高水平演进。
迄今为止,飞机装配技术已经历了从人工装配、半自动化装配到自动化装配的发展历程,目前快速发展的柔性装配将自动化装配技术推向了一个新的高度。
1.2国内外飞机装配技术研究现状
1.2.1我国飞机工装设计制造研究现状
我国航空工业主要沿袭前苏联的组织生产模式,飞机工装也不例外。
目前,我国工装整体设计制造水平落后,主要表现在:
工装设计虽采用了计算机辅助设计(CATIA),但未充分利用优化分析(CAE)及虚拟预装配技术,致使型架需反复修改;制造能力差,采用外协加工存在资质认证困难、保密性差、交货周期长等问题;整机装配仍采用手工作业或人工控制,精度和效率较低。
与西方先进
航空企业相比,我国的工装型架数目多、占地面积大、制造周期长、成本高、安装在型架上的定位件及测量仪器缺乏标准化和模块化,同时以模拟量传输协调各工艺环节的“串行工程”模式,严重阻碍了装配质量的提高及研制周期的缩短。
低效的传统飞机装配技术已成为制约我国飞机快速研制的巨大障碍。
我国航空企业及科研院校在引进国外先进装配技术的同时,在工装设计方面的研究较多,主要集中在采用CAD技术进行飞机型架及相关性设计,包括型架标准件库的建立和型架优化及参数设计等[1]。
在测量技术方面,计算机辅助电子经纬仪(CAT),及激光跟踪仪(LT)等先进设备已逐步用于飞机装配并实现国产化。
在虚拟预装配方面,开展了飞机装配工序可视化仿真、装配路径优化及装配容差分析等研究。
总之,我国飞机工装整体研究格局相对较为零散,工程缺乏系统化。
1.2.2国外飞机数字化柔性工装研究及应用
飞机数字化装配技术兴起于20世纪80年代后期,迅速发展于西方航空发达国家。
1994年欧盟提出“基于协作型多功能操作机器人的航空产品柔性装配系统”研究项目[4],其最终目标是实现数字化无型架装配(JAM)。
美国Boeing777研制周期缩短了50%,出错返工率减少了75%,成本降低了25%,成为数字化设计制造与并行工程技术成功应用的典范。
2001年~2004年欧洲的ADFAST项目把研究目标定位于经济实用的重构工装系统(ART)和集成测量系统上,获得重大突破。
空客公司2005年机翼盒自动装配的AWBA2研究项目应用了多种数字化柔性装配技术,降低了成本,缩短了周期,实现了月产38套机翼。
波音公司在研制737时构建的基于构型控制的数字化制造信息管理系统(DCAC/MRM)[2],及近年来研制787所采用的全球协同管理技术(GlobalCo-laborationEnvironment,GCE),使得数字化技术平台在同行业航空企业竞争中取得优势,象征性事件是2007年7月8日波音787Dreamliner的如期下线,同时波音公司宣布已取得1100多亿美元的707架波音787飞机的订单。
洛克希德·马丁公司牵头研制的JSF战机原型机X-35,采用具有激光定位、电磁精密制孔等数字化柔性装配特点的龙门钻削系统,使装配周期减少了2/3,工装数量由350件减少19件,成本降低1/2,LeicaLTD500激光定位配合液压校平系统及移动装配生产线,大大减少了对接时间,和大部件的对接装配数字化。
先进的装配理念和方法,如决定性装配(DeterminantAssembly,DA)、以骨架为基准的自动化装配技术等也广泛应用于大型飞机自动化装配。
图1为Boeing787总装及移动概念图。
图1波音787总装及移动
Boeing787机身第43段的复合材料整体筒体与钛合金框架实现了自动化装配。
采用内外两套独立的装置,在装配时实现自动化装配。
采用内外两套独立的装置,在装配时实现自动定位、夹紧、制孔、安装环槽钉并完成环圈自动镦铆,由电磁提供铆接动力,目前该技术已在日本三菱重工投入使用。
为实现飞机复合材料平尾升降舵装配,空客公司研制的复合材料升降舵柔性装配系统可自动完成后缘的测量和校准、上下壁板钻孔和锪窝、铆钉选择及供给、注胶、铆接及壁板表面波纹度测量等[3]。
1.3飞机装配技术的发展
近10于年来,国外飞机装配迅速发展,以B777、A340、A380、F-22、F-35等为代表的新型军、民机集中反映了国外飞机制造技术的现状和发展趋势,在装配技术上基于单一产品数据源的数字量尺寸协调体系,实施数字化尺寸工程技术,应用柔性模块化的工装技术、加工和检测单元并集成应用为一系列的自动化装配系统进行机体结构的自动化装配,大量采用了长寿命连接技术,实现长寿命飞机结构的高质量、高效率装配。
图2和图3为传统和现代飞机设计制造模式图。
图2传统飞机设计制造模式图
图3现代飞机传统制造模式图
第二章飞机装配中的协调技术
飞机制造过程区别于一般机械产品的主要特点是它具有非常复杂而完善的互换协调理论和技术,并贯穿于制造过程的始终,所以飞机制造装配工艺的难点是首先要解决零部件装配过程中的互换协调问题,特别在新机研制中这一问题尤为突出。
随着数字化技术的深入应用,产品设计的方法和手段发生了根本变化,计算机应用系统完成了越来越多的传统上必须依靠实物模型或样机才能完成的产品性能以及制造能力的分析和验证功能,为解决飞机互换协调问题提供了新的技术与思路。
目前我国正在努力提高飞机制造的水平,加快研制速度,尤其在采用无纸化的数字化设计制造技术之后,就要相应的具有与其相配的数字化协调控制手段,才能真正贯通数字化生产线。
2.1数字化标准工装技术
在飞机制造中使用的一类标准工艺装备(简称标准工装或标工),是以1:
1的真实尺寸来体现产品某些部位的几何形状和尺寸的刚性实体。
它作为一种模拟量标准,用于制造、装配、检验和协调生产工装,是保证生产工装之间、产品零件和部件之间的尺寸和形状协调与互换的重要依据。
其种类可分为标准样件、标准量规、标准平板等。
必须具备足够的刚度,以保持其尺寸和形状的稳定性,具有比生产工装更高的准确度。
数字化标准工装(DMT,DigitalMasterTooling)包含产品协调部位几何形状和尺寸,利用产品3D数字化主模型(包括坐标系统、基准系统、几何模型)和协调部位装配尺寸及公差等装配元素作为设计、制造、检验和协调所有零件加工工装、部段内部装配工装、部段间装配工装和检验工装的数字量标准,是保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件和组件之间的尺寸和形状协调互换的重要依据[4]。
数字化标准工装实际上是数字化环境下实物标工的替代物。
因为实物标工不仅制造成本高,而且维护难度大,是生产中的一个难点。
同时,实物标工传递的是模拟量数据,在数字化环境下不易实现自动化应用。
所以有必要研究方便、低廉的数字化标准工装模型来代替实物标工,起到协调标准的作用。
数字样件或量规与我们传统意义上的标工作用相同,唯一不同的是它不是实物,而是计算机中的数字化定义模型。
设计出一个统一的数字样件或量规,来参与每一部分的数字化预装配,以保证互换部位的协调。
国外称数字化标工为“主工装”或“软标工”,有时也称之为“电量规”(ElectronicGauge)[5]。
数字化标工在制造和装配中可以重复性地循环利用,而传统意义上的硬工装需要依赖于其他相关或相配合的工装集,这在未来大型飞行器制造和装配上.必将遇到更多的问题和困难,随着工装技术的周期性发展,硬工装也会逐渐退出历史舞台。
2.1.1数字标工模型的建立
采用了数字化产品定义后,可以将整个生产制造过程看成是一个数据的采集、加工、传递、处理的流程,并将最终形成的产品看成是物化的数据。
利用数字标工建模的总过程如图4所示。
与一般实物标工类似,数字标工模型包含的信息应该有:
(1)坐标系统机身坐标系、局部坐标系或辅助坐标系,甚至其他特殊的坐标系。
图4数字标工建模流程
(2)基准包括设计基准、制造基准、使用基准和检验基准。
数字标工的基准和坐标系有相对关系,不能认为坐标系原点必须在基准上。
(3)尺寸与公差无论是工装还是零件,这是最主要的数据信息内容。
作为标工,则只需要某些特定的少量尺寸与公差。
例如,需要外形尺寸的标工应包含外形公差,用于定位孔的标工则只需包含孔心、孔径尺寸公差。
在建模过程中,制造部门设计和应用数字标工时都不能随意平移、旋转实体图形,以免造成不协调;在需要平稳和旋转时,应该变换辅助坐标系或重新做一个辅助坐标系。
为了提高精度和改善装配工艺性,设计基准应符合以下原则:
(1)数字标工的设计基准应力求同产品的设计基准一致;
(2)只有当工艺上有要求,并有利于提高生产工装的制造精度和协调性时,才可采用不同于产品设计基准的转换基准;
(3)相邻组、部件的数字标工,其设计基准应尽量一致:
(4)设计基准、工艺基准和检验基准应尽量一致;
(5)一个数字标工基准系统允许一个合理的积累误差范围,零件工装和装配工装的制造公差都控制在产品公差的1/3之内;
(6)用数字标工进行工装设计时,要在当前统一基准中给出各个光学目标点的尺寸和公差。
在工装设计过程中,预先在工装定位器上设计出三个光学目标点,并在该定位器处在整体坐标系中的正确位置时,给出这三个光学目标点的理论坐标值;
(7)基于数字标工设计的工装在制造时,其上定位器的定位面、定位线及定位点与工具球孔应一起数控加工,以保证最小的制造误差。
2.1.2数字标工方法的应用
数字标工方法的应用大致分以下三个环节[6]:
(1)在测量系统中建立坐标系用数字标工的方法进行装配,首先要将工装数字化模型和坐标系及基准方案输入测量系统的计算机中,在测量系统中建立坐标系,在工装中事先设置坐标参考点,依照此类参考点在测量系统中建立坐标系,且与工装数字模型中的坐标系相同。
坐标参考点要精确标定。
(2)在工装中安装定位器
坐标系建立起来以后,就可以在工装中安装工装定位器。
在传统飞机制造中,很多工装定位器的安装是靠实物标工定位完成的。
而在数字化装配环境中,除主要用于厂际互换外,大部分实物标工已被取消,而以数字标工代替实物标工,其方法是:
在工装设计时定位器的定位特征点以数字标工为准,在工装定位器装配时(如在型架装配机中)用激光跟踪仪一边测量定位点坐标一边进行工装定位器的安装。
(3)将零部件装配到工装
在新标定的坐标系中,以定位器定位,将零部件装配到工装中。
在数字化模型中定义一些该零部件的关键特性点,在工装中测量定位后,将零部件上的特征点坐标值,与存储在数字化模型中的这些点的坐标值相比较,检查装配误差情况。
在实际应用数字标工技术时,各使用单位(如研究所、主机厂)应采取三步方针:
首先,根据当前国内各主机厂的工装和标准工装的使用情况进行分析,提取、总结标工的特征及使用原理,以此来定义数字标工的明确内涵,包括数字标工的应用目的、范围和建立原则等。
然后,对数字标工模型进行分析,应用CATIA等三维造型软件和分析模拟软件,结合工程数据集和装配数据集来建立数字标工模型,并制定相应的规范原则,研究对模型进行分析和修改的方法。
最后,对数字标工技术要应用到实际生产的组件、部件中去。
要选择采用数字标工技术中的产品部分,对装配过程跟踪、分析、修正和总结。
2.2装配中的数字化协调路线
采用数字化技术后的装配系统,不仅可以将原本用于各部分分别装配的工装组合在一起形成装配工作站,而且甚至可以将激光跟踪、数字控制等功能的设备集成其上,统一接收3D数字模型,保证数据源一致。
这样的装配集成系统的数字化协调路线如图5所示。
在新的协调系统中,可以省掉许多样板和标准工装。
装配型架在设计时,采用数字化三维相关性设计方法,依据是工程数据集和制造数据集;定位件的设计是以被定位的零组件定位特征协调进行的,并进行数字化预装配协调。
如定位面是外形面,则定位件定位面的设计依据是被定位外形面的工程数据集或制造数据集,协调依据就是外形面的主表面模型。
如果定位特征是孔,则定位件定位孔的设计就是以被定位对象的孔轴线等作为定位件的孔轴线。
型架的坐标系应与工程数据集中的坐标系相统一。
就装配工装而言,从设计到制造成形的整个过程,可以在数字化协调基础上。
结合现有技术和方法,形成带有少量传统方式的混合的数字化协调路线,如图6所示。
图5装配集成系统的数字化协调路线
图6装配工装协调路线
另外,数字化协调中必须确定关键特性。
广义上讲,对于协调部位一般都可定义为关键特性,并且以此在工装上定位,定位特征就是关键特性。
即在被确定有关键特性的地方,关键特性优先作为定位特征,且定位件的定位特征设计就是以关键特性协调的数字化进行的。
2.3模拟量与数字量混合协调
2.3.1模拟量协调
传统的飞机制造是利用模线一样板一标准样件一生产工装,把飞机的设计要求(各种数据)传递到最后产品上的。
基于实物标工的协调方法如图7所示。
在这个过程中,标准工艺装备起着至关重要的作用,它以实体形式体现产品某一部分外形、对接接头和孔系之间相对位置准度在产品图纸规定的公差范围之内的刚性模拟量。
它确定了产品部件、组合件或零件各表面(或外形)、接头、孔系之间的相对正确位置,是制造生产工装的重要依据。
图7基于模拟量的典型装配协调路线
2.3.2数字化协调
采用数字标工模型控制产品协调准确度的方法是在各级坐标系中,通过标工中的约束关系将产品协调部位尺寸与形状信息通过数字量方式直接传递到产品或生产工艺装备的过程,保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件和组件之间形状及尺寸的协调互换。
基于数字标工的协调原理如图8所示.通过引用工程数据集信息形成的数字标工,作为产品制造、协调和检验的依据。
图8数字化装配典型协调路线
2.3.3混合协调
模拟量协调体系巾,采用实物标工保证产品的协调,其协调的基本原理如下:
首先保证标工的设计基准与产品的设计基准一致或从产品的设计基准转换而来,产品装配时,通过实物标工保证产品相对于产品设备计基准的位置或外形准确度。
产品的检测一般通过检验夹具/型架完成。
检验夹具/型架按照实物标工进行制造、安装与协调,难以获取产品的关键测量点在全机坐标系中的绝对位置信息。
而在数字化装配协调体系中,采用数字标工进行产品的装配协调,它是在保证产品制造符合性的基础上以保证产品的协调性。
数字化协调通过数字标工所包含的外形和尺寸约束,确定零组件在机身坐标系中的位置;在装配的过程中,采用激光跟踪仪等数字化测量设备,保证零组件在坐标系中的正确空间位置。
标准工艺装备是产品协调的前提和基础,也是产品制造检验的依据。
实物标工是一种刚性模拟量,主要包含以下几大类:
模线和样板、标准量规、标准平板、外形标准样件、综合标准样件和零件标准样件。
数字标工是包含并通过统一基准系统(坐标系、主尺寸表面、几何基准)和实体几何(几何形状、尺寸公差)反映飞机产品的协调关系,并以数字量形式存在的三维数字化飞机产品或工艺装备几何定义模型。
数字标工的表现形式主要有:
以三维数学模型为信息载体的约束集和数字标工定义模型。
实物标工和数字标工分别是两个协调体系中实现产品装配协调的重要依据,它们在设计制造、管理保存、尺寸稳定性和标工更改等方面都有较大的区别。
对于大型飞机,实物标工一般尺寸大、自重大、易变形,需要在专门的场所保存,并且在使用过程中容易磨损而导致精度降低;实物标工修改需进行设计与制造的更改,而标工修改将导致生产工装的大幅修改。
数字标工是以产品三维数学模型为核心的尺寸和外形约束集,通过约束数据集控制交点和外形的空间位置,也不需要进行实物的制造,不存在尺寸不稳定性隐患;并且数字标工的修改只需在虚拟的数字化环境中根据要求进行相应的更改,如果大量采用柔性工装,则可避免由标工更改导致的大量工装修改。
飞行器制造协调的要求是要最终保证产品的装配协调准确度的标准。
整个制造过程中的协调主要体现在零件与零件、零件与工装、工装与工装之间的协凋性及协调关系。
在我国现阶段的飞机制造中,对于大多数零件所采取的协调方法,大体上采用模拟量协调、数字量协调和模拟量与数字量混合协调三种方式,机加类零件优先选用数字化协调法,钣金类零件优先选用传统协调法。
数字量与模拟量混合协调的综合应用方法在由传统协调方法向数字化协调方法转化的时期具有明显的合理性,将在较长的时间内共同发挥作用。
第三章飞机数字化装配
飞机数字化装配技术涉及飞机设计、零部件制造、装配工艺规划、互换协调技术、数字化测量系统、自动控制和计算机软件等众多先进技术,因而难度较大,所以在一定意义上,飞机的数字化装配是数字化技术最后需要攻克的堡垒,它将从根本上改变传统的飞机装配技术,可以说是飞机制造的一次革命性的变革。
3.1飞机数字化装配技术
3.1.1数字化装配技术的内涵
数字化装配技术是一个新的概念,精确的为其下一个定义还需要更多的探索。
数字化装配是一种能适应快速研制和生产及低成本制造要求的技术,从其发展的历程看,它实质上是数字化技术在飞机设计制造过程中更深层次的应用及其延伸。
数字化装配方法不仅包括了传统数字化装配概念中工装的设计、制造及装配的虚拟仿真等,还包括了像柔性装配方法、无型架装配方法等其他自动化装配方法。
飞机数字化装配技术是数字化装配工艺技术、数字化柔性装配工装技术、光学检测与反馈技术、数字化钻铆技术及数字化的集成控制技术等多种先进技术的综合应用。
数字化装配技术在飞机装配过程中实现装配的数字化、柔性化、信息化、模块化和自动化,将传统的依靠手工或专用型架夹具的装配方式转变为数字化的装配方式,将传统装配模式下的模拟量传递模式改为数字量传递模式。
3.1.2数字化装配工艺技术
数字化装配工艺主要包括数字化装配过程的优化设计、误差分析及容差分配和数字化预装配。
其接收工装系统的设计信息和产品三维实体模型,通过装配过程的模拟仿真进行预装配及误差分析,再将信息反馈到工装系统,进行工装设计的调整和装配过程的优化[7]。
数字化装配过程优化设计分为装配顺序的生成和优化、装配路径的规划和优化、误差分析和容差分配、数字化预装配等几部分。
误差分析和容差分配用来在产品的设计阶段,预测和控制全部系统的误差。
其出发点是全部系统的目标误差,然后通过容差分配方法来分配目标误差作为次级系统的误差。
这样误差预算就在各种次级系统中,作为一个跟踪工具来平衡目标误差和达到目标误差的难度这两者之间的关系。
飞机数字化预装配是在数字化产品定义的基础上利用计算机模拟装配的全过程,用于在研制过程中及时地进行动静态界面设计和干涉检查、工艺性检查、可拆卸性检查、可维护性检查。
其对象是工装与工装的装配、工装与零组件之间的装配及零件与零件之间的直接装配关系,可有效地减少因设计错误而引起的设计返工和更改。
3.1.3数字化柔性装配工装技术
在数字化装配中,将工装按功能划分为静态框架和动态模块。
静态框架是模块化框架,由标准零件和连接件组合而成。
动态模块依据飞机产品的不同需要而设计,它具有多个自由度,通过可调转接器依附于静态框架上,根据不同的产品特征而配置不同的动态模块;动态模块本身可以通过转接器调整或自由度调整改变自己的特征,以满足同类相似的产品。
这样动态模块和静态框架之间就可以依据不同的产品或者产品的不同特征而进行调整配置。
数字化装配工装实现柔性的方式主要是调整动态模块或者更换动态模块,对于不同的壁板部件装配,按照具体部件装配的要求增加或减少柔性夹持模块,通过调整转接器自由度、调整卡板的形状或者更换卡板,使之适应具体特征的要求。
以飞机壁板类零件为例,数字化柔性装配工装的功能模块分解如图9所示。
图9数字化柔性工装的功能模块
在数字化环境下,柔性工装的定位不再依靠工装上的固定定位器,而采用独立的一套定位系统。
控制系统把定位数据传递给装配定位执行机构,这样才能实现数据的数字量传递,称该定位执行机构为机械随动定位装置。
机械随动定位装置是一个数字化自动控制的高精度装置,其结构根据产品装配过程中的定位要求而定。
该装置中的伺服驱动机构带动自动化定位机构对装配件进行调整和支撑,实现装配件的定位。
自动化定位机构依靠控制系统的控制来同时协调多个机械随动装置的运动,保证以确定方式、可预见地移动飞机零件,一级操作用户可以通过图形用户界面显示零件的位置坐标,然后设定控制参数,控制机械随动定位装置的运动。
在此,对各坐标的定义如下:
X坐标为平行于工装单元的水平运动,Y坐标为平行于工装单元的垂直运动,Z坐标为垂直于XY坐标平面方向的运动
3.2飞机数字化装配技术体系
飞机数字化装配技术体系涉及飞机设计、零部件制造、装配工艺规划、数字化柔性定位、精密制孔连接、自动控制、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。
飞机数字化装配关键技术主要包括:
飞机数字化装配基础技术、应用技术和标准规范。
飞机数字化装配关键技术是整个飞机数字化装配体系的基础,主要包括3个组成部分:
飞机数字化装配关键基础技术;飞机数字化装配关键应用技术;飞机数字化装配技术标准与规范。
飞机数字化装配
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