劉雪梅,郭改平

(同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)

在民用飛機零部件制造中,由于采用了模擬量形式傳遞零部件的形狀和尺寸,并使用了大量復雜的型架進行定位和夾緊的手工裝配方法,使制造過程中的各種問題和矛盾堆積到飛機的大部件對接裝配中.傳統(tǒng)的大部件對接裝配協(xié)調(diào)仍采用模擬量傳遞模式,為了保證對接裝配順利可靠,常常需在對接部位設計、制造相應的巨大標準工裝用于協(xié)調(diào),延長了裝配周期,增加了裝配成本.如導致外翼與中央翼對接,外翼活動面最終安裝,機身各部段筒形件對接等出現(xiàn)的偏差,其主要原因存在于零件加工、裝配變形、裝配誤差、總體容差分配不合理等各個環(huán)節(jié).自動化對接技術要求裝配過程保證大部件間配合部位的協(xié)調(diào)準確性,同時要求在相應位置上設置自動化裝配服務的測量點,科學建立和表達大型、復雜零件/工裝的技術方案和測量方案,確保大部件配合部位的協(xié)調(diào)準確性.所以,在飛機裝配的各個環(huán)節(jié)識別關鍵控制點,采用過程控制的思路,制定切實可行的檢測方案顯得尤為重要.檢測技術不再僅僅是“服務”行業(yè),已成為整個先進閉環(huán)制造(也稱數(shù)字化設計制造)過程中一個不可缺少的關鍵環(huán)節(jié).數(shù)字化檢測技術也由產(chǎn)品質(zhì)量檢測轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品質(zhì)量控制、質(zhì)量保證的關鍵技術之一.本文將通過對商用飛機某些大部件裝配要素及檢測特性的分析,探索基于模型設計(Model Based Design,MBD)的商用飛機結(jié)構裝配幾何尺寸檢測方法及適用流程.

1 商用飛機幾何尺寸的數(shù)字化檢測需求分析

飛機裝配過程一般是首先將零件裝配成比較簡單的組合件,然后逐步裝配成復雜的段件和部件,最后將各部分對接成整架飛機.組成飛機的零件,連接件數(shù)量多且外形復雜,在裝配過程中易產(chǎn)生變形.現(xiàn)代飛機具有較高的部件氣動外形、部件間相對位置準確度要求,可見飛機裝配不僅勞動量大,而且質(zhì)量要求高,技術難度大.機翼是飛機升力的主要提供部件,也是產(chǎn)生飛機阻力的重要組成部分,作為機翼的主體部件——外翼盒段的制造和裝配對飛機整體性能的影響可見一斑.

控制飛機各零部件的制造精度,不僅可以保證飛機性能,更是保證先進制造工藝順利實現(xiàn)的先決條件,如自動化裝配.在民用飛機項目中,逐漸大量采用自動鉆鉚技術和自動化對接技術,只有從零件制造,工裝設備的設計、制造與控制,基準點的選取,關鍵點的控制等源頭上做好精度和公差的控制,才能確保自動化生產(chǎn)順利進行.因此,采用數(shù)字化檢測技術保障飛機各零部件的制造精度,對提高飛機整機裝配質(zhì)量，加快研制進程具有十分重要的現(xiàn)實意義.進行飛機數(shù)字化三維檢測技術的研究,適應民用飛機基于模型設計的趨勢要求.作為飛機的主升力部件,實現(xiàn)飛機姿態(tài)控制、燃油存儲,進行主起落架、吊掛裝配連接,外翼部段全過程尺寸控制的重要性更是不言而喻.

飛機外翼盒段分為左、右兩個,以飛機中軸線對稱分布于機身兩側(cè).外翼盒段在機翼根肋處與中央翼對接,在翼尖端肋處與翼梢小翼對接.發(fā)動機通過吊掛與外翼盒段相連,在外翼盒段前后梁之間是整體油箱,主起落架在機翼根部三角區(qū)與外翼盒段相連.外翼盒段前緣要與固定前緣和前緣縫翼協(xié)調(diào)配合,外翼盒段后緣要與內(nèi)襟翼艙、外襟翼艙、副翼艙、襟翼滑軌及其整流罩等協(xié)調(diào)配合,如圖1所示.

圖1 外翼盒段外部、內(nèi)部設計分離面簡圖Fig.1 External and internal design separation surface sketch of outer wing box section

2 商用飛機數(shù)字化檢測設備的應用分析

飛機制造中使用的數(shù)字化測量系統(tǒng)有:數(shù)控坐標測量機測量系統(tǒng)、電子經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)、光學準直儀測量系統(tǒng)、激光自動跟蹤儀測量系統(tǒng)、激光掃描儀測量系統(tǒng)、數(shù)字照相測量系統(tǒng)以及室內(nèi)GPS系統(tǒng),主要用來測量和定位各種工藝裝備,或直接用來定位裝配結(jié)構件,是數(shù)字化裝配系統(tǒng)的重要組成部分.與傳統(tǒng)的測量方式相比,數(shù)字化測量技術具有非接觸、速度快、便攜以及測量范圍大等特點.目前,應用最廣泛的是激光自動跟蹤儀測量系統(tǒng),其具有實時定位功能、極高的測量精度及效率,如圖2所示.激光自動跟蹤儀測量系統(tǒng)可定位裝配部件的位置,測量裝配部件的幾何尺寸,所獲得的測量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后,可直接反饋到系統(tǒng)計算機,與理論數(shù)模進行擬合、分析、比對,從而判斷具體產(chǎn)品與理論數(shù)模的偏離量,得出產(chǎn)品是否合格的結(jié)論.

圖2 激光跟蹤儀及附件Fig.2 Laser tracker and accessories

3 商用飛機結(jié)構裝配幾何尺寸檢測應用分析

3.1 數(shù)字化檢測輔助結(jié)構裝配應用分析

歐美國家為了提高飛機的裝配效率和裝配質(zhì)量,率先研究數(shù)字化和自動化技術在飛機裝配中的應用[1-7].國外航空企業(yè)對數(shù)字化檢測技術的應用已經(jīng)相當成功,無論對零部件、工裝,還是移動生產(chǎn)線及飛機大部件裝配方面都采用了有效的數(shù)字化檢測方式.美國波音飛機制造公司[8]從1998年開始研究局域GPS輔助裝配,已將其應用于從波音747到F/A18整機的裝配線中,解決了對大尺寸結(jié)構件的測量問題.Hartmann等[9-12]利用激光跟蹤儀和局域GPS(Indoor GPS)實現(xiàn)了飛機大部件的位姿測量,為飛機數(shù)字化裝配提供了前提條件[13-16].近年來,國外飛機裝配技術得到了快速發(fā)展,波音、空客、洛克希德·馬丁等航空制造公司生產(chǎn)了一系列新型民機、軍機,如B777,A380,F-35等,這集中反映了國外飛機制造的技術水平和發(fā)展趨勢.20世紀90年代,美國Arc Second公司根據(jù)GPS全球定位系統(tǒng)的原理,開發(fā)出了局域GPS測量系統(tǒng).局域GPS測量系統(tǒng)由激光發(fā)射器、傳感器、信號接收器以及計算機組成[17-20].在大空間中使用時,局域GPS測量精度能保持70～100 μm的測量精度[20-21],局域GPS測量系統(tǒng)缺點是測量精度沒有激光跟蹤測量系統(tǒng)高.

3.2 數(shù)字化檢測輔助大部件對接應用分析

數(shù)字化柔性裝配體系(Digital Assembly Technology System,DATS)是目前應用最廣泛的飛機裝配新技術,其集成了產(chǎn)品數(shù)字化定義技術、數(shù)字化標準工裝的協(xié)調(diào)技術、數(shù)字化模擬仿真技術、激光跟蹤測量技術、自動化機械隨動定位控制技術等多種先進技術.美國麥克唐納·道格拉斯公司將計算機輔助電子經(jīng)緯儀應用于MD-90的尾段總裝型架、對合型架和垂尾總裝型架安裝中,美國波音公司用計算機輔助電子經(jīng)緯儀輔助完成了波音737-700后段裝配.美國波音公司在波音737-800、波音787等民機的研制過程中,使用了一種自動定位與校準系統(tǒng),利用數(shù)字化測量設備完成飛機部件上測量點的測量,輔助完成飛機部件的對接[12].在波音777機型的研制中采用了基于數(shù)字化檢測的制造技術后,制造成本降低了30%～40%,產(chǎn)品開發(fā)周期縮短了40%～60%,從而加快了研制和交貨的周期.空客公司也采用類似技術,使空客的飛機研制周期從4.0年縮短為2.5年,不僅提前投放市場,而且大大降低了飛機研制費用及生產(chǎn)成本,增加了全球競爭力.當然,這些成就不能完全歸功于數(shù)字化檢測技術,但是,毋庸置疑數(shù)字化檢測技術是其得以實現(xiàn)的基礎之一.飛機大部件對接是把構成飛機基本結(jié)構的各個大部件連接在一起,形成整個飛機的裝配過程.與傳統(tǒng)大部件對接方法不同,國外先進的大部件自動對接采用計算機信息處理、數(shù)控定位、高精度數(shù)字化測量、信息反饋等技術[22].國內(nèi)承接轉(zhuǎn)包空客項目中A319/320/321為20世紀80年代機型,外翼盒段裝配所采用的測量為傳統(tǒng)模擬量測量和數(shù)字化測量相結(jié)合,而模擬量測量過程中的系統(tǒng)誤差已經(jīng)越來越引起關注.例如,在外翼盒段上與副翼等活動面配合的交點測量中,雖然還保留了長銷棒等模擬量測量工具,但實際的測量工作則采用了數(shù)字化測量,其結(jié)果避免了銷棒本身的誤差影響,這一做法也得到空客認可.

3.3 基于MBD要求國產(chǎn)機型數(shù)字化檢測應用分析

國內(nèi)航空企業(yè)在飛機零部件制造中也逐步引進并采用了數(shù)字化檢測技術.上海在制造MD-90飛機中,用到了激光準直儀以完成翼身對接;在波音737-700尾段轉(zhuǎn)包項目中,使用CMM三坐標測量機對零部件進行了數(shù)字化測量，也同樣應用到了國產(chǎn)支線飛機零部件制造和裝配中;在21世紀初的國內(nèi)擁有自主知識產(chǎn)權的新支線飛機項目和大型客機項目中,激光跟蹤儀的使用已經(jīng)十分普遍了.激光跟蹤儀進行測量的基本原理是:在待測點處放置靶球,激光跟蹤儀發(fā)射激光束到靶球上,并接收靶球反射的光束,通過自身的測角系統(tǒng)與絕對測距系統(tǒng)來確定靶球球心的空間坐標,從而得到待測點的空間坐標.激光跟蹤儀測量系統(tǒng)測量裝配部件的關鍵點,獲得關鍵點的測量數(shù)據(jù)反饋給控制計算機.北京航空航天大學在數(shù)字化柔性工裝技術、數(shù)字化測量技術方面都有一定的研究，其中包括激光跟蹤儀輔助飛機總裝自動化技術，基于激光跟蹤定位的飛機部件數(shù)字化柔性裝配技術和原理開發(fā)了激光跟蹤測量原型系統(tǒng).對外翼盒段這樣大尺寸小曲率零部件使用激光掃描儀和照相式掃描儀進行外形測量,實現(xiàn)了從空間客觀事物的圖像中提取特定的特征信息,并利用該信息對被測空間中目標位姿進行處理、描述、存儲、識別與理解[23-24].對結(jié)構件幾何尺寸的控制關系到最終裝配尺寸、裝配公差及功能的實現(xiàn),采用數(shù)字化檢測技術保障飛機各零部件的制造精度,進一步提高了飛機整機裝配質(zhì)量，加快了研制進程.為適應大型客機MBD的要求,國內(nèi)各大主機廠都在進行飛機數(shù)字化三維檢測技術的研究,目前提倡按照全機容差分配及相鄰組件或部件的對接要求,對上游數(shù)據(jù)讀取和接收,對下游數(shù)據(jù)測量和傳遞,實現(xiàn)過程控制和全程控制.尤其是對外翼盒段等交點多、對接位置復雜、部件總裝姿態(tài)與全機對接姿態(tài)差異大的部件，采用外形數(shù)字化測量技術,為模擬裝配提供數(shù)據(jù)支持,進一步探索自動化裝配的檢測技術.

目前,數(shù)字化檢測技術在外翼盒段零件、工裝、部件檢測中得到了運用，但在確定檢測關鍵要素及制定檢驗方法上還不夠成熟,尺寸的檢測主要還是依靠工裝及模擬量.在數(shù)字化檢測上,國內(nèi)已采用了先進技術,制定了標準檢測法,如對機翼吊掛的測量,他們規(guī)定了測量的角度、次數(shù),并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動處理,如圖3所示.

圖3 國內(nèi)某飛機制造公司外翼盒段交點測量Fig.3 Measurement of intersection point of outer wing box section of an aircraft manufacturing company in China

在國內(nèi)各大主機廠的外翼盒段測量中,完整和系統(tǒng)地使用數(shù)字化測量技術尚不成熟,工藝人員、質(zhì)量人員都在進行積極的探索和實踐.尤其是新支線客機和大型客機等的研制過程,數(shù)字化裝配和自動生產(chǎn)線對數(shù)字化測量技術形成倒逼趨勢.

4 基于MBD的商用飛機結(jié)構裝配幾何尺寸檢測方案分析

以外翼盒段為例:針對大型客機項目中外翼盒段結(jié)構特點及設計分離面和工藝分離面的要求,以數(shù)字化檢測技術為手段的外翼盒段檢測技術實現(xiàn)問題,研究關鍵控制點位置,綜合考慮工藝、工裝、翼身對接狀態(tài)等約束,集成優(yōu)化外翼盒段檢測控制方案,得到較優(yōu)的檢測控制手段.

(1) 形成外翼盒段大尺寸、復雜零件/工裝數(shù)字化檢測清單.

為了形成完整的外翼盒段檢測控制手段,首先要形成外翼盒段制造及裝配過程中所需控制的關鍵點,滿足能夠?qū)σ砩韺訒r出現(xiàn)的裝配偏差，進行支撐的溯源性的數(shù)據(jù)積累.主要通過工藝及設計人員在新支線項目、國外同類機型中的需求，獲得需要納入檢測清單的輸入條件,對外翼盒段3 000余個零件進行分類篩選、定義.

在外翼盒段制造及裝配過程中所有使用到的工裝,按功能性質(zhì)分為標準工裝、夾具、裝配工裝等,按工裝功能特點分為硬式工裝、柔性工裝等.在零件制造及部件裝配過程中，對制造精度和配合精度的要求,對所使用的在翼身對接時，進行尺寸傳遞和裝配前模擬所需的工裝進行篩選、定義.

根據(jù)對現(xiàn)有零部件及工裝對飛機翼身對接、全機裝配、數(shù)據(jù)溯源的需求,按照對大尺寸零組件、復雜零組件及檢測所需工裝的篩選原則,形成零部件及工裝的關注清單.結(jié)合制造及裝配特點,按照目前普遍采用的數(shù)字化測量設備,形成有針對性的數(shù)字化測量設備選用目錄.形成的工具選用和零組件分類清單,為進行外翼盒段數(shù)字化檢測技術的研究做好基礎準備條件.

(2) 形成外翼盒段架外大部件測量技術的核心組成.

研究外翼盒段架外大部件測量的可能方案,在已有經(jīng)驗的基礎上進一步改進和優(yōu)化,使改進后形成的方案，考慮吊具吊裝過程中對吊具功能要求.在架外測量過程中，對工裝所需實現(xiàn)的姿態(tài)保持及測量可達性方面的技術條件要求,根據(jù)飛機設計文件及工藝方案對翼身對接狀態(tài)下外翼盒段的定位及角度等狀態(tài)要求,對外翼盒段架外放置及架外姿態(tài)保持進行優(yōu)化,滿足外翼盒段在翼身對接狀態(tài)的同時,保證對測量位置分布及測量可達性的要求.

根據(jù)已有的工藝路徑和資源配置,研究制定外翼盒段架外大部件的工藝計劃文件,對工藝路徑及實現(xiàn)過程進行可行性研究.在此基礎上,模擬翼身對接姿態(tài),形成一套可復制、可移植的外翼盒段架外測量型架、吊具及架外測量工藝的參照流程.

(3) 歸納外翼盒段零部件關鍵控制點.

分析和比較外翼盒段從零件制造開始到翼身對接裝配前具有溯源需求的關鍵控制點,分析各關鍵控制點對檢測要素的支撐作用,為外翼盒段部件交付提供技術判據(jù).同時，為外翼盒段在翼身對接前進行模擬裝配及上架準備進行預判,為本體的裝配過程的技術摸底提供依據(jù)進行研究.

5 結(jié)語

綜上所述,基于模型設計的飛機裝配檢測技術分析，已經(jīng)伴隨著基于模型的設計、自動鉆鉚技術、自動對接技術、自動生產(chǎn)線等技術的推進而得到廣泛重視、深入研究和逐步推廣,而通過零件/工裝數(shù)字化檢測清單、架外大部件測量技術、零部件關鍵控制點的研究驗證,工程技術人員就能進一步滿足飛機結(jié)構裝配中的檢測技術需求,推動飛機制造工業(yè)的長足發(fā)展.

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