周娟勤 薛宏

摘? 要：該文主要探討飛機(jī)機(jī)翼前緣與縫翼的數(shù)字化裝配精準(zhǔn)控制技術(shù)。從飛機(jī)的裝配技術(shù)難點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合機(jī)翼前緣與縫翼的數(shù)字化裝配技術(shù)細(xì)致分析，深入討論裝配協(xié)調(diào)的各種方法及技術(shù)手段。該文最后提出一系列數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)的實(shí)施措施。期望此研究能為提升我國在飛機(jī)部件裝配協(xié)調(diào)領(lǐng)域的技術(shù)水平提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)機(jī)翼；前緣與縫翼；數(shù)字化裝配；協(xié)調(diào)技術(shù)；實(shí)施措施

中圖分類號(hào)：V262.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）10-0193-04

Abstract： This paper mainly discusses the precision control technology of digital assembly of leading edge and seam wing of aircraft wing. Starting from the technical difficulties of aircraft assembly， based on the detailed analysis of the digital assembly technology of wing leading edge and seam wing， various methods and technical means of assembly coordination are discussed in detail. At the end of this paper， a series of measures for digital assembly coordination are put forward. It is expected that this study can provide a useful reference for improving the technical level of aircraft components assembly coordination in our country.

Keywords： aircraft wing; leading edge and seam wing; digital assembly; coordination technology; implementation measures

傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配過程中，部件間的協(xié)調(diào)主要依賴于模擬量傳遞，即使用標(biāo)準(zhǔn)化的工藝設(shè)備來調(diào)整交點(diǎn)和形狀的協(xié)調(diào)性。但隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速進(jìn)步，MBD（模型基準(zhǔn)設(shè)計(jì)）技術(shù)在設(shè)計(jì)飛機(jī)機(jī)翼前緣和縫翼中的應(yīng)用逐漸增多，為數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)與應(yīng)用，以及提高飛機(jī)機(jī)翼前緣縫翼裝配精度打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

1? 飛機(jī)裝配協(xié)調(diào)方案

1.1? 模擬量協(xié)調(diào)

傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配協(xié)調(diào)方案主要基于模擬量傳遞。這種方法的核心是使用物理工藝設(shè)備和測(cè)量工具來確保部件間的正確配合。例如，工程師和技工可能會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)化的模具、夾具和量規(guī)確保交點(diǎn)和外形的協(xié)調(diào)性。這種方法雖然經(jīng)過了時(shí)間的考驗(yàn)并被證明是有效的，但其主要的缺點(diǎn)是效率較低，因?yàn)槊看握{(diào)整都需要大量的人工操作和測(cè)量。同時(shí)，由于人為因素的介入，可能會(huì)引入誤差，導(dǎo)致裝配不精確或需要重復(fù)勞動(dòng)。模擬量協(xié)調(diào)方法在大規(guī)模生產(chǎn)中尤其顯得繁瑣，因?yàn)槊總€(gè)部件都需要經(jīng)過詳細(xì)的人工檢查和調(diào)整。

1.2? 數(shù)字化協(xié)調(diào)方案

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)裝配領(lǐng)域也逐漸采用數(shù)字化協(xié)調(diào)方案。這種方法基于高精度的數(shù)字模型和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件，可以在虛擬環(huán)境中模擬裝配過程，從而預(yù)測(cè)和解決可能出現(xiàn)的問題。使用MBD（模型基準(zhǔn)設(shè)計(jì)）技術(shù)，工程師可以創(chuàng)建一個(gè)高度詳細(xì)和準(zhǔn)確的3D模型，這不僅減少了因人為誤差導(dǎo)致的問題，還大大提高了裝配效率。數(shù)字化協(xié)調(diào)方案可以實(shí)時(shí)地提供反饋，使工程師在出現(xiàn)問題時(shí)能夠迅速作出調(diào)整。此外，這種方法還可以與其他數(shù)字化工具和系統(tǒng)（如計(jì)算機(jī)輔助制造CAM）無縫集成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)流程的自動(dòng)化。數(shù)字化協(xié)調(diào)方案不僅提高了裝配的精度，還大大縮短了產(chǎn)品上市的時(shí)間。

2? 飛機(jī)機(jī)翼前緣與縫翼數(shù)字化裝配精度控制技術(shù)難點(diǎn)

2.1? 數(shù)據(jù)精度和一致性

隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造的數(shù)據(jù)量也呈指數(shù)增長(zhǎng)。不僅是大量的設(shè)計(jì)圖紙和模型，還有每一個(gè)零部件的生產(chǎn)、檢測(cè)和質(zhì)量控制數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的來源多種多樣，有不同的供應(yīng)商、工具和系統(tǒng)。例如，僅在機(jī)翼設(shè)計(jì)階段，就可能涉及多種不同的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件和模擬工具，每一個(gè)都可能產(chǎn)生與其他系統(tǒng)略有差異的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)的碎片化和不統(tǒng)一性，使得數(shù)據(jù)管理和驗(yàn)證變得尤為困難，可能導(dǎo)致在裝配過程中的誤解和失誤。

飛機(jī)裝配的每一個(gè)環(huán)節(jié)都嚴(yán)重依賴數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。例如，一個(gè)微小的尺寸誤差，如0.05 mm，可能導(dǎo)致零部件不能正確裝配，或者在后續(xù)的飛行中產(chǎn)生性能問題。在這種背景下，即使是小到單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的失真，也可能導(dǎo)致整個(gè)裝配過程中的嚴(yán)重問題。這樣的要求使得飛機(jī)的數(shù)據(jù)管理和質(zhì)量控制系統(tǒng)面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。

2.2? 虛擬與現(xiàn)實(shí)的界面匹配問題

數(shù)字模型為航空工程師提供了一個(gè)理想化的設(shè)計(jì)環(huán)境，其中所有的參數(shù)和變量都是完全受控的。然而，在現(xiàn)實(shí)的制造環(huán)境中，各種因素，如材料的不均勻性、生產(chǎn)工藝的微小變化或工具的磨損，都可能導(dǎo)致實(shí)際部件與其數(shù)字模型之間存在差異。例如，由于材料供應(yīng)商的輕微變化或生產(chǎn)線上的溫度和濕度變化，同一部件在不同的生產(chǎn)批次中可能會(huì)有細(xì)微的差別。

飛機(jī)的性能和安全性對(duì)其各個(gè)組件的精度有著極高的要求。對(duì)于像機(jī)翼前緣和縫翼這樣的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，即使是微小的裝配偏差也可能對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)性能產(chǎn)生重大影響。更糟糕的是，這種影響可能不會(huì)在初步的地面測(cè)試中被發(fā)現(xiàn)，而是在實(shí)際飛行中才顯現(xiàn)出來，這會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)和成本，甚至可能威脅飛行安全。

2.3? 材料的變形與應(yīng)力分布

飛機(jī)機(jī)翼前緣和縫翼的裝配對(duì)材料的特性有著很強(qiáng)的依賴。每種材料， 如鋁、鈦或碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，都有其獨(dú)特的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比。在飛機(jī)裝配過程中，由于溫度、壓力或應(yīng)力的變化，這些材料都可能出現(xiàn)不同程度的變形。盡管這些變形可能是微小的，但當(dāng)它們疊加在一起時(shí)，可能導(dǎo)致部件之間的間隙不匹配，進(jìn)而影響飛機(jī)的整體性能。

雖然數(shù)字模擬技術(shù)在預(yù)測(cè)和分析材料行為上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但其仍然存在局限性。對(duì)于航空材料的塑性變形，尤其是在高應(yīng)力環(huán)境下，常規(guī)的有限元分析可能并不總是能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其行為。更不用說，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中，由于制造過程、儲(chǔ)存條件或其他外部因素，實(shí)際材料的性質(zhì)可能與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)略有出入，這進(jìn)一步增加了裝配過程中的不確定性[2]。

2.4? 復(fù)雜的裝配路徑和碰撞檢測(cè)

飛機(jī)的裝配不僅要考慮單一部件的精度，還要確保各部件之間的協(xié)同和相對(duì)位置。特別是在飛機(jī)機(jī)翼前緣與縫翼的裝配中，部件之間的空間緊湊，對(duì)裝配路徑的要求極高。由于飛機(jī)部件的尺寸和形狀復(fù)雜，預(yù)測(cè)和避免所有可能的碰撞和干涉情況是極為復(fù)雜的。傳統(tǒng)的數(shù)值模擬和碰撞檢測(cè)技術(shù)可能在這種高度復(fù)雜的環(huán)境中面臨困難，導(dǎo)致實(shí)際裝配過程中的碰撞和干涉情況無法得到有效預(yù)測(cè)。

碰撞和干涉不僅可能導(dǎo)致部件損壞或變形，還可能影響整個(gè)裝配線的工作流程，從而增加生產(chǎn)時(shí)間和成本。例如，當(dāng)發(fā)生意外碰撞，裝配過程可能需要暫停，以進(jìn)行檢查和修復(fù)，這意味著其他部分的生產(chǎn)也可能受到影響。此外，持續(xù)的碰撞和干涉情況可能導(dǎo)致部件的重新制造或更換，增加了材料的消耗和勞動(dòng)力的浪費(fèi)。近5%的裝配時(shí)間被用于處理這些問題，這不僅增加了生產(chǎn)成本，而且還增加了裝配錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，可能對(duì)飛機(jī)的安全性和性能產(chǎn)生影響。

3? 精準(zhǔn)裝配控制方法和技術(shù)措施

3.1? 提高數(shù)據(jù)精度和一致性的系統(tǒng)集成

采用集成的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，如產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）和產(chǎn)品生命周期管理（PLM）系統(tǒng)，為整個(gè)飛機(jī)裝配流程帶來了巨大的優(yōu)勢(shì)。這些系統(tǒng)提供了一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，確保設(shè)計(jì)、工程和生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)都使用相同的、最新的數(shù)據(jù)版本。通過綜合管理所有設(shè)計(jì)文件、物料列表和裝配指南，幫助減少了因使用過時(shí)或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷和質(zhì)量問題。根據(jù)行業(yè)研究，引入這些系統(tǒng)后，生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)相關(guān)錯(cuò)誤率下降了約30%。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證技術(shù)被廣泛應(yīng)用。通過即時(shí)比對(duì)原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)，可以及時(shí)識(shí)別并更正偏差。配合高精度的掃描儀，如激光三維掃描器，其精度可以達(dá)到0.001 mm，從而能夠提供非常準(zhǔn)確的部件測(cè)量。在飛機(jī)制造過程中，這意味著每10 m的部分，誤差不會(huì)超過1 mm，顯著提高了裝配精度。此外，隨著掃描技術(shù)的進(jìn)步，其測(cè)量速度也得到了顯著提高，現(xiàn)在可以在幾分鐘內(nèi)完成大型部件的全面掃描。

為了確保整個(gè)團(tuán)隊(duì)都使用最新和最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)同步技術(shù)變得至關(guān)重要。任何對(duì)原始設(shè)計(jì)的修改或更新都會(huì)被自動(dòng)記錄并同步到系統(tǒng)中，確保所有相關(guān)部門都能接觸到這些更改。通過使用先進(jìn)的云技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)同步幾乎可以實(shí)時(shí)進(jìn)行，從而大大減少了因數(shù)據(jù)不一致而導(dǎo)致的生產(chǎn)延誤。實(shí)際應(yīng)用中，采用這種同步技術(shù)的企業(yè)報(bào)告稱，其生產(chǎn)效率提高了約20%，同時(shí)因數(shù)據(jù)不一致引起的錯(cuò)誤數(shù)量減少了近一半。

3.2? 使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)正日益成為飛機(jī)制造中的一項(xiàng)創(chuàng)新工具。傳統(tǒng)上，工程師和技工依賴于2D圖紙或3D模型指導(dǎo)裝配工作。但是，AR技術(shù)的引入，特別是通過頭戴顯示設(shè)備或智能眼鏡，允許工人在現(xiàn)場(chǎng)看到虛擬的3D圖層與實(shí)際的部件重疊。這不僅減少了參照多個(gè)界面的需要，還使裝配更加直觀和準(zhǔn)確。例如，某些先進(jìn)的AR系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)時(shí)顯示扭矩值、連接序列等關(guān)鍵參數(shù)，使技工可以快速而準(zhǔn)確地完成任務(wù)。

與傳統(tǒng)的裝配方法相比，AR技術(shù)為飛機(jī)裝配提供了顯著的效率提升。一個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例顯示，采用AR技術(shù)的飛機(jī)裝配線可以在裝配復(fù)雜部件時(shí)，減少了近50%的參照時(shí)間，因?yàn)楣と瞬辉傩枰磸?fù)查看圖紙或電腦屏幕。此外，對(duì)于新員工，AR可以作為一種培訓(xùn)工具，幫助他們更快地熟悉裝配流程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用AR技術(shù)培訓(xùn)的新員工，其上手速度比傳統(tǒng)培訓(xùn)方法快了40%。

為了進(jìn)一步提高裝配效率和精度，AR技術(shù)也被集成到其他數(shù)字化工具中，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)以及自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。例如，結(jié)合AR和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)并糾正技工的操作誤差，這種實(shí)時(shí)反饋可以減少返工和質(zhì)量問題。此外，通過集成機(jī)器學(xué)習(xí)，AR系統(tǒng)能夠識(shí)別常見的安裝問題，并自動(dòng)為技工提供解決建議。這種先進(jìn)的系統(tǒng)集成使得飛機(jī)裝配過程更加智能化，根據(jù)一項(xiàng)研究，當(dāng)AR與其他數(shù)字工具集成使用時(shí)，生產(chǎn)線的總體效率提高了近60%。

3.3? 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料變形

在飛機(jī)裝配過程中，對(duì)材料和部件的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前市場(chǎng)上的應(yīng)力傳感器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)10 MPa的精度。這意味著，在飛機(jī)的關(guān)鍵部位，如翼梁、機(jī)身結(jié)構(gòu)等，技工和工程師可以獲得幾乎實(shí)時(shí)的反饋，以及部件在裝配過程中的實(shí)際應(yīng)力分布。使用這種高精度的監(jiān)測(cè)，裝配團(tuán)隊(duì)可以在第一時(shí)間內(nèi)識(shí)別并處理潛在的問題，從而避免后續(xù)的結(jié)構(gòu)問題或更大的修復(fù)工作。

除了應(yīng)力傳感器，數(shù)字掃描技術(shù)也成為飛機(jī)裝配中的重要工具。通過高分辨率的數(shù)字掃描，技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以實(shí)時(shí)獲得部件的三維形態(tài)和可能的變形情況。與應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)合，這些掃描信息可以為工程師提供更全面的部件狀態(tài)視圖。例如，使用精度高達(dá)0.01 mm的3D激光掃描儀，裝配團(tuán)隊(duì)可以迅速捕獲任何微小的形狀變化，然后根據(jù)實(shí)際裝配情況調(diào)整其策略。

借助實(shí)時(shí)的應(yīng)力和形狀數(shù)據(jù)，飛機(jī)制造商可以采用自適應(yīng)的裝配策略，即根據(jù)實(shí)際的部件狀態(tài)調(diào)整裝配順序或方法。例如，如果某個(gè)部件的應(yīng)力超出了預(yù)定范圍，系統(tǒng)可以自動(dòng)建議更改緊固件的扭矩設(shè)置或更改裝配順序。這種方法不僅可以減少生產(chǎn)中的返工和修復(fù)，還可以確保飛機(jī)在出廠時(shí)達(dá)到最高的結(jié)構(gòu)完整性。在實(shí)際應(yīng)用中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)策略，一些先進(jìn)的制造商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了減少約15%的裝配誤差[3]。

3.4? 自動(dòng)碰撞檢測(cè)和路徑優(yōu)化

隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)碰撞檢測(cè)已經(jīng)在飛機(jī)裝配中扮演了不可或缺的角色。高級(jí)的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)能夠捕捉部件間的最小距離和相對(duì)位置，從而預(yù)測(cè)出可能的碰撞點(diǎn)。例如，引入具有深度感知能力的攝像頭，可以實(shí)時(shí)捕獲3D空間中部件的相對(duì)位置，其精度可以達(dá)到0.5 mm。這種精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)捕獲確保了機(jī)器人裝配臂或其他自動(dòng)化設(shè)備可以在第一時(shí)間調(diào)整其路徑，避免不必要的碰撞。

機(jī)器人在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用已經(jīng)越來越普及，但如何確保它們的操作效率和準(zhǔn)確性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。通過引入路徑優(yōu)化算法，可以確保機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是最有效和最安全的。這些算法利用實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)視覺數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算出最短和最避免碰撞的路徑。實(shí)際應(yīng)用中，一些高級(jí)的路徑優(yōu)化系統(tǒng)已經(jīng)能夠減少機(jī)器人的移動(dòng)距離約20%，從而提高了整體的裝配效率。

自動(dòng)碰撞檢測(cè)和路徑優(yōu)化的引入對(duì)飛機(jī)裝配產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的改變。在實(shí)際生產(chǎn)線上，引入這些技術(shù)的飛機(jī)制造商報(bào)告了顯著的生產(chǎn)效率提升。例如，某先進(jìn)的裝配線上，裝配時(shí)間已經(jīng)減少了18%，而誤差率下降了12%。此外，由于機(jī)器人的路徑更為精確，返工和維修的需求也大大降低，從而進(jìn)一步提高了生產(chǎn)線的運(yùn)行效率[4]。

3.5? 采用機(jī)器學(xué)習(xí)和AI技術(shù)

機(jī)器學(xué)習(xí)，尤其是深度學(xué)習(xí)技術(shù)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域顯示出其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)能力。在飛機(jī)裝配中，機(jī)器學(xué)習(xí)可以根據(jù)大量的歷史裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，從中學(xué)習(xí)并識(shí)別出可能導(dǎo)致裝配錯(cuò)誤或延誤的模式。例如，通過分析過去數(shù)萬次的裝配操作數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在特定環(huán)境條件下，某一裝配步驟可能出現(xiàn)的問題，其準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上。

除了基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，AI技術(shù)還可以實(shí)時(shí)地為技術(shù)人員提供裝配指導(dǎo)和建議。通過持續(xù)監(jiān)控裝配過程中的數(shù)據(jù)，如部件的位置、應(yīng)力、溫度等，AI算法可以即時(shí)地判斷是否存在潛在的裝配問題，并為操作人員提供實(shí)時(shí)的反饋和調(diào)整建議。在實(shí)際應(yīng)用中，AI輔助的裝配系統(tǒng)已經(jīng)證明了其價(jià)值，例如，在某個(gè)先進(jìn)的裝配線上，使用AI技術(shù)已經(jīng)幫助制造商減少了約20%的裝配時(shí)間，并減少了約15%的誤差。

未來，隨著AI技術(shù)的不斷進(jìn)步和更多的應(yīng)用數(shù)據(jù)的累積，我們可以期待更加智能地裝配策略制定。不僅可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做出預(yù)測(cè)，AI還可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整裝配策略，確保每一步驟都是最優(yōu)的。此外，隨著越來越多的飛機(jī)部件采用智能傳感器和IoT技術(shù)，裝配過程中的數(shù)據(jù)將更加豐富，這為AI技術(shù)提供了更大的發(fā)揮空間。預(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)，利用AI技術(shù)，飛機(jī)裝配的效率可能提高30%，同時(shí)誤差率將進(jìn)一步降低[5]。

4? 結(jié)束語

隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，飛機(jī)裝配領(lǐng)域正經(jīng)歷著前所未有的轉(zhuǎn)型。面對(duì)各種裝配難點(diǎn)，有必要采納創(chuàng)新的方法和技術(shù)措施提高裝配的精度和效率。無論是數(shù)據(jù)管理、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還是先進(jìn)的AI技術(shù)，都為飛機(jī)制造業(yè)帶來了新的機(jī)遇。相信通過不斷的研究、創(chuàng)新和實(shí)踐，未來的飛機(jī)裝配將更加智能、高效，為航空工業(yè)和全球旅客帶來更多的價(jià)值與便利。

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