波音787飛機(jī)裝配技術(shù)及其裝配過程

1、波音787飛機(jī)裝配技術(shù)及其裝配過程波音公司基于全球協(xié)同環(huán)境GCE研制的787“綠色”環(huán)?？蜋C(jī)，雖然尚未試飛，但它的一系列全新的飛機(jī)裝配理念、方法和技術(shù)，就已經(jīng)引起航空制造業(yè)界的極大關(guān)注。這些大型飛機(jī)裝配的新技術(shù)，如全球協(xié)同研制的理念和方法、基于模型定義（MBD）的裝配技術(shù)、利用室內(nèi)GPS系統(tǒng)的飛機(jī)對(duì)接總裝過程以及復(fù)材機(jī)體的裝配連接技術(shù)的應(yīng)用等更是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。787客機(jī)結(jié)構(gòu)及其全球協(xié)同研制模式由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有著許多眾所周知的優(yōu)點(diǎn)，波音公司在對(duì)復(fù)材結(jié)構(gòu)做了大量成功研究試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，決定787機(jī)體主要結(jié)構(gòu)大規(guī)模地采用復(fù)合材料，由777飛機(jī)復(fù)材用量占整機(jī)材料用量的12%一步跨越到現(xiàn)在的50%，即

2、機(jī)身和機(jī)翼外殼幾乎都由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成，僅少數(shù)機(jī)體部位應(yīng)用鋁合金或其他材料。這種機(jī)身由復(fù)材組成的787客機(jī)，是波音公司全新研制的機(jī)型，與之前的機(jī)型相比，它的維修成本可節(jié)省30%，飛行的舒適性也有很大提高，所以得到很多航空公司的歡迎。因此，國(guó)際上各航空公司都期望著這一“綠色”客機(jī)能給空中旅行帶來(lái)革命性的變化。與此同時(shí)，787客機(jī)的出現(xiàn)也使這種飛機(jī)的制造和裝配技術(shù)發(fā)生了根本性變革。在過去，波音標(biāo)準(zhǔn)的研制方法是先在公司內(nèi)設(shè)計(jì)好飛機(jī)（Design the Plane In-House），然后把飛機(jī)的零部件或一整段機(jī)體的圖紙送到它們的制造伙伴工廠去生產(chǎn)。而這次在研制787客機(jī)中，波音徹底地改變了研

3、制方法，也改變了研制流程。它利用Dassault的PLM套件創(chuàng)建了全球協(xié)同平臺(tái)，與合作伙伴協(xié)同研制787客機(jī)。最重要的是，全世界大約6000余名工程師聯(lián)合起來(lái)共同設(shè)計(jì)和工程化787客機(jī)。波音787機(jī)體分段及分工情況：意大利的阿里尼亞航空制造公司，負(fù)責(zé)制造主機(jī)身48段；日本的富士重工、川崎重工和三菱重工等公司，負(fù)責(zé)制造機(jī)翼12段、主起艙45、中央翼盒11段和機(jī)身13段；北美的古得里奇公司負(fù)責(zé)制造發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和反向裝置；美國(guó)的Spirit公司負(fù)責(zé)制造機(jī)身43段，沃特公司負(fù)責(zé)制造機(jī)身47段；全球航空公司負(fù)責(zé)機(jī)尾47段和48段對(duì)接裝配等工作。最后，由波音公司利用超大型運(yùn)輸機(jī)LCA把世界各地制造的十幾個(gè)大

4、部件運(yùn)到波音進(jìn)行對(duì)接總裝、試飛和最后的交付工作。基于模型定義（MBD）的裝配技術(shù)波音公司在研制裝配787客機(jī)的過程中，采用了全新的基于模型定義（Model Based Definition，MBD）的技術(shù)。美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)于1997年在波音公司的協(xié)助下開始有關(guān)MBD標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作，并于2003年成為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。隨后CAD軟件公司把此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)到軟件中，使波音公司才有可能在2004年開始的787客機(jī)設(shè)計(jì)中，全面采用基于模型定義的新技術(shù)。該技術(shù)將三維制造信息PMI(3D Product Manufacturing Information)與三維設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，使C

5、AD和CAM(加工、裝配、測(cè)量、檢驗(yàn))等實(shí)現(xiàn)真正的高度集成，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用有了新的跨越式發(fā)展，可不再使用二維圖紙，將工程技術(shù)人員從百年來(lái)的二維文化中解放出來(lái)。同時(shí)使數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用有了革命性的進(jìn)展。在此過程中，其主導(dǎo)思想不只是簡(jiǎn)單地將二維圖紙的信息反映到三維數(shù)據(jù)中，而是充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，去探索便于用戶理解且更具效率的設(shè)計(jì)信息表達(dá)方式。其中，最為艱難的是“要從二維圖紙文化這種現(xiàn)有概念中跳出來(lái)，從零開始研究新的信息表達(dá)方式”。同時(shí)，波音公司進(jìn)一步把MBD技術(shù)深入應(yīng)用到787數(shù)字化裝配的各個(gè)方面。 數(shù)字化協(xié)調(diào)方法陣列式裝配（DA）技術(shù)由于現(xiàn)代大型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸大

6、、剛性差、定位精度要求嚴(yán)，同時(shí)還有制造成本低、裝配速率高的要求。這就造成飛機(jī)裝配工藝及其工裝的設(shè)計(jì)和制造難度大，裝配協(xié)調(diào)困難。使得傳統(tǒng)的裝配工藝及其工裝難以勝任，需要用新的方法和技術(shù)來(lái)支持部件之間的精確裝配關(guān)系。在這種條件下，基于產(chǎn)品的三維數(shù)字化定義和精確CNC加工技術(shù)的數(shù)字化協(xié)調(diào)方法，即陣列式裝配（Determinate Assembly，DA)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生了。一般來(lái)說(shuō)，裝配工裝大于產(chǎn)品本身，工裝的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝制造和裝配的速率密切相關(guān)，而且飛機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)還在不斷的變化之中。所以需要新的裝配工藝及其工裝設(shè)計(jì)和制造方法基于數(shù)字化協(xié)調(diào)的陣列式裝配方法來(lái)解決這個(gè)問題。數(shù)字化陣列式裝配是一個(gè)術(shù)

7、語(yǔ)，用來(lái)描述實(shí)際的設(shè)計(jì)零部件在預(yù)先定義的界面上，能精確地裝配在一起，而不需要實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)樣件或其他復(fù)雜的測(cè)量和調(diào)整技術(shù)，其實(shí)質(zhì)上是數(shù)字化協(xié)調(diào)方法的具體體現(xiàn)。也就是通常說(shuō)的，為了制造和裝配的設(shè)計(jì)（DFMA），這樣大幅度地減少了工裝的設(shè)計(jì)和制造工作?？湛虯340-600的壁板制造單元就是典型實(shí)例。這一壁板制造單元用來(lái)把鋁合金的長(zhǎng)桁定位和連接到機(jī)加的壁板上，這是一個(gè)很大的裝配件，高幾米、長(zhǎng)30多米。傳統(tǒng)的方法是采用夾具來(lái)定位長(zhǎng)桁和壁板，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)桁各細(xì)部的定位件，現(xiàn)場(chǎng)用激光跟蹤儀來(lái)安裝。這樣現(xiàn)場(chǎng)就需要用激光跟蹤儀來(lái)確定超過2000個(gè)定位點(diǎn)，這是件極其費(fèi)工費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)量也極大的困難工作。空客公司采用的數(shù)字化陣

8、列式裝配方法很好地解決了這個(gè)問題，不僅能將長(zhǎng)桁和壁板快速而準(zhǔn)確地裝配到一起，還有利于并行協(xié)同研制工作的展開。隨后，空客公司還把這一先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到了大型客機(jī)A380機(jī)翼的主要工裝設(shè)計(jì)和制造中。在20世紀(jì)90年代中期，波音公司在新的大型飛機(jī)747的制造中，開展了機(jī)身裝配改進(jìn)團(tuán)隊(duì)（Fuselage Assembly Improvement Team, FAIT）項(xiàng)目，也將先進(jìn)的陣列式裝配方法應(yīng)用于機(jī)身的裝配中。其原理是：由于飛機(jī)機(jī)身是在飛機(jī)坐標(biāo)系中進(jìn)行數(shù)字化定義的，機(jī)身壁板的定位點(diǎn)也在飛機(jī)坐標(biāo)系中定義。在壁板的裝配型架上有用數(shù)字化方法安裝的定位點(diǎn)的定位器，在機(jī)身裝配工裝上的壁板定位器用激光跟蹤儀確定

9、它們?cè)陲w機(jī)坐標(biāo)系中的位置，這樣就保證了多塊機(jī)身壁板在機(jī)身坐標(biāo)系里是相互協(xié)調(diào)的，可以使壁板能裝配到機(jī)身的準(zhǔn)確位置上。波音公司在研制787客機(jī)中進(jìn)一步應(yīng)用基于數(shù)字化協(xié)調(diào)的陣列式裝配技術(shù)于部件裝配和全機(jī)的對(duì)接總裝中，如部件裝配中應(yīng)用了DA孔（通稱協(xié)調(diào)孔）的定位方法，也是基于上述定位原理的數(shù)字化協(xié)調(diào)方法。室內(nèi)GPS系統(tǒng)在787客機(jī)總裝中的應(yīng)用激光跟蹤儀在我國(guó)飛機(jī)裝配工裝的制造和安裝中已廣泛使用，但我們對(duì)室內(nèi)GPS系統(tǒng)（也稱作局域GPS精密測(cè)量系統(tǒng)）在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用還比較陌生。室內(nèi)GPS系統(tǒng)是數(shù)字化裝配技術(shù)最重要的技術(shù)手段之一。室內(nèi)GPS系統(tǒng)與激光跟蹤儀相比較，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：首先，在室內(nèi)GP

10、S系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量不會(huì)因?yàn)榈艄舛绊懝ぷ鬟M(jìn)程，這是由室內(nèi)GPS系統(tǒng)的原理決定的。它是由發(fā)射器以水平270°、垂直60°的覆蓋范圍從3個(gè)方向無(wú)線發(fā)射信號(hào)，傳感器和接收器只要在這個(gè)信號(hào)的覆蓋范圍內(nèi)，就能接收到光信號(hào)，并無(wú)線傳播到中央控制電腦。在這個(gè)過程中，傳感器只要能同時(shí)接收到2個(gè)發(fā)射器發(fā)射出的信號(hào)就能測(cè)出點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。如果能同時(shí)接收到34個(gè)發(fā)射器發(fā)射出的信號(hào)就是增加了自由度和精度。由此可見，在測(cè)量時(shí)即使有人走過，擋住了一個(gè)發(fā)射器發(fā)射的信號(hào)，也不會(huì)影響這一點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量。即使所有的發(fā)射器信號(hào)被遮擋也沒有關(guān)系，只要增加測(cè)量桿的長(zhǎng)度就可以正常測(cè)量。其次，室內(nèi)GPS系統(tǒng)能夠滿足多用戶同

11、時(shí)使用。在一個(gè)裝配車間內(nèi)，常常需要同時(shí)監(jiān)控被測(cè)部件的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和面的位置關(guān)系。這種情況下，我們只需要在車間的墻壁和天花板上固定一定數(shù)量的發(fā)射器，一般建議在30m×30m的空間內(nèi)放置6個(gè)發(fā)射器，信號(hào)就會(huì)全部覆蓋這個(gè)范圍，被測(cè)部件的關(guān)鍵點(diǎn)和面的位置就都會(huì)被監(jiān)控。我們可以在不同的被測(cè)部件上放置不同的傳感器和接收器，那樣它們的位置就會(huì)被實(shí)時(shí)監(jiān)控。也可以用幾個(gè)測(cè)量桿組件，由不同的工作人員同時(shí)測(cè)量部件的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和面的位置關(guān)系，互不干擾。也就是說(shuō)，系統(tǒng)建立起來(lái)后，只要增加傳感器和接收器就可以增加用戶了。中央電腦可以同時(shí)處理這些數(shù)據(jù)并傳遞給不同的終端用戶（比如掌上電腦），給用戶的工作帶來(lái)很大方便。

12、第三，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一次固定裝配標(biāo)定后，就可以無(wú)限次數(shù)的使用。所有進(jìn)入這個(gè)區(qū)域的待測(cè)物都可以馬上測(cè)量，無(wú)需建立坐標(biāo)系。唯一要做的工作就是打開發(fā)射器的電源開關(guān)，待它預(yù)熱5min之后，就可以馬上開始測(cè)量工作。第四，室內(nèi)GPS系統(tǒng)最為突出的特點(diǎn)是可以進(jìn)行大尺度的測(cè)量。在10m的測(cè)量空間中精度能達(dá)到0.1mm，這大大高于激光跟蹤儀，而且測(cè)量范圍可以無(wú)限增加，只要增加發(fā)射器即可?？梢詫?shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)曲線，比如飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身的自動(dòng)對(duì)接過程。第五，室內(nèi)GPS系統(tǒng)可以對(duì)系統(tǒng)自身進(jìn)行監(jiān)控。如果有發(fā)射器出現(xiàn)位移或出現(xiàn)問題的情況，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，這樣就可以在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的問題。局域G

13、PS精密測(cè)量系統(tǒng)不受溫度影響，它的工作范圍為-1050?；谏鲜鲈颍ㄒ粼谘兄?87客機(jī)的總裝過程中采用了集成的室內(nèi)GPS系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行裝配。復(fù)材結(jié)構(gòu)的數(shù)字化鉆孔和連接技術(shù)在復(fù)材部件的裝配中，一般采用機(jī)械連接或膠接的方法將復(fù)合材料構(gòu)件或復(fù)合材料構(gòu)件與金屬零件裝配在一起形成部件。由于復(fù)合材料構(gòu)件的特殊性，它的連接方法與金屬零件的裝配方法也有所不同。787客機(jī)的結(jié)構(gòu)材料有50%是復(fù)合材料，機(jī)身的大部段殼體基本上都是復(fù)合材料的。考慮到復(fù)材機(jī)體結(jié)構(gòu)的特殊性，鉆孔時(shí)材料層間容易劈裂，而且又不適宜敲打，所以它們的連接不能用一般的鉚接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一方面，考慮到787客機(jī)的生產(chǎn)批量大，有數(shù)量巨大的孔需要鉆制

14、，所以波音和合作伙伴研制了專用的自動(dòng)化鉆孔鉚接設(shè)備和相關(guān)的工藝技術(shù)，以此來(lái)確保787客機(jī)的裝配連接質(zhì)量和速率，同時(shí)保持低的成本部件制造與裝配過程以787客機(jī)的機(jī)頭41段部件為例，說(shuō)明其制造和裝配的過程。1 機(jī)頭41段部件的制造首先，構(gòu)建復(fù)材部件壁板（包括長(zhǎng)桁）的成型模具（型胎），這型胎是組合式的，便于裝拆。其上有長(zhǎng)桁內(nèi)槽，先把預(yù)制好的復(fù)材長(zhǎng)桁放到內(nèi)槽里，然后進(jìn)行纏繞操作。再進(jìn)入固化爐成型，成型后再進(jìn)行切邊鉆孔等機(jī)械加工，最后噴漆。2 機(jī)頭41段部件的裝配以上的制造過程僅完成了此部件的復(fù)材殼體制造工作，里面還需安裝機(jī)身隔框等其他組件。部件裝配不僅要完成結(jié)構(gòu)的安裝工作，而且要把此部件內(nèi)的所有儀表、

15、電纜和管路等航電設(shè)備也都安裝好，充分體現(xiàn)了飛機(jī)產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)和裝配的思想。波音最后僅需進(jìn)行十幾個(gè)大部件的對(duì)接總裝配工作，保證3天之內(nèi)能總裝出一架787客機(jī)。全機(jī)對(duì)接總裝配過程由于787客機(jī)的結(jié)構(gòu)和材料與一般的大型客機(jī)不同，所以其裝配方法也有重大的變革。通常復(fù)雜而笨重的裝配型架（激光跟蹤儀和廠房?jī)?nèi)的巨大起重機(jī)）不見了，取而代之的是輕巧的型架式起重運(yùn)輸系統(tǒng)（Jig-Crane-Style Materials Handling System）和廠房天花板上裝有的一排排的室內(nèi)GPS系統(tǒng)，用來(lái)定位飛機(jī)部件裝配型架。波音787的總裝配和機(jī)身對(duì)接系統(tǒng)，具有一套自動(dòng)化的機(jī)身段定位系統(tǒng)和2套自動(dòng)化裝配系統(tǒng)。其裝

16、配過程大致如下：首先定位中央翼盒11段，把43段、46段和主起落架艙45段與中央翼盒對(duì)接裝配，并把44段裝上，形成中機(jī)身段；然后把中機(jī)身段運(yùn)到總裝廠內(nèi)。此時(shí)，前機(jī)身（41段）和后機(jī)身（47和48段）再與中機(jī)身對(duì)接，同時(shí)左、右機(jī)翼（12段）與中機(jī)身對(duì)接，最后安裝尾段（水平尾翼和立尾等）。在波音787客機(jī)的裝配系統(tǒng)中，共有14個(gè)定位器安裝在型架式運(yùn)輸機(jī)構(gòu)上。它們可獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)和互鎖，并且穩(wěn)定地定位在車間地板上。有2個(gè)主要子裝配部件工裝：前后機(jī)身定位裝置和左右機(jī)翼定位裝置。為了搬運(yùn)，進(jìn)一步分成左、右次裝配件工裝。此裝配系統(tǒng)利用集成的室內(nèi)GPS系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的定位測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)飛機(jī)部件運(yùn)到車間后，為了減少裝配的裝備和定位步驟，設(shè)計(jì)了從飛機(jī)部件搬運(yùn)車下伸出的準(zhǔn)直和定位系統(tǒng)。在裝配過程中，14個(gè)定位系統(tǒng)的組件被移動(dòng)到各自的支架移動(dòng)車附近位置，并按預(yù)定方案舉起和移動(dòng)飛機(jī)部件，一旦裝配工裝被剛性地連接到一起，測(cè)量系統(tǒng)就會(huì)定位飛機(jī)部件，這些數(shù)據(jù)信息被輸入到系統(tǒng)的應(yīng)用軟件中。依據(jù)這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)計(jì)算出飛機(jī)各部件（前后機(jī)身、左右機(jī)翼等）需要移動(dòng)的距離，以確保飛機(jī)相鄰部件的準(zhǔn)確對(duì)接裝配。這一精確的定位過程保證飛機(jī)能夠平滑地裝配，利用這一先進(jìn)的全數(shù)字化的裝配裝備的突出優(yōu)點(diǎn)，787的機(jī)翼對(duì)接裝配