航空宇航制造

1、時次凄航空制造工程概論報告題目：飛機柔性裝配技術學院:機電學院班級:05010703學號:2007姓名:2010年 04月 27 日 【摘要】結(jié)合我國現(xiàn)階段飛機裝配背景，將國內(nèi)外裝配進行比較，探討了飛機 柔性裝配技術的優(yōu)勢與發(fā)展前景。對柔性裝配工裝，柔性制孔，虛擬裝配等進行 了分析與研究，報告目前國內(nèi)外飛機柔性裝配技術的現(xiàn)狀，以及柔性裝配技術在 未來飛機制造業(yè)中的作用。關鍵詞：柔性裝配技術；柔性裝配工裝；柔性制孔；虛擬裝配。1背景飛機裝配是飛機制造過程的主要環(huán)節(jié)。飛機裝配過程就是將大量的飛機零件按圖紙、技 術要求等進行組合、連接的過程，分為部裝（零件f組合件f段件f部件）和總裝（各部件f全 機

2、身）。飛機的設計制造難度大，周期長，不僅表現(xiàn)在它的零件數(shù)控加工量大，而且表現(xiàn)在 它的裝配復雜性和難度。飛機的裝配工作量約占整個飛機制造勞動量的40%50%（一般的 機械制造只占20%左右）。飛機裝配質(zhì)量和效率取決于飛機機械連接技術，如自動鉆鉚、干 涉連接、高質(zhì)量緊密制孔、孔擠壓強化、電磁鉚接等，而裝配件準確度受制于裝配型架的制 造和安裝準確度。迄今為止，裝配技術已經(jīng)歷了從手工裝配、半機械半自動化裝配、機械 /自動化裝配到柔性裝配的發(fā)展歷程。飛機柔性裝配技術的應用是當前國內(nèi)外飛機制造業(yè)數(shù) 字化制造的大趨勢，能夠克服飛機制造模線-樣板法在模擬量協(xié)調(diào)體系下需要大量實物工裝 且應用單一、制造周期長、費

3、用高等缺點，通過與自動化制孔設備、數(shù)控鉆鉚或自動電磁鉚 接設備等自動化裝備的集成可組成自動化、數(shù)字化的柔性裝配系統(tǒng)，縮短裝配周期，提高和 穩(wěn)定裝配質(zhì)量。柔性裝配技術的范疇很廣，涵蓋了柔性裝配工裝、柔性制孔、裝配系統(tǒng)、裝 配（含裝配工藝）設計、虛擬裝配、裝配集成管理、數(shù)字化檢測、面向柔性裝配的設計等技 術領域。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，國內(nèi)仍大量采用傳統(tǒng)型架進行人工裝配，裝配的自動化和柔性化水平較低，數(shù)字 量協(xié)調(diào)尚未貫穿飛機整個裝配過程，面向裝配的設計理念還未形成共識?？傮w來看，與國外 的飛機柔性數(shù)字化裝配技術相比，還存在較大的差距，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：（1）飛機裝配尺寸協(xié)調(diào)體系以數(shù)字量傳遞為主

4、，模擬量傳遞為輔。飛機產(chǎn)品和裝配工 裝采用CATIA進行數(shù)字化設計，利用Delmia V5平臺進行數(shù)字化裝配設計、裝配仿真等工作 剛剛起步；（2）自動裝配系統(tǒng)的工程應用處于空白階段，鉚接大部分采用手工錘鉚，螺栓連接全 部為手工操作，自動化制孔、電磁鉚接技術的工程化應用剛剛啟動。自動化柔性裝配技術涉 及的單元技術和系統(tǒng)集成技術尚處于實驗室研究階段。由于數(shù)控托架技術和自動化鉆鉚工藝 技術尚未合理地配套，引進的自動鉆鉚機未得到充分應用；（3）移動生產(chǎn)線技術處于起步研究階段嗎，由于我國的飛機裝配技術比較落后，導致 批生產(chǎn)與多品種變批量快速轉(zhuǎn)換能力較差，仍然采用傳統(tǒng)的批量剛性生產(chǎn)線，生產(chǎn)線的調(diào)整 和生產(chǎn)

5、準備周期很長。目前，我國航空工業(yè)尚不具備多品種變批量生產(chǎn)的快速轉(zhuǎn)換能力，裝 配技術是主要的制約因素。不過，樂觀地來說，國內(nèi)已經(jīng)開展了與飛機柔性裝配技術相關的技術方面一些工作。比 如，在數(shù)字化工裝設計技術方面，采用CAD技術進行飛機型架設計，開發(fā)了型架設計系統(tǒng)， 術方面，計算機輔助經(jīng)緯儀和激光跟蹤儀等測量設備已經(jīng)用于飛機外形尺寸和位置測量，局 部應用于飛機部件的裝配型架安裝上。在數(shù)字化預裝配方面，開展了飛機部件裝配順序、裝 配路徑優(yōu)化以及裝配公差分配等研究。就國外柔性裝配技術而言，歐盟在1994年就明確提出，要研究“基于協(xié)作型多功能操 作機器人的航空產(chǎn)品柔性裝配系統(tǒng)，長期目標是要開發(fā)無型架機身裝

6、配技術”。自20世紀 90年代初波音公司在研制B777時全面實施數(shù)字化設計方法以來，國外飛機裝配技術已得到 長足的發(fā)展，B787、A380、A400M、A350、F-22和F-35等新型軍民機大量地應用柔性裝配 工裝、數(shù)控鉆鉚系統(tǒng)、離線編程和仿真軟件等進行自動化裝配。美國EI（ElectroImapct）公司為空客公司生產(chǎn)的柔性高速鉆鉚系統(tǒng)壁板工裝，廣泛應用 于空客公司各種型號飛機機翼壁的裝配過程。該工裝于2003年首次使用，僅用了 5天時間 就完成了 A330-300飛機（翼展60.3m）上壁板的裝配，目前這項工件只需一天時間即可。 空客公司為在2005年實現(xiàn)每月生產(chǎn)38套機翼的能力，在其機

7、翼盒自動裝配研究項目的第二 期AWBAII中考慮了多種柔性裝配技術，以降低機翼裝配成本和縮短裝配周期。洛克希德馬 丁公司牽頭研制的JSF戰(zhàn)機原型機X-35目標縮短飛機裝配制造周期三分之二，由單機15個 月縮短至5個月，而工藝裝備則由350件減少到19件，同時，制造成本降低一半。其核心 技術之一就是充分體現(xiàn)柔性裝配特點的龍門鉆削系統(tǒng)技術，采用激光定位、電磁驅(qū)動實現(xiàn)精 密制孔，不僅降低了鉆孔出錯率，而且大大減少了工具和工裝。3飛機柔性裝配技術的應用對于飛機柔性裝配技術所涵蓋的領域下面簡要柔性裝配工裝、柔性制孔、虛擬裝配這三 個方面。3.1柔性裝配工裝技術（柔性定位技術）柔性定位技術按產(chǎn)品對象可歸納

8、為：框、梁類零件柔性定位技術（包括接頭類）蒙皮/ 壁板類零件柔性定位技術，部件類柔性定位技術。采用柔性定位技術，可以適應一定程度零件結(jié)構變化，同時可以大大減少傳統(tǒng)剛性定位 方式所帶來的定位應力。3.1.1框、梁類零件柔性定位技術框梁類零件，通?；谄涔に嚳谆蚪Y(jié)構交點孔及基準面進行定位。其柔性定位的關鍵是 適合產(chǎn)品結(jié)構特點的定位頭以及可進行方便調(diào)節(jié)、數(shù)字化調(diào)整控制的定位臂（定位機構）， 以適應孔位、孔徑及基準面的變化。定位頭需依據(jù)產(chǎn)品具體結(jié)構形式進行適應性設計，定位單元采用模塊化設計，可根據(jù)產(chǎn) 品定位孔德大小靈活組合和更換。定位臂（定位機構）可采用柔性滑軌定位、自適應模塊式定位立柱、多自由度伺服

9、定位 機構等典型的結(jié)構設計。無論采用哪種定位機構，均需利用激光雷達、激光跟蹤儀等數(shù)字化 測量設備監(jiān)控、測量零件安裝位置的正確性，并可將測量數(shù)據(jù)信息反饋給控制系統(tǒng)對定位機 構進行位置調(diào)整。有遮擋的地方可安裝反射鏡，通過反射鏡可以進行測量。3.1.2蒙皮/壁板類零件柔性定位技術對于蒙皮/壁板類零件的柔性定位，仍可選取其基準邊或結(jié)構孔作為定位基準,此種情 況下可采用與框、梁類零件相似的柔性定位方式。/壁板類零件又直接形成飛機外形，所以其內(nèi)形面 與骨架的貼合度、曲面外形定位準確度顯得尤為重要，因此更需要直觀地將其外形面作為定 位基準進行定位。傳統(tǒng)的蒙皮/壁板外形定位通常采用卡板方式進行定位，其定位準確

10、度低，且位置固定 不可調(diào)，不能適應產(chǎn)品外形變化的定位要求。隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，多點陣成形真空吸盤式柔性定位裝置可以很好地實現(xiàn)蒙皮/壁 板的外形精確定位，它由一組立柱吸盤組成，其組數(shù)根據(jù)零件大小、曲率等確定。吸盤可在 運動范圍內(nèi)由程序控制三維移動到指定的空間位置，生成與裝配件曲面完全符合并均勻分布 的吸附點陣，能精確定位和牢固地夾持壁板等裝配件。此種定位方式可以適應不同的蒙皮/ 壁板外形。將其擴展，此種定位方式還可適用于機翼、組合壁板等裝配件的柔性定位，可獲得良 好的定位準確度。3.1.3部件類柔性定位技術在部件轉(zhuǎn)換型架進行后續(xù)裝配、部件對合等情形下，需對飛機部件進行定位。對飛機部件進行裝配定

11、位，通常選取重要結(jié)構交點、重要部位外形、測量點等對部件進 行姿態(tài)控制。例如對機翼進行交點精加工時，主要選取其主結(jié)構交點孔及水平測量點作為定 位基準進行調(diào)整定位，以保證加工后結(jié)構交點位置準確度機全機水平測量的要求。傳統(tǒng)上均 是采用固定型架方式進行定位，僅能滿足特定機型的定位加工。對于飛機部件的定位，仍然可以借用上述框梁類、蒙皮/壁板類零件定位方式進行定位， 同時由于其結(jié)構的特殊性，可采用iGPS、激光跟蹤儀、激光雷達結(jié)合POGO柱等方式實現(xiàn)部 件的柔性定位。3.2柔性制孔技術制孔的關鍵是孔位、法向德精確控制及制孔精度的保證。傳統(tǒng)的飛機裝配中的制孔主 要以風鉆鉆孔為主。工藝順序為：劃線f鉆孔f粗鉸

12、（或擴孔）f精鉸f分離清理。傳統(tǒng)傳 統(tǒng)手工制孔通常存在的缺點有：易形成缺陷，孔位精度差，制孔步驟多，需要二次裝配，人 為因素影響無法避免等。采用柔性自動制孔方式可以實現(xiàn)孔位、制孔轉(zhuǎn)速、進給量等的精確控制。目前國外應 用的的自動化精密設備如下：3.2.1自動鉆鉚機美國是最早發(fā)展鉆鉚技術的國家，早在20世紀50年代就已在飛機鉚接裝配生產(chǎn)線上應 用了自動鉆鉚機，經(jīng)過50多年的發(fā)展，現(xiàn)在世界各航空工業(yè)發(fā)達國家都已廣泛采用這項技 術。整個過程通過預先編程，全部由CNC程序控制。自動鉆鉚工藝是在一臺設備上一次性地 連續(xù)完成夾緊、鉆孔、锪孔、注膠、放鉚和銑平等工序的工藝。由于機床帶有高速、高精度 的轉(zhuǎn)削主軸

13、頭，一次進給既能鉆出0.005mm以內(nèi)高精度的孔，又可將埋頭窩的深度精確控制 在0.01mm以內(nèi)。由于鉆孔時鉚接件處在高的夾緊力下，層間不會產(chǎn)生毛刺和進入切削， 可以減小疲勞載荷下發(fā)生磨蝕損傷的程度，有利于提高接頭的疲勞強度。自動鉆鉚機大部分 為C框結(jié)構，多數(shù)用于壁板類零件的自動制孔和鉚釘鉚接成形，但由于自身的一些限制，不 能進行比較復雜和開敞性差的裝配工作。3.2.2機器人自動制孔系統(tǒng)機器人制孔的應用已經(jīng)比較成熟，如F-16復合材料垂尾壁板利用辛辛那提米爾康T13 機器人進行鉆孔，C-130飛機梁腹板用機器人進行自動制孔，波音F/A-18E/F超級大黃蜂后ONCE (One-sided ce

14、ll end effector)機器人制孔系統(tǒng)等。機器人制孔的最前沿應用，包括洛克希德馬丁公司F-35飛機碳纖維環(huán)氧復合材料機 翼上壁板制孔用的大型龍門式鉆孔系統(tǒng)(JGADS)。該系統(tǒng)帶有便攜、靈活、低成本且重量輕 的機器人，它使用激光定位系統(tǒng)、電磁馬達和“壓腳(Pressure Foot)進行精密鉆孔，加 快了裝配過程，并形成緊配合，產(chǎn)生的表面光滑、間隙小，滿足了 F-35飛機氣動和耐久性 的要求。由于具有上述優(yōu)勢，F(xiàn)-16、F-22、F-2和T-50項目都對該系統(tǒng)進行評估并準備用 于相應的裝配作業(yè)。機器人自動制孔系統(tǒng)的關鍵技術包括：壓緊力的設定；刀具和工件表面垂直度的調(diào)整；位置精度補償。3

15、.2.3龍門式自動制孔系統(tǒng)龍門式自動化制孔系統(tǒng)，比如長桁柔性制孔系統(tǒng)對批量生產(chǎn)的大型構件可以實現(xiàn)高效、 高質(zhì)量、低成本的自動柔性制孔。波音公司B-747、C-17等飛機機艙地板都采用了龍門式自動化制孔系統(tǒng)。過去，裝配 中所有難以進行點定位的部分，都要用固定夾具定位后手工制孔。而現(xiàn)在采用自動化制孔系 統(tǒng)則可以進行自動定位和制孔，大大縮短了流程時間，提高了制孔質(zhì)量，并可節(jié)省體力勞動 及工具成本。3.2.4柔性導軌自動制孔系統(tǒng)制造與裝配時，達到制孔自動化同時又降低成本是極其重要的。因此，低成本、柔性 化且滿足高質(zhì)量制孔要求的便攜自動化制孔系統(tǒng)，與配有大量刀具的復雜結(jié)構自動控制系統(tǒng) 相比，極具競爭優(yōu)勢

16、。波音公司開發(fā)的Flex Track模塊化柔性導軌制孔系統(tǒng)正是屬于此類。3.3虛擬裝配虛擬裝配技術已成為數(shù)字化制造技術在制造業(yè)中研究和應用的典范。飛機研制階段在 計算機里利用虛擬裝配仿真軟件將設計的產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)進行裝配工藝設計及仿真，可幫助產(chǎn) 品擺脫裝配物理樣機及所涉及的工藝裝配制造難題，有效地提高產(chǎn)品、工裝的建模質(zhì)量，有 助于降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。航空行業(yè)建立三維數(shù)字模型所使用的CAD軟件是達索系統(tǒng)的CATIA軟件，為便于實現(xiàn) 產(chǎn)品的三維數(shù)字模型信息的共享，虛擬裝配仿真軟件一般可選擇達索系統(tǒng)的DELMIA軟件。 達索系統(tǒng)的DELMIA軟件又2個相互關聯(lián)的獨立軟件組成，數(shù)字工藝

17、工程(Digital Process Engineer, DPM)和數(shù)字制造工藝(Digital Process Manufacture, DPM)。DPE 的主要功能 是用于完成產(chǎn)品、工藝、資源規(guī)劃的平臺，并可制定產(chǎn)品裝配流程，還可以運用Visual Basic Script腳本語言根據(jù)用戶的需求進行二次開發(fā)。DPM的主要功用是按照DPE中設計好的工 藝流程對產(chǎn)品的裝配細節(jié)進行數(shù)字化裝配過程仿真和驗證。利用驗證的結(jié)果即可分析出產(chǎn)品 的可制造性、可達性、可拆卸性和可維護性。沈飛公司在某型機研制中應用裝配仿真技術，對全機部、總裝主要裝配單元進行仿真 驗證，提前發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品設計、工裝設計和工藝流

18、程設計等各類對裝配影響嚴重的若干項 干涉問題，使現(xiàn)場協(xié)調(diào)問題大幅度減少，典型部件裝配周期縮短30%50%。4對于飛機柔性裝配技術的認識我國航空工廠近年來引進了大量先進的數(shù)控機床，飛機零件數(shù)控加工能力得以大大加 形成了強烈的反差的是，我國飛機裝配仍大量采用手工勞動，裝配技術陳舊、落后，制孔質(zhì) 量、連接質(zhì)量難以滿足飛機性能要求，已成為制約我國航空企業(yè)飛機研制生產(chǎn)能力提高的瓶 頸問題之一。飛機柔性裝配技術及關鍵裝備是新一代飛機制造技術的重要內(nèi)容，對減少裝配工裝、縮 短生產(chǎn)準備周期、提高裝配效率，提高裝配生產(chǎn)線對裝配對象、裝配工藝流程和裝配生產(chǎn)節(jié) 拍一定程度變化的快速響應能力，快速對客戶市場的需求做出反應，對同型號不同要求改進 改型裝配工作能迅速重新組合生產(chǎn)從而