航空宇航制造

1、时次凄航空制造工程概论报告题目：飞机柔性装配技术学院:机电学院班级:05010703学号:2007姓名:2010年 04月 27 日 【摘要】结合我国现阶段飞机装配背景，将国内外装配进行比较，探讨了飞机 柔性装配技术的优势与发展前景。对柔性装配工装，柔性制孔，虚拟装配等进行 了分析与研究，报告目前国内外飞机柔性装配技术的现状，以及柔性装配技术在 未来飞机制造业中的作用。关键词：柔性装配技术；柔性装配工装；柔性制孔；虚拟装配。1背景飞机装配是飞机制造过程的主要环节。飞机装配过程就是将大量的飞机零件按图纸、技 术要求等进行组合、连接的过程，分为部装（零件f组合件f段件f部件）和总装（各部件f全 机

2、身）。飞机的设计制造难度大，周期长，不仅表现在它的零件数控加工量大，而且表现在 它的装配复杂性和难度。飞机的装配工作量约占整个飞机制造劳动量的40%50%（一般的 机械制造只占20%左右）。飞机装配质量和效率取决于飞机机械连接技术，如自动钻铆、干 涉连接、高质量紧密制孔、孔挤压强化、电磁铆接等，而装配件准确度受制于装配型架的制 造和安装准确度。迄今为止，装配技术已经历了从手工装配、半机械半自动化装配、机械 /自动化装配到柔性装配的发展历程。飞机柔性装配技术的应用是当前国内外飞机制造业数 字化制造的大趋势，能够克服飞机制造模线-样板法在模拟量协调体系下需要大量实物工装 且应用单一、制造周期长、费

3、用高等缺点，通过与自动化制孔设备、数控钻铆或自动电磁铆 接设备等自动化装备的集成可组成自动化、数字化的柔性装配系统，缩短装配周期，提高和 稳定装配质量。柔性装配技术的范畴很广，涵盖了柔性装配工装、柔性制孔、装配系统、装 配（含装配工艺）设计、虚拟装配、装配集成管理、数字化检测、面向柔性装配的设计等技 术领域。2国内外研究现状目前，国内仍大量采用传统型架进行人工装配，装配的自动化和柔性化水平较低，数字 量协调尚未贯穿飞机整个装配过程，面向装配的设计理念还未形成共识。总体来看，与国外 的飞机柔性数字化装配技术相比，还存在较大的差距，主要体现在如下几个方面：（1）飞机装配尺寸协调体系以数字量传递为主

4、，模拟量传递为辅。飞机产品和装配工 装采用CATIA进行数字化设计，利用Delmia V5平台进行数字化装配设计、装配仿真等工作 刚刚起步；（2）自动装配系统的工程应用处于空白阶段，铆接大部分采用手工锤铆，螺栓连接全 部为手工操作，自动化制孔、电磁铆接技术的工程化应用刚刚启动。自动化柔性装配技术涉 及的单元技术和系统集成技术尚处于实验室研究阶段。由于数控托架技术和自动化钻铆工艺 技术尚未合理地配套，引进的自动钻铆机未得到充分应用；（3）移动生产线技术处于起步研究阶段吗，由于我国的飞机装配技术比较落后，导致 批生产与多品种变批量快速转换能力较差，仍然采用传统的批量刚性生产线，生产线的调整 和生产

5、准备周期很长。目前，我国航空工业尚不具备多品种变批量生产的快速转换能力，装 配技术是主要的制约因素。不过，乐观地来说，国内已经开展了与飞机柔性装配技术相关的技术方面一些工作。比 如，在数字化工装设计技术方面，采用CAD技术进行飞机型架设计，开发了型架设计系统， 术方面，计算机辅助经纬仪和激光跟踪仪等测量设备已经用于飞机外形尺寸和位置测量，局 部应用于飞机部件的装配型架安装上。在数字化预装配方面，开展了飞机部件装配顺序、装 配路径优化以及装配公差分配等研究。就国外柔性装配技术而言，欧盟在1994年就明确提出，要研究“基于协作型多功能操 作机器人的航空产品柔性装配系统，长期目标是要开发无型架机身装

6、配技术”。自20世纪 90年代初波音公司在研制B777时全面实施数字化设计方法以来，国外飞机装配技术已得到 长足的发展，B787、A380、A400M、A350、F-22和F-35等新型军民机大量地应用柔性装配 工装、数控钻铆系统、离线编程和仿真软件等进行自动化装配。美国EI（ElectroImapct）公司为空客公司生产的柔性高速钻铆系统壁板工装，广泛应用 于空客公司各种型号飞机机翼壁的装配过程。该工装于2003年首次使用，仅用了 5天时间 就完成了 A330-300飞机（翼展60.3m）上壁板的装配，目前这项工件只需一天时间即可。 空客公司为在2005年实现每月生产38套机翼的能力，在其机

7、翼盒自动装配研究项目的第二 期AWBAII中考虑了多种柔性装配技术，以降低机翼装配成本和缩短装配周期。洛克希德马 丁公司牵头研制的JSF战机原型机X-35目标缩短飞机装配制造周期三分之二，由单机15个 月缩短至5个月，而工艺装备则由350件减少到19件，同时，制造成本降低一半。其核心 技术之一就是充分体现柔性装配特点的龙门钻削系统技术，采用激光定位、电磁驱动实现精 密制孔，不仅降低了钻孔出错率，而且大大减少了工具和工装。3飞机柔性装配技术的应用对于飞机柔性装配技术所涵盖的领域下面简要柔性装配工装、柔性制孔、虚拟装配这三 个方面。3.1柔性装配工装技术（柔性定位技术）柔性定位技术按产品对象可归纳

8、为：框、梁类零件柔性定位技术（包括接头类）蒙皮/ 壁板类零件柔性定位技术，部件类柔性定位技术。采用柔性定位技术，可以适应一定程度零件结构变化，同时可以大大减少传统刚性定位 方式所带来的定位应力。3.1.1框、梁类零件柔性定位技术框梁类零件，通常基于其工艺孔或结构交点孔及基准面进行定位。其柔性定位的关键是 适合产品结构特点的定位头以及可进行方便调节、数字化调整控制的定位臂（定位机构）， 以适应孔位、孔径及基准面的变化。定位头需依据产品具体结构形式进行适应性设计，定位单元采用模块化设计，可根据产 品定位孔德大小灵活组合和更换。定位臂（定位机构）可采用柔性滑轨定位、自适应模块式定位立柱、多自由度伺服

9、定位 机构等典型的结构设计。无论采用哪种定位机构，均需利用激光雷达、激光跟踪仪等数字化 测量设备监控、测量零件安装位置的正确性，并可将测量数据信息反馈给控制系统对定位机 构进行位置调整。有遮挡的地方可安装反射镜，通过反射镜可以进行测量。3.1.2蒙皮/壁板类零件柔性定位技术对于蒙皮/壁板类零件的柔性定位，仍可选取其基准边或结构孔作为定位基准,此种情 况下可采用与框、梁类零件相似的柔性定位方式。/壁板类零件又直接形成飞机外形，所以其内形面 与骨架的贴合度、曲面外形定位准确度显得尤为重要，因此更需要直观地将其外形面作为定 位基准进行定位。传统的蒙皮/壁板外形定位通常采用卡板方式进行定位，其定位准确

10、度低，且位置固定 不可调，不能适应产品外形变化的定位要求。随着数字化技术的发展，多点阵成形真空吸盘式柔性定位装置可以很好地实现蒙皮/壁 板的外形精确定位，它由一组立柱吸盘组成，其组数根据零件大小、曲率等确定。吸盘可在 运动范围内由程序控制三维移动到指定的空间位置，生成与装配件曲面完全符合并均匀分布 的吸附点阵，能精确定位和牢固地夹持壁板等装配件。此种定位方式可以适应不同的蒙皮/ 壁板外形。将其扩展，此种定位方式还可适用于机翼、组合壁板等装配件的柔性定位，可获得良 好的定位准确度。3.1.3部件类柔性定位技术在部件转换型架进行后续装配、部件对合等情形下，需对飞机部件进行定位。对飞机部件进行装配定

11、位，通常选取重要结构交点、重要部位外形、测量点等对部件进 行姿态控制。例如对机翼进行交点精加工时，主要选取其主结构交点孔及水平测量点作为定 位基准进行调整定位，以保证加工后结构交点位置准确度机全机水平测量的要求。传统上均 是采用固定型架方式进行定位，仅能满足特定机型的定位加工。对于飞机部件的定位，仍然可以借用上述框梁类、蒙皮/壁板类零件定位方式进行定位， 同时由于其结构的特殊性，可采用iGPS、激光跟踪仪、激光雷达结合POGO柱等方式实现部 件的柔性定位。3.2柔性制孔技术制孔的关键是孔位、法向德精确控制及制孔精度的保证。传统的飞机装配中的制孔主 要以风钻钻孔为主。工艺顺序为：划线f钻孔f粗铰

12、（或扩孔）f精铰f分离清理。传统传 统手工制孔通常存在的缺点有：易形成缺陷，孔位精度差，制孔步骤多，需要二次装配，人 为因素影响无法避免等。采用柔性自动制孔方式可以实现孔位、制孔转速、进给量等的精确控制。目前国外应 用的的自动化精密设备如下：3.2.1自动钻铆机美国是最早发展钻铆技术的国家，早在20世纪50年代就已在飞机铆接装配生产线上应 用了自动钻铆机，经过50多年的发展，现在世界各航空工业发达国家都已广泛采用这项技 术。整个过程通过预先编程，全部由CNC程序控制。自动钻铆工艺是在一台设备上一次性地 连续完成夹紧、钻孔、锪孔、注胶、放铆和铣平等工序的工艺。由于机床带有高速、高精度 的转削主轴

13、头，一次进给既能钻出0.005mm以内高精度的孔，又可将埋头窝的深度精确控制 在0.01mm以内。由于钻孔时铆接件处在高的夹紧力下，层间不会产生毛刺和进入切削， 可以减小疲劳载荷下发生磨蚀损伤的程度，有利于提高接头的疲劳强度。自动钻铆机大部分 为C框结构，多数用于壁板类零件的自动制孔和铆钉铆接成形，但由于自身的一些限制，不 能进行比较复杂和开敞性差的装配工作。3.2.2机器人自动制孔系统机器人制孔的应用已经比较成熟，如F-16复合材料垂尾壁板利用辛辛那提米尔康T13 机器人进行钻孔，C-130飞机梁腹板用机器人进行自动制孔，波音F/A-18E/F超级大黄蜂后ONCE (One-sided ce

14、ll end effector)机器人制孔系统等。机器人制孔的最前沿应用，包括洛克希德马丁公司F-35飞机碳纤维环氧复合材料机 翼上壁板制孔用的大型龙门式钻孔系统(JGADS)。该系统带有便携、灵活、低成本且重量轻 的机器人，它使用激光定位系统、电磁马达和“压脚(Pressure Foot)进行精密钻孔，加 快了装配过程，并形成紧配合，产生的表面光滑、间隙小，满足了 F-35飞机气动和耐久性 的要求。由于具有上述优势，F-16、F-22、F-2和T-50项目都对该系统进行评估并准备用 于相应的装配作业。机器人自动制孔系统的关键技术包括：压紧力的设定；刀具和工件表面垂直度的调整；位置精度补偿。3

15、.2.3龙门式自动制孔系统龙门式自动化制孔系统，比如长桁柔性制孔系统对批量生产的大型构件可以实现高效、 高质量、低成本的自动柔性制孔。波音公司B-747、C-17等飞机机舱地板都采用了龙门式自动化制孔系统。过去，装配 中所有难以进行点定位的部分，都要用固定夹具定位后手工制孔。而现在采用自动化制孔系 统则可以进行自动定位和制孔，大大缩短了流程时间，提高了制孔质量，并可节省体力劳动 及工具成本。3.2.4柔性导轨自动制孔系统制造与装配时，达到制孔自动化同时又降低成本是极其重要的。因此，低成本、柔性 化且满足高质量制孔要求的便携自动化制孔系统，与配有大量刀具的复杂结构自动控制系统 相比，极具竞争优势

16、。波音公司开发的Flex Track模块化柔性导轨制孔系统正是属于此类。3.3虚拟装配虚拟装配技术已成为数字化制造技术在制造业中研究和应用的典范。飞机研制阶段在 计算机里利用虚拟装配仿真软件将设计的产品三维数据进行装配工艺设计及仿真，可帮助产 品摆脱装配物理样机及所涉及的工艺装配制造难题，有效地提高产品、工装的建模质量，有 助于降低产品开发成本、缩短产品的开发周期。航空行业建立三维数字模型所使用的CAD软件是达索系统的CATIA软件，为便于实现 产品的三维数字模型信息的共享，虚拟装配仿真软件一般可选择达索系统的DELMIA软件。 达索系统的DELMIA软件又2个相互关联的独立软件组成，数字工艺

17、工程(Digital Process Engineer, DPM)和数字制造工艺(Digital Process Manufacture, DPM)。DPE 的主要功能 是用于完成产品、工艺、资源规划的平台，并可制定产品装配流程，还可以运用Visual Basic Script脚本语言根据用户的需求进行二次开发。DPM的主要功用是按照DPE中设计好的工 艺流程对产品的装配细节进行数字化装配过程仿真和验证。利用验证的结果即可分析出产品 的可制造性、可达性、可拆卸性和可维护性。沈飞公司在某型机研制中应用装配仿真技术，对全机部、总装主要装配单元进行仿真 验证，提前发现并解决产品设计、工装设计和工艺流

18、程设计等各类对装配影响严重的若干项 干涉问题，使现场协调问题大幅度减少，典型部件装配周期缩短30%50%。4对于飞机柔性装配技术的认识我国航空工厂近年来引进了大量先进的数控机床，飞机零件数控加工能力得以大大加 形成了强烈的反差的是，我国飞机装配仍大量采用手工劳动，装配技术陈旧、落后，制孔质 量、连接质量难以满足飞机性能要求，已成为制约我国航空企业飞机研制生产能力提高的瓶 颈问题之一。飞机柔性装配技术及关键装备是新一代飞机制造技术的重要内容，对减少装配工装、缩 短生产准备周期、提高装配效率，提高装配生产线对装配对象、装配工艺流程和装配生产节 拍一定程度变化的快速响应能力，快速对客户市场的需求做出反应，对同型号不同要求改进 改型装配工作能迅速重新组合生产从而