现代飞机装配技术的发展

1、飞机装配技术现代飞机装配技术的发展目录摘要1Abstract2第一章 引 言31.1 飞机装配技术31.2 国内外飞机装配技术研究现状31.2.1 我国飞机工装设计制造研究现状31.2.2 国外飞机数字化柔性工装研究及应用41.3 飞机装配技术的发展5第二章 飞机装配中的协调技术72.1 数字化标准工装技术72.1.1 数字标工模型的建立82.1.2 数字标工方法的应用92.2 装配中的数字化协调路线102.3 模拟量与数字量混合协调122.3.1 模拟量协调122.3.2 数字化协调132.3.3 混合协调13第三章 飞机数字化装配153.1 飞机数字化装配技术153.1.1 数字化装配技术

2、的内涵153.1.2 数字化装配工艺技术153.1.3 数字化柔性装配工装技术163.2 飞机数字化装配技术体系173.2.1 飞机数字化装配关键基础技术183.2.2 飞机数字化装配关键应用技术203.2.3 飞机数字化装配技术标准与规范223.3 飞机数字化装配系统及其应用233.3.1 飞机数字化装配系统组成和特点233.3.2 飞机数字化装配系统的工作原理213.3.3 飞机数字化装配系统的实际应用223.3.4 飞机数字化装配系统的应用意义22第四章 数字化测量技术234.1 数字化测量技术的现状和发展趋势234.1.1 基于精密测量的数字化协调技术234.1.2 关键零件质量控制2

3、54.1.3 部件装配中的测量技术264.1.4 全机对接中的测量技术274.1.5 移动生产线中的测量技术284.2 面向装配的数字化测量技术294.3 数字测量技术294.3.1 数字照相测量系统304.3.2 室内 GPS 测量系统314.3.3 激光跟踪测量系统324.3.4 数字测量技术在装配中的应用324.4 飞机数字化装配测量系统344.4.1 激光跟踪测量系统354.4.2 数据处理系统354.4.3 实时运动仿真系统354.4.4 飞机数字化装配测量系统特色36第五章 飞机装配工艺装备375.1 我国航空主机厂目前工装设计制造中存在的问题375.1.1 工装设计制造已成为飞机

4、研制中的瓶颈375.1.2 工装结构有待改进385.1.3 工装设计方法落后，效率低385.2 数字化自动钻铆系统395.2.1 数字化自动钻铆技术的发展395.2.2 建立数字化钻铆装配中心395.2.3 部件装配数字化钻铆系统395.2.4 部件对接数字化钻铆系统405.2.5 机器人数字化钻铆系统405.3 飞机装配型架设计405.3.1 传统型架设计方法存在的问题405.3.2 确定装配设计方法415.3.3 飞机结构和装配型架的并行设计415.3.4 装配型架的柔性设计425.4 飞机数字化装配工艺装备435.4.1 组件数字化装配系统435.4.2 部件数字化柔性装配系统445.4

5、.3 飞机总装数字化装配生产线455.5 工装设计制造的发展趋势455.5.1 工装的柔性化455.5.2 工装的数字化465.5.3 工装的快速研制47第六章 总 结48参考文献49现代飞机装配技术的发展摘要社会的需求、市场竞争及相关技术的不断发展，推动着飞机装配技术不断向更高水平演进。迄今为止，飞机装配技术已经历了从人工装配、半自动化装配到自动化装配的发展历程，目前快速发展的柔性装配将自动化装配技术推向了一个新的高度。本文先介绍了飞机装配技术的研究现状，然后从飞机装配的协调技术、飞机数字化装配、数字化测量技术和工艺装备等方面论述了现代飞机装配技术的发展及应用。关键词：飞机装配，协调技术，数

6、字化装配，测量技术，工艺装备The development of the modern aircraft assembly technologyAbstractSocial demand, market competition and related technology developing promote the aircraft assembly technology to a higher level. So far, Aircraft assembly technology has gone through the development from manual assembly,

7、semi-automatic assembly to automated assembly. At present rapid development of flexible assembly pushed the automated assembly technology to a new height. This paper first introduces the current research status of aircraft assembly technology, then discusses the development and application of modern

8、 aircraft assembly technology from aircraft assembly coordinate technology , aircraft digital assembly technology, digital measurement technology and process equipment and so on.Key Words: Aircraft assembly; Coordinate technology; Digital assembly technology; Measurement technology; Process equipmen

9、t第一章 引 言1.1 飞机装配技术飞机装配是根据尺寸协调原则，将飞机零件或组件按照设计和技术要求进行组合、连接形成更高一级的装配件或整机的过程。社会的需求、市场竞争及相关技术的不断发展，推动着飞机装配技术不断向更高水平演进。迄今为止，飞机装配技术已经历了从人工装配、半自动化装配到自动化装配的发展历程，目前快速发展的柔性装配将自动化装配技术推向了一个新的高度。1.2 国内外飞机装配技术研究现状1.2.1 我国飞机工装设计制造研究现状我国航空工业主要沿袭前苏联的组织生产模式，飞机工装也不例外。目前，我国工装整体设计制造水平落后，主要表现在：工装设计虽采用了计算机辅助设计（CATIA），但未充分利

10、用优化分析（CAE）及虚拟预装配技术，致使型架需反复修改；制造能力差，采用外协加工存在资质认证困难、保密性差、交货周期长等问题；整机装配仍采用手工作业或人工控制，精度和效率较低。与西方先进航空企业相比，我国的工装型架数目多、占地面积大、制造周期长、成本高、安装在型架上的定位件及测量仪器缺乏标准化和模块化，同时以模拟量传输协调各工艺环节的“串行工程”模式，严重阻碍了装配质量的提高及研制周期的缩短。低效的传统飞机装配技术已成为制约我国飞机快速研制的巨大障碍。我国航空企业及科研院校在引进国外先进装配技术的同时，在工装设计方面的研究较多，主要集中在采用CAD 技术进行飞机型架及相关性设计，包括型架标准

11、件库的建立和型架优化及参数设计等1。在测量技术方面，计算机辅助电子经纬仪（CAT），及激光跟踪仪（LT）等先进设备已逐步用于飞机装配并实现国产化。在虚拟预装配方面，开展了飞机装配工序可视化仿真、装配路径优化及装配容差分析等研究。总之，我国飞机工装整体研究格局相对较为零散，工程缺乏系统化。 1.2.2 国外飞机数字化柔性工装研究及应用飞机数字化装配技术兴起于20世纪80年代后期，迅速发展于西方航空发达国家。1994年欧盟提出“基于协作型多功能操作机器人的航空产品柔性装配系统”研究项目4，其最终目标是实现数字化无型架装配(JAM)。美国Boeing777研制周期缩短了50%，出错返工率减少了75%

12、，成本降低了25%，成为数字化设计制造与并行工程技术成功应用的典范。2001年2004年欧洲的ADFAST项目把研究目标定位于经济实用的重构工装系统(ART)和集成测量系统上，获得重大突破。空客公司2005年机翼盒自动装配的AWBA2研究项目应用了多种数字化柔性装配技术，降低了成本，缩短了周期，实现了月产38套机翼。波音公司在研制737时构建的基于构型控制的数字化制造信息管理系统（DCAC/MRM）2，及近年来研制787所采用的全球协同管理技术（Global Co-laboration Environment，GCE），使得数字化技术平台在同行业航空企业竞争中取得优势，象征性事件是2007年7

13、月8日波音787Dreamliner的如期下线，同时波音公司宣布已取得1100多亿美元的707架波音787飞机的订单。洛克希德马丁公司牵头研制的JSF战机原型机X-35，采用具有激光定位、电磁精密制孔等数字化柔性装配特点的龙门钻削系统，使装配周期减少了2/3，工装数量由350件减少19件，成本降低1/2，LeicaLTD500激光定位配合液压校平系统及移动装配生产线，大大减少了对接时间，和大部件的对接装配数字化。先进的装配理念和方法，如决定性装配（Determinant Assembly，DA）、以骨架为基准的自动化装配技术等也广泛应用于大型飞机自动化装配。图1为Boeing787总装及移动概

14、念图。图1 波音787总装及移动Boeing787机身第43段的复合材料整体筒体与钛合金框架实现了自动化装配。采用内外两套独立的装置，在装配时实现自动化装配。采用内外两套独立的装置，在装配时实现自动定位、夹紧、制孔、安装环槽钉并完成环圈自动镦铆，由电磁提供铆接动力，目前该技术已在日本三菱重工投入使用。为实现飞机复合材料平尾升降舵装配，空客公司研制的复合材料升降舵柔性装配系统可自动完成后缘的测量和校准、上下壁板钻孔和锪窝、铆钉选择及供给、注胶、铆接及壁板表面波纹度测量等3。1.3 飞机装配技术的发展近10于年来，国外飞机装配迅速发展，以B777、A340、A380、F-22、F-35等为代表的新

15、型军、民机集中反映了国外飞机制造技术的现状和发展趋势，在装配技术上基于单一产品数据源的数字量尺寸协调体系，实施数字化尺寸工程技术，应用柔性模块化的工装技术、加工和检测单元并集成应用为一系列的自动化装配系统进行机体结构的自动化装配，大量采用了长寿命连接技术，实现长寿命飞机结构的高质量、高效率装配。图2和图3为传统和现代飞机设计制造模式图。图2 传统飞机设计制造模式图图3 现代飞机传统制造模式图第二章 飞机装配中的协调技术飞机制造过程区别于一般机械产品的主要特点是它具有非常复杂而完善的互换协调理论和技术，并贯穿于制造过程的始终，所以飞机制造装配工艺的难点是首先要解决零部件装配过程中的互换协调问题，

16、特别在新机研制中这一问题尤为突出。随着数字化技术的深入应用，产品设计的方法和手段发生了根本变化，计算机应用系统完成了越来越多的传统上必须依靠实物模型或样机才能完成的产品性能以及制造能力的分析和验证功能，为解决飞机互换协调问题提供了新的技术与思路。目前我国正在努力提高飞机制造的水平，加快研制速度，尤其在采用无纸化的数字化设计制造技术之后，就要相应的具有与其相配的数字化协调控制手段，才能真正贯通数字化生产线。2.1 数字化标准工装技术在飞机制造中使用的一类标准工艺装备(简称标准工装或标工)，是以1：1的真实尺寸来体现产品某些部位的几何形状和尺寸的刚性实体。它作为一种模拟量标准，用于制造、装配、检验

17、和协调生产工装，是保证生产工装之间、产品零件和部件之间的尺寸和形状协调与互换的重要依据。其种类可分为标准样件、标准量规、标准平板等。必须具备足够的刚度，以保持其尺寸和形状的稳定性，具有比生产工装更高的准确度。数字化标准工装(DMT，Digital Master Tooling) 包含产品协调部位几何形状和尺寸，利用产品3D数字化主模型(包括坐标系统、基准系统、几何模型)和协调部位装配尺寸及公差等装配元素作为设计、制造、检验和协调所有零件加工工装、部段内部装配工装、部段间装配工装和检验工装的数字量标准，是保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件和组件之间的尺寸和形状协调互换的重要

18、依据4。数字化标准工装实际上是数字化环境下实物标工的替代物。因为实物标工不仅制造成本高，而且维护难度大，是生产中的一个难点。同时，实物标工传递的是模拟量数据，在数字化环境下不易实现自动化应用。所以有必要研究方便、低廉的数字化标准工装模型来代替实物标工，起到协调标准的作用。数字样件或量规与我们传统意义上的标工作用相同，唯一不同的是它不是实物，而是计算机中的数字化定义模型。设计出一个统一的数字样件或量规，来参与每一部分的数字化预装配，以保证互换部位的协调。国外称数字化标工为“主工装”或“软标工”，有时也称之为“电量规”(Electronic Gauge)5。数字化标工在制造和装配中可以重复性地循环

19、利用，而传统意义上的硬工装需要依赖于其他相关或相配合的工装集，这在未来大型飞行器制造和装配上必将遇到更多的问题和困难，随着工装技术的周期性发展，硬工装也会逐渐退出历史舞台。2.1.1 数字标工模型的建立采用了数字化产品定义后，可以将整个生产制造过程看成是一个数据的采集、加工、传递、处理的流程，并将最终形成的产品看成是物化的数据。利用数字标工建模的总过程如图4所示。与一般实物标工类似，数字标工模型包含的信息应该有：(1)坐标系统机身坐标系、局部坐标系或辅助坐标系，甚至其他特殊的坐标系。图4 数字标工建模流程(2)基准包括设计基准、制造基准、使用基准和检验基准。数字标工的基准和坐标系有相对关系，不

20、能认为坐标系原点必须在基准上。(3)尺寸与公差无论是工装还是零件，这是最主要的数据信息内容。作为标工，则只需要某些特定的少量尺寸与公差。例如，需要外形尺寸的标工应包含外形公差，用于定位孔的标工则只需包含孔心、孔径尺寸公差。在建模过程中，制造部门设计和应用数字标工时都不能随意平移、旋转实体图形，以免造成不协调；在需要平稳和旋转时，应该变换辅助坐标系或重新做一个辅助坐标系。为了提高精度和改善装配工艺性，设计基准应符合以下原则：(1)数字标工的设计基准应力求同产品的设计基准一致；(2)只有当工艺上有要求，并有利于提高生产工装的制造精度和协调性时，才可采用不同于产品设计基准的转换基准；(3)相邻组、部

21、件的数字标工，其设计基准应尽量一致：(4)设计基准、工艺基准和检验基准应尽量一致；(5)一个数字标工基准系统允许一个合理的积累误差范围，零件工装和装配工装的制造公差都控制在产品公差的13之内；(6)用数字标工进行工装设计时，要在当前统一基准中给出各个光学目标点的尺寸和公差。在工装设计过程中，预先在工装定位器上设计出三个光学目标点，并在该定位器处在整体坐标系中的正确位置时，给出这三个光学目标点的理论坐标值；(7)基于数字标工设计的工装在制造时，其上定位器的定位面、定位线及定位点与工具球孔应一起数控加工，以保证最小的制造误差。2.1.2 数字标工方法的应用数字标工方法的应用大致分以下三个环节6：(

22、1)在测量系统中建立坐标系用数字标工的方法进行装配，首先要将工装数字化模型和坐标系及基准方案输入测量系统的计算机中，在测量系统中建立坐标系，在工装中事先设置坐标参考点，依照此类参考点在测量系统中建立坐标系，且与工装数字模型中的坐标系相同。坐标参考点要精确标定。(2)在工装中安装定位器坐标系建立起来以后，就可以在工装中安装工装定位器。在传统飞机制造中，很多工装定位器的安装是靠实物标工定位完成的。而在数字化装配环境中，除主要用于厂际互换外，大部分实物标工已被取消，而以数字标工代替实物标工，其方法是：在工装设计时定位器的定位特征点以数字标工为准，在工装定位器装配时(如在型架装配机中)用激光跟踪仪一边

23、测量定位点坐标一边进行工装定位器的安装。(3)将零部件装配到工装在新标定的坐标系中，以定位器定位，将零部件装配到工装中。在数字化模型中定义一些该零部件的关键特性点，在工装中测量定位后，将零部件上的特征点坐标值，与存储在数字化模型中的这些点的坐标值相比较，检查装配误差情况。在实际应用数字标工技术时，各使用单位(如研究所、主机厂)应采取三步方针：首先，根据当前国内各主机厂的工装和标准工装的使用情况进行分析，提取、总结标工的特征及使用原理，以此来定义数字标工的明确内涵，包括数字标工的应用目的、范围和建立原则等。然后，对数字标工模型进行分析，应用CATIA等三维造型软件和分析模拟软件，结合工程数据集和

24、装配数据集来建立数字标工模型，并制定相应的规范原则，研究对模型进行分析和修改的方法。最后，对数字标工技术要应用到实际生产的组件、部件中去。要选择采用数字标工技术中的产品部分，对装配过程跟踪、分析、修正和总结。2.2 装配中的数字化协调路线采用数字化技术后的装配系统，不仅可以将原本用于各部分分别装配的工装组合在一起形成装配工作站，而且甚至可以将激光跟踪、数字控制等功能的设备集成其上，统一接收3D数字模型，保证数据源一致。这样的装配集成系统的数字化协调路线如图5所示。在新的协调系统中，可以省掉许多样板和标准工装。装配型架在设计时，采用数字化三维相关性设计方法，依据是工程数据集和制造数据集；定位件的

25、设计是以被定位的零组件定位特征协调进行的，并进行数字化预装配协调。如定位面是外形面，则定位件定位面的设计依据是被定位外形面的工程数据集或制造数据集，协调依据就是外形面的主表面模型。如果定位特征是孔，则定位件定位孔的设计就是以被定位对象的孔轴线等作为定位件的孔轴线。型架的坐标系应与工程数据集中的坐标系相统一。就装配工装而言，从设计到制造成形的整个过程，可以在数字化协调基础上。结合现有技术和方法，形成带有少量传统方式的混合的数字化协调路线，如图6所示。图5 装配集成系统的数字化协调路线图6 装配工装协调路线另外，数字化协调中必须确定关键特性。广义上讲，对于协调部位一般都可定义为关键特性，并且以此在

26、工装上定位，定位特征就是关键特性。即在被确定有关键特性的地方，关键特性优先作为定位特征，且定位件的定位特征设计就是以关键特性协调的数字化进行的。2.3 模拟量与数字量混合协调2.3.1 模拟量协调 传统的飞机制造是利用模线一样板一标准样件一生产工装，把飞机的设计要求(各种数据)传递到最后产品上的。基于实物标工的协调方法如图7所示。在这个过程中，标准工艺装备起着至关重要的作用，它以实体形式体现产品某一部分外形、对接接头和孔系之间相对位置准度在产品图纸规定的公差范围之内的刚性模拟量。它确定了产品部件、组合件或零件各表面(或外形)、接头、孔系之间的相对正确位置，是制造生产工装的重要依据。图7 基于模

27、拟量的典型装配协调路线2.3.2 数字化协调采用数字标工模型控制产品协调准确度的方法是在各级坐标系中，通过标工中的约束关系将产品协调部位尺寸与形状信息通过数字量方式直接传递到产品或生产工艺装备的过程，保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件和组件之间形状及尺寸的协调互换。基于数字标工的协调原理如图8所示.通过引用工程数据集信息形成的数字标工，作为产品制造、协调和检验的依据。图8 数字化装配典型协调路线2.3.3 混合协调模拟量协调体系巾，采用实物标工保证产品的协调，其协调的基本原理如下：首先保证标工的设计基准与产品的设计基准一致或从产品的设计基准转换而来，产品装配时，通过实物标

28、工保证产品相对于产品设备计基准的位置或外形准确度。产品的检测一般通过检验夹具/型架完成。检验夹具/型架按照实物标工进行制造、安装与协调，难以获取产品的关键测量点在全机坐标系中的绝对位置信息。而在数字化装配协调体系中，采用数字标工进行产品的装配协调，它是在保证产品制造符合性的基础上以保证产品的协调性。数字化协调通过数字标工所包含的外形和尺寸约束，确定零组件在机身坐标系中的位置；在装配的过程中，采用激光跟踪仪等数字化测量设备，保证零组件在坐标系中的正确空间位置。标准工艺装备是产品协调的前提和基础，也是产品制造检验的依据。实物标工是一种刚性模拟量，主要包含以下几大类：模线和样板、标准量规、标准平板、

29、外形标准样件、综合标准样件和零件标准样件。数字标工是包含并通过统一基准系统（坐标系、主尺寸表面、几何基准)和实体几何(几何形状、尺寸公差)反映飞机产品的协调关系，并以数字量形式存在的三维数字化飞机产品或工艺装备几何定义模型。数字标工的表现形式主要有：以三维数学模型为信息载体的约束集和数字标工定义模型。实物标工和数字标工分别是两个协调体系中实现产品装配协调的重要依据，它们在设计制造、管理保存、尺寸稳定性和标工更改等方面都有较大的区别。对于大型飞机，实物标工一般尺寸大、自重大、易变形，需要在专门的场所保存，并且在使用过程中容易磨损而导致精度降低；实物标工修改需进行设计与制造的更改，而标工修改将导致

30、生产工装的大幅修改。数字标工是以产品三维数学模型为核心的尺寸和外形约束集，通过约束数据集控制交点和外形的空间位置，也不需要进行实物的制造，不存在尺寸不稳定性隐患；并且数字标工的修改只需在虚拟的数字化环境中根据要求进行相应的更改，如果大量采用柔性工装，则可避免由标工更改导致的大量工装修改。飞行器制造协调的要求是要最终保证产品的装配协调准确度的标准。整个制造过程中的协调主要体现在零件与零件、零件与工装、工装与工装之间的协凋性及协调关系。在我国现阶段的飞机制造中，对于大多数零件所采取的协调方法，大体上采用模拟量协调、数字量协调和模拟量与数字量混合协调三种方式，机加类零件优先选用数字化协调法，钣金类零

31、件优先选用传统协调法。数字量与模拟量混合协调的综合应用方法在由传统协调方法向数字化协调方法转化的时期具有明显的合理性，将在较长的时间内共同发挥作用。第三章 飞机数字化装配飞机数字化装配技术涉及飞机设计、零部件制造、装配工艺规划、互换协调技术、数字化测量系统、自动控制和计算机软件等众多先进技术，因而难度较大，所以在一定意义上，飞机的数字化装配是数字化技术最后需要攻克的堡垒，它将从根本上改变传统的飞机装配技术，可以说是飞机制造的一次革命性的变革。3.1 飞机数字化装配技术3.1.1 数字化装配技术的内涵数字化装配技术是一个新的概念,精确的为其下一个定义还需要更多的探索。数字化装配是一种能适应快速研

32、制和生产及低成本制造要求的技术,从其发展的历程看,它实质上是数字化技术在飞机设计制造过程中更深层次的应用及其延伸。数字化装配方法不仅包括了传统数字化装配概念中工装的设计、制造及装配的虚拟仿真等,还包括了像柔性装配方法、无型架装配方法等其他自动化装配方法。飞机数字化装配技术是数字化装配工艺技术、数字化柔性装配工装技术、光学检测与反馈技术、数字化钻铆技术及数字化的集成控制技术等多种先进技术的综合应用。数字化装配技术在飞机装配过程中实现装配的数字化、柔性化、信息化、模块化和自动化,将传统的依靠手工或专用型架夹具的装配方式转变为数字化的装配方式,将传统装配模式下的模拟量传递模式改为数字量传递模式。3.

33、1.2 数字化装配工艺技术数字化装配工艺主要包括数字化装配过程的优化设计、误差分析及容差分配和数字化预装配。其接收工装系统的设计信息和产品三维实体模型,通过装配过程的模拟仿真进行预装配及误差分析,再将信息反馈到工装系统,进行工装设计的调整和装配过程的优化7。数字化装配过程优化设计分为装配顺序的生成和优化、装配路径的规划和优化、误差分析和容差分配、数字化预装配等几部分。误差分析和容差分配用来在产品的设计阶段,预测和控制全部系统的误差。其出发点是全部系统的目标误差,然后通过容差分配方法来分配目标误差作为次级系统的误差。这样误差预算就在各种次级系统中,作为一个跟踪工具来平衡目标误差和达到目标误差的难

34、度这两者之间的关系。飞机数字化预装配是在数字化产品定义的基础上利用计算机模拟装配的全过程,用于在研制过程中及时地进行动静态界面设计和干涉检查、工艺性检查、可拆卸性检查、可维护性检查。其对象是工装与工装的装配、工装与零组件之间的装配及零件与零件之间的直接装配关系,可有效地减少因设计错误而引起的设计返工和更改。3.1.3 数字化柔性装配工装技术在数字化装配中,将工装按功能划分为静态框架和动态模块。静态框架是模块化框架,由标准零件和连接件组合而成。动态模块依据飞机产品的不同需要而设计,它具有多个自由度,通过可调转接器依附于静态框架上,根据不同的产品特征而配置不同的动态模块;动态模块本身可以通过转接器

35、调整或自由度调整改变自己的特征,以满足同类相似的产品。这样动态模块和静态框架之间就可以依据不同的产品或者产品的不同特征而进行调整配置。数字化装配工装实现柔性的方式主要是调整动态模块或者更换动态模块,对于不同的壁板部件装配,按照具体部件装配的要求增加或减少柔性夹持模块,通过调整转接器自由度、调整卡板的形状或者更换卡板,使之适应具体特征的要求。以飞机壁板类零件为例,数字化柔性装配工装的功能模块分解如图9所示。图9 数字化柔性工装的功能模块在数字化环境下,柔性工装的定位不再依靠工装上的固定定位器,而采用独立的一套定位系统。控制系统把定位数据传递给装配定位执行机构,这样才能实现数据的数字量传递,称该定

36、位执行机构为机械随动定位装置。机械随动定位装置是一个数字化自动控制的高精度装置,其结构根据产品装配过程中的定位要求而定。该装置中的伺服驱动机构带动自动化定位机构对装配件进行调整和支撑,实现装配件的定位。自动化定位机构依靠控制系统的控制来同时协调多个机械随动装置的运动,保证以确定方式、可预见地移动飞机零件,一级操作用户可以通过图形用户界面显示零件的位置坐标,然后设定控制参数,控制机械随动定位装置的运动。在此,对各坐标的定义如下:X坐标为平行于工装单元的水平运动, Y坐标为平行于工装单元的垂直运动,Z坐标为垂直于XY坐标平面方向的运动3.2 飞机数字化装配技术体系飞机数字化装配技术体系涉及飞机设计

37、、零部件制造、装配工艺规划、数字化柔性定位、精密制孔连接、自动控制、先进测量与检测和计算机软件等众多先进技术和装备，是机械、电子、控制、计算机等多学科交叉融合的高新技术。飞机数字化装配关键技术主要包括：飞机数字化装配基础技术、应用技术和标准规范。 飞机数字化装配关键技术是整个飞机数字化装配体系的基础，主要包括 3个组成部分：飞机数字化装配关键基础技术；飞机数字化装配关键应用技术；飞机数字化装配技术标准与规范。飞机数字化装配关键技术涵盖了飞机装配的设计、工艺、现场、规范等众多环节。图10 飞机数字化装配关键技术组成3.2.1 飞机数字化装配关键基础技术飞机数字化装配关键基础技术是指支撑飞机数字化

38、装配的相关理论与基础技术，主要涵盖了与飞机数字化装配相关的设计及工艺技术，主要包括：面向数字化装配的飞机结构设计技术；数字量装配协调与容差分配技术；飞机数字化装配工艺规划与仿真技术。（1）面向数字化装配的飞机结构设计技术。飞机数字化装配实施成功的关键在于将数字化装配的具体需求融入到飞机结构设计中，即面向数字化装配的飞机结构设计。在结构设计过程中，需要融入与装配相关的关键点：遵循面向数字化装配的飞机设计原则；考虑数字化装配的定位、检测、支撑要求；定义在数字化装配过程中需要的关键特性（如定位点、参考点、测量点等）；在主要结构件上建立装配自定位特征、安放光学测量设备的工艺接头；实现面向装配误差的结构

39、设计补偿；实现面向数字化装配过程的飞机数字样机仿真。（2）数字量装配协调与容差分配技术数字量装配协调与容差分配技术是保证飞机装配准确度，提升飞机产品质量的关键。目前，我国在飞机的装配过程中仍主要沿用 20 世纪五六十年代前苏联航空制造业根据实物样件以模拟量形式传递零部件的形状和尺寸的方法8，采用大量复杂刚性型架进行定位和夹紧的传统手工装配方法，装配精度、质量稳定性、装配效率等很难满足要求，进而导致相关产品国际适航认证获批艰难。而数字量装配协调与容差分配技术在工艺规划阶段以飞机数字化设计数据为基础，在数字化环境下完成对飞机协调方案及容差方案的规划，保证装配可行性、装配精度与装配质量。其关键技术点

40、在于：在规范化的产品和工装三维模型基础上，快速有效地构建起支持数字化装配的装配协调基准； 以协调基准为基础，规划数字化装配环境下的装配协调路线； 针对不同装配对象的关键特性，分析装配过程变形，并提出补偿方案； 结合装配准确度、装配变形及误差传递过程，分析和优化装配容差，实现装配容差的数字化分配。（3）飞机数字化装配工艺规划与仿真技术。飞机装配过程涉及了成千上万的零部件、工装、夹具、工具，并有大量装配操作等，精确、合理地规划、分析、仿真它们参与装配的各个细节（即装配工艺），有效解决装配工艺设计中的装配不协调、干涉、碰撞、超差等问题，保证产品精准快速装配，是提高产品装配效率和质量的关键。 针对数字

41、化装配工艺方案，建立数字化装配系统仿真模型，进行系统布局仿真； 以装配仿真为手段，进行仿真式三维装配指令规划与优化； 针对自动化装配工艺装备，实现基于离线仿真分析与实时测量相结合的装配数控代码生成； 以飞机零部件及其工装的数字样机为基础，针对飞机的功能和性能、理论外形和结构，实现涵盖“零件部件”装配作业过程的三维可视化仿真；以装配作业过程仿真和数字化装配系统布局仿真为基础，进行数字化装配环境下的人机功效仿真。3.2.2 飞机数字化装配关键应用技术飞机数字化装配关键应用技术是指支撑飞机数字化装配现场的共性关键技术，主要针对装配过程中的定位、制孔、连接、测量、控制等环节进行研究，并构建起相应的实验

42、单元，支持数字化装配技术的应用实施，主要包括：（1）数控柔性装配定位技术；（2）自动化精密制孔技术；（3）高效长寿命连接技术（；4）大尺寸精密测量技术；（5）多系统集成控制技术。（1）数控柔性装配定位技术。柔性定位与夹持技术是柔性工装设计的基础与核心，由于飞机结构件尺寸大、形状复杂，导致定位与夹紧件的配合方式有很多的限制。而飞机产品的零件多为薄壁件，其在装配过程中易产生形态多样的装配变形。因此，为保证飞机装配精度，需要研究合理的数控柔性装配定位技术，提高装配结构件的定位精度和重复定位精度。 针对飞机典型部件的结构特点，提取其定位、夹持技术需求，确定定位器布局、夹持、驱动方式，开展壁板、框、梁等

43、典型结构的数字化定位器的模块化结构设计；实现飞机数字化装配环境下基于测量误差的柔性定位方案；实现柔性定位与飞机结构件的姿态调整，保证多定位器协同运动控制及构件位置姿态精确调整； 根据飞机产品的特点，开发飞机数控柔性装配定位单元。（2）自动化精密制孔技术。飞机产品的连接多为机械连接，其中以螺接和铆接方式为主，连接前必须对相关零部件进行制孔。我国现在飞机装配上仍然大量采用人工制孔的方式，制孔水平受人工影响大，孔质量参差不齐，无法保证装配精度，同时装配效率低，使得最终产品稳定性差，其装配连接质量直接影响产品结构抗疲劳性能与可靠性9。同时，复合材料结构件的广泛应用对我国发展的航空重点型号的研制周期、装

44、配连接质量、产品性能等提出了更高要求。在装配工艺方法方面，我国主要针对金属结构的制孔积累了大量的工艺方法和工艺参数，形成了成熟的工艺流程，而面向复合材料结构件的制孔还未形成相应的装配工艺体系。因此，飞机数字化装配自动化精密制孔技术主要包括了以下技术要点：复合材料、铝合金、复合叠层结构制孔的刀具参数、切削速度、进给量、冷却方式等工艺参数试验与优化设计技术；狭小空间下精密制孔技术；复合叠层结构制孔执行器小型化、轻型化设计及精确定位； 根据飞机产品装配特点，开发飞机自动化精密制孔单元。（3）高效长寿命连接技术。随着飞机耐久性和可靠性要求不断提高，长寿命连接是大飞机研制必将广泛采用的连接方法。干涉配合

45、能提高结构疲劳寿命，已成为结构延寿的主要工艺方法。为提高结构疲劳寿命，国内外各先进飞机制造中均采用了大量干涉配合紧固件。如空客A320机翼下壁板，仅钛合金干涉螺栓就有11000个，伊尔86上使用的各种干涉配合螺栓达34400个。我国目前干涉配合紧固件一般采用液压压入或锤击打入的方法，这些方法导致紧固件容易屈服并膨胀，安装比较困难；对于具有较大干涉量的紧固件，采用打入的方法容易造成孔壁损伤，最终导致飞机使用寿命上的缺陷。因此，飞机数字化装配高效长寿命连接技术主要包括了以下技术要点： 装配过程中的大尺寸装配件、装配工装结构变形分析技术； 支持密封连接、长寿命连接的复合材料干涉铆接、干涉螺接技术；

46、钛合金铆钉、钛合金高锁螺栓连接技术； 根据飞机产品装配特点，开发飞机高效长寿命连接单元。（4）大尺寸精密测量技术。飞机装配过程数字化是依靠精准可靠的测量系统提供的数据来保证的，测量数据是数字量协调的基础数据，高精度的测量方法是实现数字化装配定位、制孔、连接的基础。而飞机产品常常具有尺寸大、精度高的特点，因此其对测量系统、测量技术的要求非常高。精密测量技术主要有以下几个要点：面向数字化装配的激光跟踪测量方法；面向飞机总装的iGPS测量方法；iGPS测量与激光跟踪测量组合的测量方法；根据飞机产品的特点，开发飞机大尺寸精密测量单元。（5）多系统集成控制技术。控制系统是飞机数字化装配的大脑，但是在飞机

47、数字化装配过程中，与装配相关的硬软件系统众多，数据处理方式多样，设计数据、工艺数据、测量数据、定位数据、制孔数据、连接数据等之间存在大量的交互与协调，而多系统集成控制技术便是实现交互与协调的基础，主要有以下几个要点： 数据处理标准和接口集成技术；基于设备精度的误差动态补偿技术；基于三维数模的离线控制和基于实时测量反馈的在线控制技术；根据飞机数字化装配系统的特点，开发飞机多系统集成控制单元。图11 波音777总装空间3.2.3 飞机数字化装配技术标准与规范飞机数字化装配技术标准和规范是对飞机数字化装配过程中相关技术的高度总结，是将理论研究、基础技术研究转化为生产应用的桥梁，是飞机制造企业进行数字

48、化装配实施的指导原则，因此为了保证飞机数字化装配体系的顺利实施，有效地为我国在数字化装配领域提高数字化装备自主研发能力、实现自主知识产权和技术成果的推广，必须研究相关的飞机数字化装配技术标准与规范，按照飞机数字化装配流程其主要包括了 3 大类标准与规范： 设计类标准规范：面向数字化装配的飞机结构设计规范、三维标注方法手册，针对不同类型零组件的建模规范等； 工艺类标准规范：数字化协调技术规范、数字化装配容差分配技术规范、数字化装配工艺方案规划相关技术规范、飞机数字化装配仿真技术规范等；装配操作类标准规范：数字化柔性定位规范、自动化精密制孔规范、长寿命连接规范、数字化测量技术规范、集成控制技术规范

49、等。3.3 飞机数字化装配系统及其应用3.3.1 飞机数字化装配系统组成和特点飞机数字化装配系统大致可分为部件(段)数字化装配系统和部件数字化对接总装配系统。飞机数字化装配系统针对现代军、民用飞机机体结构特点，综合应用产品数字化定义，基于数字化标工的协调技术、数字化模拟仿真技术、数字化测量技术、软件技术、自动化控制和机械随动定位等先进技术，形成飞机无型架定位数字化装配集成系统，实现机体的主要结构的无型架定位数字化装配及部件数字化对接总装配工作，不再使用笨重而复杂的传统装配型架，实现装配过程中定位、调整、夹紧等工作的数字化控制。从而实现产品数字化定义、数字化测量和数字化装配的有效集成。3.3.2

50、 飞机数字化装配系统的工作原理外翼与中央翼盒段数字化对接原理为:先把中央翼盒段定位固定到准确位置上，然后把外翼放置到它的定位器上，数字化测量装置测量外翼的基准点，测得的数据送到计算机中，经测量软件分析，分析结果再输入到定位件控制器，然后到驱动定位器上调整外翼的位置,直到外翼调整到所需位置上，再进行钻孔连接装配。机身段数字化装配原理与上述原理相近，其不同之处在于机身段是由蒙皮壁板件组件装配而成的。机身段部件的调整原理为:由几个机械随动定位器根据激光跟踪仪测得的数据，随时调整机身段在X、Y和Z方向上的位置。3.3.3 飞机数字化装配系统的实际应用首先说明部件的数字化装配。无论是波音公司的B747、

51、B737NG还是B777 飞机机身部件的装配都采用数字化装配系统这种方法。其中，机身舱段部件装配的困难在于，如何把这样大型的并具有光滑圆弧外形蒙皮壁板精确地定位到机身的相应位置上。为解决这个问题，波音公司与在达拉斯的先进集成技术公司（AIT）协作，共同组织了一个“机身装配改进团队”，研究决定不再采用传统的型架，而采用无专用型架定位的通用柔性方法，提出了一个阵列式装配项目，此数字化装配工作站除了其主体结构外，其余多数是机身蒙皮壁板组件的定位机构。其次，说明飞机部件数字化对接总装配系统应用情况。B747飞机机身的数字化对接总装配共有13套自动化工装，用了 200 个以上的机械随动定位装置(数字化定

52、位器)并配有约700个轴的伺服马达工作;B737NG 共有7 套机身数字化总装配工作站，共用了140个机械随动定位装置，总共有200个轴的伺服马达工作。3.3.4 飞机数字化装配系统的应用意义飞机的数字化装配是飞行器数字化研制技术从产品设计到零部件制造，进一步向部件装配和飞机总装配的延伸和发展的过程，它使数字化研制技术真正完全地集成为一体，使数字化产品的数据能从研制工作的上游畅通地向下游传递，充分发挥了数字化研制技术的优点，大幅减少了飞机装配所需的标准工装和生产工装，如波音737新一代飞机，标准工艺装备减少80%，F-35 研制中减少了95%，法国达索公司最新研制的小型公务机Falcon（20

53、05年上天），其传统的工装减到零。这对降低新机研制成本，缩短研制周期起到了难以估量的作用;并且还将大幅度地提高产品的装配质量，如B747 机翼装配精度由原来的10.16mm 提高到0.25mm，提高了近50倍，由此可见飞机数字化装配系统对飞机研制的重要意义。第四章 数字化测量技术数字化测量技术及系统是现代飞机数字化装配技术的重要组成部分。现代飞机装配中通过应用数字化测量技术及系统，不仅保证了飞机装配准确度、提高了生产效率，同时实现了飞机产品从零件设计制造到装配过程的全数字量传递。随着我国新一代飞机的设计制造不断向数字化进程迈进，以二维图样和模拟量手段检验产品质量的模式已无法适应新一代飞机的技术

54、发展。零件的数控加工、精准成形和飞机快速自动化装配对数字化测量技术的需求越来越迫切；测量技术已成为飞机快速研制的瓶颈，严重制约了飞机装配技术的进步。基于模型和三维标注的面向装配的数字化测量技术已成为未来飞机检测装配的发展方向和主体模式。4.1 数字化测量技术的现状和发展趋势数字化测量技术在飞机装配技术发展历程中有至关重要的作用，没有有效的测量手段就不可能实现自动化装配。数字化测量技术的发展与飞机装配技术的进步是相辅相成的。下面从飞机装配过程中的数字化协调、关键零件质量控制、部件装配、总装对接和移动生产线等几个主要环节的工程应用说明测量技术的现状和发展趋势。4.1.1 基于精密测量的数字化协调技

55、术现代飞机装配技术进步的主要特征之一就是数字量协调取代了模拟量协调，所谓数字量协调就是以数字量的方式对产品、工装在统一基准下进行精确描述，并采用高精度的数字化加工与测量设备将这些数字量物化为模拟量，最终传递到实物上，实现工装之间、工装与产品之间以及产品之间的互换协调性。在数字化标工协调法中，用数字化光学测量系统（如激光跟踪仪、电子经纬仪、室内GPS等）对装配工艺装备进行安装检验，通过测量工装骨架上的光学工具球孔位置，并与工装数模中的光学工具球孔理论坐标值拟合后，在测量软件系统中建立起工装的设计坐标系。所有其他工装定位器的安装都采用光学测量系统在此设计坐标系中进行，使得装配完成的工装符合设计时的

56、定位功能与协调要求，并使最终装配完成的飞机产品满足设计时的互换协调要求。在数字化测量技术和加工手段没有达到飞机装配要求的高精度水平以前，装配质量只能依赖大量复杂的专用工装来保证。飞机各部件的协调和装配工装的制造要按模线、样板、标准样件等模拟量来保证；工装的安装和校验要经过上样件、调标工、安装、检测和维修定位器；下样件的过程传递环节长、误差大，装配效率和产品质量很难达到较高水平。因此，一种新机型的研制周期要长达5 年或 10 年以上（制造标准工装的周期通常在 12 年或更长）。数字化技术的应用和测量技术的发展简化了工装的安装和校验的过程，取消了标准样件，并大幅度缩短了工装制造周期，降低了研制成本

57、。早在十几年前激光跟踪仪在国外飞机装配工装的制造和安装中已广泛使用，图12所示为空客不来梅工厂机翼装配工装的检测实例。图12 空客不来梅工厂机翼装配工装的检测波音公司在研制装 配 787 客 机 的 过 程中，采用了全新的基于模型定义（Model BasedDefinition，MBD）的技术，取消了全尺寸实物样机，二维图样不再是设计制造过程中所必需的文件，三维模型替代二维图样作为产品制造和检验的唯一依据。质量控制工程师在产品并行设计时根据装配工艺规划制定产品检测规划方案，零件设计时预先定义关键特征和测量基准点，利用这些关键特性和测量数据保证飞机的协调装配，按三维 CAD 模型自动生成检测规程

58、并通过仿真分析优化测量方案，指导测量设备完成产品检测，控制产品质量，使CAD和CAM（加工、装配、测量、检验）实现真正的高度集成，在产品研制的检测环节实现三维数字量传递，通过三维数字化检测设备直接获取产品质量信息。与产品设计模型比较，实现产品质量控制。目前，国内基于三维 CAD 模型的数字化检测技术应用研究鲜见报道。4.1.2 关键零件质量控制测量设备在辅助生产中的应用逐步从过去的固定式离线质量检测向测量与制造过程高度集成的便携式在线测量发展。例如，洛克希德马丁公司在 F-35 项目中购买了一台大型的由Zeiss公司生产的MMZ 三坐标测量机直接用于生产过程（见图13），而非过去的离线质量检测

59、。固定式三坐标测量机作用是重要的，但便携式系统如激光跟踪仪、激光雷达以及三坐标测量臂日益成为一种趋势。图13 Zeiss MMZ测量机检测F-35复材壁板复合材料的大量应用已成为飞机发展的主流趋势，与金属合金相比，碳化纤维增强材料是不可重塑的，必须在第一次加工正确，由此推动在线测量设备在生产中的应用，否则，在可能返工之前将会报废一个昂贵的零件。洛克希德马丁公司利用其先进的带有专利的激光超声检测技术，对型面复杂的复合材料零件进行 100%的自动检测，目前已用于F-22、F-35 的大型油箱、大梁、复合材料进气道、机翼蒙皮等的自动化检测，显著地提高了生产效率，使 F-35及 F-22 计划的全寿命周期的检验成本减少约 3 亿美元。洛克希德马丁公司还采用了一种由挪威开发并制造的 Metronor 便携式计算机辅助红外照相测量系统，与一般的坐标测量机相比，设备成本减少 3/4，测量大尺寸曲面部件的检测时间减少 56%，而对于小零件则省时 64%。对于大尺寸零件来说，通常便携式系统更具有实用性。4.1.3 部件装配中的测量技术数字化测量技术的出现使无型架装配成为可能，用测量设备取代难以加工的夹具已经成为一种趋势。波音公司在研制JSF的X-32样机和无人机X-45样机时，提出了包括根据零件关键特征以较少的安装工作快速定位