飞机数字化装配技术的发展与应用.pdf

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald航 空 航 天 科 学 技 术飞机数字化装配技术的发展与应用刘宝剑（陕西飞机工业有限责任公司 陕西汉中 723213）摘要：飞机装配的过程中，始终需要严格地基于飞机的尺寸大小进行相应的合理化调节，再将各个零部件及组件基于设计中的技术要求进行科学合理的组合及连接，就能够形成高一级的装配件，直到完成整个飞机的装配。在现阶段飞机制造的过程中，这样的技术是十分重要的一个环节。在飞机工业发展进程中，飞机装配技术已经从原本人工装配、半机械、半自动化装配逐渐转变为自动化装配的方式。在本文的分析中，就主要阐述飞机数字化装配技术的实际发展现状，并对其具体的运用进行详细的分析，为相关工作人员提供一定的技术性参考。关键词：飞机工业 装配技术 数字化装配 飞机制造 复合材料中图分类号：V262.4文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0071-04Development and Application of Aircraft Digital Assembly TechnologyLIU Baojian(AVIC Shaanxi Aircraft Industry Co.,Ltd.,Hanzhong,Shaanxi Province,723213 China)Abstract:In the process of aircraft assembly,it is always necessary to make reasonable adjustments based on the size of the aircraft.By scientific and reasonable combination and connection of various parts and components based on the technical requirements of the design,a higher level assembly can be formed until the entire aircraft assembly is completed.In the process of aircraft manufacturing at this stage,such technology is a very important link.In the process of aircraft industry development,the aircraft assembly technology has gradually changed from the original manual assembly,semi-mechanical and semi-automatic assembly to automatic assembly.In the analysis of this paper,the actual development status of aircraft digital assembly technology is mainly described,and its specific application is analyzed in detail to provide a certain technical reference for the relevant staff.Key Words:Aircraft industry;Assembly technology;Digital assembly;Aircraft manufacturing;Composite materials现阶段，飞机设计工作集成了各种高精尖的技术，是人类社会现阶段工业科学技术发展的前沿领域。航空工业是各个国家经济及国防建设的重要基础所在，因此得到了高度重视，在航空产业的发展进程中，不仅设计和技术有所进步，在建设过程中的材料、通信电子等一些技术也相应得到了发展。1 航空数字化装配技术现状1.1 大尺寸框梁骨架精度低在进行飞机的骨架零部件的设计中，大型化的零部件在进行零件制造及装配环节经常会受到这种大尺寸的因素影响而面临着一定的形变问题。但是，传统的装配技术缺乏全面的检测及控制措施，这样就会导致在进行装配过程中无法实现高效率、高质量的装配制造。1.2 复合材料的制孔质量不足在飞机的日常制造过程中，会采用大量复合材料，材料的使用始终面临着制孔质量不佳的问题。特别是在传统人工手动制孔的过程中，经常会出现复合材料的分层、孔径不标准的问题，影响到产品的质量。在大量大直径、厚夹层的材料上，存在着装配的风险问题，DOI：10.16660/ki.1674-098X.2206-5640-9405作者简介：刘宝剑（1974），男，本科，工程师，研究方向为数字化装配。71科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald航 空 航 天 科 学 技 术无法实现装配质量提升。1.3 表面连接件安装质量不足现阶段，在进行施工制孔、划窝方式等方面的处理上，始终无法保障在其制孔法及深度方面的良好控制，因此经常会出现孔位倾斜方面的问题，这样的问题会直接影响到飞机的“隐身”能力。为了全面解决飞机装配的问题，就要在进行飞机装配的过程中积极地使用数字化装配技术，全面提升装配过程中的操作准确性及可靠性1。2 飞机数字化装配国内外发展2.1 国外发展在20世纪80年代之后，伴随着计算机技术和网络技术的发展，给各个行业都带来了较高的发展动力。以美国波音、洛克希德马丁公司及欧洲空客公司为代表的大型飞机公司都采用了飞机数字化装配技术，并在其飞机的制造过程中发挥出了技术的较高优势2。其中，洛克希德马丁公司在战斗机研制之前就提出了将单架生产周期从原本15个月缩短到了5个月的周期内，同时，在制造过程中，零部件使用得到了良好的控制，这样的制作方式极大地节约了装配的成本量。而波音公司在生产787飞机的过程中，结构材料的使用一般都是采用复合材料，在飞机的大部分壳体的材料处理上，考虑到飞机飞行过程中的复杂属性，在进行钻孔的过程中，需要对其材料层间进行合理的分析。在该装配技术的要求下，采用了iGPS系统，可以实现对装配的大尺度、高精度的装配处理3。2.2 国内发展在我国现阶段的飞机发展进程中，飞机装配技术也逐渐提升了装配技术的自动化程度。例如：在一些局部的装配过程采用了先进的CDA技术，对其构件进行相应的零部件建模及优化参数分析；工装、工具及产品的装配环节，也相应地采用三维仿真的处理方式，实现对其激光测量、数控驱动的定位方式处理4；在一部分的机型处理上，还采用了自动钻铆的技术方式，实现自动化的处理。3 飞机数字化装配技术运用3.1 数字化装配技术原理数字化装配技术是一种可以全面提升产品质量、快速研发及生产的技术形式。数字化的装配方案是建立在传统的数字化技术基础上的，涉及对工装设计、制造及装配的虚拟仿真处理。伴随着技术的发展，也出现了柔性装配、无型架装配等自动化的处理方式。在飞机的数字化柔性装配工艺的开展中，主要是运用数字化装配工艺技术、数字化柔性工装技术、光学检验及反馈技术的处理5，在这样的技术方式下，在其飞机装配环节可以全面地实现装配的自动化处理，相比较传统的手工或者使用夹具的处理方式，能够更高效率地实现处理。在数字化装配技术的处理过程中，不仅局限于软、硬件的设备集成，而且需要积极地在进行设计的过程中全面优化装配的流程，通过对数字化技术的全面使用，可以使产品成为数据的中心。同时，在数字量传递的过程中，需要保障将其数字量当作重要的基础，利用数字化装配工艺的规划方式，使产品在测量设备的环节构建出一个完善的控制机制。3.2 设计思路数字化装配技术是一种集成各种先进新技术的制造技术，要明确技术的特征和特点，其始终是一个较为长期的技术时间流程，因此，在进行设计的过程中，必然需要经过长期的经验积累，以此全面地强化技术的合理性。因此，对于数字化装配技术的设计环节，就要结合实际工作情况，积极地将数字仿真技术、自动化控制、机械随动定位等先进技术进行针对性的分析，以此全面地提升数字化处理的整体效果6。3.3 飞机数字化装配技术系统构成3.3.1 数字化装配工艺在数字化装配的设计过程中，主要是基于模型定义技术，采用集成三维实体的模型方式，对其产品的定期信息进行校正处理，成为唯一的制造基础。MBD技术是基于数字化定义的规范，采用三维建模技术建立三维建模的分析方式，可以很好地实现对数字化产品定义的处理。现阶段，工作人员要基于三维实体模型的非虚拟方式，改变传统二维工程图纸的设计缺陷，可以通过三维工艺的设计方式，全面提升对装配工艺及零件加工工艺的处理方式，在这样的处理方式下，建立出一个三维数字化装配工艺形式。之后，利用数字化的虚拟装配环境搭建，对装配工艺进行科学合理模拟仿真，进一步确认工艺活动的虚拟装配验证情况。3.3.2 装配定位技术装配定位技术是对工装定位及零件装配基准孔面的自定位处理技术。首先，装配工装在飞机装配过程中要采用大量装配飞机零件、组合件、板件和锻件的定位处理工作，再利用柔性工装的处理方式，可以改变传统刚性工装专用、设计制造周期较长的问题，也相应地72科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 航 空 航 天 科 学 技 术实现结构开放性的处理方式，在柔性工装的处理上，能够实现较高效率的调整及处理。一个工装的处理会涉及多个产品的装配，因此，在设计、制造及安装的进程中，要始终基于模块化的处理方式对硬件基础的处理，进行模块化的结构组成及分析。同时，在软件的处理上，基本上包含控制软件、测量软件及装配仿真的分析。全过程数字量传递是一种数字化柔性工装的处理方式，能够实现高精度的处理。在传统的装配技术方式下，基本在合精加工、精度、质量及效率方面都无法满足新机生产的要求，因此，在飞机的生产制造环节，飞机的全机都需要对大部件进行合理技术的处理。另外，在机身、机翼及鸭翼的处理环节，需要积极地对其进行针对性的模块化设计，再实现对不同位置的大部件安装姿态的调整，并安装自动化定位及预警方面的提示，在这样的处理方式下，极大地降低了大部件和预警方面的处理效果，也相应地控制了部件安装过程中的风险。3.3.3 装配制孔技术现阶段，在飞机的结构件的处理上，基本上采用的都是机械连接的方式，这样就使得在一些新型飞机的制造中受到长寿命等方面的问题影响，往往对于表面质量、配合性质、结构形式等提出了较高的要求。在飞机的结构材料使用上，基本上采用的都是复合材料，因此，在进行装配的过程中，就要进行针对性的处理，以此很好地对内部的材料进行合理化的处理。例如，在对内部的材料装配中，所采用的传统装配技术经常会导致材料无法保障质量，如会出现复合材料分层、厚夹层等方面的问题，并在后续的材料使用上导致制造的效率低下，同时经常出现故障问题。现阶段，为了处理这样的问题，就需要在进行实际的装配中，基于数字化的装配技术，有效利用自动化的手段，全面实现连接孔的精准定位及全面提升制造孔的整体质量。3.3.4 装配连接技术飞机制造的过程中，其装配的连接质量经常会直接影响到飞机的结构特征，特别是在抗疲劳的性能及可靠性的方面，需要得到针对性的技术处理。在高性能的航空器机械连接处理上，始终都要使用较为先进的连接技术方式。例如，积极地利用干涉配合铆接、电磁铆接等方式，进行科学合理的处理及制造，通过进一步提升连接结构的整体抗疲劳程度及合理地控制结构的重量，加上对半自动化及自动化的技术进行处理，就可以很好地实现高效率的装配处理，让其柔性的机械设备运行更加高效可靠。3.3.5 数字化检测技术在过去传统的测量技术的使用中，基本上始终无法满足飞机制造中对于零部件的高效率、准确及高精度的处理需求。而在采用数字化的检测技术之后，可以很好地在其一些较为复杂的飞机零部件处理上实现较为灵活的处理效果。例如，在进行实际的使用过程中，需要建立出一个飞机零件的制造、装配、检测一体化工作流程，在这样的技术加持下，可以极大地提升飞机的装配整体效率。另外，基于数字化检测设备的处理方式能够让产品进行三维检测，以及开展质量的控制处理效果。在建立出数字化的检测技术体系之后，也相应地让计算机可以辅助检测及规划测量数据信息的分析效果，数字化技术可以很好地提升对各个零部件的检测及分析能力，最大化提升检测的水平。3.3.6 系统集成与控制技术在飞机的数字化装配技术的使用环节，基于配套的软件及硬件系统较为复杂多样，数据处理过程中也涉及较为丰富的数据信息。例如，对装配工程中的设计、工艺、测量及定位等各个环节中的数据信息，都要进行针对性的交互及协调的关系处理。系统集成与控制的技术处理成为最大化的交互及协调的基础所在。当下，在数字化装配技术的处理中，要通过对自动化技术的特征研究，全面强化自动化装置、传感器、测量设备的集成化处理方式，实现信息方面的共享，同时也相应地形成协调运作的全闭环的控制体系。3.3.7 装配抗疲劳强化技术现阶段，在一些新机型的装配过程中，需要进行内部结构的优化布置，同时采用新材料及全新的内部结构的布局方式。因此，在进行装配时，就需要通过整体优化、细节优化设计方式，对结构的应力进行良好的控制处理，之后，还需要利用科学合理的处理方式，全面提升机体的结构使用寿命。为了进一步提升飞机处理的效果，就要在进行设计的过程中，利用装配抗疲劳强化工艺方式，实现对机体结构的水平提升。例如，可以采用抛光处理、滚压及挤压的处理方式进一步实现高强度的螺栓连接效果。4 工程应用情况在具体的数字化装配技术使用环节，为了实现飞机装配环节的工艺设计、精确定位、制孔，以及对加工过程进行高精度的检测及管理，就需要对其装配的技术方式构建出一个贯穿全流程的数字化平台，这样的73科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald航 空 航 天 科 学 技 术数字化装配体系设置可以很好地满足高精度的装配需求。在这样的数字化装配技术的使用中，可以实现对其测量数字量协调、传递、控制，以及对于制造环节的闭环性处理。在这样基于数模驱动的方式下，可以充分地保障制造过程中的唯一性及操作方面的便利性。基于对开放式伺服移动装配定位平台的建设方式及数控坐标的处理上，可以实现对数据信息的良好采集及分析，所采用的分离装配定位系统与相关设备的使用可以让人工作业与设备的自动作业方式实现对系统的整体性优化及处理。4.1 机身数字化装配在进行数字化装配技术的使用中，对机身位置的装配，主要分为数字化检测、数控加工、超声叠层制孔、集成管理及控制等诸多技术方面的处理。另外，还需要在集成管理及控制过程中始终保持一体化的处理方式，这样的机身前、后端数字化装配系统处理方式可以让其机身的骨架得到精准的定位及装配，这样数字化技术可以直接提升飞机装配的质量及准确性。4.2 机身部件加工系统这样的系统设计方式是对机身的数字化调整姿态，同时对于系统中的装配操作，基于机器人辅助的系统安装方式及在测量点的处理上，采用一些先进的激光检测数据采集方式，这样就可以在进行实际的运行过程中实现对系统方面的处理，在这样集成化一体处理方式下，可以很好地实现复杂的数字化装配系统设计及调整。4.3 机翼数字化装配整个系统的装配处理是飞机机翼的数字化定位过程，采用的是自动化制孔处理方式，这样的自动化处理方式可以很好地提升壁板的定位及装配的协调能力，通过自动化的处理方式，全面提升数字化处理效果。4.4 对合系统装配该系统的设计方案采用了保持较高负载、精度值的位置及姿态方面的调整处理方式，在这样的系统处理方式下，可以实现对装配系统的可视化调整。在进行处理过程中，要积极地实时监控装配，全面解决装配压紧方面可能出现的一些碰撞的问题，还要利用自动化技术方式，全面解决人工处理中出现的一些因素干扰问题，这样就可以提升飞机装配工作开展的质量性，最大化地控制成本的浪费情况。4.5 全机数字化水平测量与校准系统在这样的系统建设中，基于iGPS及激光雷达的数字化水平测量方式，让飞机可以在自然摆放方式下实现对飞机的水平测量及校准技术，在这样的处理方式下，可以很好地让飞机调平处理，同时降低甚至消除飞机在基准点测量过程中可能出现的一些误差问题。5 结语综上所述，伴随着现阶段数字化装配技术的发展与进步，全面推动了飞机制造业的进步。但是，在进行装配的过程中，依然面临着各种技术方面的弊端问题。为了能够实现对飞机的高质量、高精度的装配处理，就要积极地加强通信、控制、机械及电子等领域的技术研究，利用一个完善的技术方案，构建出一个合理化的数字化装配体系，这样就可以充分地满足系统中的运行需求。还需要在未来发展中重视一些技术方面的缺陷。例如，针对一些基础工业水平较为薄弱的领域，要加大投入研究的成本，利用一个完善的技术体系，全面优化及改进技术的使用效果，通过这样的技术研究及成本投入，才可以发挥出数字化装配技术的整体水平，让飞机可以得到更高水平的装配，提升整体的飞机质量。参考文献1 曲淑婷,陈芳,曾琪,等.基于Open Cascade的飞机装配检测数据分析与可视化研究J.机械制造与自动化,2022,51(2):218-222.2 惠昊翀,金霞,王珉,等.面向飞机大部件对接装配的柔性轨道制孔系统站位规划方法J.机械设计与制造工程,2022,51(4):21-25.3 孙士平,胡政,朱永国.飞机部件数字化装配虚拟仿真实验教学平台建设与实践J.科教导刊,2021,(35):68-70.4 袁博,郝澜宇,陈震,等.基于文本挖掘的飞机装配质量问题智能诊断：以中国商飞公司为案例J.工业工程与管理,2021,26(5):195-202.5 韩志仁,刘小诵,吴蒙,等.基于CATIA Composer的飞机部件装配进度三维可视化技术研究J.航空制造技术,2022,65(9):89-95.6 胡帅,魏开利,赵子越.用于飞机数字化制造装配的多系统协同几何量测量平台构建方案探讨J.中国计量,2021,(4):100-102,132.74