工装的优化及设计制造一体化

周洪岩，王丽卿，向元满

（1.中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳110850；2.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳100086）

随着科学技术的迅速发展，飞机的制造技术迈上了新的台阶。在现阶段不断地研制出多种新机型，每种机型都需要大量的装配工艺装备（简称工装），而最影响飞机研制小批量的难题，是如何快速研制新型飞机的装配工装并缩短研制周期，降低研制成本。这些是目前迫切需要解决的难题，而解决这个难题的关键，是工装的优化及设计制造一体化。

装配工装，是飞机工装的重中之重，装配工装的研制周期占飞机生产准备周期的1/2左右。而工装的制造精度，通常选取产品公差的1/3左右，工装的制造水平在一定程度上反映了一个国家的制造能力。为保证产品的精度和互换协调，每种飞机机型在制造过程中采用数百套装配工艺装备。在研制装配中，产品的变化是不可预知的，装配型架的设计制造又随着产品数据的变化而改动，这无疑又延长了装配型架的制造周期。因此，为加速新机型的研制进程，工装的优化及设计制造一体化，是我们目前迫切需要解决的难题。

1 我国现阶段的飞机工装制造体系

1.1 普遍采用数字化制造技术

随着飞机制造技术的迅速发展，传统的模线样板——标准样件的协调方法，已越来越不适应新机型的发展需要，随之而来的是三维数字化技术和数控加工技术在新机型的制造中展示了很好的应用前景，取得了显著的技术经济效果。数字化制造技术在新机型中的广泛应用，缩短了新机研制周期，降低了新机研制费用，可平行作业，提高制造准确度。

在装配工艺装备制造方面，对必要的且形状和协调关系复杂的组合件的标准样件、装配型架的内外卡板等，可以采用数控加工和数控测量技术。对于工艺装备数控加工所需要的有关形状和尺寸的几何数据，可以直接从飞机的几何数据库中提取，不再需要经过模线和样板等模拟量尺寸传递过程。这样可以大大提高工艺装备的制造准确度和协调准确度，提高加工效率，缩短生产准备周期。

在工装装配方面，直接按激光跟踪仪装配。其装配原理是：在工装定位器上设计出3个光学目标点，并给出该定位器在空间的正确位置时3个目标点的理论坐标值：P1理（X1，Y1，Z1）；P2理（X2，Y2，Z1）；P3理（X3，Y3，Z3），在工装装配时，用激光跟踪仪测出该定位器 3点的实际值：P1实（X1，Y1，Z1）；P2实（X2，Y2，Z1）；P3实（X3，Y3，Z3）。由于实际坐标系与理论坐标系存在误差，需适当调整定位器的位置，使实际坐标值在理论坐标值的公差范围内，这样就确定了定位器在工装中的正确位置。工装设计中应遵循3-2-1原则和自由度分离原则。

2.2 工装设计制造“孤岛”现象仍严重

工装设计数字化、制造数字化、生产过程数字化应有机地结合在一起，形成完整的产品制造环节。而工装设计制造的“孤岛”现象严重，工装数字化设计制造仅限于工装制造部门，并没有工装制造单位参与。工装设计制造“孤岛”现象，这种设计制造方法必然导致工装设计制造缺陷，造成工装结构不合理，工装笨重，定位器的选择不合理等，导致工装频繁的返工故障，返修成本很高。

2 工装的优化

2.1 建立工装优化集成系统软件

通过总结归纳飞机工装的设计经验和流程，创建装配工装、模具、焊接夹具设计等一系列知识库，研发飞机工装设计制造流程导航的重大关键技术，以CATIA V5为统一平台，开发飞机工装智能化快速设计集成系统（系统的规划框见图1）。

图1 设计集成系统规划框

在飞机工装典型结构自适应建模技术中，针对飞机各部分工装的典型结构的特点，采用一种基于虚拟零件的飞机工装典型结构自适应建模技术，拓展工装建模思路，以提高计算机对工装结构几何描述能力和建模效率。把飞机工装常用的典型定位器的结构特点，分类别放在软件系统中，需要时直接调取。

在飞机工装相关的设计技术条件中，归纳了数字化工装设计的技术要求。一般装配工装中大体包括：卡板，托板，定位器，压紧装置，成品件等。卡板和托板设计制造方法，就材料选择方面而言，一般小尺寸的直接选择铝件2A12，对于大尺寸的最好选择铸铝ZL101，防止在加工使用中变形。卡板或托板一面是站位面，需精加工，平面度控制在0.08 mm以内，站位面上至少安装3个工具球，给出工具球的坐标值。数控加工时，以基准面定位，加工数控型面以及工具球孔。装配时，按工具球把卡板调整到公差范围内。压紧装置最好都选择标准件，以节约设计制造周期。定位器设计要考虑可加工性和易装配性。对于叉耳类定位器两端面控制公差，孔与面垂直，两端给出双点目标工具球值。轴类零件最好轴两端给出单点工具球值，尽量不一端给出双点目标，以防轴线安装倾斜。

在数字化设计制造装配型架时应特别注意，装配工装零件材料选择，应选择膨胀系数相近的，对于大型装配型架，工装地基框架设计应模块化、标准化，可节省大量时间。支撑件选择大型铸铁支座，具有较高的刚性和减震功能。对于整体式方形框架，如果有机加设备加工的条件，原则上必须上机床加工框架，这样在激光跟踪仪装配中容易装配，减少框架的不平度，减小实际坐标系与理论坐标系的偏角，在有水平和垂直要求的框架中，要特别注意这一点。

2.2 运用精益理念，选取必须的装配工装

由于飞机结构的复杂性及其特殊性，每种机型都需要大量的装配工装，以满足其制造装配的准确性、互换性及气动外形的正确性。在保证飞机零件准确装配定位的前提下，运用多种工艺装配方法，简化装配结构，尽可能减少装配工装的数量。这样可以降低飞机研制成本，缩短飞机研制周期，并减少飞机装配的转接误差等。

2.3 建立品种齐全的标准件和成品件库

工装设计中采用大量的标准件，可以缩短工装的设计制造周期，降低工装的研制费用。目前航空标准件还不够全面，还需增加新的标准。这样在工装设计时，只要引用标准就可以了，可大大节省工装设计制造时间。尤其是液压装置，工装中需要数十套液压装置，采取统一的标准型号，方便安装、使用和维修。特别要说明的是，在新研制的机型中，液压装置的选取很混乱，不同的工装选取不同厂家的液压装置，而且工装中没有液压原理图，给使用和维修带来很大的麻烦，厂家维修不了的，只能报废，极大程度上浪费了生产成本。

目前，有些设计人员对工装标准件不是很熟悉，一些定位器的功能完全可以用标准件来代替，而实际上却随意设计出一个新的定位器，全新制造，极大程度上浪费工装设计制造时间。在新机型工装中，常用的定位器应建立新的标准。在新标准中，规定材料及加工方法。对于所有的新旧标准件，都应以电子版存放在CATIAV5标准件库中，工装设计人员可随意从标准件库中引用标准，工装制造时直接领用成品，或领用半成品加工成成品。

3 设计制造一体化

3.1 组织体系上的人员分工

在新机型数字化研制中，为缩短研制周期，采取并行工程及IPT工作组。飞机数模生成或部分生成后，应组建一个新机装配工装设计制造团队，其成员来自工装设计部门、工装制造部门、工装使用单位的精英，他们直接参与工装的设计任务。装配工装设计制造团队相互协作，确定新机工装数量、工装类型、工装产品定位方式、工装的装配公差、成品件的选取等；对装配工装的总体结构大致确定好，综合考虑到飞机的出架方式、厂房空间等因素。装配工装设计团队应注意及时跟踪飞机产品数据改动、及时与上一级领导协调等问题。

3.2 设计与制造单位的沟通协调

新机型需大量的装配工装，工装设计部门应全部参与工装的设计任务，工装制造单位和工装使用单位各派出1～2人参与工装设计制造团队。工装设计部门由新机工装设计制造团队统一协调一些具体问题。对于飞机的某一部分型架，相关单位直接找相关人员来具体协调，充分考虑到专人专项，发挥个人特长。

例如某机型后机身总装型架，工装制造单位和工装使用单位专门负责人对该工装的结构和使用功能非常了解，设计部门设计该型架时，设计制造团队中的工装制造厂人员可通知本单位具体负责的人员，设计制造团队中的使用单位人员可通知本单位具体使用的人员，一起约定时间，聚在设计室研究工装的结构、定位器的定位方式并改正以往类似工装定位器的缺陷，共同研制出合理简洁的工装定位方式。有问题时，三方应及时约定时间沟通。这样，工装型架设计完后，工装制造不会有大改动，不再有以往工装强度不好、安装费劲、返修困难和定位器不好用等问题。为缩短工装设计制造周期，工装设计制造可并行工作，工装设计者和工装制造者每天及时沟通，设计完一个组件，可制造一个组件，工装设计更改及时贯彻，这样设计完后，零件制造也快要制造完了。在现场装配时，零件装配可平行作业，大大缩短装配周期。

4 结束语

数字化制造技术的广泛应用，加速了新机型研制的进程，开发工装的优化设计，实现设计、制造、使用单位、管理的集成工作平台，是生产出高质量飞机的关键。我国已是飞机制造业的大国，多研制新机型，提高飞机的性能，从不断研制的新机型中总结经验，缩短我国飞机制造技术与发达国家的距离，研制出具有自主产权高性能的机型，提高我国整体装备制造业的水平，把我国变成一个军事强国。随着科学技术的迅速发展，工装的设计制造将更加合理快捷。

[1]范玉清.现代飞机制造技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2]《飞机制造工程手册》总编委会.飞机制造工程手册（飞机工艺装备分册）[M].北京：航空工业出版社，1994.

[3]王 强，万世明，等.飞机工装数字化制造技术的研究[C]，成都：四川省航空宇航学会，2009.