飞机自动化装配技术

李琎

摘 要：十余年来，以数字化、柔性化为特征的自动装配技术已成为飞机制造业发展的必然趋势。飞机制造公司将之视作一项非常重要的核心技术，在单一产品数据源的数字量尺寸协调体系的基础上，采用数字化装配设计技术，通过装配仿真和虚拟现实技术等虚拟制造技术和并行工程实现装配过程优化。

引言

飞机的批量生产，产品安全可靠性要求高。随着市场竞争的加剧，缩短生产周期，降低制造成本，提高产品质量，快速响应客户等要求越来越强烈，采用自动化的装配设备成为国内外航空制造企业的一致选择。

一、国内飞机总装配技术发展现状

国内飞机总装，通常采用固定机位装配方式，即人、物、设备、工装等围绕着飞机转。整个总装过程，基本上是全部依靠人工装配，所用的工装主要是工作梯，测量设备落后、效率低下。虽然近年来国内也开展了一些相关技术的研究和应用探索，局部装配环节采用了一些数字化装配技术，但总体上与航空工业发达国家相差甚远。远远不能满足新型号的要求。这种差距，综合体现在以下4个方面：

（1）飞机装配采用手工作业模式，产品一致性差，品质不稳定；

（2）飞机生产过程中工装、设备来回移动，存在安全隐患；

（3）生产管理以调度管理为主，与先进的计划管理模式存在很大差距；

（4）批生产能力不足，多品种、变批量生产快速转换能力不强，生产组织效率低，无法实现连续生产均衡交付。

为了改变这种现状，必须引进新技术，通过调研、深入了解了国内外飞机总装配技术的研究、发展和应用现状，自主创新建设飞机总装生产线，实现数控定位技术、大部件自动对接技术和数字化测量技术在飞机总装生產中的集成应用。

二、飞机柔性支撑技术

飞机总装生产线，采用机身定位器、左右机翼定位，代替原有的千斤顶，实现飞机的准确入位支撑。定位器由底座、纵横拖板、上拖板、支撑缸体、伸缩柱、球头夹紧机构组成。采用伺服电机、蜗轮蜗杆减速器、丝杠螺母传动，实现伸缩柱的X、Y、Z这3个方向移动；采用封闭式光栅尺，在每个方向上采用全闭环控制可以实现X、Y、Z这3个方向联动控制，提高系统的控制精度。为了避免在姿态调整时的意外情况使得机身受力过大而损坏，采用压力传感器通过力的反馈，来控制定位器的进给，在控制上提高了系统工作的安全性；X、Y、Z这3个方向分别设计了限位开关和机械限位，在结构上提高工作的安全性；滚珠丝杠采取防护罩进行防护。

飞机总装生产线支撑定位器，采用先进的数字化传感器技术，实现了飞机的自适应、无应力入位；三坐标数控定位器准确支撑。改变了原有的千斤顶靠人工推入，目测方式入位的飞机支撑方式，在减轻工人劳动强度的同时，保证了飞机支撑无应力自动化支撑。

三、大部件自动对接技术

飞机大部件对接，是整机装配的开始，其装配品质和效率直接影响后续的装配进程，总装生产线通过工艺集成管理系统、激光测量系统和控制系统，协调驱动三坐标数控定位器，实现机身前段与机身中段姿态调整和对接。

飞机总装生产线机身前段与机身中段对接，分为支撑调平、测量调姿、自动对合共3个阶段，支撑调平阶段采用3个固定支撑定位器，对机身进行支撑，利用激光跟踪仪测量机身上的水平测量点，将测量数据传送给站位工艺控制系统、调姿控制系统，完成对机身位姿态的评价、仿真分析及调姿路径规划，根据刚体不变性原理，评价调姿路径的合理性，发布命令由控制系统执行调姿指令，进行机身中段调平。测量调姿阶段，利用激光跟踪仪测量机身对合面上选定的对合孔位置信息，并以此作为机身前段调姿对合的依据，由两组定位器、组合平台加柔性托架实现对机身前段的支撑，激光跟踪仪测量机身前段上（与机身中段上被测量对合孔存在配合关系）选定的对合孔，并将测量数据传送给站位工艺控制系统，站位工艺控制软件根据对合孔的配合对应关系，计算机身前段的当前位姿和目标位姿，并将其传递至调姿控制系统。

调姿控制系统通过仿真分析及调姿路径规划，发布命令由控制系统执行调姿指令，完成机身前段姿态调整。自动对合3个阶段由同步移动支撑机身前段的两组定位器，使其到达指定位置（与距离机身前段之间的相互距离可以设定），完成机身前段与机身中段的自动化对合，也可人工手轮驱动定位器同步移动（运动分辨率为0.05mm），进行机身前段与机身中段的手工对合。

飞机大部件自动对接，通过激光跟踪仪测量定位，数控定位器支撑组合工作平台进行调姿对合，完成机身前段与机身中段的自动化对合。彻底改变了原有吊装对接时，飞机姿态不稳定，推入定位靠人工目测不准，对合过程中存在应力装配的缺陷，大大提高了飞机的装配品质，降低了装配过程中的风险。

四、数字化测量技术

飞机测量系统工作有：全机水平测量、惯导水平测量、航炮校靶、平显校靶、雷达校靶。

4.1原有测量方法的弊端

原有的测量是利用水平仪、测量尺、靶板和校靶装置进行的，是在飞机水平的基础上，X-Y轴向（即水平姿态）采用水平仪测量，并将各产品调节到水平状态；Z轴向采用了吊线加水平仪，对各自系统的靶板进行摆放（靶板放置在飞机前方25m）；然后，各个产品再分别对准各自的靶板进行调校。整个测量方法和测量过程，存在着一定的弊端。

（1）在操作上造成了重复工作。例如，各专业进行校靶测量时，采用了分别摆放靶板，同样程序雷达校靶、平显校靶、航炮校靶需做出重复的工作；

（2）各专业根据各自的测量要求，制造了各自不同形状、不同要求的靶板，靶板多且不通用；

（3）靶板摆放远，占用厂房有效空间；

（4）人工测量存在一定的人为误差，测量不精确。

4.2激光测量技术的优势

飞机总装生产线采用激光测量技术，利用激光跟踪仪（LaserTracker）、手持测量装置（T-Probe），通过计算机控制，实现飞机水平测量和校靶测量，包括全机水平测量、起落架参数测量、平显校靶、航炮校靶、雷达校靶和惯导校准。其优势为：

（1）利用虚拟靶板代替原有实物靶板，大大减少生产面积，同时取消了靶板的摆放工作，降低劳动成本，缩短飞机的生产周期；

（2）采用高精度激光测量设备，提高了测量的精确度和重复测量的一致性，大幅度的提高了飞机的作战能力。

五、机电一体化移动技术

飞机总装生产线移动系统，主要由机架、主轨道、副轨道、下轨道、专用板链和专用链板、链轮等组成，其中专用链板分为长链板和短链板两种规格，都具有一定的承载能力，可以满足操作平台、工装设备及操作人员踩踏等使用要求，长链板用于承载和拖动飞机。

轨道安装在地平面以下，飞机承载长链板以扁平的复合板式结构，宽约580mm，长约14960mm，平板下部有N=14960/133.33≈112对小滚轮。牵引板链上方的短链板，结构上类同自动人行道，其上表面与地面等高，通过性强，车间整体整洁、美观。生产线左右对称布置长链板，两侧长链板、短链板由同一输送系统同步提供驱动动力，保证两侧长链板的同步运行。两侧长链板的绝对同步误差，主要来源于机械构件的制造精度和弹性变形及各运动副的间隙。生产线对两侧长链板的相对同步要求较严格，两侧长链板在单向承载运行时，构件的制造误差及运动副的间隙已基本消除；若两侧长链板的运行阻力相同，则左右两侧的机械构件的弹性变形量亦相同。另外，由于系统运送的飞机为中性面对称，在轨道平直度等方面达到一定要求的情况下，两侧移动系统的运行阻力相差较小，就是说两侧长链板相对运行条件良好，使同步运行误差控制得极小。

综上所述，飞机自动化装配生产线在航空制造领域的应用是飞机装配技术发展趋势，自动化、智能化航空专用装配工艺装备是组建生产线的技术基础和关键。

参考文献：

[1]陈亚丽，田威，廖文和，万世明.基于MBD的飞机自动化装配孔工艺特征快速添加技术[J].航空制造技术，2016（Z2）：82-86.

[2]许国康.大型飞机自动化装配技术[J].航空学报，2008（03）：734-740.