國(guó)外飛機(jī)柔性裝配技術(shù)_郭恩明

1、航空工業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和保衛(wèi)國(guó)家安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，它的產(chǎn)品現(xiàn)代飛行器集當(dāng)今多項(xiàng)高新技術(shù)于一體，被譽(yù)為現(xiàn)代科技之花。國(guó)外飛機(jī)柔性裝配技術(shù)北京航空制造工程研究所所長(zhǎng)郭恩明 郭恩明：中國(guó)一航北京航空制造工程研究所所長(zhǎng)兼黨委書(shū)記、自然科學(xué)研究員，并兼任總裝備部先進(jìn)制造技術(shù)專家組副組長(zhǎng)、中國(guó)航空學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)理事、航空材料中心理事會(huì)理事等職務(wù)。曾多次獲得國(guó)家級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)、部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)和光華基金獎(jiǎng)，多次在型號(hào)研制中立功。年享受政府特貼，年被授予中國(guó)航空工業(yè)有突出貢獻(xiàn)專家稱號(hào)，年獲國(guó)防科工委有突出貢獻(xiàn)的中青年專家稱號(hào)、并入選國(guó)防科技工業(yè)“人才工程”高級(jí)管理人才經(jīng)濟(jì)

2、發(fā)達(dá)國(guó)家把航空工業(yè)作為拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，得到了持續(xù)的發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了其他高新技術(shù)特別是高新制造技術(shù)的飛速發(fā)展。在航空產(chǎn)品（包括飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)載設(shè)備等）的制造中，飛機(jī)裝配是將零件（或組件、部件）按照設(shè)計(jì)和技術(shù)要求進(jìn)行組合、連接形成高一級(jí)的裝配件或整機(jī)的過(guò)程。飛機(jī)裝配由于產(chǎn)品尺寸大、形狀復(fù)雜、零件以及連接件數(shù)量多，其勞動(dòng)量占飛機(jī)制造總勞動(dòng)量的一半左右甚至更多，因此經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)飛機(jī)裝配技術(shù)十分關(guān)注，并投入巨資進(jìn)行研發(fā)。迄今為止，裝配技術(shù)已經(jīng)歷了從手工裝配、半機(jī)械半自動(dòng)化裝配、機(jī)械自動(dòng)化裝配到柔性裝配的發(fā)展歷程。社會(huì)的需求、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)著裝配技術(shù)不斷向更高水平

3、演進(jìn)。目前國(guó)外蓬勃發(fā)展的柔性裝配技術(shù)是一種能適應(yīng)快速研制和生產(chǎn)及低成本制造要求、設(shè)備和工裝模塊化可重組的先進(jìn)裝配技術(shù)。它與數(shù)字化技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，形成了自動(dòng)化裝配技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域。柔性裝配技術(shù)的范疇很廣，涵蓋了柔性裝配工裝、柔性制孔、裝配系統(tǒng)、裝配（含裝配工藝）設(shè)計(jì)、虛擬裝配、裝配集成管理、數(shù)字化檢測(cè)、面向柔性裝配的設(shè)計(jì)等技術(shù)領(lǐng)域。本文僅從柔性裝配工裝、柔性制孔、柔性裝配系統(tǒng)、數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)等幾個(gè)方面就柔性裝配技術(shù)在國(guó)外的現(xiàn)狀及發(fā)展做簡(jiǎn)要的介紹。裝配技術(shù)已經(jīng)歷了從手工裝配、半機(jī)械半自動(dòng)化裝配、機(jī)械自動(dòng)化裝配到柔性裝配的發(fā)展歷程。目前國(guó)外蓬勃發(fā)展的柔性裝配技術(shù)是一種能適應(yīng)快速研制和生產(chǎn)及低成

4、本制造要求、設(shè)備和工裝模塊化可重組的先進(jìn)裝配技術(shù)。它與數(shù)字化技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，形成了自動(dòng)化裝配技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域28航空制造技術(shù)年第期柔性裝配工裝是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的、可重組的模塊化、自動(dòng)化裝配工裝系統(tǒng)，其目的是免除設(shè)計(jì)和制造各種產(chǎn)品（如飛機(jī)壁板、翼梁等）裝配專用的傳統(tǒng)裝配型架夾具，從而降低了工裝制造成本，縮短工裝準(zhǔn)備周期，同時(shí)大幅度提高裝配生產(chǎn)率。柔性裝配工裝在國(guó)外飛機(jī)制造中體現(xiàn)得特別明顯，典型的應(yīng)用有飛機(jī)壁板柔性裝配工裝、翼梁柔性裝配工裝、水平安定面升降舵柔性裝配工裝（空客飛機(jī)）、機(jī)身柔性裝配工裝和總裝用的柔性對(duì)接工裝系統(tǒng)等。飛機(jī)壁板柔性裝配工裝是一種多點(diǎn)陣成形真空吸附式萬(wàn)能柔

5、性工裝系統(tǒng)，它是一組帶真空吸盤(pán)的立柱陣列，模塊化的立柱可由程序控制三維移動(dòng)到空間任何位置定位，生成與裝配件曲面完全符合并均勻分布的吸附點(diǎn)陣，能精確和牢固地夾持壁板以便完成鉆孔、鉚接和銑切等裝配工作。當(dāng)壁板外形發(fā)生變化時(shí)，工裝外形和布局自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)改變定位和夾緊位置，可以適應(yīng)不同的零部件結(jié)構(gòu)和定位裝夾要求，從而降低了綜合成本，也縮短了工裝準(zhǔn)備周期和產(chǎn)品的研制周期。類似的柔性裝配工裝還用于翼梁、升降舵、機(jī)身的柔性裝配和環(huán)鉚系統(tǒng)中。表列出了基于多點(diǎn)陣成形真空吸附式柔性工裝近余年來(lái)國(guó)外的應(yīng)用情況。從表中可以看出，自上世紀(jì)年代初開(kāi)始，這種柔性工裝技術(shù)已廣泛應(yīng)用于戴姆勒奔馳宇航、波音、麥道、格魯門(mén)、

6、英宇航、空客、龐巴迪宇航等公司軍民用飛機(jī)的柔性裝配和生產(chǎn)中。29航空制造技術(shù)年第期柔性裝配工裝技術(shù)表國(guó)外航空航天裝配領(lǐng)域多點(diǎn)陣成形真空吸附式柔性工裝的部分應(yīng)用情況用戶柔性工裝用途時(shí)間（年）戴姆勒奔馳宇航（德國(guó)）戴姆勒奔馳宇航（德國(guó)）波音（，美國(guó)）波音（，美國(guó)）波音（ ，美國(guó)）麥道（，美國(guó)）格魯門(mén)（，美國(guó)）（西班牙）戴姆勒奔馳宇航（德國(guó)）戴姆勒奔馳宇航（德國(guó)）麥道（，美國(guó)）格魯門(mén)（，美國(guó)）英宇航（英國(guó)）（西班牙）戴姆勒奔馳宇航（德國(guó)）空中客車西班牙公司（恩布雷，巴西）波音（，美國(guó)）（西班牙）（德國(guó)）（德國(guó)）（德國(guó)）（意大利）（荷蘭）龐巴迪宇航（英國(guó)）波音（長(zhǎng)灘，美國(guó)）激光切割，化銑層預(yù)加工修整（

7、銑）、鉆孔柔性工裝，具有個(gè)夾持位和個(gè)可控坐標(biāo)軸柔性工裝，帶個(gè)支點(diǎn)和個(gè)可控坐標(biāo)軸（套）柔性工裝，帶個(gè)被動(dòng)式氣動(dòng)支柱，可向移動(dòng)環(huán)形柔性工裝，配環(huán)鉚機(jī)系統(tǒng)（套）修整（銑）、鉆孔修整（銑）、鉆孔（加工緣條和匝框）激光焊接激光表層處理環(huán)形柔性工裝，配環(huán)鉚機(jī)系統(tǒng)（套）修整（銑）、鉆孔，加工緣條和隔框組件（臺(tái)）修整（銑）、鉆孔，激光表層處理修整（銑）、鉆孔修整（銑）、鉆孔空客飛機(jī)平尾復(fù)合材料結(jié)構(gòu)升降舵鉚接裝配修整（銑）、鉆孔激光表層處理激光表層處理壁板自動(dòng)化裝配激光焊接復(fù)合材料零件鉆孔和修整激光切割，化銑層預(yù)加工鏡面蒙皮修整（銑）、鉆孔單元柔性工裝環(huán)形柔性工裝，配環(huán)鉚系統(tǒng)穿梭車（臺(tái)）飛機(jī)壁板柔性裝配工裝鉆孔

8、設(shè)備、便攜式自動(dòng)制孔系統(tǒng)等幾個(gè)方面。機(jī)器人制孔應(yīng)用得比較成熟，如復(fù)合材料垂尾壁板利用辛辛那提米爾康機(jī)器人進(jìn)行鉆孔、飛機(jī)梁腹板用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)制孔、波音超級(jí)大黃蜂后沿襟翼的（）機(jī)器人制孔系統(tǒng)等。 機(jī)器人制孔的最前沿應(yīng)用，包括洛克希德馬丁公司的飛機(jī)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料機(jī)翼上壁板制孔用的大型龍門(mén)式鉆孔系統(tǒng)（）。該系統(tǒng)帶有便攜的、靈活、低成本且重量輕的機(jī)器人，它使用激光定位系統(tǒng)、電磁馬達(dá)和“壓腳”（）進(jìn)行精密鉆孔，加快了裝配過(guò)程，并形成緊配合，產(chǎn)生的表面光滑，間隙小，滿足了飛機(jī)氣動(dòng)和耐久性的要求。由于具有上述優(yōu)勢(shì)，、和項(xiàng)目都對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估并準(zhǔn)備用于相應(yīng)的裝配作業(yè)。自動(dòng)化制孔系統(tǒng)對(duì)批量生產(chǎn)的大型構(gòu)件可以

9、實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量、低成本的自動(dòng)柔性制孔。運(yùn)載火箭阿麗亞娜號(hào)在結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中，通過(guò)使用兩套自動(dòng)制孔系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)能力和質(zhì)量，改善了柔性裝配工裝比較有特色的另一種形式是公司開(kāi)發(fā)的、被稱為“行列式高速柱陣”的柔性裝配工裝系統(tǒng)，它已廣泛用于空客系列 飛機(jī)的機(jī)翼壁板和波音公司大型軍民用飛機(jī)翼梁的柔性裝配生產(chǎn)中。在空客系列飛機(jī)機(jī)翼壁板柔性裝配工裝上可完成、等系列飛機(jī)機(jī)翼壁板的裝配，它具有模塊化（特性）、數(shù)字化、自動(dòng)化的特點(diǎn)。在總裝階段，由于柔性裝配技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的對(duì)接平臺(tái)精加工臺(tái)已逐漸被由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化千斤頂、激光跟蹤定位系統(tǒng)、激光準(zhǔn)直定位系統(tǒng)等組成的柔性對(duì)接平臺(tái)所取代，并在波音、雷神等飛機(jī)公司得

10、到推廣應(yīng)用。采用柔性對(duì)接平臺(tái)，能使機(jī)體裝配質(zhì)量大幅度提高，以滿足新一代飛機(jī)氣動(dòng)外形高準(zhǔn)確度的要求；它能自動(dòng)控制，且操作簡(jiǎn)便，縮短了裝配時(shí)間；能夠適應(yīng)不同尺寸的機(jī)身機(jī)翼結(jié)構(gòu)，節(jié)省了裝配工裝的費(fèi)用?，F(xiàn)代產(chǎn)品特別是大型飛行器復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的采用，機(jī)體結(jié) 構(gòu)長(zhǎng)壽命、高質(zhì)量、高效率、氣動(dòng)等方面的要求，使裝配制孔比以往要求更精、更嚴(yán)；同時(shí)，現(xiàn)代飛行器機(jī)體結(jié)構(gòu)材料中復(fù)合材料、鈦合金比重大幅度上升等，這些都為飛行器裝配特別是大型飛行器的裝配采用自動(dòng)化柔性制孔提出了明顯的需求。國(guó)外飛行器結(jié)構(gòu)所應(yīng)用的柔性自動(dòng)化制孔技術(shù)及其發(fā)展包括：機(jī)器人制孔、自動(dòng)制孔系統(tǒng)、柔性制孔系統(tǒng)、并聯(lián)機(jī)床柔性30航空制造技術(shù)年第期空客系列飛

11、機(jī)機(jī)翼壁板柔性裝配工裝及壁板尺寸與裝配工裝相集成的阿麗亞娜號(hào)自動(dòng)制孔系統(tǒng)端座下壁板號(hào)壁板輪廓線處于“清零”位的立柱工裝立柱下壁板號(hào)壁板輪廓線后緣支座柔性制孔技術(shù)31航空制造技術(shù)年第期工作條件并減少了零件總數(shù)。波音公司、等飛機(jī)機(jī)艙地板都采用了自動(dòng)化制孔系統(tǒng)。過(guò)去，裝配中所有難于進(jìn)行點(diǎn)定位的部分，都要用固定夾具定位后手工制孔。而現(xiàn)在采用自動(dòng)化制孔系統(tǒng)則可進(jìn)行自動(dòng)定位和制孔，大大縮短了流程時(shí)間，提高了制孔質(zhì)量，并可節(jié)省體力勞動(dòng)及工具成本。自動(dòng)制孔系統(tǒng)的最新發(fā)展是第一階段機(jī)翼壁板裝配用的輕便式自動(dòng)制孔設(shè)備（）和（）。的特點(diǎn)是能從可拆卸的底座分離，并可安裝到裝配工裝的不同位置進(jìn)行制孔。是一種臥式自動(dòng)化機(jī)

12、翼制孔系統(tǒng)，其獨(dú)特性在于可以沿裝配工裝升降，并在不同位置上運(yùn)行。最有特色的是該系統(tǒng)可以自動(dòng)動(dòng)態(tài)校正刀具軸，精度可以達(dá)到±。配有一種可重組柔性工裝的長(zhǎng)桁柔性制孔系統(tǒng)，可適應(yīng)不同種類和規(guī)格長(zhǎng)桁的自動(dòng)化制孔。公司為完成機(jī)身的柔性裝配，設(shè)計(jì)并制造了種自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)（），這些機(jī)床是控制的六軸系統(tǒng)，它們構(gòu)成了自動(dòng)化機(jī)身柔性裝配系統(tǒng)的一部分。制造與裝配時(shí)，達(dá)到制孔自動(dòng)化同時(shí)又降低成本是極其重要的。因此，低成本、柔性且滿足高質(zhì)量制孔要求的便攜式自動(dòng)化制孔系統(tǒng)，與配有大量刀具的復(fù)雜結(jié)構(gòu)自動(dòng)制孔系統(tǒng)相比，極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。波音公司開(kāi)發(fā)的模塊化柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)正是屬于此類。先進(jìn)裝配技術(shù)的重要發(fā)展方向是柔性裝配系

13、統(tǒng)。目前，世界航空發(fā)達(dá)國(guó)家的飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)已由單臺(tái)數(shù)控自動(dòng)鉆鉚機(jī)和數(shù)控托架組成的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)向柔性裝配工裝、柔性加工單元、數(shù)控定位系統(tǒng)（包括機(jī)器人）、柔性送料系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)和數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)等組成的柔性裝配系統(tǒng)發(fā)展。目前國(guó)外發(fā)展的柔性裝配系統(tǒng)主要有柔性機(jī)翼壁板裝配系統(tǒng)、柔性翼梁裝配系統(tǒng)、復(fù)合材料升降舵柔性裝配系統(tǒng)、歍機(jī)身壁板柔性裝配系統(tǒng)、機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)、機(jī)身柔性裝配系統(tǒng)（如波音的計(jì)劃）等?？湛凸狙邪l(fā)了系列飛機(jī)機(jī)翼壁板柔性裝配系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)空客（）、（）、（）等機(jī)翼壁板的柔性裝配。柔性翼梁裝配系統(tǒng)源于波音公司的計(jì)劃。是自動(dòng)化大梁裝配工裝的簡(jiǎn)稱，它集成了電磁鉚接技術(shù)和運(yùn)動(dòng)磁軛裝配機(jī)技術(shù)，來(lái)

14、解決翼梁大型構(gòu)件的自動(dòng)化裝配問(wèn)題。計(jì)劃起始于翼梁的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)，隨后不斷發(fā)展并集成到大多數(shù)波音民機(jī)機(jī)翼生產(chǎn)線上，最新的發(fā)展是（）第四代自動(dòng)化翼梁柔性裝配系統(tǒng)。上述兩類柔性裝配系統(tǒng)的最顯著特點(diǎn)都是采用了電磁鉚接動(dòng)力頭和行列式高速柱陣柔性裝配工裝，能適應(yīng)不同規(guī)格和尺寸的壁板或翼梁的柔性裝配。柔性裝配系統(tǒng)是美國(guó)空軍為開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期制造成本減少戰(zhàn)略而向波音提出的，可以說(shuō)代表了新一代的裝配連接技術(shù)，它占地面積很小，并具有很高的柔性。由一臺(tái)配有電磁鉚接動(dòng)力頭的垂直運(yùn)動(dòng)磁軛裝配機(jī)和兩臺(tái)控制的柔性梁裝配工裝組成。每個(gè)裝配工裝都可以接受根梁中的任一根，梁間的結(jié)構(gòu)重組完全是自動(dòng)的并可在內(nèi)完成。動(dòng)力頭采用全裕度設(shè)計(jì)，安

15、裝在磁軛腿上，允許從梁的任一方向進(jìn)行鉆孔和安裝緊固件，翼梁在整個(gè)裝配過(guò)程中始終通過(guò)剛性?shī)A持保持固定。復(fù)合材料升降舵柔性裝配系統(tǒng)是空客公司為實(shí)現(xiàn)空客系列飛機(jī)復(fù)合材料平尾升降舵的柔性裝配而研制的，它能適應(yīng)空中客車系列、長(zhǎng)桁柔性制孔系統(tǒng) 柔性裝配系統(tǒng)柔性導(dǎo)軌模塊式鉆孔系統(tǒng) （鉆孔主軸已拆除）波音 翼梁柔性裝配系統(tǒng)32航空制造技術(shù)年第期和型飛機(jī)的水平安定面升降舵后緣的柔性鉚接裝配。系統(tǒng)可自動(dòng)完成后緣的測(cè)量和校準(zhǔn)、上下壁板鉆孔和锪窩、鉚釘選擇和供給、注膠、鉚接、壁板表面波紋度測(cè)量等過(guò)程。德國(guó)歍公司開(kāi)發(fā)的機(jī)身壁板柔性裝配系統(tǒng)，采用了基于模塊化的柱單元的柔性工裝系統(tǒng)和全電動(dòng)鉚接（借助于滾柱絲杠）技術(shù)，并在和

16、機(jī)身壁板上得到了應(yīng)用。與空客英國(guó)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)，用于機(jī)翼壁板與骨架的裝配。該系統(tǒng)集成了種主要功能：壓緊壁板、探測(cè)壁板（厚度）并鉆孔、孔檢測(cè)、插入螺栓或環(huán)槽釘并安裝。這種系統(tǒng)是空客英國(guó)公司機(jī)翼制造過(guò)程自動(dòng)化集成技術(shù)的開(kāi)發(fā)和可行性研究的一部分?；跀?shù)字量協(xié)調(diào)的數(shù)字化柔性裝配技術(shù)離不開(kāi)數(shù)字化的檢測(cè)和試驗(yàn)。國(guó)外目前在激光超聲檢測(cè)技術(shù)、幾何量柔性測(cè)量技術(shù)、數(shù)字化密封試驗(yàn)和檢漏技術(shù)等方面有長(zhǎng)足的進(jìn)步。在項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)中，洛克希德馬丁公司的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)就是其戰(zhàn)勝波音而獲勝的關(guān)鍵技術(shù)之一。洛克希德馬丁公司利用其先進(jìn)的帶有專利的激光超聲檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)?fù)雜型面的復(fù)合材料零件進(jìn)行的自動(dòng)檢測(cè)。此項(xiàng)技術(shù)目前已用于、的大型油箱、大梁、復(fù)合材料進(jìn)氣道、機(jī)翼蒙皮等的自動(dòng)化空客西班牙公司的復(fù)合材料升降舵柔性裝配系統(tǒng)檢測(cè)，并顯著地提高了生產(chǎn)效率，使得及計(jì)劃的全壽命周期的檢驗(yàn)成本減少約億美元?？仗祜w機(jī)油箱也采用了這項(xiàng)技術(shù)。在幾何量柔性測(cè)量技術(shù)方面