基于模型設(shè)計(jì)的飛機(jī)裝配檢測(cè)技術(shù)分析

劉雪梅,郭改平

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

在民用飛機(jī)零部件制造中,由于采用了模擬量形式傳遞零部件的形狀和尺寸,并使用了大量復(fù)雜的型架進(jìn)行定位和夾緊的手工裝配方法,使制造過(guò)程中的各種問(wèn)題和矛盾堆積到飛機(jī)的大部件對(duì)接裝配中.傳統(tǒng)的大部件對(duì)接裝配協(xié)調(diào)仍采用模擬量傳遞模式,為了保證對(duì)接裝配順利可靠,常常需在對(duì)接部位設(shè)計(jì)、制造相應(yīng)的巨大標(biāo)準(zhǔn)工裝用于協(xié)調(diào),延長(zhǎng)了裝配周期,增加了裝配成本.如導(dǎo)致外翼與中央翼對(duì)接,外翼活動(dòng)面最終安裝,機(jī)身各部段筒形件對(duì)接等出現(xiàn)的偏差,其主要原因存在于零件加工、裝配變形、裝配誤差、總體容差分配不合理等各個(gè)環(huán)節(jié).自動(dòng)化對(duì)接技術(shù)要求裝配過(guò)程保證大部件間配合部位的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確性,同時(shí)要求在相應(yīng)位置上設(shè)置自動(dòng)化裝配服務(wù)的測(cè)量點(diǎn),科學(xué)建立和表達(dá)大型、復(fù)雜零件/工裝的技術(shù)方案和測(cè)量方案,確保大部件配合部位的協(xié)調(diào)準(zhǔn)確性.所以,在飛機(jī)裝配的各個(gè)環(huán)節(jié)識(shí)別關(guān)鍵控制點(diǎn),采用過(guò)程控制的思路,制定切實(shí)可行的檢測(cè)方案顯得尤為重要.檢測(cè)技術(shù)不再僅僅是“服務(wù)”行業(yè),已成為整個(gè)先進(jìn)閉環(huán)制造(也稱(chēng)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造)過(guò)程中一個(gè)不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié).數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)也由產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品質(zhì)量控制、質(zhì)量保證的關(guān)鍵技術(shù)之一.本文將通過(guò)對(duì)商用飛機(jī)某些大部件裝配要素及檢測(cè)特性的分析,探索基于模型設(shè)計(jì)(Model Based Design,MBD)的商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配幾何尺寸檢測(cè)方法及適用流程.

1 商用飛機(jī)幾何尺寸的數(shù)字化檢測(cè)需求分析

飛機(jī)裝配過(guò)程一般是首先將零件裝配成比較簡(jiǎn)單的組合件,然后逐步裝配成復(fù)雜的段件和部件,最后將各部分對(duì)接成整架飛機(jī).組成飛機(jī)的零件,連接件數(shù)量多且外形復(fù)雜,在裝配過(guò)程中易產(chǎn)生變形.現(xiàn)代飛機(jī)具有較高的部件氣動(dòng)外形、部件間相對(duì)位置準(zhǔn)確度要求,可見(jiàn)飛機(jī)裝配不僅勞動(dòng)量大,而且質(zhì)量要求高,技術(shù)難度大.機(jī)翼是飛機(jī)升力的主要提供部件,也是產(chǎn)生飛機(jī)阻力的重要組成部分,作為機(jī)翼的主體部件——外翼盒段的制造和裝配對(duì)飛機(jī)整體性能的影響可見(jiàn)一斑.

控制飛機(jī)各零部件的制造精度,不僅可以保證飛機(jī)性能,更是保證先進(jìn)制造工藝順利實(shí)現(xiàn)的先決條件,如自動(dòng)化裝配.在民用飛機(jī)項(xiàng)目中,逐漸大量采用自動(dòng)鉆鉚技術(shù)和自動(dòng)化對(duì)接技術(shù),只有從零件制造,工裝設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造與控制,基準(zhǔn)點(diǎn)的選取,關(guān)鍵點(diǎn)的控制等源頭上做好精度和公差的控制,才能確保自動(dòng)化生產(chǎn)順利進(jìn)行.因此,采用數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)保障飛機(jī)各零部件的制造精度,對(duì)提高飛機(jī)整機(jī)裝配質(zhì)量，加快研制進(jìn)程具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.進(jìn)行飛機(jī)數(shù)字化三維檢測(cè)技術(shù)的研究,適應(yīng)民用飛機(jī)基于模型設(shè)計(jì)的趨勢(shì)要求.作為飛機(jī)的主升力部件,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)姿態(tài)控制、燃油存儲(chǔ),進(jìn)行主起落架、吊掛裝配連接,外翼部段全過(guò)程尺寸控制的重要性更是不言而喻.

飛機(jī)外翼盒段分為左、右兩個(gè),以飛機(jī)中軸線對(duì)稱(chēng)分布于機(jī)身兩側(cè).外翼盒段在機(jī)翼根肋處與中央翼對(duì)接,在翼尖端肋處與翼梢小翼對(duì)接.發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)吊掛與外翼盒段相連,在外翼盒段前后梁之間是整體油箱,主起落架在機(jī)翼根部三角區(qū)與外翼盒段相連.外翼盒段前緣要與固定前緣和前緣縫翼協(xié)調(diào)配合,外翼盒段后緣要與內(nèi)襟翼艙、外襟翼艙、副翼艙、襟翼滑軌及其整流罩等協(xié)調(diào)配合,如圖1所示.

圖1 外翼盒段外部、內(nèi)部設(shè)計(jì)分離面簡(jiǎn)圖Fig.1 External and internal design separation surface sketch of outer wing box section

2 商用飛機(jī)數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用分析

飛機(jī)制造中使用的數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)有:數(shù)控坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、電子經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)、光學(xué)準(zhǔn)直儀測(cè)量系統(tǒng)、激光自動(dòng)跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)、激光掃描儀測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字照相測(cè)量系統(tǒng)以及室內(nèi)GPS系統(tǒng),主要用來(lái)測(cè)量和定位各種工藝裝備,或直接用來(lái)定位裝配結(jié)構(gòu)件,是數(shù)字化裝配系統(tǒng)的重要組成部分.與傳統(tǒng)的測(cè)量方式相比,數(shù)字化測(cè)量技術(shù)具有非接觸、速度快、便攜以及測(cè)量范圍大等特點(diǎn).目前,應(yīng)用最廣泛的是激光自動(dòng)跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng),其具有實(shí)時(shí)定位功能、極高的測(cè)量精度及效率,如圖2所示.激光自動(dòng)跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)可定位裝配部件的位置,測(cè)量裝配部件的幾何尺寸,所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后,可直接反饋到系統(tǒng)計(jì)算機(jī),與理論數(shù)模進(jìn)行擬合、分析、比對(duì),從而判斷具體產(chǎn)品與理論數(shù)模的偏離量,得出產(chǎn)品是否合格的結(jié)論.

圖2 激光跟蹤儀及附件Fig.2 Laser tracker and accessories

3 商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配幾何尺寸檢測(cè)應(yīng)用分析

3.1 數(shù)字化檢測(cè)輔助結(jié)構(gòu)裝配應(yīng)用分析

歐美國(guó)家為了提高飛機(jī)的裝配效率和裝配質(zhì)量,率先研究數(shù)字化和自動(dòng)化技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[1-7].國(guó)外航空企業(yè)對(duì)數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成功,無(wú)論對(duì)零部件、工裝,還是移動(dòng)生產(chǎn)線及飛機(jī)大部件裝配方面都采用了有效的數(shù)字化檢測(cè)方式.美國(guó)波音飛機(jī)制造公司[8]從1998年開(kāi)始研究局域GPS輔助裝配,已將其應(yīng)用于從波音747到F/A18整機(jī)的裝配線中,解決了對(duì)大尺寸結(jié)構(gòu)件的測(cè)量問(wèn)題.Hartmann等[9-12]利用激光跟蹤儀和局域GPS(Indoor GPS)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)大部件的位姿測(cè)量,為飛機(jī)數(shù)字化裝配提供了前提條件[13-16].近年來(lái),國(guó)外飛機(jī)裝配技術(shù)得到了快速發(fā)展,波音、空客、洛克希德·馬丁等航空制造公司生產(chǎn)了一系列新型民機(jī)、軍機(jī),如B777,A380,F-35等,這集中反映了國(guó)外飛機(jī)制造的技術(shù)水平和發(fā)展趨勢(shì).20世紀(jì)90年代,美國(guó)Arc Second公司根據(jù)GPS全球定位系統(tǒng)的原理,開(kāi)發(fā)出了局域GPS測(cè)量系統(tǒng).局域GPS測(cè)量系統(tǒng)由激光發(fā)射器、傳感器、信號(hào)接收器以及計(jì)算機(jī)組成[17-20].在大空間中使用時(shí),局域GPS測(cè)量精度能保持70～100 μm的測(cè)量精度[20-21],局域GPS測(cè)量系統(tǒng)缺點(diǎn)是測(cè)量精度沒(méi)有激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)高.

3.2 數(shù)字化檢測(cè)輔助大部件對(duì)接應(yīng)用分析

數(shù)字化柔性裝配體系(Digital Assembly Technology System,DATS)是目前應(yīng)用最廣泛的飛機(jī)裝配新技術(shù),其集成了產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)、數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)工裝的協(xié)調(diào)技術(shù)、數(shù)字化模擬仿真技術(shù)、激光跟蹤測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化機(jī)械隨動(dòng)定位控制技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù).美國(guó)麥克唐納·道格拉斯公司將計(jì)算機(jī)輔助電子經(jīng)緯儀應(yīng)用于MD-90的尾段總裝型架、對(duì)合型架和垂尾總裝型架安裝中,美國(guó)波音公司用計(jì)算機(jī)輔助電子經(jīng)緯儀輔助完成了波音737-700后段裝配.美國(guó)波音公司在波音737-800、波音787等民機(jī)的研制過(guò)程中,使用了一種自動(dòng)定位與校準(zhǔn)系統(tǒng),利用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備完成飛機(jī)部件上測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量,輔助完成飛機(jī)部件的對(duì)接[12].在波音777機(jī)型的研制中采用了基于數(shù)字化檢測(cè)的制造技術(shù)后,制造成本降低了30%～40%,產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期縮短了40%～60%,從而加快了研制和交貨的周期.空客公司也采用類(lèi)似技術(shù),使空客的飛機(jī)研制周期從4.0年縮短為2.5年,不僅提前投放市場(chǎng),而且大大降低了飛機(jī)研制費(fèi)用及生產(chǎn)成本,增加了全球競(jìng)爭(zhēng)力.當(dāng)然,這些成就不能完全歸功于數(shù)字化檢測(cè)技術(shù),但是,毋庸置疑數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)是其得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之一.飛機(jī)大部件對(duì)接是把構(gòu)成飛機(jī)基本結(jié)構(gòu)的各個(gè)大部件連接在一起,形成整個(gè)飛機(jī)的裝配過(guò)程.與傳統(tǒng)大部件對(duì)接方法不同,國(guó)外先進(jìn)的大部件自動(dòng)對(duì)接采用計(jì)算機(jī)信息處理、數(shù)控定位、高精度數(shù)字化測(cè)量、信息反饋等技術(shù)[22].國(guó)內(nèi)承接轉(zhuǎn)包空客項(xiàng)目中A319/320/321為20世紀(jì)80年代機(jī)型,外翼盒段裝配所采用的測(cè)量為傳統(tǒng)模擬量測(cè)量和數(shù)字化測(cè)量相結(jié)合,而模擬量測(cè)量過(guò)程中的系統(tǒng)誤差已經(jīng)越來(lái)越引起關(guān)注.例如,在外翼盒段上與副翼等活動(dòng)面配合的交點(diǎn)測(cè)量中,雖然還保留了長(zhǎng)銷(xiāo)棒等模擬量測(cè)量工具,但實(shí)際的測(cè)量工作則采用了數(shù)字化測(cè)量,其結(jié)果避免了銷(xiāo)棒本身的誤差影響,這一做法也得到空客認(rèn)可.

3.3 基于MBD要求國(guó)產(chǎn)機(jī)型數(shù)字化檢測(cè)應(yīng)用分析

國(guó)內(nèi)航空企業(yè)在飛機(jī)零部件制造中也逐步引進(jìn)并采用了數(shù)字化檢測(cè)技術(shù).上海在制造MD-90飛機(jī)中,用到了激光準(zhǔn)直儀以完成翼身對(duì)接;在波音737-700尾段轉(zhuǎn)包項(xiàng)目中,使用CMM三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)零部件進(jìn)行了數(shù)字化測(cè)量，也同樣應(yīng)用到了國(guó)產(chǎn)支線飛機(jī)零部件制造和裝配中;在21世紀(jì)初的國(guó)內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新支線飛機(jī)項(xiàng)目和大型客機(jī)項(xiàng)目中,激光跟蹤儀的使用已經(jīng)十分普遍了.激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量的基本原理是:在待測(cè)點(diǎn)處放置靶球,激光跟蹤儀發(fā)射激光束到靶球上,并接收靶球反射的光束,通過(guò)自身的測(cè)角系統(tǒng)與絕對(duì)測(cè)距系統(tǒng)來(lái)確定靶球球心的空間坐標(biāo),從而得到待測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo).激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量裝配部件的關(guān)鍵點(diǎn),獲得關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給控制計(jì)算機(jī).北京航空航天大學(xué)在數(shù)字化柔性工裝技術(shù)、數(shù)字化測(cè)量技術(shù)方面都有一定的研究，其中包括激光跟蹤儀輔助飛機(jī)總裝自動(dòng)化技術(shù)，基于激光跟蹤定位的飛機(jī)部件數(shù)字化柔性裝配技術(shù)和原理開(kāi)發(fā)了激光跟蹤測(cè)量原型系統(tǒng).對(duì)外翼盒段這樣大尺寸小曲率零部件使用激光掃描儀和照相式掃描儀進(jìn)行外形測(cè)量,實(shí)現(xiàn)了從空間客觀事物的圖像中提取特定的特征信息,并利用該信息對(duì)被測(cè)空間中目標(biāo)位姿進(jìn)行處理、描述、存儲(chǔ)、識(shí)別與理解[23-24].對(duì)結(jié)構(gòu)件幾何尺寸的控制關(guān)系到最終裝配尺寸、裝配公差及功能的實(shí)現(xiàn),采用數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)保障飛機(jī)各零部件的制造精度,進(jìn)一步提高了飛機(jī)整機(jī)裝配質(zhì)量，加快了研制進(jìn)程.為適應(yīng)大型客機(jī)MBD的要求,國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠都在進(jìn)行飛機(jī)數(shù)字化三維檢測(cè)技術(shù)的研究,目前提倡按照全機(jī)容差分配及相鄰組件或部件的對(duì)接要求,對(duì)上游數(shù)據(jù)讀取和接收,對(duì)下游數(shù)據(jù)測(cè)量和傳遞,實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制和全程控制.尤其是對(duì)外翼盒段等交點(diǎn)多、對(duì)接位置復(fù)雜、部件總裝姿態(tài)與全機(jī)對(duì)接姿態(tài)差異大的部件，采用外形數(shù)字化測(cè)量技術(shù),為模擬裝配提供數(shù)據(jù)支持,進(jìn)一步探索自動(dòng)化裝配的檢測(cè)技術(shù).

目前,數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)在外翼盒段零件、工裝、部件檢測(cè)中得到了運(yùn)用，但在確定檢測(cè)關(guān)鍵要素及制定檢驗(yàn)方法上還不夠成熟,尺寸的檢測(cè)主要還是依靠工裝及模擬量.在數(shù)字化檢測(cè)上,國(guó)內(nèi)已采用了先進(jìn)技術(shù),制定了標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)法,如對(duì)機(jī)翼吊掛的測(cè)量,他們規(guī)定了測(cè)量的角度、次數(shù),并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理,如圖3所示.

圖3 國(guó)內(nèi)某飛機(jī)制造公司外翼盒段交點(diǎn)測(cè)量Fig.3 Measurement of intersection point of outer wing box section of an aircraft manufacturing company in China

在國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠的外翼盒段測(cè)量中,完整和系統(tǒng)地使用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)尚不成熟,工藝人員、質(zhì)量人員都在進(jìn)行積極的探索和實(shí)踐.尤其是新支線客機(jī)和大型客機(jī)等的研制過(guò)程,數(shù)字化裝配和自動(dòng)生產(chǎn)線對(duì)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)形成倒逼趨勢(shì).

4 基于MBD的商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配幾何尺寸檢測(cè)方案分析

以外翼盒段為例:針對(duì)大型客機(jī)項(xiàng)目中外翼盒段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)分離面和工藝分離面的要求,以數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)為手段的外翼盒段檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,研究關(guān)鍵控制點(diǎn)位置,綜合考慮工藝、工裝、翼身對(duì)接狀態(tài)等約束,集成優(yōu)化外翼盒段檢測(cè)控制方案,得到較優(yōu)的檢測(cè)控制手段.

(1) 形成外翼盒段大尺寸、復(fù)雜零件/工裝數(shù)字化檢測(cè)清單.

為了形成完整的外翼盒段檢測(cè)控制手段,首先要形成外翼盒段制造及裝配過(guò)程中所需控制的關(guān)鍵點(diǎn),滿足能夠?qū)σ砩韺?duì)接時(shí)出現(xiàn)的裝配偏差，進(jìn)行支撐的溯源性的數(shù)據(jù)積累.主要通過(guò)工藝及設(shè)計(jì)人員在新支線項(xiàng)目、國(guó)外同類(lèi)機(jī)型中的需求，獲得需要納入檢測(cè)清單的輸入條件,對(duì)外翼盒段3 000余個(gè)零件進(jìn)行分類(lèi)篩選、定義.

在外翼盒段制造及裝配過(guò)程中所有使用到的工裝,按功能性質(zhì)分為標(biāo)準(zhǔn)工裝、夾具、裝配工裝等,按工裝功能特點(diǎn)分為硬式工裝、柔性工裝等.在零件制造及部件裝配過(guò)程中，對(duì)制造精度和配合精度的要求,對(duì)所使用的在翼身對(duì)接時(shí)，進(jìn)行尺寸傳遞和裝配前模擬所需的工裝進(jìn)行篩選、定義.

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有零部件及工裝對(duì)飛機(jī)翼身對(duì)接、全機(jī)裝配、數(shù)據(jù)溯源的需求,按照對(duì)大尺寸零組件、復(fù)雜零組件及檢測(cè)所需工裝的篩選原則,形成零部件及工裝的關(guān)注清單.結(jié)合制造及裝配特點(diǎn),按照目前普遍采用的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備,形成有針對(duì)性的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備選用目錄.形成的工具選用和零組件分類(lèi)清單,為進(jìn)行外翼盒段數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的研究做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備條件.

(2) 形成外翼盒段架外大部件測(cè)量技術(shù)的核心組成.

研究外翼盒段架外大部件測(cè)量的可能方案,在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化,使改進(jìn)后形成的方案，考慮吊具吊裝過(guò)程中對(duì)吊具功能要求.在架外測(cè)量過(guò)程中，對(duì)工裝所需實(shí)現(xiàn)的姿態(tài)保持及測(cè)量可達(dá)性方面的技術(shù)條件要求,根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)文件及工藝方案對(duì)翼身對(duì)接狀態(tài)下外翼盒段的定位及角度等狀態(tài)要求,對(duì)外翼盒段架外放置及架外姿態(tài)保持進(jìn)行優(yōu)化,滿足外翼盒段在翼身對(duì)接狀態(tài)的同時(shí),保證對(duì)測(cè)量位置分布及測(cè)量可達(dá)性的要求.

根據(jù)已有的工藝路徑和資源配置,研究制定外翼盒段架外大部件的工藝計(jì)劃文件,對(duì)工藝路徑及實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行可行性研究.在此基礎(chǔ)上,模擬翼身對(duì)接姿態(tài),形成一套可復(fù)制、可移植的外翼盒段架外測(cè)量型架、吊具及架外測(cè)量工藝的參照流程.

(3) 歸納外翼盒段零部件關(guān)鍵控制點(diǎn).

分析和比較外翼盒段從零件制造開(kāi)始到翼身對(duì)接裝配前具有溯源需求的關(guān)鍵控制點(diǎn),分析各關(guān)鍵控制點(diǎn)對(duì)檢測(cè)要素的支撐作用,為外翼盒段部件交付提供技術(shù)判據(jù).同時(shí)，為外翼盒段在翼身對(duì)接前進(jìn)行模擬裝配及上架準(zhǔn)備進(jìn)行預(yù)判,為本體的裝配過(guò)程的技術(shù)摸底提供依據(jù)進(jìn)行研究.

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,基于模型設(shè)計(jì)的飛機(jī)裝配檢測(cè)技術(shù)分析，已經(jīng)伴隨著基于模型的設(shè)計(jì)、自動(dòng)鉆鉚技術(shù)、自動(dòng)對(duì)接技術(shù)、自動(dòng)生產(chǎn)線等技術(shù)的推進(jìn)而得到廣泛重視、深入研究和逐步推廣,而通過(guò)零件/工裝數(shù)字化檢測(cè)清單、架外大部件測(cè)量技術(shù)、零部件關(guān)鍵控制點(diǎn)的研究驗(yàn)證,工程技術(shù)人員就能進(jìn)一步滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配中的檢測(cè)技術(shù)需求,推動(dòng)飛機(jī)制造工業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展.

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