某型機外翼假件裝配型架設(shè)計、制造技術(shù)研究

孫朝輝 寇永興 陳金祥

【摘 要】某型機外翼假件是型號研制中重要部件，假件本體是典型翼盒類構(gòu)件，由梁、肋、連接板、銷軸接頭及鉸鏈接頭等構(gòu)成。假件采用裝配型架安裝，裝配的零件種類多，協(xié)調(diào)部位復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的設(shè)計與制造，已無法滿足項目進(jìn)度要求。論文對傳統(tǒng)工裝設(shè)計與制造進(jìn)行分析，提出以劃線鉆孔臺作為骨架，以標(biāo)工作為工裝定位件，融合兩種安裝方法的快速設(shè)計與制造方案，滿足型號研制的要求。

【Abstract】The outer wing of a certain type of machine is an important part in the model development. The dummy body is a typical wing box type component， which is composed of beams， ribs， connecting plates， pin joints and hinge joints. The dummy parts are installed by the assembly frame， the types of parts are assembled， the coordination parts are complex， and the traditional design and manufacture are used， which can not meet the project progress requirements. This paper analyzes the design and manufacture of traditional tooling， and proposes to use the scribing drill table as the skeleton， the standard work as the tooling positioning piece， and the rapid design and manufacturing scheme of the two installation methods to meet the requirements of model development.

【關(guān)鍵詞】裝配型架；劃線鉆孔臺；激光跟蹤儀

【Keywords】 assembly frame； scribing drilling table； laser tracker

【中圖分類號】V262.4+1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2019）02-0169-04

1 引言

伴隨著飛機設(shè)計技術(shù)不斷的進(jìn)步，飛機設(shè)計周期在迅速縮短。為了將產(chǎn)品盡快投入使用，型號研制留給裝配型架設(shè)計的時間被壓縮到傳統(tǒng)時間的1/3，因此，完成裝配型架的快速設(shè)計與制造，已成為確保項目順利實施的基本要求[1]。

某型機外翼假件由前、中、后梁，前、中梁連接板，前、后銷軸接頭及鉸鏈接頭構(gòu)成。假件需安裝的零件類型多，連接部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過標(biāo)工協(xié)調(diào)安裝銷軸接頭及鉸鏈接頭。如果按傳統(tǒng)工裝的設(shè)計與制造方法執(zhí)行，周期長，已無法滿足項目進(jìn)度要求，因此，需要通過對傳統(tǒng)工裝的設(shè)計與制造進(jìn)行研究，提出新型工裝設(shè)計與制造的理念，提高設(shè)計及制造效率，節(jié)省時間和經(jīng)費，裝配出合格的假件，外翼假件結(jié)構(gòu)見圖1。

2 裝配型架的設(shè)計與制造

裝配工藝裝備，是指在完成產(chǎn)品從組件到部件裝配以及總裝配過程中，用以控制幾何參數(shù)的具有定位功能的專用裝備。

裝配型架是具有獨立的定位系統(tǒng)而不依靠工裝或產(chǎn)品來完成本工藝階段的定位裝配的鉚接類裝配工藝裝備。

裝配型架是飛機裝配中數(shù)量最多的鉚接裝配工藝裝備，一般由骨架（框架）、定位件、壓緊件及輔助裝置組成。

骨架是型架的基礎(chǔ)，用于固定和支撐定位件、夾緊件等其他元件，保持各元件空間位置的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性；定位件是確定產(chǎn)品幾何參數(shù)或尺寸要素的元件；壓緊件是壓緊工件以配合定位件完成其定位功能的元件；輔助裝置是為了保證工作方便、安全，減輕勞動強度，提高生產(chǎn)率而配置的輔助設(shè)施。

2.1 裝配型架設(shè)計

裝配型架設(shè)計是以工藝提出的技術(shù)條件及相關(guān)的指令性技術(shù)要求等作為依據(jù)，按照產(chǎn)品裝配順序及定位要求，設(shè)計骨架、定位件、壓緊件及所需的輔助裝置。

設(shè)計的裝配型架要滿足使用性、協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性的要求。

2.2 裝配型架的制造

裝配型架由零件制造和型架裝配兩部分組成。大部分零件制造采用通用設(shè)備加工即可完成，型架裝配是裝配型架制造的關(guān)鍵制造技術(shù)。

按照型架裝配的不同方法，裝配型架的制造劃分為專用加工設(shè)備安裝及激光跟蹤儀安裝。

2.2.1 加工設(shè)備安裝

專用加工設(shè)備安裝可劃分為：劃線鉆孔臺安裝、型架裝配機安裝和光學(xué)機械工具塢安裝，此3類安裝方法都是采用機械坐標(biāo)系系統(tǒng)將安裝板安裝到工裝坐標(biāo)系定位件的定位位置，通過安裝板將定位器安裝到型架上。

劃線鉆孔臺是帶有 T型槽的高精度安裝平臺，安裝平臺長度為3～20m。平臺兩側(cè)沿長度方向分布著兩個等高平行平面，每個平面平面度公差為0.03mm，兩平面平行度公差為0.05mm，相對高度公差為0.1～0.5mm。在兩個平面上等距分布了高精度定尺寸孔，任意4個孔的位置度公差不大于φ0.01。劃線鉆孔臺工作面的平面度與平臺長度關(guān)聯(lián)，平面度公差最小0.04mm，最大0.10，典型劃線鉆孔臺如圖2所示。

劃線鉆孔臺高精度定位孔用于安裝劃線鉆孔臺附件。劃線鉆孔臺附件按用途分為標(biāo)尺、定位件、轉(zhuǎn)換定位件、標(biāo)尺用輔件、標(biāo)準(zhǔn)墊板等。劃線鉆孔臺及其附件的定位面按50倍數(shù)關(guān)系分布有高精度定位孔，通過標(biāo)準(zhǔn)定位銷定位，可以構(gòu)造以劃線鉆孔臺平面為基準(zhǔn)的機械坐標(biāo)系系統(tǒng)，完成型架裝配。

劃線鉆孔臺安裝工裝速度快，但受限于平臺的結(jié)構(gòu)及尺寸，不能安裝帶有固定框架的工裝；定位器安裝存在轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，安裝精度不高。

2.2.2 激光跟蹤儀安裝

激光跟蹤儀是20世紀(jì)80年代中后期發(fā)展起來的一種新型的大尺寸空間坐標(biāo)測量儀器，它集干涉測距自動跟蹤、精密機械、計算機軟件及控制技術(shù)為一體，能夠?qū)臻g運動目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)動態(tài)跟蹤及三維坐標(biāo)實時測量，具有測量精度高、實時快速、操作簡便等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、造船、機械制造等工業(yè)制造領(lǐng)域。

裝配型架的激光跟蹤儀安裝，是工裝制造在安裝現(xiàn)場依據(jù)工裝數(shù)模所提供的工裝零組件上的OTP點理論坐標(biāo)值及公差要求，通過激光跟蹤儀點位值測量，將零組件調(diào)整定位安裝到工裝骨架上的安裝方法。

工裝零組件上的OTP點理論坐標(biāo)值賦值是在同一坐標(biāo)系下，依據(jù)空間定位6自由度原理，在確定主控制定位基準(zhǔn)前提下，按照“3-2-1”原則所確定。OTP點值的公差是依據(jù)裝配產(chǎn)品安裝精度要求，提高精度等級來確定。

激光跟蹤儀安裝型架，要建立增強參考系統(tǒng)，即ERS系統(tǒng)，按制造文件要求，大約每隔500mm設(shè)置一個ERS點，ERS系統(tǒng)作用是建立測量場的包容空間，為工裝提供轉(zhuǎn)換測量基準(zhǔn)。

激光跟蹤儀安裝型架，無轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，安裝精度高，但定位件安裝時要反復(fù)測量調(diào)整，直到OTP點值滿足要求，因此安裝速度低。

3 某型機外翼假件裝配型架的設(shè)計與制造

3.1 型架設(shè)計方案

依據(jù)裝配型架的構(gòu)成要素，型架設(shè)計需要確定骨架、定位件、壓緊件、輔助裝置結(jié)構(gòu)形式及加工要求，確定型架安裝方法。

骨架采用劃線鉆孔臺作為工裝基體，未采用焊接式平面框架；定位件依據(jù)產(chǎn)品定位要求，劃分為模塊，均按精鑄件設(shè)計；壓緊件采用外購各類夾鉗，實現(xiàn)產(chǎn)品在定位件上穩(wěn)定夾持；產(chǎn)品水平放置在劃線鉆孔臺上，采用現(xiàn)場天車與吊帶將產(chǎn)品吊離平臺，實現(xiàn)下架，除此無需其他輔助裝置。

假件銷軸接頭及鉸鏈接頭要通過標(biāo)工來協(xié)調(diào)安裝，傳統(tǒng)方案要設(shè)計交點定位器?？紤]到此處是通過正、反標(biāo)工協(xié)調(diào)的，因此決定不設(shè)計交點定位器，采用反標(biāo)工作為定位器安裝產(chǎn)品，用激光跟蹤儀安裝。

3.2 型架制造方案

零件的制造：劃線鉆孔臺代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接式框架，節(jié)約框架制造、時效時間，有效降低制造總周期。

模塊化設(shè)計的精鑄定位件和焊接定位件，降低工藝準(zhǔn)備時間。精鑄定位件采用3D打印技術(shù)制造精鑄件鑄模，3D打印不必采用傳統(tǒng)的加工機床和工模具，只需傳統(tǒng)加工方法10%～30%的工時和20%～35%的成本，就能制造出產(chǎn)品，圖3為模塊化設(shè)計的定位件。

型架的裝配：采用劃線鉆孔臺與激光跟蹤儀混合安裝。

與標(biāo)工協(xié)調(diào)的工裝定位器安裝采用激光跟蹤儀安裝。ERS系統(tǒng)采用劃線鉆孔臺及其附件組裝形成的定尺寸高精度孔系來建立。

采用反標(biāo)工作為定位器，其必須穩(wěn)定支撐，需要設(shè)計支撐架。支撐架要快速安裝到劃線鉆孔臺上，要設(shè)計調(diào)整結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)標(biāo)工在支撐架上位置的調(diào)整，支撐架如圖4所示。

3.3 型架設(shè)計、制造方案特點分析

本型架設(shè)計與制造特點如下：

第一，實現(xiàn)工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)與工裝制造工具相結(jié)合。將劃線鉆孔臺作為工裝骨架，充分利用了劃線鉆孔臺高精度平面及孔系的定位功能，將安裝工具轉(zhuǎn)換為工裝部件，又可以充分利用其安裝功能。

第二，實現(xiàn)工裝劃線鉆孔臺安裝與激光跟蹤儀安裝相結(jié)合。傳統(tǒng)工裝安裝的兩種方法是不能混用的，各自安裝優(yōu)缺點明顯，無法去缺存優(yōu)。劃線鉆孔臺安裝是用安裝板在坐標(biāo)系內(nèi)形成孔面定位面，是“實”，激光跟蹤儀安裝是通過測量空間OTP點值安裝，是“虛”，將“實”與“虛”結(jié)合，實現(xiàn)了低精度定位件的快速安裝及協(xié)調(diào)交點的高精度安裝。

劃線鉆孔臺能夠建立激光跟蹤儀的ERS系統(tǒng)，因此，可以通過激光跟蹤儀實現(xiàn)對工裝定位件、裝配的產(chǎn)品關(guān)鍵特性的現(xiàn)場測量，通過數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)在線檢測，實現(xiàn)“實”與“虛”之間的統(tǒng)一與轉(zhuǎn)換。

第三，實現(xiàn)工裝設(shè)計理念和先進(jìn)制造技術(shù)在設(shè)計、制造中的應(yīng)用。

工裝安裝設(shè)計時采用拼裝夾具的理念，工裝零件設(shè)計中采用模塊化設(shè)計思路，通過劃線鉆孔臺的附件及少量非標(biāo)零件，將模塊化定位件墊到安裝位置，壓縮工裝零件類別，降低設(shè)計、制造周期。采用3D打印技術(shù)，制造工裝零件，降低制造周期。

第四，實現(xiàn)對傳統(tǒng)工裝的創(chuàng)新設(shè)計。劃線鉆孔臺轉(zhuǎn)型為工裝骨架，反標(biāo)工轉(zhuǎn)化為工裝定位器，不僅可以降低設(shè)計工作量，有效回避設(shè)計、制造的難點，節(jié)約大量時間，同時也是對統(tǒng)工裝設(shè)計的創(chuàng)新。工裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，假件裝配如圖6所示。

4 結(jié)語

通過假件裝配型架設(shè)計、制造技術(shù)研究，采用將劃線鉆孔臺作為骨架的創(chuàng)新設(shè)計，將模塊化設(shè)計、拼裝夾具設(shè)計理念融入設(shè)計過程中，工裝零件制造中采用3D打印技術(shù)，工裝裝配將傳統(tǒng)安裝與數(shù)字化安裝糅合成整體，發(fā)揮出各自優(yōu)勢，降低設(shè)計、制造周期約30%，僅骨架制造成本降低約80萬元，本裝配型架已經(jīng)按項目節(jié)點要求，裝配出合格產(chǎn)品，并交付用戶安裝。

本研究提供的設(shè)計、制造思路，特別適用于型號研制中結(jié)構(gòu)相同，尺寸多樣，數(shù)量多的試驗件部件的裝配，是一種快速、低成本裝配型架設(shè)計、制造方案。

【參考文獻(xiàn)】

【1】《航空制造工程手冊》總編委會. 航空制造工程手冊：飛機工藝裝備[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994.