飛機前緣縫翼精準(zhǔn)裝配技術(shù)研究

周娟勤 薛宏

摘? 要：該文主要探討飛機機翼前緣與縫翼的數(shù)字化裝配精準(zhǔn)控制技術(shù)。從飛機的裝配技術(shù)難點出發(fā)，結(jié)合機翼前緣與縫翼的數(shù)字化裝配技術(shù)細(xì)致分析，深入討論裝配協(xié)調(diào)的各種方法及技術(shù)手段。該文最后提出一系列數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)的實施措施。期望此研究能為提升我國在飛機部件裝配協(xié)調(diào)領(lǐng)域的技術(shù)水平提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：飛機機翼；前緣與縫翼；數(shù)字化裝配；協(xié)調(diào)技術(shù)；實施措施

中圖分類號：V262.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0193-04

Abstract： This paper mainly discusses the precision control technology of digital assembly of leading edge and seam wing of aircraft wing. Starting from the technical difficulties of aircraft assembly， based on the detailed analysis of the digital assembly technology of wing leading edge and seam wing， various methods and technical means of assembly coordination are discussed in detail. At the end of this paper， a series of measures for digital assembly coordination are put forward. It is expected that this study can provide a useful reference for improving the technical level of aircraft components assembly coordination in our country.

Keywords： aircraft wing; leading edge and seam wing; digital assembly; coordination technology; implementation measures

傳統(tǒng)的飛機裝配過程中，部件間的協(xié)調(diào)主要依賴于模擬量傳遞，即使用標(biāo)準(zhǔn)化的工藝設(shè)備來調(diào)整交點和形狀的協(xié)調(diào)性。但隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速進(jìn)步，MBD（模型基準(zhǔn)設(shè)計）技術(shù)在設(shè)計飛機機翼前緣和縫翼中的應(yīng)用逐漸增多，為數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)與應(yīng)用，以及提高飛機機翼前緣縫翼裝配精度打下了堅實的基礎(chǔ)[1]。

1? 飛機裝配協(xié)調(diào)方案

1.1? 模擬量協(xié)調(diào)

傳統(tǒng)的飛機裝配協(xié)調(diào)方案主要基于模擬量傳遞。這種方法的核心是使用物理工藝設(shè)備和測量工具來確保部件間的正確配合。例如，工程師和技工可能會使用標(biāo)準(zhǔn)化的模具、夾具和量規(guī)確保交點和外形的協(xié)調(diào)性。這種方法雖然經(jīng)過了時間的考驗并被證明是有效的，但其主要的缺點是效率較低，因為每次調(diào)整都需要大量的人工操作和測量。同時，由于人為因素的介入，可能會引入誤差，導(dǎo)致裝配不精確或需要重復(fù)勞動。模擬量協(xié)調(diào)方法在大規(guī)模生產(chǎn)中尤其顯得繁瑣，因為每個部件都需要經(jīng)過詳細(xì)的人工檢查和調(diào)整。

1.2? 數(shù)字化協(xié)調(diào)方案

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，飛機裝配領(lǐng)域也逐漸采用數(shù)字化協(xié)調(diào)方案。這種方法基于高精度的數(shù)字模型和先進(jìn)的計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件，可以在虛擬環(huán)境中模擬裝配過程，從而預(yù)測和解決可能出現(xiàn)的問題。使用MBD（模型基準(zhǔn)設(shè)計）技術(shù)，工程師可以創(chuàng)建一個高度詳細(xì)和準(zhǔn)確的3D模型，這不僅減少了因人為誤差導(dǎo)致的問題，還大大提高了裝配效率。數(shù)字化協(xié)調(diào)方案可以實時地提供反饋，使工程師在出現(xiàn)問題時能夠迅速作出調(diào)整。此外，這種方法還可以與其他數(shù)字化工具和系統(tǒng)（如計算機輔助制造CAM）無縫集成，實現(xiàn)整個生產(chǎn)流程的自動化。數(shù)字化協(xié)調(diào)方案不僅提高了裝配的精度，還大大縮短了產(chǎn)品上市的時間。

2? 飛機機翼前緣與縫翼數(shù)字化裝配精度控制技術(shù)難點

2.1? 數(shù)據(jù)精度和一致性

隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，飛機設(shè)計和制造的數(shù)據(jù)量也呈指數(shù)增長。不僅是大量的設(shè)計圖紙和模型，還有每一個零部件的生產(chǎn)、檢測和質(zhì)量控制數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的來源多種多樣，有不同的供應(yīng)商、工具和系統(tǒng)。例如，僅在機翼設(shè)計階段，就可能涉及多種不同的計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件和模擬工具，每一個都可能產(chǎn)生與其他系統(tǒng)略有差異的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)的碎片化和不統(tǒng)一性，使得數(shù)據(jù)管理和驗證變得尤為困難，可能導(dǎo)致在裝配過程中的誤解和失誤。

飛機裝配的每一個環(huán)節(jié)都嚴(yán)重依賴數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。例如，一個微小的尺寸誤差，如0.05 mm，可能導(dǎo)致零部件不能正確裝配，或者在后續(xù)的飛行中產(chǎn)生性能問題。在這種背景下，即使是小到單個數(shù)據(jù)點的失真，也可能導(dǎo)致整個裝配過程中的嚴(yán)重問題。這樣的要求使得飛機的數(shù)據(jù)管理和質(zhì)量控制系統(tǒng)面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。

2.2? 虛擬與現(xiàn)實的界面匹配問題

數(shù)字模型為航空工程師提供了一個理想化的設(shè)計環(huán)境，其中所有的參數(shù)和變量都是完全受控的。然而，在現(xiàn)實的制造環(huán)境中，各種因素，如材料的不均勻性、生產(chǎn)工藝的微小變化或工具的磨損，都可能導(dǎo)致實際部件與其數(shù)字模型之間存在差異。例如，由于材料供應(yīng)商的輕微變化或生產(chǎn)線上的溫度和濕度變化，同一部件在不同的生產(chǎn)批次中可能會有細(xì)微的差別。

飛機的性能和安全性對其各個組件的精度有著極高的要求。對于像機翼前緣和縫翼這樣的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，即使是微小的裝配偏差也可能對飛機的氣動性能產(chǎn)生重大影響。更糟糕的是，這種影響可能不會在初步的地面測試中被發(fā)現(xiàn)，而是在實際飛行中才顯現(xiàn)出來，這會增加風(fēng)險和成本，甚至可能威脅飛行安全。

2.3? 材料的變形與應(yīng)力分布

飛機機翼前緣和縫翼的裝配對材料的特性有著很強的依賴。每種材料， 如鋁、鈦或碳纖維增強的復(fù)合材料，都有其獨特的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比。在飛機裝配過程中，由于溫度、壓力或應(yīng)力的變化，這些材料都可能出現(xiàn)不同程度的變形。盡管這些變形可能是微小的，但當(dāng)它們疊加在一起時，可能導(dǎo)致部件之間的間隙不匹配，進(jìn)而影響飛機的整體性能。

雖然數(shù)字模擬技術(shù)在預(yù)測和分析材料行為上取得了長足的進(jìn)步，但其仍然存在局限性。對于航空材料的塑性變形，尤其是在高應(yīng)力環(huán)境下，常規(guī)的有限元分析可能并不總是能準(zhǔn)確預(yù)測其行為。更不用說，在現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境中，由于制造過程、儲存條件或其他外部因素，實際材料的性質(zhì)可能與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)略有出入，這進(jìn)一步增加了裝配過程中的不確定性[2]。

2.4? 復(fù)雜的裝配路徑和碰撞檢測

飛機的裝配不僅要考慮單一部件的精度，還要確保各部件之間的協(xié)同和相對位置。特別是在飛機機翼前緣與縫翼的裝配中，部件之間的空間緊湊，對裝配路徑的要求極高。由于飛機部件的尺寸和形狀復(fù)雜，預(yù)測和避免所有可能的碰撞和干涉情況是極為復(fù)雜的。傳統(tǒng)的數(shù)值模擬和碰撞檢測技術(shù)可能在這種高度復(fù)雜的環(huán)境中面臨困難，導(dǎo)致實際裝配過程中的碰撞和干涉情況無法得到有效預(yù)測。

碰撞和干涉不僅可能導(dǎo)致部件損壞或變形，還可能影響整個裝配線的工作流程，從而增加生產(chǎn)時間和成本。例如，當(dāng)發(fā)生意外碰撞，裝配過程可能需要暫停，以進(jìn)行檢查和修復(fù)，這意味著其他部分的生產(chǎn)也可能受到影響。此外，持續(xù)的碰撞和干涉情況可能導(dǎo)致部件的重新制造或更換，增加了材料的消耗和勞動力的浪費。近5%的裝配時間被用于處理這些問題，這不僅增加了生產(chǎn)成本，而且還增加了裝配錯誤的風(fēng)險，可能對飛機的安全性和性能產(chǎn)生影響。

3? 精準(zhǔn)裝配控制方法和技術(shù)措施

3.1? 提高數(shù)據(jù)精度和一致性的系統(tǒng)集成

采用集成的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，如產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）和產(chǎn)品生命周期管理（PLM）系統(tǒng)，為整個飛機裝配流程帶來了巨大的優(yōu)勢。這些系統(tǒng)提供了一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，確保設(shè)計、工程和生產(chǎn)團(tuán)隊都使用相同的、最新的數(shù)據(jù)版本。通過綜合管理所有設(shè)計文件、物料列表和裝配指南，幫助減少了因使用過時或錯誤的數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷和質(zhì)量問題。根據(jù)行業(yè)研究，引入這些系統(tǒng)后，生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)相關(guān)錯誤率下降了約30%。

為了進(jìn)一步增強數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實時數(shù)據(jù)驗證技術(shù)被廣泛應(yīng)用。通過即時比對原始設(shè)計數(shù)據(jù)與生產(chǎn)現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)，可以及時識別并更正偏差。配合高精度的掃描儀，如激光三維掃描器，其精度可以達(dá)到0.001 mm，從而能夠提供非常準(zhǔn)確的部件測量。在飛機制造過程中，這意味著每10 m的部分，誤差不會超過1 mm，顯著提高了裝配精度。此外，隨著掃描技術(shù)的進(jìn)步，其測量速度也得到了顯著提高，現(xiàn)在可以在幾分鐘內(nèi)完成大型部件的全面掃描。

為了確保整個團(tuán)隊都使用最新和最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)同步技術(shù)變得至關(guān)重要。任何對原始設(shè)計的修改或更新都會被自動記錄并同步到系統(tǒng)中，確保所有相關(guān)部門都能接觸到這些更改。通過使用先進(jìn)的云技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)同步幾乎可以實時進(jìn)行，從而大大減少了因數(shù)據(jù)不一致而導(dǎo)致的生產(chǎn)延誤。實際應(yīng)用中，采用這種同步技術(shù)的企業(yè)報告稱，其生產(chǎn)效率提高了約20%，同時因數(shù)據(jù)不一致引起的錯誤數(shù)量減少了近一半。

3.2? 使用增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)正日益成為飛機制造中的一項創(chuàng)新工具。傳統(tǒng)上，工程師和技工依賴于2D圖紙或3D模型指導(dǎo)裝配工作。但是，AR技術(shù)的引入，特別是通過頭戴顯示設(shè)備或智能眼鏡，允許工人在現(xiàn)場看到虛擬的3D圖層與實際的部件重疊。這不僅減少了參照多個界面的需要，還使裝配更加直觀和準(zhǔn)確。例如，某些先進(jìn)的AR系統(tǒng)已經(jīng)可以實時顯示扭矩值、連接序列等關(guān)鍵參數(shù)，使技工可以快速而準(zhǔn)確地完成任務(wù)。

與傳統(tǒng)的裝配方法相比，AR技術(shù)為飛機裝配提供了顯著的效率提升。一個實際應(yīng)用案例顯示，采用AR技術(shù)的飛機裝配線可以在裝配復(fù)雜部件時，減少了近50%的參照時間，因為工人不再需要反復(fù)查看圖紙或電腦屏幕。此外，對于新員工，AR可以作為一種培訓(xùn)工具，幫助他們更快地熟悉裝配流程。據(jù)統(tǒng)計，使用AR技術(shù)培訓(xùn)的新員工，其上手速度比傳統(tǒng)培訓(xùn)方法快了40%。

為了進(jìn)一步提高裝配效率和精度，AR技術(shù)也被集成到其他數(shù)字化工具中，如實時數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)以及自動檢測系統(tǒng)。例如，結(jié)合AR和實時數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)可以自動檢測并糾正技工的操作誤差，這種實時反饋可以減少返工和質(zhì)量問題。此外，通過集成機器學(xué)習(xí)，AR系統(tǒng)能夠識別常見的安裝問題，并自動為技工提供解決建議。這種先進(jìn)的系統(tǒng)集成使得飛機裝配過程更加智能化，根據(jù)一項研究，當(dāng)AR與其他數(shù)字工具集成使用時，生產(chǎn)線的總體效率提高了近60%。

3.3? 實時監(jiān)測材料變形

在飛機裝配過程中，對材料和部件的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測是至關(guān)重要的。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前市場上的應(yīng)力傳感器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)10 MPa的精度。這意味著，在飛機的關(guān)鍵部位，如翼梁、機身結(jié)構(gòu)等，技工和工程師可以獲得幾乎實時的反饋，以及部件在裝配過程中的實際應(yīng)力分布。使用這種高精度的監(jiān)測，裝配團(tuán)隊可以在第一時間內(nèi)識別并處理潛在的問題，從而避免后續(xù)的結(jié)構(gòu)問題或更大的修復(fù)工作。

除了應(yīng)力傳感器，數(shù)字掃描技術(shù)也成為飛機裝配中的重要工具。通過高分辨率的數(shù)字掃描，技術(shù)團(tuán)隊可以實時獲得部件的三維形態(tài)和可能的變形情況。與應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)合，這些掃描信息可以為工程師提供更全面的部件狀態(tài)視圖。例如，使用精度高達(dá)0.01 mm的3D激光掃描儀，裝配團(tuán)隊可以迅速捕獲任何微小的形狀變化，然后根據(jù)實際裝配情況調(diào)整其策略。

借助實時的應(yīng)力和形狀數(shù)據(jù)，飛機制造商可以采用自適應(yīng)的裝配策略，即根據(jù)實際的部件狀態(tài)調(diào)整裝配順序或方法。例如，如果某個部件的應(yīng)力超出了預(yù)定范圍，系統(tǒng)可以自動建議更改緊固件的扭矩設(shè)置或更改裝配順序。這種方法不僅可以減少生產(chǎn)中的返工和修復(fù)，還可以確保飛機在出廠時達(dá)到最高的結(jié)構(gòu)完整性。在實際應(yīng)用中，通過實時監(jiān)測和自適應(yīng)策略，一些先進(jìn)的制造商已經(jīng)實現(xiàn)了減少約15%的裝配誤差[3]。

3.4? 自動碰撞檢測和路徑優(yōu)化

隨著計算機視覺技術(shù)的飛速發(fā)展，自動碰撞檢測已經(jīng)在飛機裝配中扮演了不可或缺的角色。高級的計算機視覺系統(tǒng)能夠捕捉部件間的最小距離和相對位置，從而預(yù)測出可能的碰撞點。例如，引入具有深度感知能力的攝像頭，可以實時捕獲3D空間中部件的相對位置，其精度可以達(dá)到0.5 mm。這種精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)捕獲確保了機器人裝配臂或其他自動化設(shè)備可以在第一時間調(diào)整其路徑，避免不必要的碰撞。

機器人在飛機裝配中的應(yīng)用已經(jīng)越來越普及，但如何確保它們的操作效率和準(zhǔn)確性仍然是一個挑戰(zhàn)。通過引入路徑優(yōu)化算法，可以確保機器人的運動是最有效和最安全的。這些算法利用實時的計算機視覺數(shù)據(jù)，自動計算出最短和最避免碰撞的路徑。實際應(yīng)用中，一些高級的路徑優(yōu)化系統(tǒng)已經(jīng)能夠減少機器人的移動距離約20%，從而提高了整體的裝配效率。

自動碰撞檢測和路徑優(yōu)化的引入對飛機裝配產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的改變。在實際生產(chǎn)線上，引入這些技術(shù)的飛機制造商報告了顯著的生產(chǎn)效率提升。例如，某先進(jìn)的裝配線上，裝配時間已經(jīng)減少了18%，而誤差率下降了12%。此外，由于機器人的路徑更為精確，返工和維修的需求也大大降低，從而進(jìn)一步提高了生產(chǎn)線的運行效率[4]。

3.5? 采用機器學(xué)習(xí)和AI技術(shù)

機器學(xué)習(xí)，尤其是深度學(xué)習(xí)技術(shù)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域顯示出其強大的數(shù)據(jù)分析和預(yù)測能力。在飛機裝配中，機器學(xué)習(xí)可以根據(jù)大量的歷史裝配數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，從中學(xué)習(xí)并識別出可能導(dǎo)致裝配錯誤或延誤的模式。例如，通過分析過去數(shù)萬次的裝配操作數(shù)據(jù)，機器學(xué)習(xí)模型可以準(zhǔn)確預(yù)測在特定環(huán)境條件下，某一裝配步驟可能出現(xiàn)的問題，其準(zhǔn)確率可達(dá)90%以上。

除了基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測，AI技術(shù)還可以實時地為技術(shù)人員提供裝配指導(dǎo)和建議。通過持續(xù)監(jiān)控裝配過程中的數(shù)據(jù)，如部件的位置、應(yīng)力、溫度等，AI算法可以即時地判斷是否存在潛在的裝配問題，并為操作人員提供實時的反饋和調(diào)整建議。在實際應(yīng)用中，AI輔助的裝配系統(tǒng)已經(jīng)證明了其價值，例如，在某個先進(jìn)的裝配線上，使用AI技術(shù)已經(jīng)幫助制造商減少了約20%的裝配時間，并減少了約15%的誤差。

未來，隨著AI技術(shù)的不斷進(jìn)步和更多的應(yīng)用數(shù)據(jù)的累積，我們可以期待更加智能地裝配策略制定。不僅可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)做出預(yù)測，AI還可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整裝配策略，確保每一步驟都是最優(yōu)的。此外，隨著越來越多的飛機部件采用智能傳感器和IoT技術(shù)，裝配過程中的數(shù)據(jù)將更加豐富，這為AI技術(shù)提供了更大的發(fā)揮空間。預(yù)計在未來10年內(nèi)，利用AI技術(shù)，飛機裝配的效率可能提高30%，同時誤差率將進(jìn)一步降低[5]。

4? 結(jié)束語

隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，飛機裝配領(lǐng)域正經(jīng)歷著前所未有的轉(zhuǎn)型。面對各種裝配難點，有必要采納創(chuàng)新的方法和技術(shù)措施提高裝配的精度和效率。無論是數(shù)據(jù)管理、增強現(xiàn)實、實時監(jiān)測，還是先進(jìn)的AI技術(shù)，都為飛機制造業(yè)帶來了新的機遇。相信通過不斷的研究、創(chuàng)新和實踐，未來的飛機裝配將更加智能、高效，為航空工業(yè)和全球旅客帶來更多的價值與便利。

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