大型飞机自动化装配技术

　第 29 卷 　第 3 期 航 　空 　学 　报 Vol129 No13 　2008 年 　　5 月 ACTA A ERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA May 　2008 收稿日期 :2007208224 ; 修订日期 :2007212206 通讯作者 :许国康 E2mail :xgk @vip . sina. com 　　文章编号 :100026893 (2008) 0320734207 大型飞机自动化装配技术 许国康 (北京航空制造 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 研究所 数字化与柔性装配技术研究室 , 北京 　100024) Automatic Assembly Technology for Large Aircraft Xu Guokang (Numerical and Flexible Assembling Technology Department , Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute , Beijing 　100024 , China) 摘 　要 : 简述了大型飞机及其结构特点 ,通过比较人与机器两种装配系统的特性 ,及分析装配自动化水平与 装配成本等诸因素的关系曲线 ,指出了自动化装配技术在保证大型飞机结构长寿命、高效率、低成本研制和生 产等方面的意义 ;对国外大型飞机的装配自动化发展状况进行了综述 ,简要分析了国外发展的几种主要自动 化装配系统 ,总结了国外大型飞机的自动化装配水平 ;对西方国家在大型飞机自动化装配中采用的先进的装 配理念和方法 ,如决定性装配方法等进行了概述。最后针对国内自动化装配水平低的现状和大型飞机研制和 生产的需求 ,提出了发展模块化结构的自动化装配系统、贯彻并行工程理念、实现面向制造和面向装配的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 等发展建议。 关键词 : 自动化装配 ; 大型飞机 ; 长寿命 ; 柔性装配 ; 模块化 ; 决定性装配 中图分类号 : V262. 4 　　　文献标识码 : A Abstract : This paper aims at the large aircraf t and it s st ructure characteristics ,and by comparing the man as2 sembly system with the machine assembly system and analyzing relation curves of auto matic assembly and assembly co st , point s out the meaning of automatic assembly technology which ensures long life , high effi2 ciency and low co st of large aircraf t st ructure , both in research and in manufacture. Also , the paper analy2 zes the overseas actuality of automatic assembly of large aircraf t and several systems of automatic assembly and level of auto matic assembly , and summarizes the advanced thought and means of automatic assembly of large aircraf t of western countries , fo r example , determinant assembly. Finally , aiming at the actuality at home , such as the low level of automatic assembly and the demands for developing and manufacturing large aircraf t , so me suggestions are p ut fo rward , including developing the modularization auto matic assembly system , carrying o ut the means of concurrent engineering and realizing the designs fo r manufacturing and assembly. Key words : automatic assembly ; large aircraf t ; long life ; flexible assembly ; modularization ; determinant as2 sembly 1 　大型飞机自动化装配的意义 大型飞机通常是指起飞总质量超过 100 t 的 军民用大型运输机和 150 座级以上的大型客 机[1 ] 。 大型飞机机体结构最显著的特点是尺寸大、 高可靠性、长寿命 (大型客机寿命要求其飞行时间 达 90 000 h) , 在制造技术上要求实现轻重量、全 寿命周期低成本、快速研制和生产等。 大型飞机制造采用自动化装配技术的目的 , 首先是为了保证装配的质量 ,提高机体的疲劳 寿命。其次 ,在大批量生产中提高生产效率 ,也 是采用自动化装配技术的一个重要原因。从另 一方面 ,大型飞机机体结构尺寸大、结构装配空 间较开敞 ,也易于实现自动化装配。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 列出 了人和机器两种系统的工作特性 [ 2 ] 。从表 1 中 可以看出 ,从提高装配质量和效率等方面 ,特别 是在大批量生产中 ,采用机器工作 (如自动钻铆 技术、自动化装配系统) 比人工操作具有很大的 优势。大型飞机装配对自动化的需求体现在如 下几个方面 : (1) 保证大型飞机结构的长寿命。 (2) 实现装配生产的高质量和高效率。 (3) 突破人工装配的客观限制 ,满足大型装 　第 3 期 许国康 :大型飞机自动化装配技术　　　　　 配件装配的需求。 (4) 现代大型飞机的装配要求实现数字量协 调 ,装配过程实现数字化制造 ,满足数字化设计/ 制造一体化的需要 ,减少或消除实物模拟量协调 工装 ,降低成本。 (5) 适应复合材料及其混合结构装配的需 求。大型飞机上复合材料及其混合结构用量越来 越大 ,自动化装配技术是复合材料结构制孔和精 确装配的保证。 (6) 装配的柔性化要求。实现柔性装配可 减少装配工装数量 ,降低研制成本、减少占地面 积、缩短生产准备周期 ,实现快速研制 ,而柔性 装配需要自动化的柔性装配工装和装配设备来 保证。 　　图 1 反映了飞机装配成本、产量、装配 自动化水平、装配效率、装配质量 (装配精密 度) 、装配系统投资诸因素之间的关系 [ 3 ] 。如只 考虑成本的因素 ,单架生产或少量生产会促使 人们尽量采用人工装配方法 ,而大批量生产的 民机装配实现低成本则需要尽量提高自动化水 平。由于大型飞机装配要综合考虑装配质量、 装配成本和装配效率 ,从图 1 中可以看出 ,不断 提高装配自动化技术水平是大型飞机制造的必 然趋势。 表 1 　人与机器两种装配系统的工作特性 Table 1 　Characteristics of man assembly system and machine assembly system 系统特性　　　 人 机器 灵巧性 高 (手指/ 手/ 眼/ 大脑的灵活性) 低 (自动化由程序控制) 成本 (每小时费用) 低 高 活动范围 水平方向 :无穷大 垂直方向 :由身高和提升装置决定 由机器结构和运动特性决定 力/ 力矩 Fmax≈150 N (短时) ,所能施加力矩大小、时间有限 Fmax ≥4 500 N ,所能施加力矩大、时间长 速度 v足≈80 m/ min v手≈180 (°) / s v线性≈300 m/ min v旋转≈360 (°) / s 加速度 a = 01 2 g a≥2 g 记忆能力　 过程数　 定位精度 有限 (10～100 个操作) ,需要培训 有限 (需要引导) 无限 (取决于计算机存贮能力) 很高 (可达±0102 mm ,取决于运动机构) 抗疲劳能力 容易疲劳 不易疲劳 图 1 　装配自动化水平与单机成本的关系 Fig11 　Relationship between automatic assembly level and cost of single aircraft 537 　　　　　　 航 　空 　学 　报 第 29 卷 2 　国外发展状况 近十余年来 ,以 B777 ,B787 ,A340 ,A380 ,C2 17 为代表的新型大型军民用飞机集中反映了大 型飞机先进装配技术的现状和发展趋势 ,体现在 采用基于单一产品数据源的数字量尺寸协调体 系 ,实施数字化尺寸工程技术 ,通过装配仿真和虚 拟现实技术等虚拟制造技术实现装配过程优化 , 应用柔性模块化的工装技术、加工和检测单元并 集成应用为一系列的自动化装配系统进行机体结 构的自动化装配[426 ] ,大量采用长寿命连接技术 , 实现了飞机结构高质量和高效率装配 ,以满足大 型飞机长寿命、高可靠性、低成本和高效率制造的 要求。 世界航空发达国家的飞机自动化装配技术 , 已从由单台数控自动钻铆机和数控托架组成的自 动钻铆系统向由自动化装配工装、模块化加工单 元[7 ] 、数字化定位和检测系统、复杂多轴数控系统 和离线编程与仿真软件等组成的的自动化装配系 统发展 ,大部分基于 CA TIA 平台进行设计 ,保证 了装配系统与飞机产品的数字化协调。国外大型 飞机自动化装配技术基本上按装配产品的结构形 式和特点来发展 ,国外发展的自动化装配系统主 要有柔性机翼壁板装配系统、柔性翼梁装配系统、 复合材料升降舵柔性装配系统、机身壁板集成单 元 ( IPAC) 、机器人柔性装配系统、机身柔性装配 系统等。图 2 和图 3 总结了国外在机翼和机身装 配自动化的应用情况[ 3 ] 。 机翼柔性壁板装配系统以空客系列飞机机翼 壁板柔性装配系统为主 ,包括空客 A320/ E4000/ E4320 , A340/ E4100/ E4150 , A380/ E380 等机翼 壁板柔性装配系统。 图 2 　机翼的装配系统 Fig12 　Assembly systems of wing assembly tasks 637 　第 3 期 许国康 :大型飞机自动化装配技术　　　　　 图 3 　大型飞机机身结构及其自动化装配应用情况 Fig13 　Structure of large aircraf t fuselage and assembly systems in use 　　柔性翼梁装配系统源于波音公司的自动化大 梁装配设备 ( ASA T) 计划。ASA T 计划起始于 B767 翼梁的自动化装配系统 ,随后不断发展并集 成到大多数波音民机 ( B767/ ASA T1 , B777/ ASA T2 ,B737/ ASA T3) 生产线上 ,而用于 C217 大型军用运输机翼梁装配的 E5000 ( ASA T4) 属 于第 4 代自动化翼梁柔性装配系统。这两类柔性 装配系统最显著特点是都采用了电磁铆接动力头 和决定性柔性装配工装 ,能适应不同规格和尺寸 的壁板或翼梁的柔性装配。 德国 BR ; TJ E 公司开发的机身集成装配系 统 ,则采用了基于模块化的 PO GO 柱单元的柔性 工装系统、自动钻铆和环铆技术 ,并在波音和空客 等飞机机身装配上得到了普遍应用。 机器人装配系统主要用于机体壁板装配以上 较高一级装配水平如翼盒、机身段的装配等。 Elect roimpact 公司与空客英国公司联合开发了 一种机器人柔性装配系统 ,用于机翼壁板与骨架 737 　　　　　　 航 　空 　学 　报 第 29 卷 的装配 ,该系统集成了 4 种主要功能 :压紧壁板、 探测壁板 (厚度)并钻孔、孔检测、插入螺栓或环槽 钉并安装。西班牙 SERRA 公司提供了一套基于 Tricept805 虚拟轴机器人的装配系统用于 A380 复合材料尾翼扭力盒的自动化装配 ,包括制孔和 安装单面紧固件等。 复合材料升降舵柔性装配系统是空客公司为 实现空客系列飞机复合材料平尾升降舵的柔性装 配而研制的。系统可自动完成后缘的测量和校 准、上下壁板钻孔和锪窝、铆钉选择和供给、注胶、 铆接、壁板表面波纹度测量等过程。 飞机复合材料结构自动化装配系统的最新进 展是 B787 机身第 43 段 (图 4)的复合材料整体筒 体与钛合金框件的自动化装配[8 ] 。该系统采用内 外两套独立的装置 ,在装配时实现自动定位、夹 紧、制孔、安装环槽钉并完成环圈自动镦铆 ,铆接 驱动依靠电磁铆接动力头实现 ,目前已在日本三 菱重工投入使用。图 5 是该系统的总体布局。 飞机总装线上“传统意义的”装配对接过程使 用大型的固定对接平台以保证每一部件 (机身、机 翼等)能准确地定位在装配站位上 ,这些对接平台 通常依靠人工进行装配和调整。而与传统的对接 平台相比 ,目前西方在大型飞机总装中普遍采用 的自动对接系统具有如下的优势 :机体装配质量 大幅提高 ;装配自动化 ,效率高 ,周期短 ;能够适应 不同尺寸的机身机翼结构 ;通用性强 ;节省大量装 配工装费用。自动化对接系统主要由计算机控制 的自动化千斤顶 (或称为定位器) 、激光测量系统 和控制系统组成。 3 　自动化装配中的先进装配方法 在大型飞机自动化装配中 ,波音、空客公司都 采用了先进的装配理念和方法 ,如决定性装配方 法、以骨架为基准进行自动化装配、基于柔性装配 工装的壁板装配方法等。 (1) 决定性装配方法 决定性装配 (Determinant Assembly 或 De2 terminate Assembly) 又称 DA 装配 ,它是将零件 设计成按预先定义的界面进行装配 ,而不需要定 位工具或复杂的测量和调整 ,其优势是可减少工 装 ,进而降低成本 ,缩短生产准备周期[9210 ] 。 按照波音公司的定义 ,决定性装配方法具有 如下特征[ 11 ] : ①利用零件或组件关键特性之间的 空间关系 ; ②关键特征在工程数字化设计时进行 定义 ; ③关键特征借助精确的数控机床在适当的 时间用于零件的制造和装配过程 ; ④装配件不是 按工装、而是依照工程设计来进行制造 ; ⑤取消了 复杂的专用工装。 作为设计面向制造和装配 (DFMA) 理念的一 部分 ,决定性装配方法利用坐标孔和零件特征将零 件组合在一起 ,保证装配件的一致性和高装配质 量。由于取消了昂贵的专用工装 ,在产品研制和改 型时大大减少了生产准备费用 ,同时由于修配和定 位的工作量降至很低 ,装配工作量也大大减少。 B777 ,B787 , A3402600 , A380 等飞机的装配 都采用了决定性装配技术。图 6 显示了 A380 在 机翼壁板自动化装配中 ,采用决定性装配方法进 行机翼壁板长桁定位[ 9 ] 。 (2) 以骨架为基准进行自动化装配 以骨架为基准进行装配大量用于金属结构的 机翼机身壁板与骨架结构的装配 ,该方法的优点 是利用精确保证的骨架外形进行蒙皮/ 壁板的装 配 ,壁板或蒙皮可用束紧带进行压紧 ,取消了卡 板 ,简化了装配工装 ,节省了工装费用 ,有利于装 配的自动化。这种装配方法需要骨架的高精度和 高刚度 ,同时要精确控制蒙皮/ 壁板的厚度误差 , 否则对于部件的外形公差难以保证。 837 　第 3 期 许国康 :大型飞机自动化装配技术　　　　　 图 6 　A380 机翼壁板装配工装 ,长桁部分定位 Fig16 　Completed A380 panel2build fixture with stringers partially loaded (3) 基于柔性装配工装的壁板装配方法 目前国外在部装阶段复合材料壁板与骨架的 装配中采用了结合柔性装配工装的自动化装配技 术。该技术主要解决如下问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 : ①代替昂贵的刚性装配工装、元件或气囊压 紧装置。 ②保证壁板外形精确定位 ,满足现代军用飞 机严格的外形准确度及表面平滑度要求。 ③壁板外形的精确定位还能减少装配时的打 磨和充填工作 ,同时减少自动制孔时的测量和调整 工作、减缓制孔时引起的振动 ,保证制孔质量。 ④应用可控压力挤出液态垫片材料。而液 态垫片用于补偿复合材料壁板与骨部骨架之间由 于复合材料制件相对粗糙的内表面及其较大的厚 度误差而造成的装配间隙 ,以满足自动制孔的要 求。 ⑤在液态垫片硫化或固化期间能够保持壁 板外表面 (理论外形)的定位。 ⑥具备足够的柔性和可重组性 ,减少购置成 本。 图 7 显示了采用壁板柔性装配技术的空客系 列民机复合材料尾翼自动装配情况[12 ] 。 图 7 　复合材料方向舵自动铆接柔性装配系统 Fig17 　Automatic riveting flexible assembly system for composite elevator t railing edges 4 　国内现状及发展建议 由于目前国内飞机装配仍大量采用手工定位 或半自动定位 ,以手工作业为主 ,仅自动钻铆技术 在支线飞机和转包生产中有少量应用 ,自动化装 配技术研究处于起步阶段 ,有关主机厂和研究所 在大部件柔性对接和精加工系统、壁板自动化装 配系统、翼面结构制孔系统和柔性装配技术等方 面已投入研究 ,已取得部分成果。但目前飞机自 动化装配系统在国内工程应用上是空白。 针对国内对大型飞机研制和生产的需求 ,对 国内飞机自动化装配技术提出如下发展建议 : (1) 国内飞机装配中人工装配仍然占据主要 地位 ,与国外相比有巨大的差距 ,因此要大力发展 自动化装配技术。发展自动化装配技术的关键是 模块化结构的自动化装配系统 ,其核心技术为 :自 动化装配工装单元技术 ;自动化加工单元技术 ;装 配自动化检测技术 ;自动化装配系统集成技术 ;装 配数字化定位技术 ;数字化装配工艺规划技术等。 (2) 与金属结构相比 ,复合材料结构高质量、 高效率装配对自动化装配技术的需求更强烈 ,同 时考虑到复合材料制件加工时的污染问题 ,首先 应解决复合材料构件装配时的自动修边、壁板自 动定位和自动制孔问题。复合材料结构装配时应 考虑加液态垫片等措施进行柔性补偿。 (3) 针对大型飞机的结构特点 ,要配置的自 动化装配系统包括机翼壁板柔性装配系统、翼梁 柔性装配系统、尾翼结构自动装配系统、机翼部装 机器人装配系统、机身壁板装配系统、机身环铆装 配系统、总装自动对接系统、自动制孔系统等。 (4) 发展自动化装配技术 ,应大力发展先进 的装配检测技术 ,重点发展装配件外形数字化检 测技术、先进泄漏检测技术、复合材料自动化无损 探伤技术、自动化装配过程在线检测技术等。 (5) 大型飞机结构自动化装配的有效实现 , 要贯彻飞机产品数字化设计/ 制造一体化的并行 工程理念 ,实现面向制造和面向装配的设计。 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 　谢良兵. 国产大飞机 :不确定的起跑线 [ EB/ OL ] . 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