飞机数字化装配技术研究

2023-02-01

1 飞机数字化装配技术研究的目的和意义

通过推动数字化装配技术在飞机制造中的发展和应用, 实现在数字化协同工作环境中进行数字模型装配件与数字装配工装的虚拟装配, 从而真正实现并行数字化装配工艺过程设计, 实现飞机的虚拟装配传递数据给装配信息管理系统, 实现飞机的装配信息的自动管理, 这样可以大大提高飞机装配质量, 缩短装配周期, 推动飞机制造技术的不断发展。

2 国内外目前技术状况

飞机装配技术是一项技术难度大、涉及学科领域多的综合性高技术, 目前装配工作在飞机生产过程中是最费时费力的, 长期以来一直困扰着飞机制造业, 严重影响着飞机研制、生产周期。我国与发达国家相比, 飞机年产数量少, 虽然原因是多方面的, 但其主要障碍在装配环节, 飞机装配技术比发达国家尤为落后。而飞机外形复杂, 内部空间紧凑, 零、标件数量巨大, 尤其是装配和安装周期长, 相互协调关系复杂, 质量要求严格。所以, 洛克希德·马丁飞机公司计划将以每月生产17架的速率生产JSF战斗机, 波音公司这类飞机是每月生产17.5架, 足见差距之大。

近些年来, 在飞机研制、生产过程中大量采用数字化设计制造技术、整体结构件NC加工技术、复合材料成形技术、光学仪器测量与安装技术等, 使飞机制造技术发生了革命性变革;另一方面, 零件制造可以分散并行进行, 而飞机装配总是由零组件、段件、部件到整机的顺序过程, 它牵动着整个飞机制造过程的各个环节。由于装配的复杂性等因素, 装配环节一直被数字化技术忽视, 因此一旦飞机装配采用数字化技术, 将成为飞机制造环节中提高飞机制造质量、缩短研制生产周期最有潜力的环节。

洛克希德·马丁飞机公司在研制JSF战斗机X-35过程中明确提出:采用数字化装配技术, 要使JSF飞机的装配制造过程的周期缩短67%, 其中单架周期要从15个月缩短到5个月;工艺装备由350件减到19件, 减少了95%;制造成本降低50%等。波音公司在研制X-32机也是这样, 当零部件汇集到JSF方案验证机总装地——加利福尼亚州帕姆戴尔时, 已见不到通常陪伴在飞机生产线上的巨大型架, 而取代这些型架的是一种通用支架, 用它支撑JSF的主要部件, 应用数字化技术用4部Zeiss激光跟踪仪对它们进行空间定位和其他装配工作, 并取得了很好的效果。

3 研究的主要技术目标和内容

(1) 建立基于飞机数字模型和装配工装数字模型的虚拟装配的并行数字化装配工艺设计系统, 并由此建立全数字量传递的飞机装配协调技术体系, 取代现在数字量和模拟量混合传递的装配协调技术体系。

(2) 实现飞机理论数字模型向飞机工艺数字模型的转换, 将飞机装配工艺设计的16个方面工艺要求和规定数字化, 并将其附加到飞机理论数字模型上, 建立飞机工艺数字模型。

(3) 建立飞机装配标准工艺数据库和专家知识库。

(4) 实现飞机装配工时的计算与管理。

(5) 生成以飞机部件或以装配单元的零件、成件、标准件、工具清单, 并传递给飞机装配生产管理系统。

(6) 改进和优化装配工装设计, 提高装配工装的人机功效和美观。

4 技术的主要创新点

(1) 飞机装配标准工艺与专家数据库的建立。

总结飞机装配的工艺方法和经验, 分析飞机装配的各种技术规定, 将通用性强的、典型的装配工艺规程整理成装配工艺标准, 同时将成熟的先进的经验数字化, 从而形成飞机装配标准工艺与专家数据库。

(2) 容差分配模型的建立。

这是飞机装配协调的关键。飞机从设计规定的容差分配到工艺容差分配、工装容差分配, 再形成产品的实际容差, 是由飞机制造的协调方法、协调路线确定的。在数字化环境条件下, 要将飞机数字的理论模型和结构模型用于装配工艺, 减少协调路线, 简化协调方法, 就必需将从设计容差分配转换形成的工艺容差分配数字化, 并附加在飞机部件和零件的结构模型上, 从而形成部件的容差分配模型。

(3) 零部件交接状态数字模型的建立。

将作为装配工装设计技术条件、装配大纲编制、模线设计等依据的, 满足装配定位、工艺补偿、确定孔位的, 对零件提出的导孔、装配孔、定位孔余量等附加到前面的容差分配模型上, 形成零部件交接状态数字模型。

(4) 装配连结模型的建立。

在前述的零部件交接状态数字模型的基础上, 按设计的要求, 定义装配基准和连结结构的几何模型, 即将零件上孔的位置、数量、连接用标准件附加上, 从而形成飞机部件的工艺模型。

(5) 产品工艺模型与装配工装模型的虚拟装配。

要用产品的工艺模型模拟飞机的真实装配过程, 必需将部件中零件的工艺模型在装配工装数字模型上按装配大纲进行装配, 综合检测容差分配是否合理、产品结构与装配工装结构是否干涉、装配的工艺性是否科学、工装的开敞性、产品结构的定位夹紧方式是否合理方便等。

上述工作完成后, 统计部件上的零件、成件、标准件、工具等的清单列表。

(6) 建立飞机数字化装配标准及其规范。

在建立飞机数字化装配系统之后, 需要制定用于指导产品结构数字和数字工装的虚拟装配具体工作的相关标准及规范。编制相应标准和规范, 使设计人员产品建模符合数字化装配的要求, 规范装配工艺人员的具体虚拟装配工作, 对于哪些类型的结构产品, 应采取什么方法进行数字化装配。建立共享数据库修改规范, 约束零件、工装设计与装配仿真人员, 以指导各相关人员之间的协调作业;建立规范以明确装配过程设计对产品数字化定义的要求, 允许装配人员将装配过程中需要的信息定义在产品模型中。最后还需要确定产品虚拟装配结果验收的标准。只有建立了相关标准和规范, 产品数字模型和数字工装的虚拟装配才能真正工程化并得到推广应用。

(7) 建立产品连接的标准件库。

产品装配中使用的各种标准件, 以参数化的方式建立标准件库, 并以方便、快捷的方式进行查询、调用。