飞机数字化柔性装配关键技术及其发展

成的薄壳结构，特点是形状复杂、连
接面多、工艺刚性小，在加工、装配
过程中都会产生变形。
邹方： １９８７年毕业于华中科技大学计算机数字 控制专业，工学硕士。现在北京航空制造 工程研究所工作，自然科学研究员。多年 从事数控系统研制和应用工作，曾获部 级科技进步二、三等奖。主持开发了我国 首台具有完全自主知识产权的柔性多点 拉形模具，并申请国防发明专利２项。目 前承担了多项国防基础科研和总装的 “飞机柔性装配技术”课题，开展该领域 的系统控制与集成技术的研究
且大大减少了工具和工装。在 Ｆ－３５ 紧、送料、机器人钻孔等技术，研制
军机的研制方面，波音公司应用 的研制和生产过程中，洛克希德·马 出一台 ８ ． ５ ｍ 高的柔性装配单元样
数字化装配技术，通过采用根据零部 丁公司采用了先进的模块化柔性自动 机，并已通过 Ａ３８０ 上某机翼肋板的
件关键特征信息，以较少的安装工作 化装配工艺和系统，该装配系统是一 加工测试。
快速定位不同零部件的确定性装配技 个作为装配工艺的一部分而无缝集成
波音公司的精确机身装配 Ａ Ｆ Ａ
术（Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｎｔ Ａｓｓｅｍｂｌｙ），取消了 的全系统，集成了包括制孔、锪窝、 和机身装配改进团队 ＦＡＩＴ 采用快速
巨大的装配型架，以一种通用支架作 铆接等装配技术和设备，还包括数据 组合（Ｓｎａｐ－ｔｏｇｅｔｈｅｒ）装配技术，通
SPECIAL PAPER
了虚拟装配技术、无型架装配技术、 型架安装和检修中基于数模采用了激 一半，从订货到交付仅用一年时间，
柔性装配工装技术、激光定位技术和 光跟踪和 ＣＡＴ（计算机辅助经纬仪） 最终目标是实现每日生产一架。
自动钻铆技术等自动化装配技术。 技术。在军机研制和转包生产项目
在民机研制方面，空客公司为在
（Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ， ｆａｓｔｅｎｉｎｇ， 用激光定位、电磁驱动等技术实现精 低机翼装配成本和缩短装配周期。
ａｓｓｅｍｂｌｙ， ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ， ａｎｄ 密钻孔，不仅降低了钻孔出错率，而 ＡＷＢＡ ＩＩ 项目集成了测量、定位、夹
ｔｏｏｌｉｎｇ）等研究项目，见表１。
装配关键特征树
务，尺寸调整复杂困难，严重影响飞 机的交付周期；
（２） 由于飞机的部件与全机身装
产品图
装配后的产品
配的自动化水平低，严重影响了飞机
的有效装配时间和加工质量的一致
性，装配效率低；
（３） 模拟量移形技术协调问题多， 约占整个新机研制技术问题的 ８０％，
产品零件图
制造后的零件装配 制造
严重影响周期；
（４） 由于工装制造精度要比产品
精度高 ２ 倍，周期约占新机研制周期
图１ 设计、制造与装配关键特征表达
的 ２ ／ ３ ，一架飞机大约有 ５ ０ ０ ０ ０ ～
６００００ 项工装，制造工时约相当于试 接和无缝校准对接，完成组件、部件
（１） 大量薄壁板零件存在弹性变
制 １ 架飞机的 ６ 倍，费用占新机研制 和机身的装配连接等的综合性系统工 形，但还要保证飞机严格的气动外
件主要是钣金件或复合材料壁板件组 来引进了大量先进的数控机床，飞机
零件数控加工能力得以大大加强，飞 机零件的制造周期大大缩短了，加工 质量也大大提高了。但是飞机的部件 装配与全机身装配仍然沿用原来的传 统方法，与先进的数控加工手段形成 了强烈的反差。飞机的装配技术已成 为制约我国飞机快速研制的巨大障 碍。随着飞机性能要求的提高，交付 周期的缩短，更新换代越来越频繁 等， 对飞机的装配技术提出了更高的 要求。
飞机装配是飞机制造过程的主要 环节。飞机装配过程就是将大量的飞 机零件按图纸、技术要求等进行组 合、连接的过程，分为部装（零件→组 合件→段件→部件）和总装（各部件→ 全机身）。飞机的设计制造难度大，周 期长，不仅表现在它的零件数控加工 量大，而且表现在它的装配复杂性和 难度。飞机的装配工作量约占整个飞 机制造劳动量的 ４０％～５０％（一般的
为支撑样机的主要工装，利用 ４ 台 的收集、设备安全保障、控制过程的 过“超级壁板”上的精密孔，借助激
Ｚｅｉｓｓ激光跟踪仪对部件进行空间定 监测、装配仿真建模等功能，缩短飞 光安装与定位调整使得“超级壁板”
位，来完成装配工作。
机装配制造周期２／３，单机由１５个月 与其他零件实现自动定位，从而简化
在数字化连接装配技术上，国内 缩短至 ５ 个月，而工艺装备则由 ３５０ 了装配工装夹具。１９９９ 年 １１ 月波音
造成我国目前飞机交付周期长和 术、数字控制技术，采用各种数控装 能的关键技术之一。飞机装配有如下
装配质量差的技术原因主要是：
配工具，实现自动化夹持、制孔、铆 特点。
（１） 飞机构件的种类多、结构复
杂、部件连接件极多，需要大量的装 配型架。每一次新机研制或改型均会 产生大量的部件装配设计和制造任
制造关键特征 产品关键特征树
费的 ２５％ 左右，并且管理复杂。
程。柔性装配技术能适应飞机部件品 形；
柔性装配的关键技术
种规格、批量、装配工艺、场地和时
（２） 结构复杂、零件和连接件数
间的变化要求，在有限的场地内快速 量巨大；
表 ２ 装配过程与相关技术、平台和设备
（３） 需用特殊的工艺装备来保证 装配的准确度；
阶段划分
关键技术
１． 机身蒙皮壁板柔性铆接装配系统 ２． 便携式五坐标数控钻孔系统 ３． 龙门式打铆设备 ４． 柔性高速铆接机床 ５． 柔性导轨式打孔机
信息量大。 飞机的数字化柔性装配是一项系
统工程，其数字技术贯穿于飞机装配 的全过程，计算机信息技术占有很重 要的地位。数字化柔性装配技术的应 用是当前国内外飞机制造业数字化制 造的大趋势，不仅能够克服传统飞机 制造（模线 － 样板法）模拟量协调体 系下装配工装应用单一、制造周期 长、制造费用高、协调需要大量实物 工装等缺点，而且，通过与自动化制 孔设备、数控钻铆机或自动铆接设备 和工业机器人等自动化设备的集成，
·５ 家飞机制造公司： Ａｉｒｂｕｓ ＵＫ，Ａｉｒｂｕｓ Ｅｓｐａｎａ， Ａｌｅｎｉａ， Ｓａａｂ，ＢＡＥ ＳＹＳＴＥＭＳ ·４ 家工具设备提供商： Ｈｙｄｅ， Ｎｏｖａｔｏｒ， ｍＴｏｒｒｅｓ ａｎｄ Ｌｅｉｃ ·１ 所大学： Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｌｉｎｋšｐｉｎｇ
绩，逐渐树立了“设计面向 制造”的设计理念。在一些 先进的单项工艺技术上开 展了研究工作，如自动化制 孔和铆接技术、自动化定位 及检测技术等，并在工装上 作了适当的改进，在民机转 包和民机生产方面部分采
通过“九五”、“十五” 期间对国外先进工艺技术 的跟踪和学习，国内在数字 化设计制造技术上有了明 显的进步，在产品数字化定 义技术上取得了一定的成
参加单位
·４ 家飞机制造公司和研究所： Ａｉｒｂｕｓ ＵＫ，ＢＡＥ ＳＹＳＴＥＭＳ Ｍ Ａ ＆ Ａ ，Ｂ Ａ Ｅ Ｓ Ｙ Ｓ Ｔ Ｅ Ｍ Ｓ Ｓｏｗｅｒｂｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ， Ｂｏｍｂａｒｄｉｅｒ Ｓｈｏｒｔｓ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ·４ 所大学： Ｃｉｔｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｒａｎｆｉｅｌｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ，Ｎｏｔｔｉｎｇｈａｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓａｌｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
２ ０ ０ ６ 年第９ 期 航空制造技术 31
专 稿 SPECIAL PAPER
用了自动化装配技术，这些工作为我
数字化柔性装配是建立在计算机 完成装配任务，达到优质、高效、低
国开展柔性装配技术的研究提供了一 数字信息处理平台上的融合飞机的全 成本、节省时间。先进的飞机柔性装
定的研究基础。
数字量协调体系，应用计算机信息技 配技术是保证飞机部件和飞机整体性
装配测试
１． 自动激光超声检测技术 ２． 外形数字化柔性测量技术 ３． 数字化检漏技术
１． 激光超声波检测仪 ２． 三维光学成像测量系统 ３． 便携式计算机辅助红外照相测量系统
可以组成数字化柔性装配系统。 飞机的装配一般分为４个阶段：
装配设计、装配准备、装配进行、装
进入９０年代，人们越来越重视飞 中，各主机厂都不同程度地采用了这 ２００５ 年实现每月生产 ３８ 套机翼，在
机的装配技术。最为著名的有欧洲 种技术。
机翼翼盒自动装配研究项目的第二期
ＪＡＭ（Ｊｉｇｌｅｓｓ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ
洛克希德·马丁公司在先进军机 （ＡＷＢＡ ＩＩ，１９９８ 年启动，为期２年）
Ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ）、欧洲 Ａ Ｄ Ｆ Ａ Ｓ Ｔ 研制中采用了“柔性装配技术”，应 中考虑了多种柔性装配技术，以便降
１． 柔性装配工装技术 ２． 计算机数字控制技术 ３． 装配仿真控制技术 ４． 柔性装配工艺设计技术 ５． 尺寸工程技术
１． 自动化高精度机身校准设备 ２． 经济实用的可重构工装 ３． 飞机蒙皮壁板工装 ４． 辅助测量装配系统（ＭＡＡ）
１． 自动电磁铆接技术 ２． 柔性制孔技术 ３． 信息集成技术 ４． 激光跟踪定位技术 ５． 机器人全闭环定位技术
有一些型号利用数模作为样板，并在 件减少到１９件，同时，制造成本降低 公司交付了首架采用该技术的 Ｂ７４７
表１ 欧洲大型飞机装配研究项目
客机。 目前，国内仍大量采用
欧洲 Ｊ Ａ Ｍ 项目
欧洲 Ａ Ｄ Ｆ Ａ Ｓ Ｔ 项目
基于模拟量协调体系、以传
工作时间 ３６个月（１９９８．６～２００１．６）
３９ 个月（２００１．１～２００４．３）
研究内容
·在线过程测量 ·机器人技术应用 ·最小化工装的运动学体系 ·面向无型架装配设计
·改良的连接系统（Ｗ Ｐ １）； ·新颖、经济、实用的重构工装系统 Ａ Ｒ Ｔ （Ｗ Ｐ ２ ）； ·集成的测量系统（Ｗ Ｐ ３）。
装，数字化工装的设计和应 用水平还较低，特别是军机 的装配，还采用固定工装型 架、以手工装配为主的方 法，飞机数字化柔性装配研 究和应用基本处于空白。
设计平台和设备
（４） 技术涵盖面宽，需要管理的
装配设计 装配准备 装配进行
１． 全尺寸飞机数字设计技术 ２． 无型架设计技术 ３． 预装配仿真技术 ４． 飞机装配工艺技术 ５． 可拆卸式多功能终端执行器技术
１． 计算机辅助设计工作站 ２ ． 三维 Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ Ａ Ｍ ／ Ｃ Ａ Ｅ 软件 ＣＡＴＩＡ、ＵＧ、ＰＲＯ／Ｅ ３． 有限元分析软件 ＡＮＳＹＳ
专 稿 SPECIAL PAPER
飞机数字化柔性装配 关键技术及其发展
北京航空制造工程研究所 邹 方 薛汉杰 周万勇 许国康
飞机数字化柔性装配是飞机数字化制造的一个重要环节， 包括飞机装配工艺技术、柔性装配工装技术、激光跟踪测 量技术、计算机数字控制技术、机器人全闭环定位技术、移 动定位平台技术和装配仿真控制技术等。数字化柔性装配 技术的应用将推动全球飞机制造业向模块化、集成化、智 能化、经济化和绿色化方向发展
机械制造只占 ２０％ 左右）。装配型架
飞机由几万甚至几十万个零部件 的制造和安装精度对保证飞机的装配
组成，在结构上划分为机身、机翼、 质量有十分重要的意义。
垂直尾翼、水平尾翼、襟翼、副翼、升
飞机零件加工与装配的每一个环
降舵、发动机舵、舱门、口盖等。飞 节的好与坏，都会直接影响整架飞机
机的结构尺寸大，外形复杂，其结构 的性能指标。随着我国航空工厂近年
统装配型架为主的装配工
研究目标
·寻找一种新的技术途径，减少 飞机装配中的专用工装和夹具 ·研究一种方法，提高飞机产品 的研发效率 ·采用一种新的装配技术，提高 飞机产品制造和装配的柔性和生 产力
·通过采用经济实用的自动化系统来减少飞机装配 的费用 ·面向生产系统，开发一种高质量轨道式钻孔设备 ·开发一种新型的紧固钻铆系统，具有紧固钻铆化， 提高钻铆头的速度和负载控制 ·设计一种经济实用的重构工装系统（ＡＲＴ），具有 新颖的连接方式，采用机器人建立和操作工装模块 ·建立示范集成的测量系统（激光跟踪），显示它如 何为机器人钻孔系统和紧固设备提供高精度定位能 力
国内外发展状况
自上世纪 ９０ 年代初波音公司的 Ｂ７７７ 采用无纸化设计开始全面实施 飞机数字化制造技术以来，数字化装 配技术在西方航空发达国家发展迅 速，是近年来国外先进飞机制造公司 提出的面向制造和装配的并行设计理 念关键的一环。数字化装配技术集成
30 百度文库空制造技术 ２ ０ ０ ６ 年第９ 期
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