国外飞机柔性装配技术_郭恩明

1、航空工业是国家经济建设和保卫国家安全的战略性产业，它的产品现代飞行器集当今多项高新技术于一体，被誉为现代科技之花。国外飞机柔性装配技术北京航空制造工程研究所所长郭恩明 郭恩明：中国一航北京航空制造工程研究所所长兼党委书记、自然科学研究员，并兼任总装备部先进制造技术专家组副组长、中国航空学会常务理事、中国复合材料学会副理事长、中国无损检测学会理事、航空材料中心理事会理事等职务。曾多次获得国家级科技进步奖、部级科技进步奖和光华基金奖，多次在型号研制中立功。年享受政府特贴，年被授予中国航空工业有突出贡献专家称号，年获国防科工委有突出贡献的中青年专家称号、并入选国防科技工业“人才工程”高级管理人才经济

2、发达国家把航空工业作为拉动国民经济相关产业的支柱产业，得到了持续的发展，同时也带动了其他高新技术特别是高新制造技术的飞速发展。在航空产品（包括飞机、发动机和机载设备等）的制造中，飞机装配是将零件（或组件、部件）按照设计和技术要求进行组合、连接形成高一级的装配件或整机的过程。飞机装配由于产品尺寸大、形状复杂、零件以及连接件数量多，其劳动量占飞机制造总劳动量的一半左右甚至更多，因此经济发达国家对飞机装配技术十分关注，并投入巨资进行研发。迄今为止，装配技术已经历了从手工装配、半机械半自动化装配、机械自动化装配到柔性装配的发展历程。社会的需求、市场竞争及相关技术的不断发展，推动着装配技术不断向更高水平

3、演进。目前国外蓬勃发展的柔性装配技术是一种能适应快速研制和生产及低成本制造要求、设备和工装模块化可重组的先进装配技术。它与数字化技术、信息技术相结合，形成了自动化装配技术的一个新领域。柔性装配技术的范畴很广，涵盖了柔性装配工装、柔性制孔、装配系统、装配（含装配工艺）设计、虚拟装配、装配集成管理、数字化检测、面向柔性装配的设计等技术领域。本文仅从柔性装配工装、柔性制孔、柔性装配系统、数字化检测技术等几个方面就柔性装配技术在国外的现状及发展做简要的介绍。装配技术已经历了从手工装配、半机械半自动化装配、机械自动化装配到柔性装配的发展历程。目前国外蓬勃发展的柔性装配技术是一种能适应快速研制和生产及低成

4、本制造要求、设备和工装模块化可重组的先进装配技术。它与数字化技术、信息技术相结合，形成了自动化装配技术的一个新领域28航空制造技术年第期柔性装配工装是基于产品数字量尺寸协调体系的、可重组的模块化、自动化装配工装系统，其目的是免除设计和制造各种产品（如飞机壁板、翼梁等）装配专用的传统装配型架夹具，从而降低了工装制造成本，缩短工装准备周期，同时大幅度提高装配生产率。柔性装配工装在国外飞机制造中体现得特别明显，典型的应用有飞机壁板柔性装配工装、翼梁柔性装配工装、水平安定面升降舵柔性装配工装（空客飞机）、机身柔性装配工装和总装用的柔性对接工装系统等。飞机壁板柔性装配工装是一种多点阵成形真空吸附式万能柔

5、性工装系统，它是一组带真空吸盘的立柱阵列，模块化的立柱可由程序控制三维移动到空间任何位置定位，生成与装配件曲面完全符合并均匀分布的吸附点阵，能精确和牢固地夹持壁板以便完成钻孔、铆接和铣切等装配工作。当壁板外形发生变化时，工装外形和布局自动进行调整，通过改变定位和夹紧位置，可以适应不同的零部件结构和定位装夹要求，从而降低了综合成本，也缩短了工装准备周期和产品的研制周期。类似的柔性装配工装还用于翼梁、升降舵、机身的柔性装配和环铆系统中。表列出了基于多点阵成形真空吸附式柔性工装近余年来国外的应用情况。从表中可以看出，自上世纪年代初开始，这种柔性工装技术已广泛应用于戴姆勒奔驰宇航、波音、麦道、格鲁门、

6、英宇航、空客、庞巴迪宇航等公司军民用飞机的柔性装配和生产中。29航空制造技术年第期柔性装配工装技术表国外航空航天装配领域多点阵成形真空吸附式柔性工装的部分应用情况用户柔性工装用途时间（年）戴姆勒奔驰宇航（德国）戴姆勒奔驰宇航（德国）波音（，美国）波音（，美国）波音（ ，美国）麦道（，美国）格鲁门（，美国）（西班牙）戴姆勒奔驰宇航（德国）戴姆勒奔驰宇航（德国）麦道（，美国）格鲁门（，美国）英宇航（英国）（西班牙）戴姆勒奔驰宇航（德国）空中客车西班牙公司（恩布雷，巴西）波音（，美国）（西班牙）（德国）（德国）（德国）（意大利）（荷兰）庞巴迪宇航（英国）波音（长滩，美国）激光切割，化铣层预加工修整（

7、铣）、钻孔柔性工装，具有个夹持位和个可控坐标轴柔性工装，带个支点和个可控坐标轴（套）柔性工装，带个被动式气动支柱，可向移动环形柔性工装，配环铆机系统（套）修整（铣）、钻孔修整（铣）、钻孔（加工缘条和匝框）激光焊接激光表层处理环形柔性工装，配环铆机系统（套）修整（铣）、钻孔，加工缘条和隔框组件（台）修整（铣）、钻孔，激光表层处理修整（铣）、钻孔修整（铣）、钻孔空客飞机平尾复合材料结构升降舵铆接装配修整（铣）、钻孔激光表层处理激光表层处理壁板自动化装配激光焊接复合材料零件钻孔和修整激光切割，化铣层预加工镜面蒙皮修整（铣）、钻孔单元柔性工装环形柔性工装，配环铆系统穿梭车（台）飞机壁板柔性装配工装钻孔

8、设备、便携式自动制孔系统等几个方面。机器人制孔应用得比较成熟，如复合材料垂尾壁板利用辛辛那提米尔康机器人进行钻孔、飞机梁腹板用机器人进行自动制孔、波音超级大黄蜂后沿襟翼的（）机器人制孔系统等。 机器人制孔的最前沿应用，包括洛克希德马丁公司的飞机碳纤维环氧复合材料机翼上壁板制孔用的大型龙门式钻孔系统（）。该系统带有便携的、灵活、低成本且重量轻的机器人，它使用激光定位系统、电磁马达和“压脚”（）进行精密钻孔，加快了装配过程，并形成紧配合，产生的表面光滑，间隙小，满足了飞机气动和耐久性的要求。由于具有上述优势，、和项目都对该系统进行评估并准备用于相应的装配作业。自动化制孔系统对批量生产的大型构件可以

9、实现高效、高质量、低成本的自动柔性制孔。运载火箭阿丽亚娜号在结构制造过程中，通过使用两套自动制孔系统，提高了生产能力和质量，改善了柔性装配工装比较有特色的另一种形式是公司开发的、被称为“行列式高速柱阵”的柔性装配工装系统，它已广泛用于空客系列 飞机的机翼壁板和波音公司大型军民用飞机翼梁的柔性装配生产中。在空客系列飞机机翼壁板柔性装配工装上可完成、等系列飞机机翼壁板的装配，它具有模块化（特性）、数字化、自动化的特点。在总装阶段，由于柔性装配技术的发展，传统的对接平台精加工台已逐渐被由计算机控制的自动化千斤顶、激光跟踪定位系统、激光准直定位系统等组成的柔性对接平台所取代，并在波音、雷神等飞机公司得

10、到推广应用。采用柔性对接平台，能使机体装配质量大幅度提高，以满足新一代飞机气动外形高准确度的要求；它能自动控制，且操作简便，缩短了装配时间；能够适应不同尺寸的机身机翼结构，节省了装配工装的费用。现代产品特别是大型飞行器复杂整体结构的采用，机体结 构长寿命、高质量、高效率、气动等方面的要求，使装配制孔比以往要求更精、更严；同时，现代飞行器机体结构材料中复合材料、钛合金比重大幅度上升等，这些都为飞行器装配特别是大型飞行器的装配采用自动化柔性制孔提出了明显的需求。国外飞行器结构所应用的柔性自动化制孔技术及其发展包括：机器人制孔、自动制孔系统、柔性制孔系统、并联机床柔性30航空制造技术年第期空客系列飞

11、机机翼壁板柔性装配工装及壁板尺寸与装配工装相集成的阿丽亚娜号自动制孔系统端座下壁板号壁板轮廓线处于“清零”位的立柱工装立柱下壁板号壁板轮廓线后缘支座柔性制孔技术31航空制造技术年第期工作条件并减少了零件总数。波音公司、等飞机机舱地板都采用了自动化制孔系统。过去，装配中所有难于进行点定位的部分，都要用固定夹具定位后手工制孔。而现在采用自动化制孔系统则可进行自动定位和制孔，大大缩短了流程时间，提高了制孔质量，并可节省体力劳动及工具成本。自动制孔系统的最新发展是第一阶段机翼壁板装配用的轻便式自动制孔设备（）和（）。的特点是能从可拆卸的底座分离，并可安装到装配工装的不同位置进行制孔。是一种卧式自动化机

12、翼制孔系统，其独特性在于可以沿装配工装升降，并在不同位置上运行。最有特色的是该系统可以自动动态校正刀具轴，精度可以达到±。配有一种可重组柔性工装的长桁柔性制孔系统，可适应不同种类和规格长桁的自动化制孔。公司为完成机身的柔性装配，设计并制造了种自动钻孔系统（），这些机床是控制的六轴系统，它们构成了自动化机身柔性装配系统的一部分。制造与装配时，达到制孔自动化同时又降低成本是极其重要的。因此，低成本、柔性且满足高质量制孔要求的便携式自动化制孔系统，与配有大量刀具的复杂结构自动制孔系统相比，极具竞争优势。波音公司开发的模块化柔性导轨制孔系统正是属于此类。先进装配技术的重要发展方向是柔性装配系

13、统。目前，世界航空发达国家的飞机自动化装配技术已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柔性装配工装、柔性加工单元、数控定位系统（包括机器人）、柔性送料系统、视觉系统和数字化检测系统等组成的柔性装配系统发展。目前国外发展的柔性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、歍机身壁板柔性装配系统、机器人柔性装配系统、机身柔性装配系统（如波音的计划）等。空客公司研发了系列飞机机翼壁板柔性装配系统，用来实现空客（）、（）、（）等机翼壁板的柔性装配。柔性翼梁装配系统源于波音公司的计划。是自动化大梁装配工装的简称，它集成了电磁铆接技术和运动磁轭装配机技术，来

14、解决翼梁大型构件的自动化装配问题。计划起始于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机翼生产线上，最新的发展是（）第四代自动化翼梁柔性装配系统。上述两类柔性装配系统的最显著特点都是采用了电磁铆接动力头和行列式高速柱阵柔性装配工装，能适应不同规格和尺寸的壁板或翼梁的柔性装配。柔性装配系统是美国空军为开发长期制造成本减少战略而向波音提出的，可以说代表了新一代的装配连接技术，它占地面积很小，并具有很高的柔性。由一台配有电磁铆接动力头的垂直运动磁轭装配机和两台控制的柔性梁装配工装组成。每个装配工装都可以接受根梁中的任一根，梁间的结构重组完全是自动的并可在内完成。动力头采用全裕度设计，安

15、装在磁轭腿上，允许从梁的任一方向进行钻孔和安装紧固件，翼梁在整个装配过程中始终通过刚性夹持保持固定。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，它能适应空中客车系列、长桁柔性制孔系统 柔性装配系统柔性导轨模块式钻孔系统 （钻孔主轴已拆除）波音 翼梁柔性装配系统32航空制造技术年第期和型飞机的水平安定面升降舵后缘的柔性铆接装配。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。德国歍公司开发的机身壁板柔性装配系统，采用了基于模块化的柱单元的柔性工装系统和全电动铆接（借助于滚柱丝杠）技术，并在和

16、机身壁板上得到了应用。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的装配。该系统集成了种主要功能：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。这种系统是空客英国公司机翼制造过程自动化集成技术的开发和可行性研究的一部分。基于数字量协调的数字化柔性装配技术离不开数字化的检测和试验。国外目前在激光超声检测技术、几何量柔性测量技术、数字化密封试验和检漏技术等方面有长足的进步。在项目的竞争中，洛克希德马丁公司的数字化检测技术就是其战胜波音而获胜的关键技术之一。洛克希德马丁公司利用其先进的带有专利的激光超声检测技术，能够对复杂型面的复合材料零件进行的自动检测。此项技术目前已用于、的大型油箱、大梁、复合材料进气道、机翼蒙皮等的自动化空客西班牙公司的复合材料升降舵柔性装配系统检测，并显著地提高了生产效率，使得及计划的全寿命周期的检验成本减少约亿美元。空天飞机油箱也采用了这项技术。在几何量柔性测量技术方面