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飛機數字化裝配技術及裝備 版權信息
- ISBN：9787030656322
- 條形碼：9787030656322 ; 978-7-03-065632-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
飛機數字化裝配技術及裝備 內容簡介
本書是飛機數字化裝配基礎理論、關鍵技術、系統集成及工程應用方面的完整專著，目前未發現同類中文和英文書籍。理論方法部分介紹了數字化定位理論和結構裝配協調理論；關鍵技術部分介紹了數字化測量、柔性定位、自動化制孔及自動化鉆鉚技術；工藝裝備部分介紹了數控定位器、自動化調姿定位系統、機器人制孔系統、環形軌道制孔系統、機床制孔系統和自動鉆鉚機本書對于航空制造領域專家學者及有志于從事相關工程技術研究的人員具有重要參考價值。
飛機數字化裝配技術及裝備 目錄
目錄
序
前言
第1章緒論1
1.1概述1
1.2飛機結構裝配技術2
1.2.1裝配對象分析2
1.2.2裝配工藝流程4
1.3飛機結構裝配中的關鍵問題5
1.3.1柔性定位5
1.3.2位姿協調6
1.3.3現場加工8
1.3.4可靠連接9
1.4飛機數字化裝配技術11
1.4.1傳統模擬量協調裝配技術11
1.4.2數字化預裝配技術15
1.4.3數字化測量技術15
1.4.4柔性定位技術16
1.4.5自動鉆鉚技術18
1.4.6移動式總裝配生產線技術19
1.5飛機數字化裝配工藝裝備及系統集成19
1.5.1數控定位裝備19
1.5.2自動化制孔裝備20
1.5.3自動化鉆鉚機24
1.5.4裝配系統集成25
1.6本書總體框架與內容27
參考文獻28
第2章飛機數字化裝配測量技術30
2.1概述30
2.2飛機裝配測量場31
2.2.1飛機裝配測量場的主要組成要素31
2.2.2飛機裝配測量場構建與使用34
2.2.3飛機裝配測量場的作用35
2.3轉站測量技術36
2.3.1ERS點理論值標定36
2.3.2轉站測量原理37
2.3.3轉站測量算法38
2.4飛機裝配測量精度評價方法40
2.4.1不確定度類型40
2.4.2飛機裝配測量不確定度分析43
2.4.3測量不確定度建模46
2.4.4飛機裝配測量場的誤差估計53
2.4.5飛機裝配測量場的不確定度評定54
2.5ERS點空間布局設計與優化57
2.5.1ERS點布局基本原則57
2.5.2ERS點布局對轉站精度的影響59
2.5.3ERS點布局相對于裝配坐標系的位置和姿態對轉站精度的影響64
2.5.4ERS點布局設計原則66
2.5.5ERS點選擇優化方法68
2.6測量儀器工作位置的配置與優化68
2.6.1激光跟蹤儀工作位置優化方法69
2.6.2激光跟蹤儀工作位置約束70
2.6.3測量優化模型求解算法70
參考文獻73
第3章飛機數字化定位原理74
3.1概述74
3.1.1數控定位器75
3.1.2定位系統結構類型75
3.1.3位姿調整特性及其描述78
3.2定位系統運動學和動力學80
3.2.1定位系統運動學80
3.2.2定位系統動力學83
3.3定位系統內力分析92
3.3.1同步誤差引起的內力93
3.3.2定位誤差引起的內力94
3.3.3內力消除及控制方法96
3.4定位系統剛度分析99
3.4.1定位系統靜剛度99
3.4.2定位系統動剛度104
參考文獻109
第4章飛機數字化定位技術111
4.1概述111
4.2支撐點布局設計112
4.2.1組件支撐點布局設計112
4.2.2大部件支撐點布局設計125
4.3裝配對象位姿計算方法136
4.3.1裝配對象的位姿評價136
4.3.2單對象位姿計算方法137
4.3.3多對象位姿協調計算方法141
4.4調姿路徑軌跡規劃144
4.4.1運動學分析144
4.4.2支鏈軌跡規劃146
4.4.3*優時間軌跡規劃151
4.5大型飛機機身壁板定位變形預測及控制方法154
4.5.1變形預測與校正建模154
4.5.2變形預測與校正實例157
參考文獻161
第5章數字化定位系統設計163
5.1三坐標數控定位器163
5.1.1定位器結構設計163
5.1.2定位器運動學模型164
5.1.3定位器精度設計166
5.1.4定位器部件剛度配置方法174
5.2自適應入位176
5.2.1自適應入位機構176
5.2.2鎖緊力分析177
5.2.3球窩磨損分析180
5.2.4自適應入位算法185
5.3數字化定位控制系統設計188
5.3.1現場總線188
5.3.2基于現場總線的多軸協調運動控制技術189
5.3.3冗余驅動多軸協同運動控制系統191
5.3.4控制系統安全性、可靠性設計195
參考文獻198
第6章大型飛機結構裝配變形分析及控制200
6.1大型飛機結構裝配變形分析200
6.2大型飛機結構裝配偏差分析202
6.2.1裝配偏差來源及分類202
6.2.2裝配偏差建模205
6.2.3基于區間表達的裝配偏差計算209
6.2.4裝配偏差協調控制213
6.3大型飛機多體復雜結構裝配系統熱變形分析與控制214
6.3.1裝配系統熱變形建模214
6.3.2裝配系統熱變形相容性216
6.3.3基于自適應工裝設計的熱變形釋放方法222
6.3.4產品熱變形自適應工裝設計原理222
參考文獻236
第7章自動化制孔技術及裝備237
7.1概述237
7.2制孔系統坐標系238
7.2.1刀具坐標系238
7.2.2相機坐標系239
7.2.3手眼關系標定流程242
7.2.4位移傳感器坐標系242
7.2.5設備基坐標系244
7.3自動化制孔精度保障技術250
7.3.1制孔位置修正250
7.3.2制孔法向修正252
7.3.3锪窩深度補償254
7.4自動化鉆孔刀具256
7.4.1鉆锪一體化復合刀具256
7.4.2鉆锪制孔加工工藝258
7.5螺旋銑制孔技術260
7.5.1螺旋銑制孔刀具262
7.5.2制孔疊層界面在線識別方法265
7.5.3螺旋銑制孔工藝270
7.6自動化制孔裝備結構組成274
7.6.1多功能末端執行器275
7.6.2自動化制孔系統281
參考文獻286
第8章機器人鏜孔技術289
8.1概述289
8.2機器人鏜孔系統290
8.2.1系統結構290
8.2.2加工工藝流程292
8.2.3坐標系構建293
8.3機器人鏜孔位姿優化295
8.3.1機器人剛度模型295
8.3.2機器人剛度性能指標298
8.3.3機器人位姿優化方法301
8.3.4應用實例304
8.4機器人鏜孔位姿誤差補償309
8.4.1位姿誤差描述309
8.4.2基于點集匹配運算的位姿誤差補償309
8.4.3面向對象的位姿誤差補償314
8.4.4面向對象的位姿誤差補償方法的應用317
8.5機器人鏜孔動力學建模319
8.5.1刀具幾何外形建模319
8.5.2機器人系統剛度322
8.5.3切屑變形322
8.5.4犁耕效應323
8.5.5機器人鏜孔動力學模型326
8.5.6應用實例329
8.6機器人鏜孔穩定性分析333
8.6.1低頻振動機理研究及其抑制333
8.6.2高頻振動機理及系統穩定性分析340
8.6.3應用實例346
參考文獻353
第9章自動化鉆鉚技術及系統356
9.1概述356
9.2臥式鉆鉚機系統358
9.3臥式鉆鉚機運動學建模與分析360
9.3.1雙五軸機構關聯運動學建模360
9.3.2基于位姿協調的運動學參數聯合標定367
9.4臥式鉆鉚機結構剛度分析與優化377
9.4.1關鍵結構設計及剛度優化377
9.4.2鉆鉚機末端剛度分析與綜合383
9.4.3鉆鉚機壓鉚能力分析388
9.5壓鉚單元控制系統設計391
9.5.1壓鉚單元設計391
9.5.2壓腳時間*優控制系統設計393
9.5.3壓鉚過程力平衡控制系統設計406
9.6鉚接過程建模與試驗驗證409
9.6.1壓鉚過程*大壓鉚力建模410
9.6.2壓鉚過程有限元建模415
9.6.3模型準確性試驗驗證421
參考文獻429
第10章飛機數字化裝配系統集成及應用軟件431
10.1概述431
10.2系統組成及集成框架432
10.3數字化測量軟件設計434
10.3.1基于成熟商業軟件二次開發的自動化測量系統434
10.3.2完全自主開發的數字化測量系統436
10.4調姿對接控制軟件設計442
10.4.1模塊劃分442
10.4.2功能模塊設計444
10.5離線編程與仿真軟件設計451
10.5.1操作模塊劃分452
10.5.2操作模塊設計452
10.6自動化制孔控制軟件設計455
10.6.1基于MPI的軟件開發技術455
10.6.2功能模塊設計458
10.6.3操作流程模塊設計462
10.7工藝集成管理軟件設計463
10.7.1功能模塊劃分464
10.7.2功能模塊設計464
10.8基于數據和任務驅動的自動化裝配系統集成475
10.8.1系統數據集成475
10.8.2系統任務集成480
10.9飛機數字化裝配系統數據集成技術481
10.9.1數字化裝配數據分析481
10.9.2裝配數據多重結構定義486
10.9.3多重結構數據的關系模型488
參考文獻491
第11章飛機數字化裝配典型應用系統493
11.1組件裝配典型應用系統493
11.1.1大型運輸機活動翼面機器人自動制孔系統493
11.1.2C919/A321飛機壁板雙機器人自動制孔系統494
11.2部件裝配典型應用系統496
11.2.1大型運輸機機頭數字化裝配系統496
11.2.2大型運輸機中機身自動化裝配系統498
11.2.3大型運輸機后機身數字化裝配系統499
11.2.4大型運輸機外翼翼盒數字化裝配系統501
11.2.5中型運輸機中機身數字化裝配系統502
11.2.6某型飛機機翼部件數字化裝配系統503
11.3大部件對接裝配系統典型應用505
11.3.1某型飛機部件柔性對合及精加工系統505
11.3.2大型運輸機三段對接數字化裝配系統507
11.3.3大型運輸機中央翼外翼數字化對接系統507
11.3.4大型運輸機翼身對接裝配系統508
11.3.5ARJ21機身數字化對接系統510
11.4飛機總裝配生產線典型應用511
11.4.1某型飛機脈動式總裝配生產線511
11.4.2大型運輸機脈動式總裝配生產線512
序
前言
第1章緒論1
1.1概述1
1.2飛機結構裝配技術2
1.2.1裝配對象分析2
1.2.2裝配工藝流程4
1.3飛機結構裝配中的關鍵問題5
1.3.1柔性定位5
1.3.2位姿協調6
1.3.3現場加工8
1.3.4可靠連接9
1.4飛機數字化裝配技術11
1.4.1傳統模擬量協調裝配技術11
1.4.2數字化預裝配技術15
1.4.3數字化測量技術15
1.4.4柔性定位技術16
1.4.5自動鉆鉚技術18
1.4.6移動式總裝配生產線技術19
1.5飛機數字化裝配工藝裝備及系統集成19
1.5.1數控定位裝備19
1.5.2自動化制孔裝備20
1.5.3自動化鉆鉚機24
1.5.4裝配系統集成25
1.6本書總體框架與內容27
參考文獻28
第2章飛機數字化裝配測量技術30
2.1概述30
2.2飛機裝配測量場31
2.2.1飛機裝配測量場的主要組成要素31
2.2.2飛機裝配測量場構建與使用34
2.2.3飛機裝配測量場的作用35
2.3轉站測量技術36
2.3.1ERS點理論值標定36
2.3.2轉站測量原理37
2.3.3轉站測量算法38
2.4飛機裝配測量精度評價方法40
2.4.1不確定度類型40
2.4.2飛機裝配測量不確定度分析43
2.4.3測量不確定度建模46
2.4.4飛機裝配測量場的誤差估計53
2.4.5飛機裝配測量場的不確定度評定54
2.5ERS點空間布局設計與優化57
2.5.1ERS點布局基本原則57
2.5.2ERS點布局對轉站精度的影響59
2.5.3ERS點布局相對于裝配坐標系的位置和姿態對轉站精度的影響64
2.5.4ERS點布局設計原則66
2.5.5ERS點選擇優化方法68
2.6測量儀器工作位置的配置與優化68
2.6.1激光跟蹤儀工作位置優化方法69
2.6.2激光跟蹤儀工作位置約束70
2.6.3測量優化模型求解算法70
參考文獻73
第3章飛機數字化定位原理74
3.1概述74
3.1.1數控定位器75
3.1.2定位系統結構類型75
3.1.3位姿調整特性及其描述78
3.2定位系統運動學和動力學80
3.2.1定位系統運動學80
3.2.2定位系統動力學83
3.3定位系統內力分析92
3.3.1同步誤差引起的內力93
3.3.2定位誤差引起的內力94
3.3.3內力消除及控制方法96
3.4定位系統剛度分析99
3.4.1定位系統靜剛度99
3.4.2定位系統動剛度104
參考文獻109
第4章飛機數字化定位技術111
4.1概述111
4.2支撐點布局設計112
4.2.1組件支撐點布局設計112
4.2.2大部件支撐點布局設計125
4.3裝配對象位姿計算方法136
4.3.1裝配對象的位姿評價136
4.3.2單對象位姿計算方法137
4.3.3多對象位姿協調計算方法141
4.4調姿路徑軌跡規劃144
4.4.1運動學分析144
4.4.2支鏈軌跡規劃146
4.4.3*優時間軌跡規劃151
4.5大型飛機機身壁板定位變形預測及控制方法154
4.5.1變形預測與校正建模154
4.5.2變形預測與校正實例157
參考文獻161
第5章數字化定位系統設計163
5.1三坐標數控定位器163
5.1.1定位器結構設計163
5.1.2定位器運動學模型164
5.1.3定位器精度設計166
5.1.4定位器部件剛度配置方法174
5.2自適應入位176
5.2.1自適應入位機構176
5.2.2鎖緊力分析177
5.2.3球窩磨損分析180
5.2.4自適應入位算法185
5.3數字化定位控制系統設計188
5.3.1現場總線188
5.3.2基于現場總線的多軸協調運動控制技術189
5.3.3冗余驅動多軸協同運動控制系統191
5.3.4控制系統安全性、可靠性設計195
參考文獻198
第6章大型飛機結構裝配變形分析及控制200
6.1大型飛機結構裝配變形分析200
6.2大型飛機結構裝配偏差分析202
6.2.1裝配偏差來源及分類202
6.2.2裝配偏差建模205
6.2.3基于區間表達的裝配偏差計算209
6.2.4裝配偏差協調控制213
6.3大型飛機多體復雜結構裝配系統熱變形分析與控制214
6.3.1裝配系統熱變形建模214
6.3.2裝配系統熱變形相容性216
6.3.3基于自適應工裝設計的熱變形釋放方法222
6.3.4產品熱變形自適應工裝設計原理222
參考文獻236
第7章自動化制孔技術及裝備237
7.1概述237
7.2制孔系統坐標系238
7.2.1刀具坐標系238
7.2.2相機坐標系239
7.2.3手眼關系標定流程242
7.2.4位移傳感器坐標系242
7.2.5設備基坐標系244
7.3自動化制孔精度保障技術250
7.3.1制孔位置修正250
7.3.2制孔法向修正252
7.3.3锪窩深度補償254
7.4自動化鉆孔刀具256
7.4.1鉆锪一體化復合刀具256
7.4.2鉆锪制孔加工工藝258
7.5螺旋銑制孔技術260
7.5.1螺旋銑制孔刀具262
7.5.2制孔疊層界面在線識別方法265
7.5.3螺旋銑制孔工藝270
7.6自動化制孔裝備結構組成274
7.6.1多功能末端執行器275
7.6.2自動化制孔系統281
參考文獻286
第8章機器人鏜孔技術289
8.1概述289
8.2機器人鏜孔系統290
8.2.1系統結構290
8.2.2加工工藝流程292
8.2.3坐標系構建293
8.3機器人鏜孔位姿優化295
8.3.1機器人剛度模型295
8.3.2機器人剛度性能指標298
8.3.3機器人位姿優化方法301
8.3.4應用實例304
8.4機器人鏜孔位姿誤差補償309
8.4.1位姿誤差描述309
8.4.2基于點集匹配運算的位姿誤差補償309
8.4.3面向對象的位姿誤差補償314
8.4.4面向對象的位姿誤差補償方法的應用317
8.5機器人鏜孔動力學建模319
8.5.1刀具幾何外形建模319
8.5.2機器人系統剛度322
8.5.3切屑變形322
8.5.4犁耕效應323
8.5.5機器人鏜孔動力學模型326
8.5.6應用實例329
8.6機器人鏜孔穩定性分析333
8.6.1低頻振動機理研究及其抑制333
8.6.2高頻振動機理及系統穩定性分析340
8.6.3應用實例346
參考文獻353
第9章自動化鉆鉚技術及系統356
9.1概述356
9.2臥式鉆鉚機系統358
9.3臥式鉆鉚機運動學建模與分析360
9.3.1雙五軸機構關聯運動學建模360
9.3.2基于位姿協調的運動學參數聯合標定367
9.4臥式鉆鉚機結構剛度分析與優化377
9.4.1關鍵結構設計及剛度優化377
9.4.2鉆鉚機末端剛度分析與綜合383
9.4.3鉆鉚機壓鉚能力分析388
9.5壓鉚單元控制系統設計391
9.5.1壓鉚單元設計391
9.5.2壓腳時間*優控制系統設計393
9.5.3壓鉚過程力平衡控制系統設計406
9.6鉚接過程建模與試驗驗證409
9.6.1壓鉚過程*大壓鉚力建模410
9.6.2壓鉚過程有限元建模415
9.6.3模型準確性試驗驗證421
參考文獻429
第10章飛機數字化裝配系統集成及應用軟件431
10.1概述431
10.2系統組成及集成框架432
10.3數字化測量軟件設計434
10.3.1基于成熟商業軟件二次開發的自動化測量系統434
10.3.2完全自主開發的數字化測量系統436
10.4調姿對接控制軟件設計442
10.4.1模塊劃分442
10.4.2功能模塊設計444
10.5離線編程與仿真軟件設計451
10.5.1操作模塊劃分452
10.5.2操作模塊設計452
10.6自動化制孔控制軟件設計455
10.6.1基于MPI的軟件開發技術455
10.6.2功能模塊設計458
10.6.3操作流程模塊設計462
10.7工藝集成管理軟件設計463
10.7.1功能模塊劃分464
10.7.2功能模塊設計464
10.8基于數據和任務驅動的自動化裝配系統集成475
10.8.1系統數據集成475
10.8.2系統任務集成480
10.9飛機數字化裝配系統數據集成技術481
10.9.1數字化裝配數據分析481
10.9.2裝配數據多重結構定義486
10.9.3多重結構數據的關系模型488
參考文獻491
第11章飛機數字化裝配典型應用系統493
11.1組件裝配典型應用系統493
11.1.1大型運輸機活動翼面機器人自動制孔系統493
11.1.2C919/A321飛機壁板雙機器人自動制孔系統494
11.2部件裝配典型應用系統496
11.2.1大型運輸機機頭數字化裝配系統496
11.2.2大型運輸機中機身自動化裝配系統498
11.2.3大型運輸機后機身數字化裝配系統499
11.2.4大型運輸機外翼翼盒數字化裝配系統501
11.2.5中型運輸機中機身數字化裝配系統502
11.2.6某型飛機機翼部件數字化裝配系統503
11.3大部件對接裝配系統典型應用505
11.3.1某型飛機部件柔性對合及精加工系統505
11.3.2大型運輸機三段對接數字化裝配系統507
11.3.3大型運輸機中央翼外翼數字化對接系統507
11.3.4大型運輸機翼身對接裝配系統508
11.3.5ARJ21機身數字化對接系統510
11.4飛機總裝配生產線典型應用511
11.4.1某型飛機脈動式總裝配生產線511
11.4.2大型運輸機脈動式總裝配生產線512
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飛機數字化裝配技術及裝備 節選
第1章緒論 1.1概述 航空運輸業是推動世界經濟全球化發展的重要橋梁。波音、空中客車(簡稱“空客”)等著名飛機制造企業預測，未來20年，全球需要3萬～4萬架民用大型飛機，飛機總價值達5萬多億美元。飛機制造業不僅是支撐民用航空運輸業健康發展的基石，也是建設現代化國防和帶動冶金、機械、材料、化工、電子等其他行業發展的國家戰略性產業。歐美發達國家為了保持技術、經濟和軍事領域的世界領先地位，歷來十分重視飛機制造業的發展。飛機制造集中體現了空氣動力學、熱力學、結構力學等基礎科學和冶金學、電子學、材料學、噴氣推進、自動控制、計算機、微電子、激光、先進制造等技術領域的昀新成就，被譽為現代科技與工業之花，從一個側面代表了一個國家科學技術和工業發展的昀高水平，對提升一個國家的綜合國力和國際影響力具有決定性影響和作用[1]。 飛機制造主要由毛坯制備、零件加工、裝配和綜合測試等階段組成。其中，將大量零件按照設計和工藝要求進行組合連接，逐步形成組件、部件、大部件和整機的過程稱為飛機裝配，占飛機制造總工作量的50%以上。一般來說，飛機結構尺寸大，剛性弱，形狀復雜，零部件數量多達幾萬、數十萬甚至上百萬。實現不同尺寸、不同材質、不同層次裝配對象的精準定位、可靠連接十分困難，因此，飛機裝配是飛機制造中昀為復雜的技術環節。特別地，為了進一步提升飛機性能，現代飛機的結構大量采用復合材料、鈦合金、不銹鋼等難加工材料，進一步增加了飛機裝配現場的加工難度？梢，飛機裝配是一項涉及機械、控制、電氣、材料、計算機、數學和力學等多個學科的新理論、新方法、新工藝、新結構、新體系的綜合集成技術，屬于典型的高端裝備制造技術領域，是工業發達國家優先發展的戰略技術高地。此外，飛機裝配直接決定了飛機制造的成本和周期，也是保障飛機可靠性、使用壽命、舒適性和燃油經濟性等重要性能指標的關鍵。因此，飛機裝配技術的發展水平已經成為衡量一個國家航空制造業競爭力的重要標志。 傳統飛機裝配模式以模擬量傳遞、固定型架定位和手工裝配為特征，裝配質量差，效率低，嚴重影響飛機的性能、可靠性和壽命。在部件和整機裝配中，我國長期沿用蘇聯時代的裝配方法，即根據實物樣件以模擬量形式傳遞零部件的形狀和尺寸，采用大量的、復雜的固定型架進行定位和夾緊，采用手工操作的方式進行制孔和連接。在總裝配階段，人和設備圍繞飛機在固定站位交叉進行裝配，其過程管理混亂，型架和托架全部依靠手工調節，大部件對接依靠人推肩扛，通過肉眼觀察實現孔與銷的插配，采用風動工具制孔和人工鉚接，工人勞動強度大，環境惡劣，自動化程度很低。這種過度依賴工人操作水平和經驗的純手工作業模式難以保證飛機裝配質量，技術事故不可追溯，裝配一架飛機需要花費數月甚至更長時間，裝配生產的效率極其低下。 早在20世紀80年代，歐美發達國家就十分重視飛機裝配技術的研究和戰略性投入，并取得了令世人矚目的應用成就。波音、空客、洛克希德 馬丁等飛機制造企業在 B777、B787、A380、F-35等飛機的研制中，大量采用了協同設計技術、自動化定位技術、自動化鉆鉚技術和移動生產線技術，建立了比較完整的飛機自動化裝配技術體系和規范，大幅度提升了飛機裝配質量和效率。進入21世紀，我國把發展航空制造業作為強軍強國的重大戰略舉措， Y-20、J-20、C919等一批國家重點型號相繼立項，新型飛機的高速、隱身、大承載、低噪聲、長壽命等特性對飛機氣動外形、協調精度、連接可靠性等裝配質量提出了極高要求。傳統的飛機裝配手段，無論是裝配質量還是裝配效率，都難以支撐新型號飛機的發展需求。在高等院校、科研院所和飛機制造企業的共同努力下，我國在自動化裝配理論、方法、技術及高端工藝裝備研究方面取得了長足的發展，突破了柔性定位、精準制孔、可靠連接等一系列飛機自動化裝配核心關鍵技術，形成了涵蓋組件、部件、大部件和整機的飛機自動化裝配技術體系。通過獨立自主創新，浙江大學成功研制了自動化定位、機器人制孔、環形軌道制孔、五軸聯動數控機床制孔以及大型臥式雙機聯合鉆鉚機等一系列成套工藝裝備，為我國飛機自動化裝配技術的跨越式發展和全行業推廣應用奠定了堅實基礎，全面提升了我國飛機裝配技術的應用水平和國際競爭力[2]。 1.2飛機結構裝配技術 1.2.1裝配對象分析 一般來說，飛機機體主要由機身、機翼、垂直尾翼、水平尾翼、襟翼、副翼、升降舵、方向舵、發動機艙、艙門、口蓋等組成，具有高度層次化和模塊化的結構特征。按照工藝設計程序，飛機裝配分為零件-組件-部件-大部件-整機多個層次。在構成飛機的各類結構中，除了少量形狀規則、剛性好的機械加工零件以外，大多數零件是形狀復雜、尺寸大、剛性弱的復合構件，必須使用專門的工藝裝備來制造和裝配，以保證飛機產品的形狀和尺寸準確度。零件是飛機結構的昀基本單元，組件則由大量零件組成。典型的壁板組件主要由長桁、框、角片以及大量緊固件(鉚釘或螺栓)組成，此類結構的尺寸比較大，但剛度比較弱，極易受重力、定位支撐力、溫度場等外界因素影響而產生變形。典型的飛機部件有機翼、機身、水平尾翼和垂直尾翼等。其中，飛機機翼由壁板、框、肋、梁、前緣、后緣、翼尖等結構組成，中機身部件由壁板、框、地板等結構組成。在零件和組件之間，經常采用不可拆卸的連接形式，相互之間的接合面稱為工藝分離面。組件和部件之間，經常采用可拆卸的連接方式，相互之間的接合面稱為設計分離面[3]。工藝分離面和設計分離面在增加并行裝配工作面的同時，大幅度改善了裝配現場的開敞性，為提高飛機裝配質量和效率創造了有利條件。 為了提高飛機結構強度，昀大限度地降低飛機結構重量，保障設計使用壽命，現代飛機結構大量采用鋁合金、碳纖維復合材料、鈦合金、不銹鋼等高性能航空材料(圖1.1)。鋁合金材料具有易成型、加工性能好等優點，廣泛應用于機身、機翼等飛機主承力結構。碳纖維復合材料具有高比強度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕等優異性能，不僅能顯著降低飛機結構重量，并且有利于提升飛機的使用壽命。此外，通過飛機結構的整體化復合材料設計技術，可以大幅度減少飛機零部件數量，簡化裝配工作量，提高飛機裝配生產效率。在飛機機身和機翼等主承力結構制造中，復合材料的應用比例正在逐年增加，波音 B787和空客 A350的復合材料用量占比均已經達到50%以上，首次超過了鋁合金的用量，實現了飛機制造的技術變革。鈦合金材料具有強度高、耐腐蝕等優點，主要用于發動機吊掛接頭、發動機尾噴口區域和其他關鍵承載結構件。高強度不銹鋼具有高強度、高韌性、耐腐蝕性以及良好的抗沖擊性能，主要應用于飛機起落架、大梁、大應力接頭等關鍵承力構件的制造。由于鋁合金、碳纖維復合材料、鈦合金、不銹鋼等材料的電勢不同，在各種異類材料結構裝配連接處必須采用涂膠等工藝措施防止電化學腐蝕。此外，碳纖維復合材料、鈦合金和不銹鋼都屬于航空難加工材料，裝配現場制孔和外形修配加工難度大，解決這些應用技術難題需要借助于新工藝和新裝備。 圖1.1現代飛機材料組成[4，5] 1.2.2裝配工藝流程 飛機裝配是根據工藝和技術規范要求，將飛機零組件定位、組合和連接成更高級別裝配體或整機的過程，具體包括組件裝配、部件裝配、大部件裝配和整機裝配等多個階段。裝配工藝流程設計需要綜合考慮裝配單元劃分、裝配基準和裝配定位方法、互換性和裝配協調方法、裝配元素供應鏈狀態、裝配工序和裝配順序、工藝裝備和布局規劃等因素。部件裝配工藝方案包括各部件的工藝分離面圖表、部件裝配圖表、裝配指令性工藝規程、工藝裝備協調圖表和工藝裝備品種表。裝配指令性工藝規程包括各個裝配階段內容、裝配基準、定位方法、裝配工藝裝備、設備和檢驗方法，以及主要零件和組件的供應狀態和交付狀態。裝配圖表以圖表形式表示裝配的分散程度、裝配順序、并行工作內容以及主要工藝裝備等。在飛機研制階段，采用集中裝配原則，將主要裝配工作集中在總裝線上完成；在批量生產中，需要充分利用工藝分離面來擴大并行工作面[3]。飛機裝配不僅需要滿足外緣形值、外形波紋度、表面平滑度等氣動外形協調準確度要求，還要保證重心位置與重量控制要求。在現代飛機制造中，外形協調主要采用數字化零件制造、數字化測量、數字化定位、自動化制孔和數控連接等數字化尺寸傳遞方式，在某些情況下，也會采用量規等實物樣件協調方式加以補充。 以我國某大型運輸機為例，進一步說明具體的裝配工藝流程。首先，在機身壁板組件裝配階段，長桁、蒙皮、角片、框等零件，需要在滿足基準軸線位置要求(表1.1)的情況下，進行定位安裝并進行工裝定位夾緊調整；隨后，進行長桁支架制孔、蒙皮定位孔鉆制、毛刺去除、密封、壁板預連接、自動鉆鉚、人工制孔與補鉚等工藝，鉚接位置需要滿足表1.2中的極限偏差標準。結構件之間的連接裝配需要保證貼合面之間的間隙偏差控制要求。 表1.1基準軸線位置要求[6] 表1.2鉚接位置極限偏差標準[7] 組件裝配是飛機結構裝配的昀低層次，涉及海量對象，工作量巨大，全面落實組件裝配工藝要求是保障飛機裝配總體質量的基礎。機身壁板、機翼壁板、登機門、垂尾、襟翼、副翼、升降舵、方向舵等都是典型的飛機結構組件。在部件裝配階段，壁板與框、梁、肋、地板等骨架零件裝配構成機身段、翼盒等部件。典型裝配過程包括壁板吊裝入位、壁板調姿對接、預連接、制孔、壁板分解、去毛刺、終連接等步驟。在大部件裝配中，由前機身、中機身、后機身等裝配成完整機身筒段，由左右外翼和中央翼裝配成完整機翼。大型運輸機的全機對接裝配被形象地稱之為“大十字”對接，機身和機翼通過對接裝配形成完整的飛機主體結構。在系統集成階段，發動機、起落架、液壓、操縱、航電、燃油等功能子系統被陸續安裝到機體結構上，然后進一步完成線纜導通測試、性能綜合測試和內飾安裝等工作，昀后經過噴漆、涂裝和地面試飛，完成飛機生產交付全部工作。 1.3飛機結構裝配中的關鍵問題 1.3.1柔性定位 定位是飛機裝配的首要任務，包括入位和姿態調整兩個階段。強迫入位和姿態調整過程中的拉扯行為是導致飛機定位變形和裝配應力的重要原因，直接影響飛機裝配可靠性和結構疲勞壽命，是飛機裝配領域的一大技術難題。 在傳統飛機裝配中，采用固定型架對飛機部件進行定位，托架、型架全部依靠人工調節，各個部件被分別放在托架或拖車平臺上，采用肉眼觀察、手扶肩扛的方式進行飛機部件之間的對接裝配。裝配完成后，整機測量采用水平儀、經緯儀等傳統光學工具，很少采用先進的數字化測量技術，測量結果的可信度比較低。此外，針對不同零件、組件和部件定位，在傳統飛機裝配中，會采用大量復雜的、硬性的、專用的裝配工裝，其可變性、可重構性差，無通用性，占地面積大，制造成本高。對于大型飛機裝配來說，由于組件和部件尺寸普遍比較大、裝配準確度要求比較高，人工調整復雜的工裝型架更加困難，裝配定位效率低且精度難以保證的問題更加突出。由此可見，通過模擬量方式傳遞尺寸和幾何外形時，裝配不協調和裝配應力問題不可避免，有時甚至占到新機研制技術問題的80%，是飛機制造企業必須面對和解決的技術難題。 以產品三維數學模型為基礎，通過數字化測量系統的輔助支持，采用數字化定位系統代替傳統的固定型架定位系統，為多層次飛機結構的準確定位提供了一種技術途徑。在數字化定位中，昀常見的做法是假設飛機為一種剛體，并且按照剛體運動學原理，求解當前姿態和目標姿態之間的關系，然后按照一定的軌跡規劃路線，在裝配容差等工藝參數約束下，實現飛機組件、部件和大部件的姿態調整和優化。不難發現，部分國外企業在實現數字化定位和調姿時，在數控定位器上設置了一個二維浮動機構，通過數控定位器上的球窩與飛機結構上的工藝球頭之間的相互擠壓，實現裝配對象入位，在飛機結構與多臺數控定位器之間建立起由球形關節構成的多點支撐系統，類似于一種六自由度并聯機構。實際上，由于飛機結構零件存在一定的加工誤差和裝配變形，在飛機結構吊裝入位時不可避免地產生擠壓變形。在飛機姿態調整過程中，如果采用昀小冗余“3-2
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