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飞機是一台非常复杂的機器,由几万甚至几十万个零部件组成,大多为形状特殊的复杂曲面零部件,飞機的结构尺寸大,外形复杂,其结构件主要是钣金件或复合材料壁板件组成的薄壳结构,特点是形状复杂、连接面多、刚性小,在加工、装配过程中都会产生变形。
在零部件加工的角度上,飞機零件加工过程中的每一个环节质量的好坏,都会直接影响整架飞機的装配工时。目前数控機床的普遍使用,使车间加工飞機零部件的能力得以大大加强,飞機零件的制造周期大大缩短,加工质量也大大提高,高精度的零部件也大大降低了飞機部装和总装中的协调工作量。
现代数控機床可在一台機床上实现铣、磨、钻等十几个以上工序的加工及动作,而且可以具备“一次装卡,多次加工”能力,装卡到機床上之后可以在不必取下工件的条件下完成几道工序的加工,从而极大提高了加工效率和精度。
飞機零部件一般的特点是高强度、难加工,合金材料和复合材料多、复杂结构件多、工艺要求高。飞機结构件的梁、框、肋和壁板等部件,一般都是用毛坯板材整体加工而成,材料的原始重量都较大,需要用重型機床加工。由于毛坯板材的75%~95%的材料都得被切削加工掉,因此需要高速、多轴的数控機床来加工,以保证一定的加工效率,因为如果加工一个部件消耗太多时间的话,也是不行的。
有些壁板类部件是易产生加工变形的弱刚性薄壁结构,这对于機床的装卡和加工时的应力有很高的要求。而且,飞機上不同的部件需要的加工方式也不一样。例如隔板、翼肋类部件一般需要平面铣床:而发动機機匣加工需要用五轴铣和坐标镗铣機機床:发动機涡轮叶片和叶轮加工则需要更高精度的五轴加工中心:此外,还需要大量高刚性、高效率的专用機床和柔性自动生产线。
飞機的设计制造难度大,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。飞機的装配工作量约占整个飞機制造劳动量的40%~50%(一般的機械制造只占20%左右),因此飞機装配是飞機制造过程的主要环节之一。
由于飞機结构件尺寸大,刚度小,而制造精确又很高,因此为保证飞機装配的精度和互换协调性,制造过程中采用了成套的装配型架,减小了装配过程中结构的变形并保证准确定位。传统的装配型架一般采用刚性结构,一套型架只能用于一个装配对象,而飞機上绝大多数部件都是不同的,因此,传统上飞機生产准备过程中需制造大量的专用装配型架。传统装配型架的制造周期长、成本高,装配工作的安装效率低下。而且传统的装配型架上要安装许多定位件,为保证定位精度,定位件的安装往往需要专用安装仪器,如电子经纬仪、激光准直仪等。
一般飞機生产准备周期占飞機研制周期的1/2以上,而众多的专用装配型架的设计制造是飞機生产准备的主要内容之一,也占用了大量的时间。因此,即使飞機部件在加工中使用了先进的数控加工手段,如果其部件装配与总装仍然沿用原来的传统方法,仍然无法有效缩短飞機的研制生产周期。为缩短生产准备周期,人们希望飞機设计完成后,生产工装很快就能投入使用,或者可以延用以前的工装型架设备,在这种情况下,人们发明了数字化柔性工装系统。
柔性工装主要包括行列式柔性装配工装、自动对接平台、多点阵成形真空吸盘式柔性装配工装等几类。行列式柔性装配工装包括壁板工装和翼梁工装,目前主要用于各种民機的装配。自动化对接平台由计算機控制的自动化千斤顶(或定位器)、激光测量系统和平台控制系统组成。多点阵成形真空吸盘式柔性装配工装系统由一组立柱吸盘组成,吸盘在程序控制下可进行三维移动定位,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、可靠地定位和夹持壁板。当产品外形发生变化时,吸附点阵布局自动进行调整,可以适应不同的装配件外形。与传统的对接平台相比,機体装配质量大幅提高,效率高,周期短,通用性强,能适应不同尺寸的機身機翼结构。自20世纪90年代初开始,各种柔性装配工装技术已广泛应用于各大军、民用飞機企业的装配和生产中。
总体上讲,多点成形技术是柔性工装设计的基础,其基本思想是采用离散的点来拟合飞機装配部件的三维型面,即以点代线或面。各类柔性工装系统都是由许多长度可调节的支撑单元组成,每个支撑单元的驱动部件都由计算機单独控制,最终使工装系统呈工件理论外形分布,可以满足不同形状的部件固定要求。由柔性工装的可重构性,使其可以利用同一个型架安装多种不同的飞機零部件,因此减少了型架的数量,使工装型架的制造周期大大缩短,并可取代大部分专用的固定装配型架。
波音公司应用数字化装配技术,根据零部件关键特征信息,以较少的安装工作快速定位不同零部件,取消了巨大的装配型架,以一种通用支架作为支撑样機的主要工装,利用4台卡尔?蔡司公司的激光跟踪仪对部件进行空间定位,来完成装配工作。波音公司通过飞機部件“超级壁板”上的精密孔,借助激光安装与定位调整使得“超级壁板”与其他零件实现自动定位,从而简化了装配工装夹具。早在1999年11月,波音公司就交付了首架采用该技术装配的波音747客機。
洛克希德?马丁公司在军機研制中也采用了“柔性装配技术”,应用激光定位、电磁驱动等技术实现精密钻孔,不仅降低了钻孔出错率,而且大大减少了工具和工装。在F-35的研制和生产过程中,洛克希德?马丁公司采用了先进的模块化柔性自动化装配工艺和系统。该装配系统是一个作为装配工艺的一部分而无缝集成的全系统,除集成了包括制孔、铆接等装配技术和设备之外,还具备数据的收集、设备安全保障、控制过程的监测、装配仿真建模等功能。这套系统使飞機装配制造周期缩短2/3,单機交付时间由15个月缩短至5个月,而工艺装备则由350件减少到19件,同时大大降低制造成本,最终生产目标是实现每天生产一架。
在2005年以前,空客公司为实现每月生产38套機翼,在機翼翼盒自动装配的第二阶段研究项目中考虑了多种柔性装配技术,以便降低機翼装配成本和缩短装配周期。该阶段项目集成了测量、定位、夹紧、送料、機器入钻孔等技术,研制出一台柔性装配单元样機,并已通过A380上某機翼肋板的加工测试。
在零部件加工的角度上,飞機零件加工过程中的每一个环节质量的好坏,都会直接影响整架飞機的装配工时。目前数控機床的普遍使用,使车间加工飞機零部件的能力得以大大加强,飞機零件的制造周期大大缩短,加工质量也大大提高,高精度的零部件也大大降低了飞機部装和总装中的协调工作量。
现代数控機床可在一台機床上实现铣、磨、钻等十几个以上工序的加工及动作,而且可以具备“一次装卡,多次加工”能力,装卡到機床上之后可以在不必取下工件的条件下完成几道工序的加工,从而极大提高了加工效率和精度。
飞機零部件一般的特点是高强度、难加工,合金材料和复合材料多、复杂结构件多、工艺要求高。飞機结构件的梁、框、肋和壁板等部件,一般都是用毛坯板材整体加工而成,材料的原始重量都较大,需要用重型機床加工。由于毛坯板材的75%~95%的材料都得被切削加工掉,因此需要高速、多轴的数控機床来加工,以保证一定的加工效率,因为如果加工一个部件消耗太多时间的话,也是不行的。
有些壁板类部件是易产生加工变形的弱刚性薄壁结构,这对于機床的装卡和加工时的应力有很高的要求。而且,飞機上不同的部件需要的加工方式也不一样。例如隔板、翼肋类部件一般需要平面铣床:而发动機機匣加工需要用五轴铣和坐标镗铣機機床:发动機涡轮叶片和叶轮加工则需要更高精度的五轴加工中心:此外,还需要大量高刚性、高效率的专用機床和柔性自动生产线。
飞機的设计制造难度大,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。飞機的装配工作量约占整个飞機制造劳动量的40%~50%(一般的機械制造只占20%左右),因此飞機装配是飞機制造过程的主要环节之一。
由于飞機结构件尺寸大,刚度小,而制造精确又很高,因此为保证飞機装配的精度和互换协调性,制造过程中采用了成套的装配型架,减小了装配过程中结构的变形并保证准确定位。传统的装配型架一般采用刚性结构,一套型架只能用于一个装配对象,而飞機上绝大多数部件都是不同的,因此,传统上飞機生产准备过程中需制造大量的专用装配型架。传统装配型架的制造周期长、成本高,装配工作的安装效率低下。而且传统的装配型架上要安装许多定位件,为保证定位精度,定位件的安装往往需要专用安装仪器,如电子经纬仪、激光准直仪等。
一般飞機生产准备周期占飞機研制周期的1/2以上,而众多的专用装配型架的设计制造是飞機生产准备的主要内容之一,也占用了大量的时间。因此,即使飞機部件在加工中使用了先进的数控加工手段,如果其部件装配与总装仍然沿用原来的传统方法,仍然无法有效缩短飞機的研制生产周期。为缩短生产准备周期,人们希望飞機设计完成后,生产工装很快就能投入使用,或者可以延用以前的工装型架设备,在这种情况下,人们发明了数字化柔性工装系统。
柔性工装主要包括行列式柔性装配工装、自动对接平台、多点阵成形真空吸盘式柔性装配工装等几类。行列式柔性装配工装包括壁板工装和翼梁工装,目前主要用于各种民機的装配。自动化对接平台由计算機控制的自动化千斤顶(或定位器)、激光测量系统和平台控制系统组成。多点阵成形真空吸盘式柔性装配工装系统由一组立柱吸盘组成,吸盘在程序控制下可进行三维移动定位,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、可靠地定位和夹持壁板。当产品外形发生变化时,吸附点阵布局自动进行调整,可以适应不同的装配件外形。与传统的对接平台相比,機体装配质量大幅提高,效率高,周期短,通用性强,能适应不同尺寸的機身機翼结构。自20世纪90年代初开始,各种柔性装配工装技术已广泛应用于各大军、民用飞機企业的装配和生产中。
总体上讲,多点成形技术是柔性工装设计的基础,其基本思想是采用离散的点来拟合飞機装配部件的三维型面,即以点代线或面。各类柔性工装系统都是由许多长度可调节的支撑单元组成,每个支撑单元的驱动部件都由计算機单独控制,最终使工装系统呈工件理论外形分布,可以满足不同形状的部件固定要求。由柔性工装的可重构性,使其可以利用同一个型架安装多种不同的飞機零部件,因此减少了型架的数量,使工装型架的制造周期大大缩短,并可取代大部分专用的固定装配型架。
波音公司应用数字化装配技术,根据零部件关键特征信息,以较少的安装工作快速定位不同零部件,取消了巨大的装配型架,以一种通用支架作为支撑样機的主要工装,利用4台卡尔?蔡司公司的激光跟踪仪对部件进行空间定位,来完成装配工作。波音公司通过飞機部件“超级壁板”上的精密孔,借助激光安装与定位调整使得“超级壁板”与其他零件实现自动定位,从而简化了装配工装夹具。早在1999年11月,波音公司就交付了首架采用该技术装配的波音747客機。
洛克希德?马丁公司在军機研制中也采用了“柔性装配技术”,应用激光定位、电磁驱动等技术实现精密钻孔,不仅降低了钻孔出错率,而且大大减少了工具和工装。在F-35的研制和生产过程中,洛克希德?马丁公司采用了先进的模块化柔性自动化装配工艺和系统。该装配系统是一个作为装配工艺的一部分而无缝集成的全系统,除集成了包括制孔、铆接等装配技术和设备之外,还具备数据的收集、设备安全保障、控制过程的监测、装配仿真建模等功能。这套系统使飞機装配制造周期缩短2/3,单機交付时间由15个月缩短至5个月,而工艺装备则由350件减少到19件,同时大大降低制造成本,最终生产目标是实现每天生产一架。
在2005年以前,空客公司为实现每月生产38套機翼,在機翼翼盒自动装配的第二阶段研究项目中考虑了多种柔性装配技术,以便降低機翼装配成本和缩短装配周期。该阶段项目集成了测量、定位、夹紧、送料、機器入钻孔等技术,研制出一台柔性装配单元样機,并已通过A380上某機翼肋板的加工测试。