第1章绪论
1.1概述
航空运输业是推动世界经济全球化发展的重要桥梁。波音、空中客车(简称“空客”)等著名飞机制造企业预测，未来20年，全球需要3万～4万架民用大型飞机，飞机总价值达5万多亿美元。飞机制造业不仅是支撑民用航空运输业健康发展的基石，也是建设现代化国防和带动冶金、机械、材料、化工、电子等其他行业发展的国家战略性产业。欧美发达国家为了保持技术、经济和军事领域的世界领先地位，历来十分重视飞机制造业的发展。飞机制造集中体现了空气动力学、热力学、结构力学等基础科学和冶金学、电子学、材料学、喷气推进、自动控制、计算机、微电子、激光、先进制造等技术领域的昀新成就，被誉为现代科技与工业之花，从一个侧面代表了一个国家科学技术和工业发展的昀高水平，对提升一个国家的综合国力和国际影响力具有决定性影响和作用[1]。
飞机制造主要由毛坯制备、零件加工、装配和综合测试等阶段组成。其中，将大量零件按照设计和工艺要求进行组合连接，逐步形成组件、部件、大部件和整机的过程称为飞机装配，占飞机制造总工作量的50%以上。一般来说，飞机结构尺寸大，刚性弱，形状复杂，零部件数量多达几万、数十万甚至上百万。实现不同尺寸、不同材质、不同层次装配对象的精准定位、可靠连接十分困难，因此，飞机装配是飞机制造中昀为复杂的技术环节。特别地，为了进一步提升飞机性能，现代飞机的结构大量采用复合材料、钛合金、不锈钢等难加工材料，进一步增加了飞机装配现场的加工难度。可见，飞机装配是一项涉及机械、控制、电气、材料、计算机、数学和力学等多个学科的新理论、新方法、新工艺、新结构、新体系的综合集成技术，属于典型的高端装备制造技术领域，是工业发达国家优先发展的战略技术高地。此外，飞机装配直接决定了飞机制造的成本和周期，也是保障飞机可靠性、使用寿命、舒适性和燃油经济性等重要性能指标的关键。因此，飞机装配技术的发展水平已经成为衡量一个国家航空制造业竞争力的重要标志。
传统飞机装配模式以模拟量传递、固定型架定位和手工装配为特征，装配质量差，效率低，严重影响飞机的性能、可靠性和寿命。在部件和整机装配中，我国长期沿用苏联时代的装配方法，即根据实物样件以模拟量形式传递零部件的形状和尺寸，采用大量的、复杂的固定型架进行定位和夹紧，采用手工操作的方式进行制孔和连接。在总装配阶段，人和设备围绕飞机在固定站位交叉进行装配，其过程管理混乱，型架和托架全部依靠手工调节，大部件对接依靠人推肩扛，通过肉眼观察实现孔与销的插配，采用风动工具制孔和人工铆接，工人劳动强度大，环境恶劣，自动化程度很低。这种过度依赖工人操作水平和经验的纯手工作业模式难以保证飞机装配质量，技术事故不可追溯，装配一架飞机需要花费数月甚至更长时间，装配生产的效率极其低下。
早在20世纪80年代，欧美发达国家就十分重视飞机装配技术的研究和战略性投入，并取得了令世人瞩目的应用成就。波音、空客、洛克希德 马丁等飞机制造企业在 B777、B787、A380、F-35等飞机的研制中，大量采用了协同设计技术、自动化定位技术、自动化钻铆技术和移动生产线技术，建立了比较完整的飞机自动化装配技术体系和规范，大幅度提升了飞机装配质量和效率。进入21世纪，我国把发展航空制造业作为强军强国的重大战略举措， Y-20、J-20、C919等一批国家重点型号相继立项，新型飞机的高速、隐身、大承载、低噪声、长寿命等特性对飞机气动外形、协调精度、连接可靠性等装配质量提出了极高要求。传统的飞机装配手段，无论是装配质量还是装配效率，都难以支撑新型号飞机的发展需求。在高等院校、科研院所和飞机制造企业的共同努力下，我国在自动化装配理论、方法、技术及高端工艺装备研究方面取得了长足的发展，突破了柔性定位、精准制孔、可靠连接等一系列飞机自动化装配核心关键技术，形成了涵盖组件、部件、大部件和整机的飞机自动化装配技术体系。通过独立自主创新，浙江大学成功研制了自动化定位、机器人制孔、环形轨道制孔、五轴联动数控机床制孔以及大型卧式双机联合钻铆机等一系列成套工艺装备，为我国飞机自动化装配技术的跨越式发展和全行业推广应用奠定了坚实基础，全面提升了我国飞机装配技术的应用水平和国际竞争力[2]。
1.2飞机结构装配技术
1.2.1装配对象分析
一般来说，飞机机体主要由机身、机翼、垂直尾翼、水平尾翼、襟翼、副翼、升降舵、方向舵、发动机舱、舱门、口盖等组成，具有高度层次化和模块化的结构特征。按照工艺设计程序，飞机装配分为零件-组件-部件-大部件-整机多个层次。在构成飞机的各类结构中，除了少量形状规则、刚性好的机械加工零件以外，大多数零件是形状复杂、尺寸大、刚性弱的复合构件，必须使用专门的工艺装备来制造和装配，以保证飞机产品的形状和尺寸准确度。零件是飞机结构的昀基本单元，组件则由大量零件组成。典型的壁板组件主要由长桁、框、角片以及大量紧固件(铆钉或螺栓)组成，此类结构的尺寸比较大，但刚度比较弱，极易受重力、定位支撑力、温度场等外界因素影响而产生变形。典型的飞机部件有机翼、机身、水平尾翼和垂直尾翼等。其中，飞机机翼由壁板、框、肋、梁、前缘、后缘、翼尖等结构组成，中机身部件由壁板、框、地板等结构组成。在零件和组件之间，经常采用不可拆卸的连接形式，相互之间的接合面称为工艺分离面。组件和部件之间，经常采用可拆卸的连接方式，相互之间的接合面称为设计分离面[3]。工艺分离面和设计分离面在增加并行装配工作面的同时，大幅度改善了装配现场的开敞性，为提高飞机装配质量和效率创造了有利条件。
为了提高飞机结构强度，昀大限度地降低飞机结构重量，保障设计使用寿命，现代飞机结构大量采用铝合金、碳纤维复合材料、钛合金、不锈钢等高性能航空材料(图1.1)。铝合金材料具有易成型、加工性能好等优点，广泛应用于机身、机翼等飞机主承力结构。碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优异性能，不仅能显著降低飞机结构重量，并且有利于提升飞机的使用寿命。此外，通过飞机结构的整体化复合材料设计技术，可以大幅度减少飞机零部件数量，简化装配工作量，提高飞机装配生产效率。在飞机机身和机翼等主承力结构制造中，复合材料的应用比例正在逐年增加，波音 B787和空客 A350的复合材料用量占比均已经达到50%以上，首次超过了铝合金的用量，实现了飞机制造的技术变革。钛合金材料具有强度高、耐腐蚀等优点，主要用于发动机吊挂接头、发动机尾喷口区域和其他关键承载结构件。高强度不锈钢具有高强度、高韧性、耐腐蚀性以及良好的抗冲击性能，主要应用于飞机起落架、大梁、大应力接头等关键承力构件的制造。由于铝合金、碳纤维复合材料、钛合金、不锈钢等材料的电势不同，在各种异类材料结构装配连接处必须采用涂胶等工艺措施防止电化学腐蚀。此外，碳纤维复合材料、钛合金和不锈钢都属于航空难加工材料，装配现场制孔和外形修配加工难度大，解决这些应用技术难题需要借助于新工艺和新装备。
图1.1现代飞机材料组成[4，5]
1.2.2装配工艺流程
飞机装配是根据工艺和技术规范要求，将飞机零组件定位、组合和连接成更高级别装配体或整机的过程，具体包括组件装配、部件装配、大部件装配和整机装配等多个阶段。装配工艺流程设计需要综合考虑装配单元划分、装配基准和装配定位方法、互换性和装配协调方法、装配元素供应链状态、装配工序和装配顺序、工艺装备和布局规划等因素。部件装配工艺方案包括各部件的工艺分离面图表、部件装配图表、装配指令性工艺规程、工艺装备协调图表和工艺装备品种表。装配指令性工艺规程包括各个装配阶段内容、装配基准、定位方法、装配工艺装备、设备和检验方法，以及主要零件和组件的供应状态和交付状态。装配图表以图表形式表示装配的分散程度、装配顺序、并行工作内容以及主要工艺装备等。在飞机研制阶段，采用集中装配原则，将主要装配工作集中在总装线上完成；在批量生产中，需要充分利用工艺分离面来扩大并行工作面[3]。飞机装配不仅需要满足外缘形值、外形波纹度、表面平滑度等气动外形协调准确度要求，还要保证重心位置与重量控制要求。在现代飞机制造中，外形协调主要采用数字化零件制造、数字化测量、数字化定位、自动化制孔和数控连接等数字化尺寸传递方式，在某些情况下，也会采用量规等实物样件协调方式加以补充。
以我国某大型运输机为例，进一步说明具体的装配工艺流程。首先，在机身壁板组件装配阶段，长桁、蒙皮、角片、框等零件，需要在满足基准轴线位置要求(表1.1)的情况下，进行定位安装并进行工装定位夹紧调整；随后，进行长桁支架制孔、蒙皮定位孔钻制、毛刺去除、密封、壁板预连接、自动钻铆、人工制孔与补铆等工艺，铆接位置需要满足表1.2中的极限偏差标准。结构件之间的连接装配需要保证贴合面之间的间隙偏差控制要求。
表1.1基准轴线位置要求[6]
表1.2铆接位置极限偏差标准[7]
组件装配是飞机结构装配的昀低层次，涉及海量对象，工作量巨大，全面落实组件装配工艺要求是保障飞机装配总体质量的基础。机身壁板、机翼壁板、登机门、垂尾、襟翼、副翼、升降舵、方向舵等都是典型的飞机结构组件。在部件装配阶段，壁板与框、梁、肋、地板等骨架零件装配构成机身段、翼盒等部件。典型装配过程包括壁板吊装入位、壁板调姿对接、预连接、制孔、壁板分解、去毛刺、终连接等步骤。在大部件装配中，由前机身、中机身、后机身等装配成完整机身筒段，由左右外翼和中央翼装配成完整机翼。大型运输机的全机对接装配被形象地称之为“大十字”对接，机身和机翼通过对接装配形成完整的飞机主体结构。在系统集成阶段，发动机、起落架、液压、操纵、航电、燃油等功能子系统被陆续安装到机体结构上，然后进一步完成线缆导通测试、性能综合测试和内饰安装等工作，昀后经过喷漆、涂装和地面试飞，完成飞机生产交付全部工作。
1.3飞机结构装配中的关键问题
1.3.1柔性定位
定位是飞机装配的首要任务，包括入位和姿态调整两个阶段。强迫入位和姿态调整过程中的拉扯行为是导致飞机定位变形和装配应力的重要原因，直接影响飞机装配可靠性和结构疲劳寿命，是飞机装配领域的一大技术难题。
在传统飞机装配中，采用固定型架对飞机部件进行定位，托架、型架全部依靠人工调节，各个部件被分别放在托架或拖车平台上，采用肉眼观察、手扶肩扛的方式进行飞机部件之间的对接装配。装配完成后，整机测量采用水平仪、经纬仪等传统光学工具，很少采用先进的数字化测量技术，测量结果的可信度比较低。此外，针对不同零件、组件和部件定位，在传统飞机装配中，会采用大量复杂的、硬性的、专用的装配工装，其可变性、可重构性差，无通用性，占地面积大，制造成本高。对于大型飞机装配来说，由于组件和部件尺寸普遍比较大、装配准确度要求比较高，人工调整复杂的工装型架更加困难，装配定位效率低且精度难以保证的问题更加突出。由此可见，通过模拟量方式传递尺寸和几何外形时，装配不协调和装配应力问题不可避免，有时甚至占到新机研制技术问题的80%，是飞机制造企业必须面对和解决的技术难题。
以产品三维数学模型为基础，通过数字化测量系统的辅助支持，采用数字化定位系统代替传统的固定型架定位系统，为多层次飞机结构的准确定位提供了一种技术途径。在数字化定位中，昀常见的做法是假设飞机为一种刚体，并且按照刚体运动学原理，求解当前姿态和目标姿态之间的关系，然后按照一定的轨迹规划路线，在装配容差等工艺参数约束下，实现飞机组件、部件和大部件的姿态调整和优化。不难发现，部分国外企业在实现数字化定位和调姿时，在数控定位器上设置了一个二维浮动机构，通过数控定位器上的球窝与飞机结构上的工艺球头之间的相互挤压，实现装配对象入位，在飞机结构与多台数控定位器之间建立起由球形关节构成的多点支撑系统，类似于一种六自由度并联机构。实际上，由于飞机结构零件存在一定的加工误差和装配变形，在飞机结构吊装入位时不可避免地产生挤压变形。在飞机姿态调整过程中，如果采用昀小冗余“3-2
展开
