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飞机装配的精准度对于整架飞机的制造至关重要。为了确保各个零件之间以及零件与工具、工具与工具之间的相互协调,飞机制造过程中需要进行细致的协调工作。通过使用一系列专业工艺装备,将有协调要求的形状和尺寸以模拟量的形式进行传递,逐步将标准传递到零件和部件上。在整个传递过程中,存在一些公共环节,这些公共环节的数量增加,非公共环节的数量就会减少,从而提高协调的精准度。这种协调方式能够以较低的制造精准度保证较高的协调精准度。
飞机装配涉及到将各个零部件或组合件按照产品设计要求进行精确的定位,然后使用规定的连接方法将它们组合成部件或完整的飞机产品。由于结构和结构刚性的因素,飞机装配主要采用铆接和螺接等连接方式。同时,为了保证装配的协调性和外形准确度,以及确保装配过程中组件和部件的结构刚度,飞机装配中大量使用结构复杂、准确度高的装配型架。
1、产品几何定义与协调方法
由于飞机零件形状复杂,难以在二维图样上用尺寸描述零件的尺寸和形状,长期以来一直用模线样板的方式进行飞机产品的几何定义。随着计算机技术的发展,20世纪70年代产生了计算机辅助设训+制造技术,飞机的几何尺寸与形状定义采用了以B样条等函数构建的三维线架结构,使模线由人工绘制变为由绘图机自动绘制。复杂的机械加工可以利用零件的数模进行编程,实现数控加工。直到20世纪90年代,以波音、空客为代表的三维数字化设计制造技术应用,彻底改变了飞机设计制造模式。
2、装配工艺装备的特点与作用
飞机结构的装配过程不同于一般机械产品,不能仅仅依赖零件自身形状与尺寸的加工精度来保证装配出合格的组件和部件。因此,除了使用各种通用机床、常用工具和试验设备外,还需要针对不同机型的组件及部件制定专门的装配工艺装备。这些装备包括装配型架、对合型架、精加工型架、壁板装配夹具等,用于完成飞机产品从零组件到部件的装配以及总装配过程。一般来说,尺寸较大的装备被称为装配型架,而尺寸较小的则被称为装配夹具,但这两种类型的装备并没有严格或明确的界限。
装配工装的主要功用有如下几点:
1
定位夹紧,保证产品的尺寸、形状和零件问相对位置的准确性。
2
为了确保产品的准确度和互换性,一般机械制造中主要依赖于公差、配合制度和通用量具来进行保障。然而,在飞机制造领域,互换性则通过相互协调的装配工装来得以实现。
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在飞机结构中,由于存在大量大体积且刚性较小的钣金件,无论采用铆接还是焊接的连接方式,都可能引发不同程度的变形。然而,通过有效的装配过程,可以确保钣金件及其组合件的形状,进而控制和减少这种变形现象。
4
改善装配过程的劳动条件,提高劳动生产率,降低成本。
在批生产中,一个部件的装配往往需要用一套具有多种功能的工装完成全部的装配工作,如骨架装配夹具、总装型架、架外补铆型架等。这种情况下,每个工装必须与装配过程前后相关的工装相互协调,同时还需要与相关的零件工装协调。
3、装配连接方式
在批量生产中,每个部件的组装过程通常涉及一套独特的工具,这些工具具有多种功能并负责完成所有的组装任务。例如,骨架装配夹具、总装型架、架外补铆型架等等。为了确保流程的顺利进行,每个工装必须与其前后相关的工装进行有效的协调。此外,还需要与涉及的零件工装进行必要的协同。
为了解决人工钻铆所出现的问题,能够完成定孔位、制孔、送钉、施铆全过程的自动钻铆设备开始问世。随着数控技术的不断发展,自动钻铆技术也日益成熟,并出现了不同结构形式的自动制孔设备和与其配套的自动调平托架。然而,自动钻铆设备本身较为庞大,与人工铆接相比灵活性较差,因此更适合于铆接工作面开敞的部组件,常用于大型飞机铆接装配。对于战斗机中空间狭小且铆接部位形状复杂的装配件而言,其应用受到了一定的限制。因此,目前又出现了各种类型的自动制孔设备,如机器人自动制孔设备、五坐标自动制孔设备等。
发展趋势
自20世纪50年代以来,数字化技术的应用在航空工业中不断深化。从最初的一项技术应用到全面的集成应用,再到协同设计和全寿命周期数据管理,见证了这一历程的深度和广度。以波音公司为例,其在20世纪90年代波音777的设计过程中,全面实施了数字化设计,这款飞机作为全球第一种全数字化定义和无纸化生产的飞机,是航空制造业进入全面数字化时代的标志性事件。而空客公司则通过建立多地区、多制造厂的飞机异地协同数字化设计制造及管理体系,为空中巨无霸A380的成功研发提供了强大的数字化技术支持。
在当前阶段,飞机数字化设计制造技术已经在波音、洛克希德·马丁和空客等公司的飞机研发过程中得到了广泛应用。先进的飞机设计制造技术主要表现在全面应用数字化产品定义、产品数据管理、并行工程和虚拟制造技术,这从根本上转变了传统的飞机设计制造方式,并大幅度提升了制造技术的水平。同时,也取得了显著的效益。举例来说,空客公司利用虚拟制造技术,成功将新机试制周期从4年缩短到2. 5年,从而显著降低了研发成本及生产投入。
数字化装配技术在20世纪80年代后期开始崭露头角,并在西方国家广泛应用于航空工业领域。这一技术集结了众多科技精华,如数字化技术、虚拟现实技术、激光跟踪定位技术以及自动控制技术等,使其完全区别于传统的飞机装配技术。现代飞机数字化装配技术以自动化、数字化、柔性和信息化为特点,不仅提高了飞机的装配效率和质量,还明显提高了飞机的疲劳寿命。
目前,波音和空客两大航空制造巨头已经进入了全球航空制造业的尖端领域。他们已经发展出了一套成熟的数字化装配技术体系,现在波音777、787系列飞机和空客A380超大型客机的装配过程都已经完全实现了数字化。同时,为了应对这一技术的发展,国外的一些相关的设备制造商和飞机制造商已经开始联手进行研发,不断探索和开发数字化装配技术和设备。
准确度
保证飞机机体装配准确度对于提升飞机的使用性能和实现生产的互换性至关重要,因此,飞机装配工作的主要任务就是确保机体装配准确度。为了满足这一要求,需要考虑以下方面:
生产线
随着数字化技术的进步,自动钻铆技术已经得到了广泛的应用,形成了多种模式的自动化装配生产线。这些生产线有多种不同的布局方式,如单元生产模式、流水线生产模式以及混合模式等。传统的装配生产线通常采用单元生产模式,而新的生产线则更倾向于流水线生产模式。实际上,所有生产线都很难完全采用单一理念,因此混合布局生产线已成为主流。在部装和总装阶段,波音公司总装移动生产线最具代表性,通过采用移动生产方式,大大缩短了飞机总装时间,降低了总装成本,提高了装配质量。为了充分发挥装配生产线的性能,需要从管理、工艺和控制等方面进行完善的生产线规划,以确保生产效率和速度。
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流程优化
飞机装配的复杂性要求我们运用自动化生产线进行高效生产。在此过程中,我们需要充分考虑自动化装配的空间开阔性以及工位作业的平衡性。这就需要进行合理的结构分段,明确装配单元的划分,并妥善安排装配任务。同时,由于流程优化和改进是一个不断循环的过程,所以对自动化生产线的设计和规划有着极高的要求。为适应这一需求,生产线必须具有足够的柔性。
流程优化的另一个重要环节是飞机装配作业的规范化和标准化,包括装配动作、时间、业务流程、设备以及装夹具等。完成装配工作的标准化,是建立自动化装配生产线的基础。对于飞机装配而言,其标准化工作主要包括以下几个方面:
1
装配动作的标准化。针对批生产,将装配操作步骤和操作方法具体化、固定化,保证过程的一致性、稳定性。
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业务工作标准化。绘制各类工作流程图,固化工作流程,缩短装配周期。如质量检验、生产计划与调度等业务工作。
3
设备维护标准化。编制统一的生产线设备维护保养手册,定期对设备进行维护保养,提高设备的利用率。
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工装夹具通用化。通过工装夹具通用化,采用组合工装和快换工装等技术手段,保证工装夹具的可持续操作性。
产能平衡
生产线平衡问题在生产流程设计和作业标准化过程中扮演着举足轻重的角色。企业实现平衡生产有利于保证设备、人力的稳定运行,从而提高设备和工时的利用效率,同时也有利于维护正常的生产和管理秩序,确保产品的稳定输出和安全生产。此外,平衡生产还有助于节约物资消耗,减少在制品数量,加速资金周转,从而降低生产成本。
集成控制
生产线控制系统的整合性包括生产指令的发送、生产数据的收集与传输、物流管理、工艺流程及标准规范的传输等多个方面。此外,生产线控制系统的设计也与企业实际的生产流程和常规操作密切关联,是充分发挥生产线设备性能、提升生产效率的核心环节。
生产线仿真
生产线的数字化仿真主要涵盖了多个关键方面,其中包括生产线布局的模拟、对可能出现的冲突进行仿真、针对人机工程进行模拟以及进行物流仿真等。通过在生产线规划阶段进行这种仿真分析,我们可以提前发现生产线中可能出现的各种问题,如互相干涉和生产瓶颈等问题,这样就可以减少不必要的返工和节约大量的时间与成本。
沈阳市特种加工学会
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