國外飛機柔性裝配技術

2024年3月28日發(fā)(作者：重回高三)

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國外飛機柔性裝配技術

北京航空制造工程研究所所長郭恩明

裝配技術已經(jīng)歷了從手工裝配、半機械／半自動化裝

配、機械／自動化裝配到柔性裝配的發(fā)展歷程。目前國

外蓬勃發(fā)展的柔性裝配技術是一種能適應快速研制和生

產(chǎn)及低成本制造要求、設備和工裝模塊化可重組的先進

裝配技術。它與數(shù)字化技術、信息技術相結合，形成了

自動化裝配技術的一個新領域

郭恩明：

經(jīng)濟發(fā)達國家把航空工業(yè)作為拉歷程。社會的需求、市場競爭及相關

中國一航北京航空制造工程研究所所

動國民經(jīng)濟相關產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，得技術的不斷發(fā)展，推動著裝配技術不

長兼黨委書記．自然科學研究員，并

到了持續(xù)的發(fā)展，同時也帶動了其他斷向更高水平演進。

兼任總裝備部先進制造技術專家組副

組長，中國航空學會常務理事、中國

高新技術特別是高新制造技術的飛速目前國外蓬勃發(fā)展的柔性裝配技

復合材料學會副理事長、中國無損檢

發(fā)展。術是一種能適應快速研制和生產(chǎn)及低

測學會理事、航空材料中心理事會理

在航空產(chǎn)品（包括飛機、發(fā)動機成本制造要求、設備和工裝模塊化可

事等職務。曾多次獲得國家級科技進

和機載設備等）的制造中，飛機裝配重組的先進裝配技術。它與數(shù)字化技

步獎、部級科技進步獎和光華基金

獎。多次在型號研制中立功。１９９３年

是將零件（或組件、部件）按照設計術、信息技術相結合，形成了自動化

享受政府特貼，１９９７年被授予中國航

和技術要求進行組合、連接形成高一裝配技術的一個新領域。柔性裝配技

空工業(yè)有突出貢獻專家稱號，２００２年

級的裝配件或整機的過程。飛機裝配術的范疇很廣，涵蓋了柔性裝配工

獲國防科工委有突出貢獻的中青年專

家稱號、并入選國防科技工業(yè)“５１１人

由于產(chǎn)品尺寸大、形狀復雜、零件以

裝、柔性制孔、裝配系統(tǒng)、裝配（含

才工程”高級管理人才

及連接件數(shù)量多，其勞動量占飛機制

裝配工藝）設計、虛擬裝配、裝配集

造總勞動量的一半左右甚至更多，因成管理、數(shù)字化檢測、面向柔性裝配

此經(jīng)濟發(fā)達國家對飛機裝配技術十分的設計等技術領域。

航空工業(yè)是國家經(jīng)濟建設和保衛(wèi)關注，并投入巨資進行研發(fā)。本文僅從柔性裝配工裝、柔性制

國家安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，它的產(chǎn)品一

迄今為止，裝配技術已經(jīng)歷了從孔、柔性裝配系統(tǒng)、數(shù)字化檢測技術

—現(xiàn)代飛行器集當今多項高新技術于手工裝配、半機械／半自動化裝配、等幾個方面就柔性裝配技術在國外的

一體，被譽為現(xiàn)代科技之花。機械／自動化裝配到柔性裝配的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展做簡要的介紹。

２８航空制造技術－２００５年第９期

萬　方數(shù)據(jù)

汪￡趾吆嘲二蘭衛(wèi)

柔性裝配工裝技術

柔性裝配工裝是基于產(chǎn)品數(shù)字量

尺寸協(xié)調體系的、可重組的模塊化、

自動化裝配工裝系統(tǒng)，其目的是免除

設計和制造各種產(chǎn)品（如飛機壁板、

翼梁等）裝配專用的傳統(tǒng)裝配型架／

夾具，從而降低了工裝制造成本，縮

短工裝準備周期，同時大幅度提高裝

配生產(chǎn)率。柔性裝配工裝在國外飛機

制造中體現(xiàn)得特別明顯，典型的應用

有飛機壁板柔性裝配工裝、翼梁柔性

裝配工裝、水平安定面升降舵柔性裝

配工裝（空客飛機）、機身柔性裝配工

裝和總裝用的柔性對接工裝系統(tǒng)等。

飛機壁板柔性裝配工裝是一種多

點陣成形真空吸附式萬能柔性工裝系

表１

時間（年）

莖茬煮荔＿毳委茬磊至羞等

由程序控制三維移動到空間

任何位置定位，生成與裝配

件曲面完全符合并均勻分布

的吸附點陣，能精確和牢固

地夾持壁板以便完成鉆孔、

鉚接和銑切等裝配工作。當

壁板外形發(fā)生變化時，工裝

外形和布局自動進行調整，

通過改變定位和夾緊位置，可以適應

不同的零部件結構和定位裝夾要求，

從而降低了綜合成本，也縮短了工裝

準備周期和產(chǎn)品的研制周期。類似的

柔性裝配工裝還用于翼梁、升降舵、

機身的柔性裝配和環(huán)鉚系統(tǒng)中。表１

列出了基于多點陣成形真空吸附式柔

飛機壁板柔性裝配工裝

性工裝近１０余年來國外的應用情況。

從表中可以看出，自上世紀９０年代初

開始，這種柔性工裝技術已廣泛應用

于戴姆勒一奔馳宇航、波音、麥道、

格魯門、英宇航、ＣＡｓＡ、ＥＡＤｓ／空

客、龐巴迪宇航等公司軍民用飛機的

柔性裝配和生產(chǎn)中。

國外航空航天裝配領域多點陣成形真空吸附式柔性工裝的部分應用情況

用戶

柔性工裝用途

垮§≥“

１９９３

１９９３

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戴姆勃一賽馳宇航（德蘑）

渡音（ｗｌｅＨｌＴＡ，美圜）

修整（鍰Ｘ鏈魏

柔馕王裝，具有３３６令夾持位翔％８侖可按鍪稼袖

豢毪工裝，穢ｌ讎個支點秘２４０個可控坐搽輟《２套）

柔性工裝，帶３∞個被動式氣動支穰，露Ｚ逝移動

環(huán)形豢蛙互裝，醞囂鎊扼系統(tǒng)（３套）

修整（鏡）、鉆孔

修整（鐃）、鍤孔（加王緣條裙匿鹺）

激光焊接

１９鯔

１９９６

１９９６

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１９９７

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１９９８

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激光表器處瑾

環(huán)形柔惶王裝，配環(huán)鉚瓿系統(tǒng)（３鎏）

修整（銑）、鍵孔，勇ｌ工緣條幫鼷捱綴終（２臺）

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激憊襲爨處理

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激黨燔按

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激光切割，化鐫瑟預熱王

鐫蕊蒙皮修熬（銑）、鑣現(xiàn)

５２纂元象穗王裝

環(huán)形柔性童裝，醞環(huán)鉚系統(tǒng)穿竣車（２臺ｊ

２００５年第９期－航窄制造技術２９

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Ｆ０量（ＫＥ＆《禱蘭》

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萬方數(shù)據(jù)　

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鉆孔設備、便攜式自動制孔系統(tǒng)等幾

個方面。

機器人制孔應用得比較成熟，如

Ｆ一１６復合材料垂尾壁板利用辛辛那

提·米爾康Ｔ３機器人進行鉆孔、Ｃ一

１

３０飛機梁腹板用機器人進行自動制

ｃｅＵ

ｅｎｄ

孔、波音Ｆ／Ａ—１８Ｅ／Ｆ超級大黃蜂后

沿襟翼的ＯＮＣＥ（Ｏｎｅ—Ｓｉｄｅｄ

ｅｆｆｅｃｔｏｒ）機器人制孔系統(tǒng)等。

機器人制孔的最前沿應用，包括

洛克希德·馬丁公司的Ｆ一３５飛機碳

纖維環(huán)氧復合材料機翼上壁板制孔用

的大型龍門式鉆孔系統(tǒng)（ＪＧＡＤＳ）。該

系統(tǒng)帶有便攜的、靈活、低成本且重

量輕的機器人，它使用激光定位系

統(tǒng)、電磁馬達和“壓腳”（ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｆｏｏｔ）進行精密鉆孔，加快了裝配過

程，并形成緊配合，產(chǎn)生的表面光滑，

間隙小，滿足了Ｆ一３５飛機氣動和耐

久性的要求。由于具有上述優(yōu)勢，Ｆ一

１６、Ｆ一２２、Ｆ～２和Ｔ一５０項目都對該

系統(tǒng)進行評估并準備用于相應的裝配

空客系列飛機機翼壁板柔性裝配工裝及壁板尺寸

作業(yè)。

自動化制孔系統(tǒng)對批量生產(chǎn)的大

型構件可以實現(xiàn)高效、高質量、低成

本的自動柔性制孔。

運載火箭阿麗亞娜５號在結構制

造過程中，通過使用兩套自動制孔系

統(tǒng)，提高了生產(chǎn)能力和質量，改善了

柔性裝配工裝比較有特色的另一

種形式是Ｅｌｅｃｔｒｏｉｍｐａｃｔ公司開發(fā)的、

被稱為“行列式高速柱陣”的柔性裝

配工裝系統(tǒng)，它已廣泛用于空客系列

飛機的機翼壁板和波音公司大型軍民

用飛機翼梁的柔性裝配生產(chǎn)中。在空

客系列飛機機翼壁板柔性裝配工裝上

可完成Ａ３３０／３４０、Ａ３１９／３２０／３２１、

Ａ３００等系列飛機機翼壁板的裝配，

它具有模塊化（ＲＲＳ特性）、數(shù)字化、

自動化的特點。

在總裝階段，由于柔性裝配技術

的發(fā)展，傳統(tǒng)的對接平臺／精加工臺

已逐漸被由計算機控制的自動化千斤

頂、激光跟蹤定位系統(tǒng)、激光準直定

位系統(tǒng)等組成的柔性對接平臺所取

代，并在波音、雷神等飛機公司得到

推廣應用。采用柔性對接平臺，能使

機體裝配質量大幅度提高，以滿足新

一代飛機氣動外形高準確度的要求；

它能自動控制，且操作簡便，縮短了

３０航牽制造技術－２∞５年第９期

裝配時間；能夠適應不同尺寸的機身

機翼結構，節(jié)省了裝配工裝的費用。

柔性制孔技術

現(xiàn)代產(chǎn)品特別是大型飛行器復雜

整體結構的采用，機體結

構長壽命、高質量、高效

率、氣動等方面的要求，

使裝配制孔比以往要求更

精、更嚴；同時，現(xiàn)代飛

行器機體結構材料中復合

材料、鈦合金比重大幅度

上升等，這些都為飛行器

裝配特別是大型飛行器的

裝配采用自動化柔性制孔

提出了明顯的需求。

國外飛行器結構所應

用的柔性自動化制孔技術

及其發(fā)展包括：機器人制

孔、自動制孔系統(tǒng)、柔性

制孔系統(tǒng)、并聯(lián)機床柔性

與裝配工裝相集成的阿麗亞娜５號自動制孔系統(tǒng)

萬方數(shù)據(jù)　

配有一種可重

組柔性工裝的長桁

柔性制孔系統(tǒng)，可

適應不同種類和規(guī)

格長桁的自動化制

孔。

Ｎ

ｏｒ

（Ｅ４３８０）等機翼壁板的柔性裝配。柔

性翼梁裝配系統(tǒng)源于波音公司的

ＡＳＡＴ計劃。ＡＳＡＴ是自動化大梁裝

配工裝的簡稱，它集成了電磁鉚接技

術和運動磁軛裝配機技術，來解決翼

梁大型構件的自動化裝配問題。

ＡＳＡＴ計劃起始于Ｂ一７６７翼梁的自

動化裝配系統(tǒng)，隨后不斷發(fā)展并集成

到大多數(shù)波音民機機翼生產(chǎn)線上，最

新的發(fā)展是Ｅ５０００（ＡｓＡＴ４）Ｃ一１７第

四代自動化翼梁柔性裝配系統(tǒng)。上述

兩類柔性裝配系統(tǒng)的最顯著特點都是

采用了電磁鉚接動力頭和行列式高速

柱陣柔性裝配工裝，能適應不同規(guī)格

和尺寸的壁板或翼梁的柔性裝配。

ＡＳＡＴ４／Ｅ５０００柔性裝配系統(tǒng)是

ｔｈ

ｒ

Ｏ

ｐ

Ｇｒｕｍｍａｎ公司為完

成Ｆ一３５機身的柔性

裝配，設計并制造

了５種自動鉆孔系

長桁柔性制孔系統(tǒng)

統(tǒng)（Ａ

ＴＯＲＲＥＳＤＩＬＬＦ３５

Ｄ

Ｓ），這些

工作條件并減少了零件總數(shù)。

波音公司Ｂ一７４７、Ｃ—１７等飛機

機艙地板都采用了自動化制孔系統(tǒng)。

過去，裝配中所有難于進行點定位的

部分，都要用固定夾具定位后手工制

孔。而現(xiàn)在采用自動化制孔系統(tǒng)則可

進行自動定位和制孔，大大縮短了流

程時間，提高了制孔質量，并可節(jié)省

體力勞動及工具成本。

自動制孔系統(tǒng)的最新發(fā)展是

Ａ３８０第一階段機翼壁板裝配用的輕

便式ＣＮＣ自動制孔設備ＧＲＡＷＤＥ

（Ｇｅａｒ

ｒｉｂ

ａｕｔｏｍａｔｅｄ

ｗｉｎｇｄｒｍｉｎｇ

ＡＤＳ機床是ＣＮＣ

控制的六軸系統(tǒng)，它們構成了Ｆ一３５自

動化機身柔性裝配系統(tǒng)的一部分。

制造與裝配時，達到制孔自動化

同時又降低成本是極其重要的。因

此，低成本、柔性且滿足高質量制孔

要求的便攜式自動化制孔系統(tǒng)，與配

有大量刀具的復雜結構自動制孔系統(tǒng)

相比，極具競爭優(yōu)勢。波音公司開發(fā)

的ＦｌｅｘＴｒａｃｋ模塊化柔性導軌制孔

系統(tǒng)正是屬于此類。

美國空軍為Ｃ一１７開發(fā)長期制造成本

減少戰(zhàn)略而向波音提出的，可以說代

表了新一代的裝配連接技術，它占地

面積很小，并具有很高的柔性。

ＡＳＡＴ４由～臺配有電磁鉚接動力頭

的垂直運動磁軛裝配機和兩臺ＣＮ

Ｃ

控制的柔性梁裝配工裝組成。每個裝

配工裝都可以接受６根Ｃ一１７梁中的

任一根，梁間的結構重組完全是自動

的并可在５ｍｉｎ內完成。Ｅ５０００動力

頭采用全裕度設計，安裝在磁軛腿

上，允許從梁的任一方向進行鉆孔和

安裝緊固件，翼梁在整個裝配過程中

始終通過剛性夾持保持固定。

柔性裝配系統(tǒng)

先進裝配技術的重要發(fā)展方向是

柔性裝配系統(tǒng)。目前，世界航空發(fā)達

國家的飛機自動化裝配技術已由單臺

數(shù)控自動鉆鉚機和數(shù)控托架組成的自

動鉆鉚系統(tǒng)向柔性裝配工裝、柔性加

工單元、數(shù)控定位系統(tǒng)（包括

機器人）、柔性送料系統(tǒng)、視覺

系統(tǒng)和數(shù)字化檢測系統(tǒng)等組

成的柔性裝配系統(tǒng)發(fā)展。

目前國外發(fā)展的柔性裝

配系統(tǒng)主要有柔性機翼壁板

裝配系統(tǒng)、柔性翼梁裝配系

統(tǒng)、復合材料升降舵柔性裝配

系統(tǒng)、ＢＲ６ＴＪＥ機身壁板柔性

裝配系統(tǒng)、機器人柔性裝配系

統(tǒng)、機身柔性裝配系統(tǒng)（如波

音的ＦＡＩＴ計劃）等。

空客公司研發(fā)了系列飛機機翼壁

板柔性裝配系統(tǒng)，用來實現(xiàn)空客

Ａ３２０（Ｅ４０００）、Ａ３４０（Ｅ４１００）、Ａ３８０

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）和ＨＡＷＤＥ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ

ａｕｔｏｍａｔｅｄ

ｗｉｎｇ

ｄｒｉｌｌｉｎｇ

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）。ＧＲＡＷＤＥ的特點是能

從可拆卸的底座分離，并可安裝到裝

配工裝的不同位置進行制孔。

ＨＡＷＤＥ是一種臥式自動化機翼制

孔系統(tǒng)，其獨特性在于可以沿裝配工

裝升降，并在不同位置上運行。最有

特色的是該系統(tǒng)可以自動動態(tài)校正刀

具軸，精度可以達到±１５０“ｍ。

波音Ｃ一１７Ｅ５０００翼梁柔性裝配系統(tǒng)

復合材料升降舵柔性裝配系統(tǒng)是

空客公司為實現(xiàn)空客系列飛機復合材

料平尾升降舵的柔性裝配而研制的，

它能適應空中客車Ａ

３２

柔性導軌模塊式鉆孔系統(tǒng)

（鉆孔主軸已拆除）

０系列、

２００５年第９期·航空制造技術３１

萬方數(shù)據(jù)　

』乙里一進￡世瞪幽

檢測，并顯

著地提高了

生產(chǎn)效率，

使得Ｆ一３５

及Ｆ一２２計

劃的全壽命

周期的檢驗

空客西班牙公司的復合材料升降舵柔性裝配系統(tǒng)

Ｍｅｔｒｏｎｏｒ便攜式計算機輔助紅外照

相測量系統(tǒng)，與一般的坐標測量機相

比，設備成本減少３／４，測量大型件

減少檢測時間５６％，而對于小零件則

省時達６４％。

飛機裝配件中很大一部分是整體

密封結構（如整體油箱或氣密座艙

等），密封試驗和檢漏技術是飛機密成本減少約

Ａ３３０／３４０和Ａ３４０—５００／６００型飛機

的水平安定面升降舵后緣的柔性鉚接

裝配。系統(tǒng)可自動完成后緣的測量和

校準、上下壁板鉆孔和锪窩、鉚釘選

擇和供給、注膠、鉚接、壁板表面波

紋度測量等過程。

德國ＢＲ６ＴＪＥ公司開發(fā)的機身壁

板柔性裝配系統(tǒng)，采用了基于模塊化

的ＰＯＧＯ柱單元的柔性工裝系統(tǒng)和

全電動鉚接（借助于滾柱絲杠）技術，

并在Ｂ一７３７和Ｃ～１７機身壁板上得到

了應用。

Ｅ１ｅｃｔｒｏⅡ１１ｐａｃｔ與空客英國公司聯(lián)

合開發(fā)了一種機器人柔性裝配系統(tǒng)，

用于機翼壁板與骨架的裝配。該系統(tǒng)

集成了４種主要功能：壓緊壁板、探

測壁板（厚度）并鉆孔、孔檢測、插入螺

栓或環(huán)槽釘并安裝。這種系統(tǒng)是空客

英國公司機翼制造過程自動化集成技

術的開發(fā)和可行性研究的一部分。

數(shù)字化檢測技術

基于數(shù)字量協(xié)調的數(shù)字化／柔

性裝配技術離不開數(shù)字化的檢測和試

驗。國外目前在激光超聲檢測技術、

幾何量柔性測量技術、數(shù)字化密封試

驗和檢漏技術等方面有長足的進步。

在ＪＳＦ項目的競爭中，洛克希

德·馬丁公司的數(shù)字化檢測技術就是

其戰(zhàn)勝波音而獲勝的關鍵技術之一。

洛克希德·馬丁公司利用其先進的帶

有專利的激光超聲檢測技術，能夠對

復雜型面的復合材料零件進行１

００％

的自動檢測。此項技術目前已用于

Ｆ一２２、Ｆ一３５的大型油箱、大梁、復

合材料進氣道、機翼蒙皮等的自動化

３２航牽制造技術·２００５年第９期

萬　方數(shù)據(jù)

３億美元。Ｘ封結構裝配制造中不可缺少的一環(huán)，

一３３空天飛機油箱也采用了這項技國外已普遍采用氦質譜檢漏儀等自動

術。化的檢測設備來保證。目前，美國正

在幾何量柔性測量技術方面，激在進行一種數(shù)字化的非接觸式激光檢

光跟蹤數(shù)字化定位技術在國外已得到漏方法的研究和應用，其檢漏過程和

普遍應用。洛克希德·馬丁公司還采檢漏結果可以與產(chǎn)品數(shù)模相集成。

用了一種由挪威開發(fā)并制造的（責編根山）

國外飛機柔性裝配技術

作者：

作者單位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次數(shù)：

郭恩明

北京航空制造工程研究所

航空制造技術

AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY

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航空標準化與質量 2008(4)

17.孟俊濤.王仲奇.殷俊清

機身壁板裝配數(shù)字化定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[期刊論文]

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