梁涛
中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安710089
飞机产品在制造、检验以及系统测试、地面配合等生产过程中所使用的专用装备称为飞机装配工艺装备，简称工装，在飞机装配过程中使用工装来确保零部件相对位置正确，并能降低人工劳动强度、提高装配效率，在保证质量的前提下缩短飞机装配周期，降低飞机研发成本，从而提高产品竞争力，工装的研制是整个飞机装配中的关键和核心技术[1]。工装的研制能力通常反映着一个国家或地区制造业的发展程度。
飞机工艺装备根据其使用功能可分为：标准工装（标工）、样板、装配型架、专用夹具、冲压成型模具、地面设备、专用工具与检验工装等。根据结构形式又可将工装分为刚性和柔性两种，前者结构形式固定，只适用于单一产品的装配，产品更改一点就无法使用，工装返修周期长，维护量大，常有因飞机产品更改而造成大量工装闲置或报废；后者基于模块化设计理念，可根据产品形式快速调整工装结构，单台工装即可满足结构类似不同产品的装配。柔性化工装是飞机工艺装备发展的方向，使用单台柔性化工装即可实现多台传统刚性工装的功能，可以大大减少传统刚性工装的设计与制造，降低生产成本，缩减生产用地面积[2]。
我国航空制造业整体工装设计制造水平不容乐观，自制工装大都为传统结构的刚性工装，自动化程度低，数字化水平弱，柔性低，占地面积大，大都依靠人工装配制孔铆接，生产效率低，虽然少部分工装可采用自动化设备制孔装配，但这些自动化设备大都采购于国外。随着新机型研制任务不断增多，节点要求紧迫，为了给工装制造与产品装配留出充足时间，工装设计必须在短时间内完成，由于工装设计周期短，设计水平与制造能力有限，再加上工装研发经费的限制，为了保证飞机生产进度，大量工装设计仍采用传统的刚性结构，这种形式的工装只能用于单一产品的装配，结构复杂，松散件多，使用操作不便，在生产制造过程中，飞机产品结构又难免发生更改，这又会造成工装多次返修，影响飞机生产进度，采用人工装配制孔铆接难以保证产品质量，这些因素都严重制约着我国飞机制造业的发展。
近年来，我国各大飞机制造企业、研究所及科研院校引进了国外先进柔性化装配工装，并对其做了大量研究，包括工装与产品的并行设计方法，工装的标准化、模块化、参数化设计理念，有限元分析优化结构，装配过程仿真与容差分析等研究，取得了很大进步，但相比国外先进技术还是有相当大的差距，依旧无法满足大量新机型的研制需求，问题主要体现在以下几个方面：
（1）航空制造企业自主研发能力低，研究相对较为零散，缺乏系统化，大都依靠与研究所或研究院校合作，工装结构单一，数字化程度低，基本只能实现局部的柔性化。
（2）工装的研制过程中还未完全实现并行工程，工装研制周期长，而且常因上游飞机产品的结构优化或更改而造成工装的返工，甚至报废，无形中增加飞机的研制周期和成本。
（3）在工装研制过程中，虽然使用了计算机辅助设计、数控加工制造、激光检测技术等，但是CAE技术还未充分利用，容易造成工装结构设计不合理，结构强度不足或过剩，引起工装定位器发生位移或造成资源浪费。
（4）在飞机研制实际生产过程中，依旧大量采用传统结构的刚性工装，模拟量传递的标工、样件仍然存在，飞机产品大都依靠人工制孔铆接装配，自动化制孔设备利用率低，产品质量难以得到保障。
在飞机研制过程中，工装是决定装配成本的关键因素之一，采用传统工装虽然初期投资少，但是装配周期长，人工劳动量大，可以用于样机或试验机的研制，不适合飞机的大批量生产；采用模块化、数字化工装，初期投资较多，人工劳动强度适中，待形成规范的装配工艺流程后，装配周期缩短，单机装配成本明显降低，适合飞机的中批量生产；采用数字化柔性工装，初期投资巨大，但自动化装配可以大量减少人工劳动力，最大幅度的缩短装配周期，随着飞机生产架次的增加，单机相对装配成本最低，适合飞机的大批量生产[3]。飞机生产架次与单机装配成本之间的关系如图1所示。
.png)
工装的设计制造消耗大量人力、资金与时间，工装的研发成本已经成为制约我国新机型研制和批生产的关键性因素之一。研究国外先进的工装结构形式，从以下几个方面改进我国工装结构，可以大大提高生产效率，提高飞机产品质量。
（1）工装的柔性化、模块化和标准化
柔性化是指工装可以快速重构调整定位器以便适应不同的产品外形，一套工装可以完成不同飞机类似结构产品的装配。柔性工装有多个具有特定功能的模块单元，可根据产品结构形式进行快速重组，实现产品的定位装配。采用柔性化工装可以省掉很多专用工装，降低工装研制成本，节约生产用地，大幅度缩短飞机的装配周期。通过制定工装标准件规范，在工装设计中建立通用标准件库，工装设计员根据需要直接从库中调取相应标准件，就可以快速设计出工装通用部分的结构，不但能降低工装设计工作量，而且可以规范工装结构形式，所选用的标准件可以在工装设计完成之前提前制造，进一步缩短工装研制周期[4]。
（2）工装研制的数字化
工装研制的数字化包括工装数字化设计、数字化制造和数字化检测。传统工装制造过程中采用串行模式，存在许多模拟量传递，通过标工、量规、样板等作为制造协调的依据，装配过程误差积累多，产品互换性差，产品质量和装配效率难以保证。工装研制的数字化，从工装的设计、制造到检测整个环节，尺寸公差配合要求全部采用数字量传递，均以飞机产品的MBD模型作为唯一数据源，保证产品质量和互换性要求。在工装研制过程中可以采用并行设计方法，飞机产品数模达到某个成熟度时进行数模预发放，制造工艺同步进行装配工艺流程制定，工装协同设计，及时发现产品设计问题，避免工装制造过程中返工，当飞机产品数模成熟后，只需对工装结构进行少量更改就能满足最终产品定位需求，大幅度缩短工装研制周期[5]。
（3）工装结构的轻量化
装配工装结构的强度是影响飞机装配精度的关键性因素，工装强度不足必然引起工装定位器的位移，造成产品相互位置不协调，带应力强行装配；工装强度过剩，又会使工装型架显得粗大笨重，不但工装制造浪费材料增加成本，而且在工装使用过程中也会造成不便。传统的工装设计过程中，设计师们大都凭借经验分析或根据公式估算结构强度，造成飞机产品的装配质量难以保障。为了防止工装结构强度不足或者强度过剩的情况出现，在工装设计中使用CAE技术对工装进行强度分析和结构优化，在满足工装强度的前提下尽可能的轻量化设计，降低制造成本，从根本上避免了因工装强度不足而引起的产品报废，减轻工装使用过程中的人工劳动强度，缩短工装研制周期。
[1]刘善国．先进飞机装配技术及其发展［J］．航空制造技术，2006（10）：38-41.
[2]于兰萍．工装设计优化技术的现状及发展趋［J］．导航与控制，2016，4：18-19.
[3]邹冀华, 刘志存, 范玉青. 大型飞机部件数字化对接装配技术研究[D].2007.
[4]任晓华. 新型飞机自动化装配技术[J]. 航空制造技术, 2005, 12: 32-35.
[5]郭洪杰, 康晓峰, 王亮, 等. 飞机部件装配数字化柔性工装技术研究[J]. 航空制造技术, 2011, 22: 94-97.