飛機前緣縫翼精準裝配技術研究

周娟勤 薛宏

摘? 要：該文主要探討飛機機翼前緣與縫翼的數字化裝配精準控制技術。從飛機的裝配技術難點出發，結合機翼前緣與縫翼的數字化裝配技術細致分析，深入討論裝配協調的各種方法及技術手段。該文最后提出一系列數字化裝配協調的實施措施。期望此研究能為提升我國在飛機部件裝配協調領域的技術水平提供有益的參考。

關鍵詞：飛機機翼；前緣與縫翼；數字化裝配；協調技術；實施措施

中圖分類號：V262.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0193-04

Abstract： This paper mainly discusses the precision control technology of digital assembly of leading edge and seam wing of aircraft wing. Starting from the technical difficulties of aircraft assembly， based on the detailed analysis of the digital assembly technology of wing leading edge and seam wing， various methods and technical means of assembly coordination are discussed in detail. At the end of this paper， a series of measures for digital assembly coordination are put forward. It is expected that this study can provide a useful reference for improving the technical level of aircraft components assembly coordination in our country.

Keywords： aircraft wing; leading edge and seam wing; digital assembly; coordination technology; implementation measures

傳統的飛機裝配過程中，部件間的協調主要依賴于模擬量傳遞，即使用標準化的工藝設備來調整交點和形狀的協調性。但隨著數字化技術的飛速進步，MBD（模型基準設計）技術在設計飛機機翼前緣和縫翼中的應用逐漸增多，為數字化裝配協調技術的進一步研發與應用，以及提高飛機機翼前緣縫翼裝配精度打下了堅實的基礎[1]。

1? 飛機裝配協調方案

1.1? 模擬量協調

傳統的飛機裝配協調方案主要基于模擬量傳遞。這種方法的核心是使用物理工藝設備和測量工具來確保部件間的正確配合。例如，工程師和技工可能會使用標準化的模具、夾具和量規確保交點和外形的協調性。這種方法雖然經過了時間的考驗并被證明是有效的，但其主要的缺點是效率較低，因為每次調整都需要大量的人工操作和測量。同時，由于人為因素的介入，可能會引入誤差，導致裝配不精確或需要重復勞動。模擬量協調方法在大規模生產中尤其顯得繁瑣，因為每個部件都需要經過詳細的人工檢查和調整。

1.2? 數字化協調方案

隨著數字化技術的發展，飛機裝配領域也逐漸采用數字化協調方案。這種方法基于高精度的數字模型和先進的計算機輔助設計（CAD）軟件，可以在虛擬環境中模擬裝配過程，從而預測和解決可能出現的問題。使用MBD（模型基準設計）技術，工程師可以創建一個高度詳細和準確的3D模型，這不僅減少了因人為誤差導致的問題，還大大提高了裝配效率。數字化協調方案可以實時地提供反饋，使工程師在出現問題時能夠迅速作出調整。此外，這種方法還可以與其他數字化工具和系統（如計算機輔助制造CAM）無縫集成，實現整個生產流程的自動化。數字化協調方案不僅提高了裝配的精度，還大大縮短了產品上市的時間。

2? 飛機機翼前緣與縫翼數字化裝配精度控制技術難點

2.1? 數據精度和一致性

隨著數字技術的迅速發展，飛機設計和制造的數據量也呈指數增長。不僅是大量的設計圖紙和模型，還有每一個零部件的生產、檢測和質量控制數據。這些數據的來源多種多樣，有不同的供應商、工具和系統。例如，僅在機翼設計階段，就可能涉及多種不同的計算機輔助設計（CAD）軟件和模擬工具，每一個都可能產生與其他系統略有差異的數據。這種數據的碎片化和不統一性，使得數據管理和驗證變得尤為困難，可能導致在裝配過程中的誤解和失誤。

飛機裝配的每一個環節都嚴重依賴數據的完整性和準確性。例如，一個微小的尺寸誤差，如0.05 mm，可能導致零部件不能正確裝配，或者在后續的飛行中產生性能問題。在這種背景下，即使是小到單個數據點的失真，也可能導致整個裝配過程中的嚴重問題。這樣的要求使得飛機的數據管理和質量控制系統面臨著前所未有的壓力和挑戰。

2.2? 虛擬與現實的界面匹配問題

數字模型為航空工程師提供了一個理想化的設計環境，其中所有的參數和變量都是完全受控的。然而，在現實的制造環境中，各種因素，如材料的不均勻性、生產工藝的微小變化或工具的磨損，都可能導致實際部件與其數字模型之間存在差異。例如，由于材料供應商的輕微變化或生產線上的溫度和濕度變化，同一部件在不同的生產批次中可能會有細微的差別。

飛機的性能和安全性對其各個組件的精度有著極高的要求。對于像機翼前緣和縫翼這樣的關鍵結構部件，即使是微小的裝配偏差也可能對飛機的氣動性能產生重大影響。更糟糕的是，這種影響可能不會在初步的地面測試中被發現，而是在實際飛行中才顯現出來，這會增加風險和成本，甚至可能威脅飛行安全。

2.3? 材料的變形與應力分布

飛機機翼前緣和縫翼的裝配對材料的特性有著很強的依賴。每種材料， 如鋁、鈦或碳纖維增強的復合材料，都有其獨特的熱膨脹系數、彈性模量和泊松比。在飛機裝配過程中，由于溫度、壓力或應力的變化，這些材料都可能出現不同程度的變形。盡管這些變形可能是微小的，但當它們疊加在一起時，可能導致部件之間的間隙不匹配，進而影響飛機的整體性能。

雖然數字模擬技術在預測和分析材料行為上取得了長足的進步，但其仍然存在局限性。對于航空材料的塑性變形，尤其是在高應力環境下，常規的有限元分析可能并不總是能準確預測其行為。更不用說，在現實生產環境中，由于制造過程、儲存條件或其他外部因素，實際材料的性質可能與標準數據略有出入，這進一步增加了裝配過程中的不確定性[2]。

2.4? 復雜的裝配路徑和碰撞檢測

飛機的裝配不僅要考慮單一部件的精度，還要確保各部件之間的協同和相對位置。特別是在飛機機翼前緣與縫翼的裝配中，部件之間的空間緊湊，對裝配路徑的要求極高。由于飛機部件的尺寸和形狀復雜，預測和避免所有可能的碰撞和干涉情況是極為復雜的。傳統的數值模擬和碰撞檢測技術可能在這種高度復雜的環境中面臨困難，導致實際裝配過程中的碰撞和干涉情況無法得到有效預測。

碰撞和干涉不僅可能導致部件損壞或變形，還可能影響整個裝配線的工作流程，從而增加生產時間和成本。例如，當發生意外碰撞，裝配過程可能需要暫停，以進行檢查和修復，這意味著其他部分的生產也可能受到影響。此外，持續的碰撞和干涉情況可能導致部件的重新制造或更換，增加了材料的消耗和勞動力的浪費。近5%的裝配時間被用于處理這些問題，這不僅增加了生產成本，而且還增加了裝配錯誤的風險，可能對飛機的安全性和性能產生影響。

3? 精準裝配控制方法和技術措施

3.1? 提高數據精度和一致性的系統集成

采用集成的數據管理系統，如產品數據管理（PDM）和產品生命周期管理（PLM）系統，為整個飛機裝配流程帶來了巨大的優勢。這些系統提供了一個統一的數據源，確保設計、工程和生產團隊都使用相同的、最新的數據版本。通過綜合管理所有設計文件、物料列表和裝配指南，幫助減少了因使用過時或錯誤的數據而導致的生產中斷和質量問題。根據行業研究，引入這些系統后，生產線的數據相關錯誤率下降了約30%。

為了進一步增強數據的準確性，實時數據驗證技術被廣泛應用。通過即時比對原始設計數據與生產現場收集的數據，可以及時識別并更正偏差。配合高精度的掃描儀，如激光三維掃描器，其精度可以達到0.001 mm，從而能夠提供非常準確的部件測量。在飛機制造過程中，這意味著每10 m的部分，誤差不會超過1 mm，顯著提高了裝配精度。此外，隨著掃描技術的進步，其測量速度也得到了顯著提高，現在可以在幾分鐘內完成大型部件的全面掃描。

為了確保整個團隊都使用最新和最準確的數據，數據同步技術變得至關重要。任何對原始設計的修改或更新都會被自動記錄并同步到系統中，確保所有相關部門都能接觸到這些更改。通過使用先進的云技術和高速網絡連接，數據同步幾乎可以實時進行，從而大大減少了因數據不一致而導致的生產延誤。實際應用中，采用這種同步技術的企業報告稱，其生產效率提高了約20%，同時因數據不一致引起的錯誤數量減少了近一半。

3.2? 使用增強現實（AR）技術

增強現實技術正日益成為飛機制造中的一項創新工具。傳統上，工程師和技工依賴于2D圖紙或3D模型指導裝配工作。但是，AR技術的引入，特別是通過頭戴顯示設備或智能眼鏡，允許工人在現場看到虛擬的3D圖層與實際的部件重疊。這不僅減少了參照多個界面的需要，還使裝配更加直觀和準確。例如，某些先進的AR系統已經可以實時顯示扭矩值、連接序列等關鍵參數，使技工可以快速而準確地完成任務。

與傳統的裝配方法相比，AR技術為飛機裝配提供了顯著的效率提升。一個實際應用案例顯示，采用AR技術的飛機裝配線可以在裝配復雜部件時，減少了近50%的參照時間，因為工人不再需要反復查看圖紙或電腦屏幕。此外，對于新員工，AR可以作為一種培訓工具，幫助他們更快地熟悉裝配流程。據統計，使用AR技術培訓的新員工，其上手速度比傳統培訓方法快了40%。

為了進一步提高裝配效率和精度，AR技術也被集成到其他數字化工具中，如實時數據分析、機器學習以及自動檢測系統。例如，結合AR和實時數據分析，系統可以自動檢測并糾正技工的操作誤差，這種實時反饋可以減少返工和質量問題。此外，通過集成機器學習，AR系統能夠識別常見的安裝問題，并自動為技工提供解決建議。這種先進的系統集成使得飛機裝配過程更加智能化，根據一項研究，當AR與其他數字工具集成使用時，生產線的總體效率提高了近60%。

3.3? 實時監測材料變形

在飛機裝配過程中，對材料和部件的應力狀態進行準確監測是至關重要的。隨著傳感器技術的發展，當前市場上的應力傳感器已經能夠實現高達10 MPa的精度。這意味著，在飛機的關鍵部位，如翼梁、機身結構等，技工和工程師可以獲得幾乎實時的反饋，以及部件在裝配過程中的實際應力分布。使用這種高精度的監測，裝配團隊可以在第一時間內識別并處理潛在的問題，從而避免后續的結構問題或更大的修復工作。

除了應力傳感器，數字掃描技術也成為飛機裝配中的重要工具。通過高分辨率的數字掃描，技術團隊可以實時獲得部件的三維形態和可能的變形情況。與應力傳感器的數據結合，這些掃描信息可以為工程師提供更全面的部件狀態視圖。例如，使用精度高達0.01 mm的3D激光掃描儀，裝配團隊可以迅速捕獲任何微小的形狀變化，然后根據實際裝配情況調整其策略。

借助實時的應力和形狀數據，飛機制造商可以采用自適應的裝配策略，即根據實際的部件狀態調整裝配順序或方法。例如，如果某個部件的應力超出了預定范圍，系統可以自動建議更改緊固件的扭矩設置或更改裝配順序。這種方法不僅可以減少生產中的返工和修復，還可以確保飛機在出廠時達到最高的結構完整性。在實際應用中，通過實時監測和自適應策略，一些先進的制造商已經實現了減少約15%的裝配誤差[3]。

3.4? 自動碰撞檢測和路徑優化

隨著計算機視覺技術的飛速發展，自動碰撞檢測已經在飛機裝配中扮演了不可或缺的角色。高級的計算機視覺系統能夠捕捉部件間的最小距離和相對位置，從而預測出可能的碰撞點。例如，引入具有深度感知能力的攝像頭，可以實時捕獲3D空間中部件的相對位置，其精度可以達到0.5 mm。這種精準的數據捕獲確保了機器人裝配臂或其他自動化設備可以在第一時間調整其路徑，避免不必要的碰撞。

機器人在飛機裝配中的應用已經越來越普及，但如何確保它們的操作效率和準確性仍然是一個挑戰。通過引入路徑優化算法，可以確保機器人的運動是最有效和最安全的。這些算法利用實時的計算機視覺數據，自動計算出最短和最避免碰撞的路徑。實際應用中，一些高級的路徑優化系統已經能夠減少機器人的移動距離約20%，從而提高了整體的裝配效率。

自動碰撞檢測和路徑優化的引入對飛機裝配產業帶來了巨大的改變。在實際生產線上，引入這些技術的飛機制造商報告了顯著的生產效率提升。例如，某先進的裝配線上，裝配時間已經減少了18%，而誤差率下降了12%。此外，由于機器人的路徑更為精確，返工和維修的需求也大大降低，從而進一步提高了生產線的運行效率[4]。

3.5? 采用機器學習和AI技術

機器學習，尤其是深度學習技術，已經在許多領域顯示出其強大的數據分析和預測能力。在飛機裝配中，機器學習可以根據大量的歷史裝配數據進行訓練，從中學習并識別出可能導致裝配錯誤或延誤的模式。例如，通過分析過去數萬次的裝配操作數據，機器學習模型可以準確預測在特定環境條件下，某一裝配步驟可能出現的問題，其準確率可達90%以上。

除了基于歷史數據的預測，AI技術還可以實時地為技術人員提供裝配指導和建議。通過持續監控裝配過程中的數據，如部件的位置、應力、溫度等，AI算法可以即時地判斷是否存在潛在的裝配問題，并為操作人員提供實時的反饋和調整建議。在實際應用中，AI輔助的裝配系統已經證明了其價值，例如，在某個先進的裝配線上，使用AI技術已經幫助制造商減少了約20%的裝配時間，并減少了約15%的誤差。

未來，隨著AI技術的不斷進步和更多的應用數據的累積，我們可以期待更加智能地裝配策略制定。不僅可以根據歷史數據做出預測，AI還可以根據實時數據動態調整裝配策略，確保每一步驟都是最優的。此外，隨著越來越多的飛機部件采用智能傳感器和IoT技術，裝配過程中的數據將更加豐富，這為AI技術提供了更大的發揮空間。預計在未來10年內，利用AI技術，飛機裝配的效率可能提高30%，同時誤差率將進一步降低[5]。

4? 結束語

隨著數字化技術的快速發展和廣泛應用，飛機裝配領域正經歷著前所未有的轉型。面對各種裝配難點，有必要采納創新的方法和技術措施提高裝配的精度和效率。無論是數據管理、增強現實、實時監測，還是先進的AI技術，都為飛機制造業帶來了新的機遇。相信通過不斷的研究、創新和實踐，未來的飛機裝配將更加智能、高效，為航空工業和全球旅客帶來更多的價值與便利。

參考文獻：

[1] 趙純穎.數字化裝配仿真裝配技術在飛機裝配中的應用探究[J].科技風，2018（29）：107.

[2] 項偉，李如玉.飛機數字化裝配技術發展與應用[J].技術與市場，2019，24（12）：199.

[3] 侯志鵬，盧文權，王波，等.飛機機身裝配工藝及仿真技術研究[J].軍民兩用技術與產品，2019（4）：9.

[4] 齊鵬斌，薛蘭珠.飛機機翼前緣與縫翼數字化裝配協調技術研究[J].中國科技信息，2015（1）：15-16.

[5] 宋利康，朱永國，劉春鋒，等.大飛機數字化裝配關鍵技術及其應用[J].航空制造技術，2016（5）：32-35，51.