YANGHUIMIN

飞机机翼的制造和装配技术是飞机整体制造中难度最大的技术之一，其重要性也不言而喻。为了加快研发及生产速度，满足日益复杂及多变的环境和市场需求，航空制造技术领域的工程人员不断进行着创新和探索，使航空项目的研发和生产更加趋向于全球协作，主承包商外购部件增多且向集成商发展，次承包商在发展专业化的同时也更多地参与设计和向部件集成方向发展，新兴技术承包商以其特有的高新技术不断涌现并渗透到航空军民用工业领域。为了在大型飞机的制造领域寻求突破，提升我国航空工业的研制水平，由西飞公司与空客公司合作的A319飞机机翼翼盒组件转包生产项目是我国航空工业首次真正意义上进入国外大型飞机机翼部件的制造领域，是西飞公司承接的外协项目中最大、最复杂项目；同时也是西飞公司有史以来研制的技术含量最高、工艺最复杂、精度最高的项目。
A319机翼单侧长16.67m，宽4.2m，高1m，重约3.5t，由前缘组件、后缘组件、27个梁间肋、上壁板、下壁板、发动机吊挂、主起接头等关键重要部件组成（如图1所示）。所有部件气动外形精度、互换协调准确度等要求都很高。

图1 A319机翼翼盒

工装的装配协调方案
A319机翼总装型架结构尺寸大（长25m，宽8m，高7m），协调关系复杂，属于特大型型架。由于整个A319机翼组件包含大量交点（前缘缝翼滑轨、发动机吊挂、襟翼、副翼、主起肋、扰流板、固定罩等），用模拟量传递的型架设计和制造方法在装配精度、质量稳定性、装配效率等方面都很难满足要求。而用数字量传递的方法制造工装是现阶段国内乃至国际上比较先进的制造技术。数字量装配协调技术以飞机数字化设计数据为基础，在数字化环境下完成型架协调方案的规划，从而保证装配可行性、装配精度和装配质量。按照规范化的产品数据建立工装的三维实体模型，快速有效地构建起型架的装配协调基准，确定工装交点定位的安装坐标，并运用激光跟踪仪进行型架的安装（工装三维模型如图2所示）。

图2 工装三维模型

大型装配工装框架的稳定性
由于产品长度过长，而且需要定位安装的零部件较多，在保证产品装配有足够空间的原则下，应合理设计装配型架框架的结构，使型架的稳定性满足对地基、工装制造工艺、工装使用工艺的要求。工装设计人员对地坪强度进行校核后设计了型架的专用地基，减小地坪变形对型架的影响，保证型架的整体稳定性。型架框架设计采用左、右机翼翼盒装配共用一台框架的方式，型架下梁采用连接式大底盘结构，型架的上梁连接组成一个整体框架，以增加型架的整体稳定性（如图3所示）。另外型架采用多支点可调支撑，在多支点可调支撑处的专用地基中设计有承力预埋件，在支撑螺杆和型架框架连接处装有向心关节轴承，以保证型架上的压力平稳传递到地坪上。

图3 框架三维模型

装配工装对温度影响的设计补偿方法
由于型架尺寸大、使用周期长，因而环境温度变化对型架精度的影响不可忽视。在线性分析中，温度影响与结构几何尺度和材料膨胀系数之积成线性关系，简单估算一下，尺度约为20m的铝制梁，铝材的膨胀系数约为2.4e-5℃-1，假设工作环境有40℃的温差，则该结构在该尺度方向伸缩量约为20mm。本台型架上、下梁长约18m，沿展向温度影响不容忽视。解决这个问题的技术有两种：第一种方法是型架框架采用全铝结构来进行温度补偿。这种方法的优点是使产品和工装的膨胀系数保持一致，能最大限度地补偿温度变化的影响，缺点是全铝框架成本较高，框架的稳定性较钢框架弱；第二种方法是型架框架采用钢结构，而用较厚的铝膨胀板来进行温度补偿。这种方法的优点是框架稳定性高，成本较低，缺点是铝膨胀板加工周期长，限位装置较多。
按照经济适用性原则，设计型架时采用铝膨胀板结合定力技术的方法，即采用钢立柱和钢框架，其上布置铝膨胀板，而所有重要定位件全部装配于膨胀板上。在钢框架和膨胀板的连接面上沿长度方向开有槽口，并在钢框架的槽口内装有滑块，使得膨胀板只能沿长度方向移动，膨胀板的设计一端固定，其余连接孔均为长圆孔，结合定力技术使之与钢框架进行连接。铝膨胀板补偿温度影响的技术现已熟练应用于多个型号的各种飞机装配型架上。
大型装配工装ERS系统的建立
对于用激光跟踪仪安装的型架，必须建立增强参考系统（ERS系统）。按以往的方法，大约每隔500mm设置一个ERS点，此型架就必须设置200多个ERS点，这是一个庞大的工作。对此型架ERS系统的建立方法、ERS点的设置数量和设置原则进行了分析和研究，最终仅设置了40多个ERS点，不但满足了工装安装要求，而且大大减少了工作量。

图4 带行走机构的葫芦

为了减少型架安装时各定位件重量对型架ERS系统的影响，采用预加载荷的方法来建立ERS系统，即当型架达到满载荷时，用激光跟踪仪建立左右ERS系统。这样不仅增加了型架安装的精度，而且也提高了型架安装系统的稳定性，减少型架安装时逐渐增加的载荷对型架ERS系统的影响。
上、下壁板吊装系统的设计
A319机翼上、下壁板长约17m，宽约3.5m，分别重700多kg，在装配过程中为去毛刺、涂胶等工艺需多次从型架上起吊安装和拆卸，为了方便快速地实现壁板的起吊，设计了型架的上、下壁板吊装系统。在型架横梁上方安装了4组带行走机构的葫芦用于安装上壁板，此机构在3个方位均可进行运动，以保证把上壁板安装到位（如图4所示）；在型架横梁下方安装了架内吊车用于运送下壁板，架内吊车不使用时置于型架端头，如图5所示。这些吊装系统可以方便地完成壁板的吊装，减少了一定数量的专用吊挂，并避免了所有部件都用厂房吊车吊装的局面，大大提高了装配的工作效率。

图5 架内吊车

液压设备、转动机构在工装中的综合应用
液压设备、转动机构在工装中的综合应用，方便了产品的定位安装和最终出架，大大减轻了装配工人的操作强度。比如：由于主起接头比较重，它的定位支撑件就采用手动液压设备进行控制；为了装配后的机翼顺利出架，把翼根处整个工装结构设计成液压翻转机构，用于定位时使工装处于准确位置，而当机翼下架时，先旋转打开根部的工作梯，然后工装翼根组件在液压作动筒的作用下旋转成水平状态，为机翼的出架让开通路，这种出架方式既简单又安全，不需要多大的人力并且型架定位器复位也很容易（如图6所示）。

图6 根部液压翻转机构

型架装配工作平台的设计
由于总装型架结构尺寸大，为了在型架上进行铆接装配工作必须设置专用的装配工作平台。装配工作平台既要便于操作者的工作，使大部分的装配工作量在操作者最有利的情况下进行，还不得影响工作通路。A319机翼装配型架工作平台由2层组成，长27m，宽13m，高7m，包括立柱、固定地板、活动踏板、活动踏板支撑结构、梯子、固定护栏、挡板、可卸护栏等组件。为了产品装配的需要，顶层的工作平台按产品的高度位置设计成阶梯式，每个台阶高度240mm。由于平台宽度较宽，因此在平台的四周可以放置零件存放架，在工作平台的两端安装3处梯子，用于人员上、下工作平台和运送零件，如图7所示。

图7 工作平台

（1）旋转工作平台的设计。
工作平台靠近翼根一端能够绕转轴旋转，在产品装配过程中，此处的工作平台是关闭的，用限位机构把它和固定地板相连，使它和固定地板相接构成平台；而当机翼装配结束下架时，打开此处工作平台的限位机构，把工作平台绕转轴向外侧旋转打开，给机翼出架让开空间。
旋转工作平台在固定立柱上安装有转轴，平台绕转轴可以旋转一定的角度，为了能顺利地旋转打开和关闭，旋转工作平台与固定工作平台接触部分的地板必须是圆弧形，并在固定平台上安装有旋转工作平台的限位装置。旋转工作平台的定位耳子下表面与固定平台的限位槽下表面相切合，用以支撑旋转工作平台；定位耳子上表面与固定平台的限位槽上表面之间留有间隙，便于旋转工作平台转动。
（2）活动踏板支撑结构的设计。
工作平台的固定地板表面为扁豆型防滑钢板，防滑钢板焊接在支撑框架上；活动踏板安装在固定地板的侧面，用铰链与固定地板相连，活动踏板为木质结构，重量轻便于绕铰链打开。当活动踏板打开时，采用抽屉式支撑结构进行支撑。
抽屉式支撑结构由固定方管、支撑方管、垫板、定位销、固定支座、限位销、弹簧、挡板和挡销组成。固定方管焊接组成框架，在固定的大方管内装上小的活动支撑方管，大方管的内径与小方管的外径之间四周留有间隙，因此小的支撑方管在大方管内可自由伸缩。在固定方管靠近端头的侧面焊接有固定支座，在固定支座上安装有定位销、限位销、弹簧、挡板和挡销。首次使用时，把活动踏板打开，调整支撑方管伸出长度，当支撑位置合适后，按固定支座上的定位销孔位钻制支撑方管上的定位孔。
当要打开活动踏板时，把支撑方管从固定方管中往外抽，支撑方管到位后，定位销在弹簧压缩力的作用下，自动插入支撑方管定位孔内，支撑方管被定位不能再活动，然后打开活动踏板，活动踏板的下表面支撑在支撑方管端头的焊接垫板上。当活动踏板不打开时，先把活动踏板绕铰链旋转放置在工作平台固定部分，然后把定位销往外抽，当定位销脱出支撑方管定位孔后，把支撑方管向固定方管里面推，支撑方管收缩回固定方管，直到被支撑方管端头垫板挡住，以免支撑方管全部缩进固定方管内。
安全保护装置的设计
由于机翼装配型架工作平台高达7m，工人在工作中极易发生安全事故，为了保护操作工人的安全，安装了称为水平生命线系统的安全保护系统（图8）。此系统的滑块沿着钢丝绳在展向可以运动，在滑块下方装有速差防坠器。操作工人在进行危险部位的操作时，穿上安全带并把安全带的另一端与速差防坠器相连，这样既不影响工作，又保护了操作工人的安全。

图8 水平生命线系统

主要技术创新点、技术进步点和推广应用价值分析
（1）首次在国内进行了全数字化大型装配工装设计与制造技术方法的探索与研究。
（2）研究了大型装配工装对温度影响的设计补偿方法。作为解决温度影响的有效方法之一，膨胀板技术的应用已经推广到本公司新机工装研制中。
（3）对特大型型架ERS系统的建立方法、ERS点的设置数量及设置规律都进行了深入的研究。合理的ERS系统不仅增加了型架安装的精度，而且也提高了型架安装系统的稳定性。
（4）首次在国内采用带行走机构的葫芦和架内吊车安装机翼上、下壁板，实现了壁板的快速起吊，提高了装配工人的工作效率。
（5）如何在特大型机翼部件装配型架中使用液压设备、传动机构，工装设计已积累了初步的经验，并在其他机型中得到了推广应用。在装配型架上综合应用了液压设备、传动机构，方便了产品的定位安装和最终出架，大大减轻了装配工人的操作强度。


（6）研究了大型装配工装工作平台的设计、制造方法。大型型架工作平台的结构设计理念及方法已得到了广泛应用，这种工作平台的结构可以应用于大部件装配、大部件对接和飞机总装配中。
（7）首次在国内装配型架上设计了使用者安全保护装置。在大型装配工装中充分考虑了工装的使用安全性，为了保护操作工人的安全，设计安装了使用者安全保护装置，这对以后大型装配工装的设计都具有借鉴价值。
国家信息化建设的不断发展，制造业数字化产品设计、数字化制造技术的不断推进，促进了航空制造业数字化技术的快速发展，并对航空企业提出了更高的要求，按常规工艺及制造手段已不能适应和满足现代化航空数字化产品设计、数字化制造技术发展的需要。因此，采用数字化技术改造传统的、落后的生产方式和生产技术，是促进航空企业科研生产发展，提高航空企业竞争力的一项重要工作。
全数字化工装是在统一的飞机产品模型下进行工装设计、制造和检测，形成工装设计、制造和检测的数字化、一体化，大大提高了工装质量，缩短了工装的研制周期，节省了工装的研制成本。数字化工装技术的应用和发展是时代发展的需要，随着新技术的不断应用，建立工装数字化集成系统、建成数字化的工装生产线、打造大型飞机工艺装备的数字化快速研制能力是我们下一步发展的方向。
该项目的成功标志着我国航空工业的工装设计、制造技术水平得到进一步提高并接近国际先进水平，我国已经具备了大型飞机工装的研制水平，这不但为进一步扩大外协生产、参与国际合作、国际竞争创造了有利条件，更为我国自行研制大型飞机奠定了技术基础。