当前国外商用飞机制造技术与装备概况

以波音和空客公司生产飞机为对标对象，一般商用飞机制造过程复杂，涉及制造专业广，比如金属成形、材料连接、精密超精密加工、表面工程、特种加工、复合材料加工、装配等技术。为了突出重点，本书选择商用飞机核心的五类技术进行总结：钣金成形、自动铆接装配、复合材料加工、部件自动化对接/总装、基于模型定义（model based definition，MBD）的数字化制造技术和先进管理技术，这五类加工技术和装备占据了商用飞机80%工作量。

1）钣金成形技术与设备

在航空工业中，钣金零件是组成现代飞机机体的主要部分，钣金制造是航空制造极为重要的组成部分，而钣金成形设备在很大程度上决定了钣金零件制造的水平，航空钣金装备与技术是航空制造技术升级的重要基础。航空钣金件具有大型化、集成化、轻量化等特点，这些零件的制造技术与航空钣金设备的研发水平息息相关。成形设备的发展可为成形技术的实现提供条件，同时成形技术的发展也会带动成形设备的发展。 目前航空企业应用的钣金成形设备主要包括：蒙皮拉形设备、喷丸成形设备、超塑成形设备、热蠕变成形设备、旋压设备以及管件成形与连接设备，见图2-32、图2-33。

图2-32　强力旋压和蒙皮拉伸设备

2）壁板自动钻铆技术与设备

图2-33　蠕变成形设备

自动钻铆技术的铆接动力源主要包含电动压力铆接、电磁铆接、气液增力铆接、液压铆接、气动锤击铆接等。随着铆接技术的发展，目前电动压铆和电磁铆接已经逐步取代传统的锤击铆接和液压铆接，结合自动制孔技术、自动送钉技术、在线测量技术等形成自动钻铆技术，已广泛应用于国内外航空领域。历经手动钻铆、半自动化钻铆、自动化钻铆的发展阶段，自动钻铆技术已成为一门集成多学科、多技术的新兴技术，并逐步向集成化、网络化、智能化方向发展。 自动钻铆技术具备完成零件的压紧、钻孔、锪孔、送钉、涂胶、铆接等一系列的装配流程；由数控机床或机器人协调末端执行器的动作；数控托架（柔性工装），协调零件的位移、旋转动作，完成零件的装夹、定位；控制及数字化仿真系统，控制整个自动钻铆系统完成铆接作业，并具有离线编程和基于CAD模型的数字化仿真功能。

波音767和747机翼钻铆系统，空客A300、 A320系列A330、A340和A380机翼钻铆，见图2-34。 C形框架自动钻铆机，使更长的X轴行程成为可能；使B轴旋转角度更大；从水平和垂直方向均可放置工件；使装载高度降低；最先进的全电动式铆头设计；每分钟≥19个紧固件的钻铆速率；钻铆可靠性更高；维护维系更简捷。

图2-34　C形框架自动钻铆机

波音787上开展应用柔性的轨道经由真空吸盘吸附在工件上，见图2-35。柔性轨道系统贴合构件的外形，只需进行二维编程。所有柔性轨道系统的功能都集成在Fanuc数控系统里：法向传感器、吹屑装置、大流量水冷系统、可自动调节夹紧力的气动压脚、激光寻边器、真空接头、主轴空气清洁设备、板距传感器、OMMc无线接收器、接合式轨道单元，可拆卸工具头。PCD钻头和PCD 锪窝钻能对所有材料一次钻孔，直径可达0.9525 cm（3/8 in）。

图2-35　柔性轨系统

多壁板装配单元应用于A380机身壁板装配，A319 、 A320生产线装配，波音737机身装配等。多壁板装配单元是为不同飞机类型的壁板的自动钻铆而建造的，其龙门塔架安装了所有的电气和末端执行器，内部还有一个独立的行车，因此它具有高度的柔性，具有以下操作功能：①机器自动化定位/找正；②内部和外部工具定位；③工件夹紧；④钻孔/锪窝；⑤密封胶注入；⑥紧固件选择；⑦紧固件输送和插入；⑧铆钉镦紧；⑨镦紧测量；⑩工件松开。图2-36所示为商用飞机舱体自动钻铆装备。

图2-36　商用飞机舱体自动钻铆装备

3）复合材料加工技术与装备

在航空领域，20世纪90年代起，由于大量采用先进结构制造技术，树脂基复合材料用量大幅增长，如美国F-22、F-35等第四代战斗机，复合材料已拓宽应用到机翼、机身等主承力结构，用量达到结构总重量的25%～35%；在大飞机上，最新开发并投入运营的A380大型客机通过应用复合材料新结构，用量占结构总重量的26%，波音787飞机的复合材料用量达到了50%，空客A350飞机的复合材料用量预计将达到52%，见图2-37。航空发动机上的冷端部位（包括进气道、风扇、外涵道以及叶片等）结构也大量采用树脂基复合材料制造，达到了减轻重量，提高推重比的效果。

目前，国外树脂基复合材料结构制造技术的发展和应用主要体现在以下几方面。

（1）材料体系相对完善，高性能复合材料制造技术日趋成熟。

国外已形成以高强、高模碳纤维与高韧性环氧与双马树脂的复合应用为代表的主干材料体系，树脂基复合材料的各类性能数据非常齐全。耐高温、耐低温复合材料研究也取得了很大进展。在树脂基复合材料制造技术方面，除了传统的制造技术外，国外还大力发展了纳米增强复合材料、自愈合复合材料以及自监测智能复合材料等复合材料制造技术，复合材料制造技术正向着综合化、智能化方向发展。

图2-37　空客飞机复合材料使用

（2）复合材料整体成形技术成果显著。

以共固化/共胶接和无紧固件为核心的整体成形技术，可以减少连接、装配过程，有效避免了装配加工损伤、装配应力、不同材料电化学腐蚀等问题并且进一步减重，降低制造成本。国外很多先进飞机及无人作战飞机如B-2、X-45A、 X-47等多采用高度翼身融合的总体方案。

（3）复合材料低成本技术应用普遍。

在树脂基复合材料总成本中，制造成本所占比重一般高达50%～70%。因此，复合材料制造低成本化是降低制品成本的关键。低成本制造技术主要包括：液体成形、非热压罐固化（低温固化材料及工艺技术、烘箱固化和电子束固化技术等）等制造技术。美国和欧洲从20世纪70年代开始，发展自动下料、自动铺带、纤维自动铺放、自动缠绕等自动化制造技术。目前，树脂基复合材料制造全过程自动化程度越来越高，从干法预浸料生产、自动下料、自动编织、自动铺放到自动固化、自动装配，利用自动化制造技术可以提高产品制造效率、精度、质量和材料利用率，降低制造成本。

（4）复合材料数字化技术已成熟应用。

复合材料数字化技术主要包括设计制造数字一体化技术、成形工艺数字化模拟仿真技术、数字化加工技术与数字化装配技术。美国和欧洲还在F-22、S-92、X-33和空客等飞机的研制中也成功地采用了数字化设计制造技术，并取得了可观的效益。成形工艺数字化模拟仿真技术的应用可大幅度缩小产品研制应用周期，改善产品传统式试验的研制模式，使工艺技术从“试错法”向材料性能和产品制造一体化的可设计和可预测方向发展。 目前该方面的研究主要集中在树脂传递模塑成形（RTM）工艺、缠绕工艺和热压罐工艺的过程模拟仿真上，RTM工艺和缠绕工艺的模拟仿真相对成熟。

（5）复合材料设计、生产规范化。(www.xing528.com)

在长期的实践中，美国、俄罗斯等国对树脂基结构或功能复合材料的设计、制造、加工、装配、使用各环节进行了系统、深入的研究，有组织地统一制订相应规范，将复合材料的设计和鉴定文件化、规范化，使试验和分析更好地结合起来，形成设计和制造、鉴定、使用的统一指南。另外，各大飞机公司参考军标均修订自己的设计手册，如波音的BMS8和BMS9系列的复合材料相关材料规范以及BAC5317系列成形工艺规范。

4）部件自动化对接/总装技术与装备

飞机总装对接是飞机装配制造过程中的重要环节，前期飞机零部件的制造、装配都是为这个阶段的装配积累基础。在飞机总装对接过程中，对接方式的选择、对接基准的确定、对接测量方法的应用是其关键技术。

飞机总装的对接方式，从自动化程度上分为手工对接、半自动对接和全自动对接3种方式。与手工对接和半自动对接方式不同，自动对接是利用计算机控制技术、激光测量技术、信息处理与反馈技术等使飞机部件实现非人工干涉的自动对接，20世纪80年代后随着计算机技术的发展，自动对接在国外飞机制造行业逐渐被大量采用。

①支点式联调对接。所谓支点式联调对接就是大量采用数控定位器，形成一个点状网络系统，与飞机部件上的支撑接头一对一连接，通过联合调整（手工或自动）使飞机部件进入正确坐标位置。空中客车公司的各型号飞机采用的就是这种技术，见图2-38a。

图2-38　飞机自动对接技术与装备

（a）空客A380机身段自动对接；（b）波音787机身段自动对接

②托架式调整对接。波音787飞机率先采用了托架式调整对接技术，这种技术的关键点在于放弃了将支点式联调对接技术中的部分定位器直接与机体表面的支撑接头连接，而是通过一个连在机体外表面带保形的固定托架将机体托起参与对接，这种方式使飞机部件对接更不容易变形，见图2-38b。

飞机对接基准非常重要，它是保证飞机对接部件准确到位的基础。由于设计理念的不同和制造厂商有不同的基准选取方法，如原麦道飞机选择的是机身内部基准定位法，空客飞机普遍采用机身截面或非机身基准定位的方法，波音飞机不同的机型有不同的基准方法。

①机身内部基准定位。机身内部基准通常选取在特定基准长桁上或地板座椅滑轨上（例如庞巴迪Q400飞机），因为它们是贯通机身前后的直线零件。这种对接是把精度控制在机身内部，而把误差积累推移到机身外部，同时，这种方法的精度往往取决于特定基准长桁或地板座椅滑轨自身的制造精度和装配精度。

②机身段截面基准定位。此方法是指将定位基准选取在部件的对接截面，边对接边调整，最终将部件对合在一起。这种方式特别适用于自动对接。

③机身表面基准定位。是指在工程设计时就在机体表面特定几何元素上标定基准点，或预留测量孔（面），零件制造和部件装配时始终保持这些特定基准的准确度，直到总装对接。

④非机上基准定位。随着现代飞机制造和安装精度的提高，工程师们试图将飞机总装基准从飞机机体上转移到支撑飞机的承载物体上，如承载接头、VGA小车、托架、地面、升降机等。基准的外延使得飞机总装对接有更大的自由度。波音、空客都应用了这种方法，见图2-39。

图2-39　飞机翼身自动对接系统组成

飞机总装对接中，除了利用飞机机体上的用以判断是否安装正确的几何要素外，更多的是利用一些测量工具来进行准确度验证。早期，人们主要使用常规光学工具（准直仪、水平仪、经纬仪等）来辅助飞机的装配测量；后来，应用了激光准直仪；再后来，计算机辅助电子经纬仪、激光跟踪仪、激光雷达、iGPS的出现使得飞机总装对接的测量手段呈现多样化的特点。

①常规光学工具测量法。是使用工业准直仪、水平仪、经纬仪等常规光学仪器辅助检测，飞机对接过程中对目标体相对于基准变化，通过人的目光来判断目标体的偏差方向，通过仪器上的刻度来读取偏差值，通过计算给出目标体所应该调整的范围。这种方法人为因素较多，国外大多数飞机制造商已经不再采用，但在我国一些军机、个别民机生产中还继续使用着。

②激光准直仪测量法。是指利用激光准直仪发出一束激光，穿过若干专用目标，建立一束基准直线，通过人工调整直线上的目标，使该束直线在规定范围内聚合，在数显表上读出需要的数字时即认为调整到位。这种方法经常应用在机身内部基准定位的环境中。

③激光跟踪仪测量法。20世纪90年代，世界上出现了激光跟踪仪，本来是给汽车制造装备的设备立刻得到航空制造工程师们的青睐，并在包括我国在内的飞机制造业内大量采用。该方法利用激光束不变形的特性，应用测角原理，通过靶镜在空间快速定位目标体的6个自由度，准确调整飞机机体的姿态和位置，实现精确测量和快速定位。

④激光雷达测量法。使用两个或更多的激光雷达，通过编程测量校准工具球，激光雷达可以自动从一个校准工具球移动到另一个校准工具球，连续地监视和报告所有的相关位置，程序可以自动循环重复，可以为总装对接调整提供精确的数据，这样就不再需要多台激光跟踪仪和多个靶镜。这样的定位取点比起依靠手动操作的激光跟踪仪更快。

⑤ iGPS测量法。iGPS是室内局域定位系统，其原理类似于GPS，在飞机制造业内得到了应用，波音首先在波音787中使用了iGPS测量法，见图2-40。该方法是利用室内多处的传感器和接收器接受发射器的光信号，无线反馈回中央控制电脑，进行精度迭代计算，同时通过自动对接控制系统向执行动作部分发出动作指令，动作执行机构很快地根据计算出的数据驱动移动元件调整飞机部件到正确位置。该方法执行过程中不会像激光跟踪仪那样怕掉光，且可以同时满足室内多个用户使用而不相互干扰。当iGPS系统固定装配标定一次后，就可以无限制使用了，所有进入该覆盖系统区域内的物体都可以借助传感器立即进行跟踪测量，无须独立建立坐标系。所以，当飞机各个部件同时进入系统区域时，该系统可以同时处理每个部件的运动动作，而不需要相互等待。

图2-40　室内GPS工作原理

5）基于MBD的数字化制造技术和先进管理技术

（1） MBD技术应用现状。MBD技术是波音公司在研制新一代波音737飞机时提出的，在新一代737项目到787项目的实施过程中逐步得到了深入的应用。20世纪90年代中期开展的737-NX项目中，波音公司就实施了数字化定义，将737系列产品图纸全部模型化，建立和实施了飞机构型定义与控制、资源管理应用，保证了数据在设计、生产、检验和维护环节中的唯一性，初步实现了以三维模型为主、二维图纸为辅的工作方式的转变，使产品的研制流程和生产、检验、技术服务体系发生了巨大的改变，见图2-41。在2004年启动的波音787项目中，波音公司全面推广应用了MBD技术，基于网络建立了关联的单一数据的核心流程和系统框架，用MBD数据集中定义了所有的产品信息，完全取代了二维工程图纸的作用，使得MBD技术体系无论从产品定义到数据组织管理上都有了质的飞跃，在787项目的带动下，波音公司及其主要承包商正在向MBD制造技术体系过渡。

图2-41　飞机大部件装配数字模型

（2）数字化协同应用现状。20世纪90年代，波音777客机首开全数字化设计与制造的先河，把对无纸化生产的憧憬变成了现实。或许是数字化的神奇留给观众太深刻的印象，使人们忽略了支撑这个巨大成功背后的数字化协同平台。要知道，正是创造了前所未有的数字化协同工作环境，才使8000多人组成的238个独立团队高效率、并行协调的工作，完成对10万余个零部件的数字化定义，实现整机的数字化预装配。数字化协同不仅获得了技术上的进步，更重要的是为波音公司带来了丰厚的回报：研发周期缩短40%，工程返工减少50%，使设计更改减少93%，设计费用减少94%，装配出现的问题减少了50%～80%，使波音777提前投入市场，创造了航空制造史上的奇迹。

（3）飞机总装脉动式生产线。2001年，波音公司在长滩和雷顿工厂将若干条“倾斜”生产线改为独特的单向移动的生产线，生产线上配置安全链条驱动、工装轨道和其他设备，飞机在生产线上“脉冲”移动，使民用飞机的制造方法发生了革命性变化，见图2-42。这种创新的制造技术可以提高生产效率和产品质量，缩短飞机交付给客户的时间。标准的生产线工作在每一架飞机上重复进行，而且工程图、零件和工装将按照“使用点”的方式交给工人，即在其需要的地方和时间得到所需要的一切，因而提高工作效率。在移动生产线的附近有支援小组提供移动生产线所需要的一切。包括有工程监督人员监督产品质量。移动生产线的关键是在某一工序的工作绝不能移至下一道工序去做。一旦生产线上出现问题，整条生产线都必须停下来，找出原因并在解决问题后再继续移动生产线。生产线的移动速度按照客户的需求确定。这些移动生产线投入运营后波音公司的单通道飞机的总装时间可以缩短50%。这一点对于波音公司减低成本、提高产品的竞争力至关重要。

图2-42　波音向移动生产线转变