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飞机制造互换协调方法 1 模线样板工作法（1）模线样板工作法的实质 根据前述，飞机理论外形由复杂曲面构成，内部结构复杂，各个部件协凋要求高，因此采用与一般机械制造不相同的保证互换、协凋方法，即模线样板工作法。模线样板工作法的原理是按相互联系制造的原则确立的。其原理是：首先根据飞机设计图纸将飞机部件及组合件的外形及内部结构，按 1：l 的尺寸在金属图板或聚酯薄膜上画出，称之为模线。在生产中，模线即作为飞机外形及内部结构形状的原始依据。由于飞机外形复杂，这一过程的绘制准确度虽经很大努力还是很低的，人们即将它作为协调过程的公共环节。然后根据模线制出代表工件真实形状的平面型刚性量具，这种不带刻度的刚性量具称之为样板。在生产中样板是制造各种零件和工艺装备的制造依据和检验依据。在实际生产准备工作中，模线和样板的设计和制造的工作量是很大的。例如某型歼击机模线图板面积 663，其中模线绘制周期约九个月。样板约两万块，制造周期为七个月，仅模线绘制与样板制造总周期长达 13 个月。而应用计算机辅助外形设计，应用数控绘图机绘制模线，提高了飞机外形协调精度，缩短了模线绘制周期，减少了手工绘制模线工作量。（2）模线 模线可分为：理论模线、构造模线；还有运动模线、缩比模线和立体模线。1）理论模线 控制飞机各个部件理论外形的模线称为理论模线。理论模线是画在喷有面漆或经过打磨的聚酯薄膜上的 1：1 的飞机理论图。理论模线绘制内容有飞机部件的设计基准（飞机的各种轴线、基准线）和飞机各个部件切面的理论外形线。理论模线的作用是：协调飞机部件各个切面及纵向外形，保证部件纵、横向外形都光滑流线；为制造外形检验样板(简称“外检”)提供制造依据；为制造装配夹具用的夹具样板提供制造依据。由于飞机的理论外形是设计要求的气动力外形，而内部结构形状和尺寸都是以理论外形为基准的，因此，飞机的几何形状和尺寸的确定首先应从理论外形开始，即首先绘制理论模线。理论模线绘制完毕才能绘制构造模线，构造模线是制造生产样板的依据。因此，只有绘制构造模线才能制造生产样板。生产样板是制造各类零件（与外形有关的零件）和装配用工艺装备的制造依据和检验依据。最后生产出飞机的各个部件及整架飞机。由此可以看出，飞机的制造环节很多，每个环节均带来定的制造误差，为了保证飞机最后的理论外形的准确度要求，必须严格控制各个环节的误差，减少累积误差。为此，在理论模线绘制过程中，要保证模线的基准线、轴线和理论外形线相对理论数据的误差不超过0.1mm。线条粗细为0.10.2mm 之间，纵横切面交点误差应在 0.10.2mm 以内，同一条曲线不允许重复绘制，对称的外形仅绘制一半。生产上需要重复的线条和对称的外形都是通过样板移形和样板加工来实现的。理论模线一般按部件分别绘制。图 2-10 所示为直母线部件（机翼）的综合切面模线和平面模线的示意图。这类部件外形的共同点是：各翼肋切面在同一百分比弦长上的外形点连线呈一条直线，故根据基准切面翼型及对应的百分模线可求取中间切面翼型，亦可用解析法、几何作图法求取中间切面翼型。见图 2-11。图 2-10 机冀理论模线示意图 图 2-11 求中间冀肋剖面数据的解析法(a)机翼综合切面模线；(b)机冀梁切面模线；(c)机翼平面模线 l-翼展全长；il-某中间肋到翼根距离 理论模线又可分为综合切面模线与平面模线。综合切面模线是将部件横切面外形按同基准绘制在同一个平面上称之为综合切面。而平面模线则是主要绘制部件的纵向外形曲线。综合切面模线与平面模线的作用是控制部件的理论外形，对部件的纵横切面进行交点协调，保证部件外形光滑流线，同时为绘制构造模线提供外形依据。在模线绘制过程中，应根据飞机外形特点和协调要求，注意节省模线图板面积及模线绘制工作量。例如机翼大梁、纵向为直线的长桁等，这类模线没有必要绘制。双曲面外形部件（如机身、发动机短舱等）的理论模线绘制方法有：平切面法；射线法；圆弧作图法和二次曲线法等。平切面法是根据投影几何原理绘制的，它是选用平行于三个互相垂直的坐标面的一系列平面水分割部件，但是用这种方法绘制理论模线所选取的切面轴线与部件的结构轴线往往不相重合，不能有效控制飞机部件理论外形。因此，平切面法实际应用很少。射线法是沿部件结构轴线选取射线，因此，它能有效的控制部件的理论外形。圆弧作图法在绘制飞机部件理论模线时常常被采用，例如强-五型及初教-六型机的机身部件就是采用四圆弧作图法来绘制理论模线的。图 2-12 所示为平切面法原理图。图 2-13 为平切面法理论模线的示意图。理论模线绘制是一个复杂的、反复协调的过程。它要完整的、精确的控制部件的理论外形，保证部件理论外形的纵、横向的交点协调、流线光滑。直到部件的纵、横向外形都是光滑流线相应的交点尺寸控制在严格公差之内。部件外形的光滑流线通常是用目测法，即用眼观察曲线的光滑性。当纵向曲线比较平坦，难以正确判断曲线是否光滑时，可应用纵向尺寸按比例压缩，横向尺寸不变，绘出纵向曲线，这样可以容易发现平时不易发现的不光滑的部位。图 2-12 平切面法原理 图 2-13 平切面法理论模线示意图 理论模线绘制的质量好坏直接影响飞机产品质量，为了确保飞机产品质量严格的绘制公差，通常在 0.10.2mm 之间选取。由此可见，理论模线绘制是一个劳动量很大、质量要求很高和反复协凋的过程。随着对飞机外形准确度要求的日益提高，用手工绘制理论模线的方法已不能满足生产发展需要。人们力求用数学解析方法来描述飞机复杂外形，以往由于计算公式复杂，计算量很大，难以实现，仅使用到二次曲线法。随着电子计算机的广泛采用，相应出现描述飞机外形曲线和曲面的“三次样条”、“B 样条”、“孔斯(Coons)曲面”、“NURBS”等数学方法。借助计算机来处理数据和数值运算，大大简化了飞机外形协调工作。数控绘图机提高了模线绘制精度和绘制速度，使同一条曲线不能重复绘制的规定失去意义，借助数控绘图机对相同曲线可以任意重复绘制，因绘图机有较高的重复精度。2）构造模线 图 2-14 外形检验样板示例 图 2-15 飞机零件之间协调原理和协调路线 构造模线是飞机部件某个切面 1：1 的结构装配图。构造模线绘制在带有部件某个切面的外形检验样板上（简称外检），如图 2-14 所示。构造模线也可绘制在不加工出部件切面外形的金属图板上，称为检验图板。通常沿框、肋切面的结构，均绘制“外检”，非结构切面上的一些结构，均绘制在检验图板上。构造模线绘制内容有：设计基准线及该切面上全部零件的位置和几何形状。构造模线的作用是：协调绘制切面上全部零件的尺寸和形状、为该切面零件的生产样板提供制造依据，以保证有关该切面的成套工艺装备之间的协调，其协调原理和路线如图 2-15所示。飞机部件的构造模线与一般设计员所画的结构图纸不同，构造模线是按 1：1 的尺寸准确画出的，因此构造模线上面是不标注任何尺寸，并且零件的形状均不取剖面图，而是通过各种标记、符号来表示，如翼肋的弯边高度及弯边圆角、弯边斜角、减轻孔和加强埂的形状等。为了协调切面内部结构，同一个切面内的结构零件不允许分别绘制，这样便于发现在结构设计中出现的不协调现象。手工绘制构造模线的工作量大、周期长、准确度低，其模线绘制公差一般为0.150.20mm。在检验理论模线和构造模线的绘制准确度时，对划在模线图板（或外形检验样板）上的外形轮廓线的几何尺寸，是借助分辨率为 0.1mm，而估计读数为 0.05mm 的刻度放大镜和模线检验尺（或读数准确到 0.02mm 的游标卡尺）进行检验的。此外，模线还有用于协调操纵系统的运动模线；用于制作吹风模型的缩比模线：绘制在标准样件上的立体模线。3）样板 在飞机制造过程中，样板是零件、组合件的制造依据和检验依据。它起着图纸和量具的双重作用。因此，样板是飞机制造中的特种图纸，是无刻度的专用量具。由于飞机零件数量多、几何形状复杂，当采用模线样板工作法成批生产飞机时，所需各类样板总数多达数万块之多，例如生产歼击机所用的样板般约有3万块，重型飞机可达46 万块。飞机生产过程中所用的样板品种很多，但根据它们的性质和用途可以分为基本样板和生产样板两大类。基本样板 属于基本样板的有外形检验样板和构造图板两种。在飞机制造工厂中，外形检验样板（外检）仅能制造一套。通常样板正面漆成白色，供绘制构造模线，样板背面漆成红色或黑色，保存在模线样板车间，作为生产样板的制造和检验依据。生产样板 生产样板足零件的制造依据和检验依据，生产样板用来制造零件成形模具或是直接制造零件和检验零件。根据制造要求，生产样板不仅带有零件外廓几何形状，样板还刻有必要的标记线、基准线、定位线、斜角值，样板上还钻有各种工艺孔，例如销钉孔、导孔、装配孔、基准孔、安装孔等。生产样板的品种有：外形样板、毛料样板、展开样板、切面样板、夹具样板、切割钻孔样板等。外形样板 如图 2-16 所示，常用于制造框、肋类零件。这类零件特点是，基本为平面带有简单弯边的零件。外形样板带有零件外形，样板上刻有弯边标记、斜角值、工艺孔等组成零件的立体形状。图 2-16 外形样板及其应用示例 图 2-1 7 框肋类零件协调过程 图 2-18 切割钻孔样板 图 2-17 所示为框、肋零件成形的协调路线。它包括：外形样板、展开样板（或毛料样板）。由图 2-17 可以看出：按照外检或构造图板制造外形样板，再按照外形样板制造展开样板和零件成形模具，依照展开样板加工零件成形用毛料，零件毛料在成形模具上成形符合要求的零件。展开样板 是依照外形样板和弯边展开尺寸制造的。展开样板用来加工零件成形毛料。通常按照展开样板下料成形的零件，成形后不再经过锉修就可以直接参加装配。切面样板 立体曲面零件常用成套切面样板制造模胎，然后再按模胎成形立体曲面零件。每个切面位置的切面样板共有四个品种，即：切面外形（简称切外）、切而内形（简称切内）、反切面外形（简称反切外），反切面内形（简称反切内）。其中反切内及切外样板用来制造零件成形模具，反切外及切内样板用来检验零件。切割钻孔样板 图 2-18 所示为立体曲面零件成形后修边、钻孔和开缺口用的切割钻孔样板。它与般样板不同，它是按零件实样制造的，恰好可以覆盖在零件表面上方。图 2-18 中（a）为切割钻孔样板，图（b）为零件。通常立体曲面零件成形后均留有余量，因此，零件成形后将切割钻孔样板覆盖在零件上部，划出零件边缘线，进行修剪并按样板钻孔、开缺口。2-19 组合样板示例 图 2-19 所示为组合样板，它由成套切面样板构成样板构架，成一整体，常用来制造成形用模胎。除上述样板外还有毛料样板、夹具样板、机械加工样板。毛料样板的作用与展开样板相同，不同之处在于展开样板按外形样板及弯边展开数据制造的，而毛料样板是根据成形零件展平，经过反复试验，最后选定一个展开料做为零件成形下料用的毛料样板。夹具样板是用来制造装配夹具。样板材料通常选用 1.5mm 冷轧普通碳素钢板制造。样板的外形是指零件外形交叉线处的外形，而不是零件的投影外形。如图 2-20 所示，图中（）为开斜角零件，（）为闭斜角零件，（）为“Z”形零件，这类零件需用两块样板组成。1-外形样板；2-零件；3-内形样板 样板在制造与使用过程中必 图 2-20 零件与样板外形的确定 须严格检验，这对样板之间的协调有很重要的意义，只有在保证样板本身的协凋基础上，才能保证工艺装备之间的协凋。2 模线样板标准样件协调系统 模线样板标准样件协调系统是一种适于成批生产小型飞机的协调系统。它的原始依据是模线样板。根据样板来制造安装标准样件，通过安装标准样件来制造装配型架。也可以直接用样板安装一些平面组合件的装配夹具。安装标准样件可以造成组合式的、分别用于制造各有关工件的装配夹具。也可以单独制造组合件标准样件，但须经过部件反标准样件协调。零件生产工艺装备的制造依据随零件形状的类型而异。对于平面弯曲零件或单曲度的零件和板件，它们的形状和尺寸是通过取自理论模线和结构模线成套生产样板采协调前，并用这些样板来制造与检验零件和工艺装备(如成形模或型胎)。如果用平面形状样板来确定空间表面形状，则其特点是不能连续地确定整个表面。切面样板的外形是连续的，而用其构成的空间表面则是不连续的。因此，无论是平面样板的位置误差，还是在给定切面之间用手工方法进行的光滑过渡加工，都将导致产生空间表面形状的附加误差。如果采用空间立体的协调依据，则其协调过程的特点是可连续地确定空间形状。这种协调依据保证了具有复杂曲面外形的飞机零件之间的协调准确度。因此，对于双曲度零件：则通过切面样板制造的外形标准样件来协调。这类零件的成形模具（例如制造蒙皮的拉伸模）是经过由外形样件制造的过渡模而翻制成的。由于引用了外形标准样件，从而解决了用平丽样板无法解决的复杂空间表面外形的协调问题。这不仅保证了零件工艺装备之间的协调，还保证了零件工艺装备与装配工艺装备之间的协调。图 2-21 模线样板-标准样件协调系统原理图 图 2-21 所示为模线样板标准样件协调系统原理图。该协调系统有以下特点：对复杂型面使用外形标准样件来协调，这提高了零件的协调性；在生产中出现不协调问题时，检查方便、直观。但是，制造标准样件的周期长，技术要求高，所需费用多。例如，我国 20 世纪 60 年代初的歼-6 全机标准样件的制造费用当时为 3000 万元，现在制造这种样件可能需要几亿元。而对于大、中型飞机，制造标准样件还存在种种问题。因此，现在这个协调路线已不适用。3 模线样板局部标准样件协调系统 模线样板局部标准样件协调系统是当前飞机生产中常用的一种协调系统。它采用型架装配机、划线钻孔台和光学仪器等通用工具，并附加平面样板和局部标准样件作为协调全部工艺装备的依据。在装配型架的安装中，由于使用光学仪器，进而发展到使用激光准直仪，大大提高了装配型架安装的准确度。因此，这个协调系统虽然不用大尺寸的安装标准样件，而在装配工艺装备之间仍然可以获得较好的协调性。图 2-22 模线样板-局部标准样件协调系统原理图 图 2-22 所示为模线样板局部标准样件协调系统原理图。这个协调系统的特点是：省去了全机安装标准样件，只制造局部的标准样件。为了保证复杂型面的协凋，也只制造局部外形标准样件。使用通用的工具（例如型架装配机、划线钻孔台和光学仪器）制造装配型架以及其他工艺装备。这不仅提高了制造精度，还减少了安装型架的时间。据估计，用激光准直仪安装型架比用普通光学仪器可节约 5060的调试时间。尤其在安装大尺寸的装配型架时，其优越性更为突出。由上可见，这种协调系统克服了模线样板一标准样件协调系统的缺点。因而在国内飞机工厂中被广泛采用。4 基于数字样机的互换协调方法（1）飞机数字样机 数字样机是对产品的真实化、集成化的虚拟仿真，用于工程设计、干涉检查、机构仿真、产品拆装、加工制造和维护检测等模拟环境，要求具备集成化造型、可视化、功能检测、产品结构和配置管理等完整的功能，并为数据管理、信息传递和决策过程三大领域提供方案。它覆盖了产品从概念设计到售后服务的全生命周期，是支持产品设计和工作流程控制、信息传递与共享、决策制定的公共数据平台。以往，航空制造业主要依靠物理样机来分析、协调研制过程中出现的问题，而物理样机已成为缩短产品研发周期的瓶颈。基于数字样机的数字化设计/制造技术的应用，协作者共享模型数据，并同时进行数字化预装配、CAE 分析、工装设计、工艺设计、可制造性分析等各项工作，为并行工程的实施创造了条件，从而大大减少了工程更改和返工，节省了大量工装模具和生产准备时间，实现了飞机研发的低成本、高效率。波音 777 是世界上首架 100数字化定义的飞机，其采用了数字样机等新技术使开发费用和时间缩减 50，设计更改、返工率减少 93以上，比传统制造、装配时出现的问题减少了 5080；美国第四代战斗机 F-22 和 JSF 也是由于实现了三维数字化设计制造一体化与异地设计制造、异地装配才使研制周期缩短 50。我国研制的飞豹改进型飞机由于在全机设计中应用了数字样机技术而获得了成功。飞机数字样机的界定可根据样机的研制进程、功能及用途来划分。通常按照数字样机研制的进程分为三级：即一级样机（含概念样机、方案样机）、二级样机、三级样机；基于功能的数字样机一般分为四类：即结构样机、系统样机、分区样机、全机样机；而为支持培训、市场营销等特殊目的所构建的数字样机为专用数字样机。（2）数字化互换协调方法 如前所述，协调准确度是指 2 个飞机零件、组合件或部件之间相配合部位的实际几何形状和尺寸相符合的程度，此种相符合的程度越高，则协调准确度越高。在飞机制造中，过去传统方式采用的是模线样板局部标准样件协调系统。它采用相互联系的制造方法，在制造过程中通过实物的模拟量（模线、样板、标准样件）来传递产品的形状和尺寸，以达到生产工艺装备之间的协调性和零件、装配件和部件的互换性。这种协调系统的主要问题如下：工艺装备的制造须严格按协调路线规定的先后次序进行，平行作业受到很大制；在模线、样板、标准样件和生产工艺装备制造中，手工劳动量占很大比重，生产准备周期很长，制造费用很大；尺寸传递过程的环节多、路线长，每个环节的移形误差大，难以提高产品的制造准确度。产品的互换协调是飞机制造中最突出的问题，它引起大量返工以及产品质量的突出问题，成为影响产品制造周期的主要原因，飞机装配过程中应用各种先进技术就是要提高零件、组合件或部件之间相配合部位的协调准确度，首先需要确定哪些配合部位需要较高的协凋准确度，怎样决定这些配合部位，这涉及到关键特性的概念。关键特性是材料、零部件或过程的特征变化对产品的互换协调影响最大的特性。关键特性必须是用计量或计数数据可测量的。根据关键特性概念制定飞机关键特性分解树，是飞机制造过程中互换协调的依据。例如，在飞机的总装配和最后安装中的对接质量（即飞机的关键特性）应保证符合产品的设计要求，如机翼的后掠角、上反角和安装角等。波音公司提出的硬件波动控制就是解决这一问题的系统方法。全机的装配关键特性还要进一步分解到零部件上。传统的飞机制造是利用模线样板标准样件各种生产工装，把飞机的设计要求（各种数据）传递到最后产品上的。全机理论模线和结构模线体现着飞机的理论外形及全机的协调关系，西方国家称之为“主几何”。各种以实物形式出现的标准样板（外形样板、切面样板和夹具样板等）和标准样件（标准样件，标准量规和标准平板）等标准工装称之为“主工装”，意即用来制造生产工装的工装。在先进的数字化制造系统中，这些实物形式出现的各种模线、标准样板和标准样件逐步被数字化主几何和数字化主工装定义所替代。按我国工厂习惯，数字化主工装定义可称作数字化标准工装定义（与以实物形式出现的标准工装相对应），简称数字化标工定义。数字化标准工装定义（也称数字化主工装定义）是包含产品协调部位几何形状和尺寸的数学模型，它利用产品 3D 数字化模型和统一的坐标基准系统（包括坐标系统、各种基准、主几何模型、装配尺寸及公差等装配元素）作为设计、制造、检验和协调所有零件加工工装、部段内部装配工装、部段间装配工装和检验工装的数字量标准，是保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件和组件之间的尺寸和形状协调互换的重要依据。数字化协调方法也可称数字化标准工装协调方法，是一种先进的基于数字化标准工装定义的协调互换技术，将保证生产用工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件与组件之间的尺寸和形状协调互换。数字标工协调法需通过数字化工装设计、数字化制造和测量系统来实现。利用数控加工、成型制造出零件外形和所有的定位元素。在工装制造时，通过数字测量系统（如激光跟踪仪、电子经纬仪、数字照相测量和室内 GPS 等设备）实时监控、测量工装或产品上相关控制点（关键特性）的位置，建立起产品零件基准坐标系统，并在此坐标系统中将工装或产品上关键特征点的测量数据和 3D 模型定义数据直接进行比较，分析出空间测量数值与理论数据的偏差情况，作为检验产品是否合格及进步调整的依据。(3)以飞机外形的数学模型为基础的协调系统数字量尺寸传递体系 计算机和数控技术刚一出现，就在飞机制造中展示出广阔的应用前景。同时，飞机制造技术的发展又推动了数控技术的发展，先后研制出首先在飞机制造中应用的数控铣床、数控绘图机和数控测量机等。在计算机和数控技术发展的基础上，计算机辅助设计与计算机辅助制造（CADCAM）技术在飞机制造中也得到了很快的发展和应用，并带动了其他制造业也采用计算机辅助设计与制造技术。经过多年的发展，到目前为止，计算机辅助设计与制造技术在飞机制造中已用于许多方面，并取得了显著的技术经济效果，传统的模线样板局部标准样件的协调系统已产生了很大的变化。归纳起来有以下几个方面：用计算机建立飞机外形和部分内部结构的几何模型，并将其作为应用于飞机制造过程中各个环节统一的几何数据库。通过数控绘图机来绘制理论模线、结构模线和飞机生产图纸，大大提高了理论模线、结构模线和飞机生产图纸的质量和绘制效率。在计算机内存储的飞机外形和部分内部结构的精确几何模型成为飞机制造的原始依据。在工艺装备制造方而，对必要的且形状和协调关系复杂的组合件的标准样件、用于钣金零件制造的大量成形模具、装配型架上内形板和外形卡板等，可以采用数控加工和数控测量技术。对于工艺装备数控加工所需要的有关形状和尺寸的几何数据，可以直接从飞机的几何数据库中提取，而不再需要经过模线和样板等尺寸传递过程。这样可以大大提高工艺装备的制造准确度和协调准确度，提高加工效率，缩短生产准备周期。在零件制造方面，由于现代飞机上采用了很多整体结构件，这些重要的飞机零件，包括整体框、整体肋、整体梁和整体壁板等，也采用了数控加工和数控测量，从而大大提高了零件加工的制造准确度和协调准确度，减少了尺寸传递的许多中间环节。由上述可知，在飞机制造中采用了计算机辅助设计与制造技术以后，使传统的模线样板局部标准样件协调系统产生了很大的变化。由于在飞机制造中采用了计算机和数控加工等新技术，就出现了以飞机外形的数学模型为基础的协调系统，这种新协调系统的特点是，可以应用独立制造原则，通过建立统一的精确飞机几何数据库，将飞机外形和内部结构的几何信息直接传递给数控设备，进行飞机零件和工艺装备的数控加工。因此，在新的协调系统中，可以省掉许多样板和标准工艺装备。采用以飞机外形的数学模型为基础的协调原理框图如图 2-23 所示。它的协调系统示意图如图 2-24 所示。在 20 世纪 90 年代后，以美国波音公司为代表的飞机制造厂家，在全面采用数字化技术（即建立全机的三维数字实体模型）的基础上，改进飞机设计技术，实现了真正的飞机“无纸”设计、虚拟制造技术，使飞机制造过程中的互换协调问题大为简化，并得到了较好的解决。图 2-23 以飞机外形的数学模型为基础的协调系统原理框图 图 2-24 以飞机外形的数学模型为基础的协调系统示意图