2.1模线样板标准样件工作法

　　以飞机制造为例，用小比例尺绘制设计图纸只能粗略决定飞机的外形轮廓线和重要的剖面线，这些曲线必须以实际尺寸画到由大张铝板拼成的桌面上。用长方形剖面的扁木条或塑料条光滑拟合这些曲线，并用压铁每隔一段距离压住样条，不使移动，然后用刻刀将样条曲线刻画到铝板上，成为飞机外形的最终标准依据，称作模线。模线只允许绘制一套，对称的机身外形只画一半，另一半靠用样板锉出准确形状后复制过去。有了飞机外形的完整理论模线后，再在外形轮廓内绘制飞机的内部结构，称作结构模线。按照结构模线锉出样板以供生产零件使用。样板的品种很多，提供外形、内形、切面等标准依据，以便制造各种工艺装备，即成型模、加工夹具、检验夹具、装配夹具和型架等。图4.3是成都飞机公司为美国麦道公司所生产的MD-80/90大型客机的机头结构轴线图。它的外廓尺寸是4877′3290′3487毫米,分为上下两部分。1：1精确绘制的结构图就是结构模线。机头共有4，500项零件，制造工作量占整架飞机的7%。生产中需要使用工艺装备3，000余项，其中装配用工艺装备占500项。

　　用来制造和检验工艺装备的模线、样板、主模型、标准样件等称作标准工艺装备。图4 .4是机翼装配型架的示意图，其中接头定位件用来保证机翼与机身和副翼的连接点安装在准确位置；卡板用来检查机翼外形形状，同时也保证机翼外形和接头有准确的相对关系。型架上的卡板和接头定位件靠标准样件来安装。图4.5是机翼标准样件的示意图，采用刚性桁架结构，带有主要结构件--梁和肋的外形以及接头。机翼前缘向外伸出的两个支架称作标高板，是将标准样件安装到型架里的定位基准。

　　图4.6是飞机舱门的标准样件及其检验架（称作反标准样件），目的在于保证舱门的铰接点和锁销位置安装准确。舱门要能灵活开、闭，而在关闭后舱门外形要与机身紧密贴合，保证密封。图中的L.O.S是视线（Line of sight）的缩写，表示用光学仪器来校正正反标准样件之间的定位关系，正反样件上的四个对应孔应严格落在同一条准直线上。

　　图4.7表示一种小型飞机的局部标准样件和量规配置状况。量规专门用来协调连接接头之间的配合关系。图4.8是机翼壁板的自动铆接调平托架，供铆接机翼蒙皮与长桁加强条之间的铆钉时将机翼铆接部位调整在水平位置。压铆机是一个固定机座，上面安装了一个压铆头，沿x方向在机座上左右移动，每次只铆一个铆钉。机翼壁板安放在托架上，用卡板夹紧。托架在滑轨上沿y方向前后移动。调平托架与压铆头在工作中需要五坐标联动，这就是x-y-z三个方向的平移和绕x、y轴的转动，才能保证每个铆钉的轴线都是严格垂直于机翼蒙皮外形，或者说，每个铆钉的轴线都能保证与机翼蒙皮的局部法向量重合。这是为了确保每个铆钉的铆接质量所必需的。无需解释，压铆托架也是用样板或标准样件加工、检验的。

　　标准工艺装备中还有一类表面标准样件，这是用硬木或可塑树脂制造的1：1飞机局部外形，用来翻制蒙皮的成形模。在汽车工业里往往制作1：1的整车外形模型，叫做主模型，也是用来翻制外表面板金件（称作覆盖件）冲压模的型面。

　　看了上面的简单介绍后，我们再来总结一下，这种建立在模线、样板、标准样件之上的生产方法有哪些缺点？

　　第一是生产周期长。因为标准工艺装备必须从模线定型开始，一环扣一环的逐步投产。有了理论模线才能绘制结构模线，有了结构模线才能制造样板，有了成套样板才能启动制造表面标准样件和标准样件、反标准样件。机翼、机身、尾翼等所有样件、反样件、量规必须配套作对合检查。这是一个复杂而庞大的协调体系。因此一架新设计的飞机，从开始研制到投入稳定的成批生产，一般需要6至8 年时间。

　　第二是零部件之间的协调精度低。模线绘制以及样板和标准样件加工都是手工劳动，外形的复制环节多，误差积累大，导致部件铆接中经常使用垫片来消除缝隙。美国汽车制造业先是在80年代提出“5毫米工程”，力求提高车身冲压件的制造质量，使装配中的最大缝隙从原来的十多毫米降低为5毫米以内。90年代后又提出“2毫米工程”和“亚毫米工程”(near zero stamping), 已获得成功，并在汽车工业推广应用这些新的技术措施。只有从根本上改变原来的外形协调体系，全面推行产品数字化定义和数控技术，才有可能达到这些零间隙配合的目标。

　　第三是设计差错多，改型困难。 传统的设计绘图技术很难表达三维空间的几何关系。新机型研制中要用木料搭出模拟真实飞机的样机来布置驾驶员座舱内的仪表和操纵系统， 铺设机身内的电缆、管道等。即使这样，图纸中的设计差错仍难以避免，经常发生尺寸不协调，零件、组合件相互干涉等。刚性的工艺装备结构和刚性的协调体系不利于飞机进行改型，而一种成功的飞机型号，必然会有多种衍生的改型机种，由此更加加重了生产组织、管理上的困难。

　　另外，全部生产工装占用了大量生产面积，而且很笨重，搬运和使用起来都很费力。一个飞机工厂一般都同时有两三个以上型号在生产，增加了仓库保管和使用周转中的负担。

2.2 曲面表达方法的历史探索

　　早在二次世界大战期间，为了适应大批量生产战斗机的需要，国外飞机制造厂设计了一种用二次代数曲面构造飞机机身外形的方法。一般形式的三元二次代数方程可以写成

　　其中包含了9个独立系数。这些系数的几何含义很难解释清楚，曲面形状无法显式控制，也不便于局部修改，所以后来发展了一种更直观的作图方法。如图4.9（a）所示，首先构造二次曲线段。曲线AEC的首末点通过三角形ABC的底边端点，并与三角形的其他两边相切。

　　D是底边的中点，曲线的拱高用肩点E通过f值控制：

　　已知两点、两斜和f值5个条件，就可以写出二次曲线的代数方程来。然后用分段二次曲线逼近光滑曲线。图4.9(b)中虚线表示已知曲线q，两段二次曲线的B1C1和B2C2边共线，因此两段曲线光滑连接。图4.9(c)中已知一张待定曲面的4条边界线A1E1C1、A2E2C2、A1A2和C1C2。给定的横切面线A1E1C1和A2E2C2假设都是一段二次曲线，纵向边界线A1A2和C1C2 ，以及肩点E1和E2之间的f值变化曲线都可以用一段或多段二次曲线逼近。这样，用任意平面平行于两端边界面切割这张曲面，得到的切面线也是一条二次曲线，它的起点、肩点和终点都可以用平面方程与A1A2、E1E2、C1C2 三条纵向线求交得到，因此新切面线的曲线方程是已知的。依此类推，用任意平面斜切这张曲面，同样可以求得交线上的每一点的坐标值，只是算法很繁。因为这时每求一个交点，首先要通过这个交点作一平行于端面的辅助切面，再用这个辅助切面的二次曲线外形与斜切面求交，逐点求出斜切面的外形来。从二次世界大战中后期到50年代末，飞机工厂就是用这种方法建立飞机的数学模型来提高外形设计和模线绘制的的精度和效率。当时只有手摇计算器，整个计算方法很繁，通用性很差，因此还需要寻求更灵活简洁的曲面表达形式。