面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)的機(jī)身壁板模塊化工裝設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部 王 巍 俞鴻均 高雪松 穆志國(guó)

隨著現(xiàn)代新型號(hào)飛機(jī)對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)的使用壽命、制造質(zhì)量與裝配緊密性等各方面要求越來越高，新型號(hào)飛機(jī)裝配中對(duì)制孔及連接要求更精、更嚴(yán)。

此外，現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料、鈦合金等新型材料應(yīng)用比重大幅提升，也增加了裝配制孔及連接的難度[1]。為提高飛機(jī)裝配制孔和連接質(zhì)量，適應(yīng)新型號(hào)飛機(jī)高性能要求，國(guó)內(nèi)各大飛機(jī)制造廠通過引用和發(fā)展各種自動(dòng)化數(shù)控制孔及鉆鉚設(shè)備，并將各種自動(dòng)化設(shè)備與柔性工裝相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)制孔和鉚接的柔性化、自動(dòng)化、精確化，提高飛機(jī)產(chǎn)品的裝配質(zhì)量和效率[2]。

當(dāng)前各大航空制造企業(yè)廣泛采用全/半自動(dòng)鉆鉚機(jī)，可自動(dòng)/手動(dòng)確定釘孔位置并調(diào)整工藝參數(shù)，將鉆孔、劃窩、送釘、涂膠、鉚接、銑平埋頭鉚釘釘頭與齊平度檢測(cè)等工序一體化，但國(guó)內(nèi)自主研發(fā)鉆鉚機(jī)相對(duì)較少，受鉆鉚機(jī)送釘系統(tǒng)、鉆鉚機(jī)材料等因素影響，自動(dòng)鉆鉚機(jī)配套的托架與工裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)較局限，同一套自動(dòng)鉆鉚機(jī)只能鉚接裝配特定類型的機(jī)身、機(jī)翼壁板及少數(shù)梁類組合件，對(duì)于其他型號(hào)飛機(jī)機(jī)身壁板裝配仍然需要采用人工制孔，從而降低了國(guó)產(chǎn)飛機(jī)鉚接裝配效率與質(zhì)量。

為提高飛機(jī)機(jī)身壁板鉚接質(zhì)量，減少壁板二次定位誤差，結(jié)合壁板預(yù)裝配工裝及自動(dòng)鉆鉚工藝性，設(shè)計(jì)面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)模塊化工裝。該模塊化工裝可使機(jī)身壁板零組件在剛性工裝上預(yù)裝配完成后，通過激光跟蹤儀動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)與模擬仿真系統(tǒng)，將自動(dòng)鉆鉚機(jī)旋轉(zhuǎn)托架上的滑動(dòng)模塊調(diào)整到準(zhǔn)確位置，使機(jī)身壁板組件快速準(zhǔn)確安裝在鉆鉚機(jī)上并進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚。

當(dāng)不同型號(hào)的機(jī)身壁板鉆鉚裝配時(shí)，可直接調(diào)整動(dòng)態(tài)模塊位置而不用重新設(shè)計(jì)專用托架式定位裝置，解決了不同型飛機(jī)機(jī)身壁板可在同一套自動(dòng)鉆鉚機(jī)上鉚接裝配，從而提高自動(dòng)鉆鉚機(jī)的利用率，縮短工裝設(shè)計(jì)時(shí)間，加快不同型號(hào)機(jī)身壁板組件裝配效率。

典型的機(jī)身壁板裝配工藝

典型的機(jī)身壁板裝配是在預(yù)裝配工裝上初步完成長(zhǎng)桁、肋板與蒙皮等零件預(yù)裝配工作。將完成的預(yù)裝配組件安裝至自動(dòng)鉆鉚機(jī)進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚工作。預(yù)裝配剛性工裝以機(jī)身蒙皮內(nèi)形為基準(zhǔn)的典型工藝結(jié)構(gòu)，裝配過程是依靠蒙皮內(nèi)形與型架的貼合預(yù)先保證蒙皮內(nèi)形精度，將長(zhǎng)桁、角片、隔框與肋板等順序裝配形成壁板組件。

在壁板組件預(yù)裝配時(shí)，每個(gè)長(zhǎng)桁與蒙皮、隔框與蒙皮壁板的關(guān)鍵位置事先制孔與鉚接，完成壁板組件預(yù)裝配，再放置在專用托架工裝上進(jìn)行鉆鉚，最后進(jìn)行壁板裝配。裝配過程與自動(dòng)鉆鉚機(jī)機(jī)身壁板工裝設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)機(jī)身壁板工裝設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)身壁板預(yù)裝配工作，設(shè)計(jì)自動(dòng)鉆鉚機(jī)工裝的主要定位與夾緊位置。蒙皮端部采用專用內(nèi)形卡板（每塊內(nèi)形卡板上安裝有用于長(zhǎng)桁的夾緊器、形成定位卡板組合件）與拉緊帶保證自動(dòng)鉆鉚機(jī)裝配蒙皮內(nèi)形，蒙皮端部K孔為主要定位孔，同時(shí)K孔定位器具有夾緊的作用，采用3-2-1定位法定位蒙皮橫向與縱向位置，利用夾緊器對(duì)機(jī)身蒙皮夾緊，完成壁板裝配定位。將設(shè)計(jì)完成的定位卡板組合件與專用托架連接，由專用托架與自動(dòng)鉆鉚機(jī)旋轉(zhuǎn)圍框連接，進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚，完成機(jī)身蒙皮自動(dòng)鉆鉚裝配。對(duì)于自動(dòng)鉆鉚機(jī)未能完成鉚接的位置最終通過架下補(bǔ)鉚，完成壁板組件裝配的鉚接工作。

國(guó)內(nèi)各主機(jī)制造廠在飛機(jī)壁板預(yù)裝配完成后，從預(yù)裝配剛性工裝上卸下，然后安裝到自動(dòng)鉆鉚機(jī)專用的工裝型架上，不同的機(jī)身壁板都有相應(yīng)的機(jī)身壁板裝配工裝托架，在專用托架上安裝定位卡板完成鉆鉚[3]。

受自動(dòng)鉆鉚機(jī)旋轉(zhuǎn)圍框與專用托架的影響，只能對(duì)特定機(jī)型的機(jī)身壁板裝配，其他機(jī)型的壁板受自動(dòng)送釘系統(tǒng)及工裝設(shè)計(jì)等因素影響，仍須采用人工制孔方式。對(duì)于較后機(jī)身部件，由于機(jī)身壁板托架較重，使托架微量變形，最終使誤差累積較大，降低裝配質(zhì)量，影響了自動(dòng)鉆鉚機(jī)對(duì)不同型號(hào)產(chǎn)品快速鉆鉚的使用。

面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)的機(jī)身壁板模塊化工裝設(shè)計(jì)

將壁板預(yù)裝配完成后吊裝到自動(dòng)鉆鉚機(jī)圍框進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚工藝設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一種模塊化快速移動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)飛機(jī)壁板準(zhǔn)確定位，通過在移動(dòng)模塊上連接內(nèi)形卡板保證機(jī)身壁板外形，對(duì)不同產(chǎn)品只需更換不同卡板及卡板連接底座，在不同卡板上安裝不同型號(hào)產(chǎn)品定位器，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)壁板模塊化定位。相比傳統(tǒng)采用不同壁板使用不同的托架設(shè)計(jì)方法，該方法定位精度高，減少托架對(duì)自動(dòng)鉆鉚機(jī)圍框承受力，定位靈活，節(jié)省托架占用空間面積，提高不同機(jī)身壁板在相同鉆鉚機(jī)上的裝配效率。

1 機(jī)身壁板上/下架及連接方式

在預(yù)裝配壁板組件上安裝飛機(jī)坐標(biāo)系下測(cè)量基準(zhǔn)孔座，通過預(yù)裝配產(chǎn)品下架測(cè)量安裝基準(zhǔn)孔的位置建立測(cè)量坐標(biāo)系，將壁板組件由天車吊裝機(jī)構(gòu)安裝在由矩形冷彎空心鋼管組成的底座。將飛機(jī)產(chǎn)品坐標(biāo)系理論值導(dǎo)入到調(diào)整模塊移動(dòng)的控制系統(tǒng)中，使模塊移動(dòng)到需要安裝的正確位置并與底座連接，對(duì)快速移動(dòng)模塊自鎖，將機(jī)身壁板組件安裝到移動(dòng)模塊，進(jìn)行自動(dòng)壁板鉆鉚，下架采用吊裝，打開連接器，整體直接下架產(chǎn)品。機(jī)身壁板組件工裝上下連接方式如圖2所示。連接位置采用3-2-1定位法設(shè)計(jì)定位器，將連接的定位器安裝在移動(dòng)模塊上實(shí)現(xiàn)卡板底座準(zhǔn)確連接。

圖2 壁板組件工裝上下連接方式

2 機(jī)身壁板模塊化工裝總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)某型飛機(jī)后機(jī)身壁板組件裝配的工藝性進(jìn)行分析，依據(jù)后機(jī)身自動(dòng)鉆鉚預(yù)裝配壁板組件尺寸的大小，外形曲率及定位位置等特點(diǎn)，利用內(nèi)型卡板重新定位，在制造中為排除實(shí)際產(chǎn)生的誤差，在卡板一側(cè)設(shè)計(jì)微量調(diào)整外形定位塊，保證外形定位精確，利用拉緊帶的形式使壁板緊固在內(nèi)形卡板上[4]。

在自動(dòng)鉆鉚機(jī)鉆鉚時(shí)，由于鉚接力的大小隨不同鉚釘變化，引起產(chǎn)品微量變形從而使拉緊帶微量變化。因此，在壁板外形定位卡板上按結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)夾緊器夾緊壁板，同時(shí)在卡板上安裝壁板端部擋塊，用于對(duì)壁板位置的精確定位，滿足工裝3-2-1定位法。完成卡板定位器設(shè)計(jì)，在卡板上布局測(cè)量工具球孔完成工裝設(shè)計(jì)。機(jī)身壁板模塊化工裝總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 機(jī)身壁板模塊化工裝總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足全自動(dòng)鉆鉚機(jī)需求，模塊化工裝主要由卡板快換角座、角座與移動(dòng)件連接、定位器微調(diào)快換與快速移動(dòng)模塊等組成?？焖僖苿?dòng)模塊主要沿框架方向運(yùn)動(dòng)，主要結(jié)構(gòu)由底座、雙導(dǎo)軌、滑塊、連接板、齒輪齒條、推力軸承、伺服電機(jī)、螺母與連接緊固件組成。快速移動(dòng)模塊有3-2-1定位器與夾緊器等，且在移動(dòng)模塊上安裝有位置傳感器與實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量角座，滿足不同機(jī)型機(jī)身壁板組件與移動(dòng)模塊快速定位需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆鉚機(jī)機(jī)身壁板工裝設(shè)計(jì)。將壁板放置在矩形冷彎空心鋼管支撐角座上。冷彎空心鋼管上安裝定位器與移動(dòng)模塊連接，完成壁板鉆鉚模塊化工裝設(shè)計(jì)。

3 模塊化工裝靜態(tài)組件結(jié)構(gòu)分析

在模塊化工裝設(shè)計(jì)時(shí)，考慮工裝工作過程中主要受工裝卡板、定位與夾緊器、伺服電機(jī)與滑動(dòng)定位塊等承載力的作用，對(duì)矩形冷彎空心鋼管、滑動(dòng)模塊與圍框等零組件強(qiáng)度與剛度分析。

在強(qiáng)度方面要求各個(gè)梁的應(yīng)力小于鋼的屈服強(qiáng)度200MPa，在剛度方面，設(shè)計(jì)要求的矩形冷彎空心鋼管的變形為0.35mm，自動(dòng)鉆鉚機(jī)旋轉(zhuǎn)圍框按照不同型號(hào)設(shè)計(jì)承載重量為2000kg左右，某型飛機(jī)機(jī)身壁板組件及工裝組合件重量為106.135kg，空心鋼管與移動(dòng)滑塊總重256.35kg，矩形冷彎空心鋼管在相同載重下比H型鋼、T型鋼等變形最小，選用200mm×120mm 型矩形冷彎空心鋼管作為連接件。

圖4 應(yīng)力分析云圖

圖5 變形分析云圖

對(duì)連接鋼管設(shè)計(jì)完成后，利用ANSYS有限元分析軟件，以某型飛機(jī)壁板在模塊化工裝上安裝正確位置時(shí)，對(duì)關(guān)鍵承力件進(jìn)行有限元分析。應(yīng)力分析與變形分析云圖如圖4、5所示。

矩形冷彎空心鋼管在機(jī)身壁板裝配過程中，最大應(yīng)力0.46MPa，滿足應(yīng)力要求，工裝的剛度精度最高要求撓度小于0.1mm，矩形冷彎空心鋼管最大變形量為0.0002mm，符合設(shè)計(jì)要求。

某型飛機(jī)機(jī)身壁板裝配模塊化工裝設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)

自動(dòng)鉆鉚機(jī)的模塊化工裝設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，主要考慮人機(jī)仿真與動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)驗(yàn)證某型飛機(jī)機(jī)身壁板裝配模塊化工裝設(shè)計(jì)的使用性，如圖6所示。

1 某型飛機(jī)機(jī)身壁板模塊化工裝設(shè)計(jì)

某型飛機(jī)后機(jī)身由5塊壁板組合件組成，每塊機(jī)身壁板為雙曲度壁板，利用預(yù)裝配工裝定位以保證其裝配精度要求，利用耳片孔定位蒙皮，用卡板上的擋塊定位長(zhǎng)桁，采用K孔定位框板，對(duì)部分關(guān)鍵位置進(jìn)行人工鉆鉚，完成預(yù)裝配。根據(jù)預(yù)裝配的組件設(shè)計(jì)模塊化自動(dòng)鉆鉚機(jī)用工裝，根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)與人機(jī)仿真技術(shù)裝配壁板組合件進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚工作，這樣既能提高工作效率，又能提高裝配精度。工裝裝配過程如圖6所示。

2 模塊化工裝設(shè)計(jì)中應(yīng)用人機(jī)仿真技術(shù)

機(jī)身壁板組件裝配工裝與自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架連接仍需工人操作完成裝配，人員動(dòng)作過程對(duì)產(chǎn)品在自動(dòng)鉆鉚機(jī)上二次定位及裝配質(zhì)量有影響，且自動(dòng)鉆鉚機(jī)旋轉(zhuǎn)托架本身尺寸較大，可按工裝設(shè)計(jì)原則進(jìn)行可視性、可達(dá)性、可操作性、舒適性以及安全性進(jìn)行全方位模擬仿真，從而改進(jìn)模塊化工裝設(shè)計(jì)方案以滿足制造與安裝的使用性、協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和先進(jìn)性等設(shè)計(jì)原則。模塊化工裝進(jìn)行產(chǎn)品裝配時(shí)，預(yù)裝配需要在工人的操作下完成，產(chǎn)品裝配與移動(dòng)過程也是人員動(dòng)作過程，按照人體行為仿真流程考慮模塊化工裝設(shè)計(jì)的合理性與人員操作過程，如圖7所示。

對(duì)模塊化工裝設(shè)計(jì)可行性進(jìn)行仿真優(yōu)化，并對(duì)模塊化工裝設(shè)計(jì)仿真進(jìn)行可達(dá)性檢驗(yàn)、工裝位置的可見性檢驗(yàn)、在模塊化工裝作業(yè)中空間的合理性與舒適度檢驗(yàn)，檢查裝配作業(yè)空間是否符合人體作業(yè)需要，總體布局是否合理，裝配操作是否舒適。滿足面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)模塊化工裝操作人員需求時(shí)，合理的分配操作人員，盡量使工人獨(dú)立完成，避免多人參與操作。

最后用前期模塊化工裝設(shè)計(jì)與人機(jī)工程學(xué)仿真相結(jié)合的方式，分析仿真結(jié)果，繼而對(duì)設(shè)計(jì)不合理處進(jìn)行修改。對(duì)仿真結(jié)果生成可視化視頻，為工人提供模塊化工裝操作培訓(xùn)，提高工人安全操作意識(shí)。對(duì)在面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)模塊化工裝運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)危險(xiǎn)的地方給出醒目標(biāo)示，必要時(shí)可安裝聲音警告器。

在模塊化工裝方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃到工裝的制造過程中，使工裝設(shè)計(jì)者在前期方案與詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行必要的人機(jī)工程仿真分析，減少對(duì)模塊化工裝設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)時(shí)間，避免出現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致產(chǎn)品裝配人員無(wú)法作業(yè)的缺陷，充分考慮工裝操作人員的舒適性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不足并糾正工裝在產(chǎn)品裝配過程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，縮短設(shè)計(jì)周期和降低研制費(fèi)用，從而提高工裝設(shè)計(jì)的效率。

圖6 某型飛機(jī)機(jī)身壁板模塊化工裝裝配過程

圖7 人機(jī)仿真人體行為流程

3 裝配過程中應(yīng)用動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

完成機(jī)身壁板組件預(yù)裝配，使用激光跟蹤儀根據(jù)工裝基準(zhǔn)孔建立飛機(jī)坐標(biāo)系，在飛機(jī)坐標(biāo)系下在線測(cè)量產(chǎn)品裝配準(zhǔn)確度，使蒙皮外形偏差保證在誤差合格范圍之內(nèi)。在模塊化工裝上設(shè)計(jì)與激光跟蹤儀同一站位的可見性測(cè)量基準(zhǔn)孔球座。

通過工裝基準(zhǔn)孔建立飛機(jī)坐標(biāo)系，用來測(cè)量產(chǎn)品上任意安裝的基準(zhǔn)孔位置，記錄產(chǎn)品上安裝的基準(zhǔn)孔位置坐標(biāo)，將該位置測(cè)量坐標(biāo)值作為動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量的理論值，完成基準(zhǔn)孔位置的建立。通過相對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換測(cè)量角座與冷彎鋼管的理論位置，將理論位置輸入模塊化工裝的控制系統(tǒng)中，利用動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)將移動(dòng)模塊調(diào)節(jié)到指定位置并與工裝連接實(shí)現(xiàn)模塊化工裝裝配。

模塊化工裝設(shè)計(jì)對(duì)不同機(jī)型的機(jī)身壁板實(shí)現(xiàn)快速與精確裝配，同時(shí)可以對(duì)零組件裝配實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，保證機(jī)身蒙皮外形重復(fù)定位協(xié)調(diào)精度，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)身壁板裝配動(dòng)態(tài)測(cè)量[5]。

結(jié)束語(yǔ)

隨著飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)快速發(fā)展，自動(dòng)鉆鉚機(jī)需求越來越大。傳統(tǒng)的面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)專用剛性工裝已不能適應(yīng)新型飛機(jī)機(jī)身壁板快速裝配，在研究典型的機(jī)身壁板裝配工藝基礎(chǔ)上，介紹了一種飛機(jī)機(jī)身壁板組件裝配模塊化工裝。這種結(jié)構(gòu)可以裝配多種型號(hào)的機(jī)身壁板，實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)鉆鉚工藝的良好連接，模塊化工裝研制成本低，占地面積少，裝配時(shí)間短。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)改進(jìn)，能夠使同一套模塊化工裝適應(yīng)不同機(jī)身壁板裝配，推動(dòng)一套自動(dòng)鉆鉚機(jī)在多種型號(hào)飛機(jī)裝配中更加有效的發(fā)揮作用，滿足國(guó)內(nèi)飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚及裝配快速發(fā)展需求。

[1] 范玉清,梅中義,陶劍.大型飛機(jī)數(shù)字化制造工程.北京航空工業(yè)出版社, 2011.

[2] 王仲奇,康永剛,王輝坪,等.飛機(jī)部件級(jí)的數(shù)字化柔性工裝設(shè)計(jì).航空制造技術(shù), 2011(12):101-104.

[3] 凌揚(yáng)洋,李西寧,李衛(wèi)平,等. 適應(yīng)自動(dòng)鉆鉚的壁板預(yù)裝配柔性定位裝置設(shè)計(jì).機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2014 (33):3.

[4] 張開富,楊殿國(guó),李原.壁板自動(dòng)鉆鉚行為及變形分析技術(shù)綜述.航空制造技術(shù),2010(23):67-72.

[5] 王巍,俞鴻均,谷天慧.大型飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測(cè)量技術(shù)研究.航空制造技術(shù),2015,7:48-56.