機身骨架裝配柔性工裝設(shè)計*

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京 210016）

飛機產(chǎn)品具有零件數(shù)量多、剛性低、外形復(fù)雜、裝配精度要求高等特點[1]，在其裝配過程中，不能單靠零件自身形狀和尺寸的加工準確性來裝配合格的部件[2]，因此，需要大量的工裝來保證產(chǎn)品從零組件到部件裝配過程中的精確幾何外形，限制裝配過程中的連接變形，使產(chǎn)品滿足準確度及互換協(xié)調(diào)性要求[3]。

在傳統(tǒng)飛機裝配模式下，主要采用剛性專用工裝，工裝數(shù)量多、占地面積大、生產(chǎn)周期長、制造成本高。隨著國內(nèi)新機型號的逐漸增多，多品種、小批量生產(chǎn)的需求特征日趨顯著，在航空企業(yè)飛機結(jié)構(gòu)零部件已基本實現(xiàn)數(shù)控機床加工制造的背景下，傳統(tǒng)剛性專用工裝已成為實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)產(chǎn)和縮短新品研制周期的瓶頸[4]。

當前，國外在飛機產(chǎn)品各個裝配階段已經(jīng)發(fā)展了相應(yīng)的柔性工裝。而在國內(nèi)，大部分制造廠在飛機裝配過程中仍廣泛采用傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)專用工裝[5]。近年來，國內(nèi)在組件、部件裝配方面做了大量的研究，取得了一定的成果。如中航工業(yè)沈飛研究并工程化的翼身整體結(jié)構(gòu)后段數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)[6]和后機身部件柔性裝配系統(tǒng)；西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計的部件級數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)[7]和機身壁板類組件裝配工裝[8]；北京航空航天大學(xué)和中航工業(yè)沈飛公司合作設(shè)計的一種可重構(gòu)調(diào)形單元。其中，針對機身部件裝配的是沈飛研究的后機身部件柔性裝配系統(tǒng)。該系統(tǒng)柔性工裝為橋架式結(jié)構(gòu)，上下各5組橫梁，每個橫梁上有4組定位器，每個定位器在空間具有3個方向的自由度，通過合理調(diào)節(jié)具有定位功能的構(gòu)件，帶動專用定位器運動至指定的方向和位置[9]，以實現(xiàn)對機身加強框的定位。

本文在分析中機身結(jié)構(gòu)特點、裝配協(xié)調(diào)關(guān)系及制造工藝性的基礎(chǔ)上，針對某型機中機身結(jié)構(gòu)尺寸小、協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜、產(chǎn)品裝配零組件密集、開敞性要求高等特點，設(shè)計了一套部件級的數(shù)字化柔性裝配工裝系統(tǒng)，在一套工裝上可以完成對多種產(chǎn)品的裝配。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及裝配要求

飛機部件產(chǎn)品裝配和定位主要有以骨架為基準和以蒙皮為基準兩種定位模式，其中翼面類部件多以蒙皮為基準，機身部件多以骨架為基準。針對本項目面向中機身部件裝配的特點，工裝定位方式將以骨架為基準定位為主。面向機身部件裝配的柔性工裝的主要功能需要完成對機身主承力構(gòu)件和重要結(jié)合交點的裝配定位，同時充分考慮工人裝配時操作空間。中機身部件位于整個飛機的中部，前后分別與前機身和后機身連接，兩個側(cè)面連接飛機的機翼，中機身產(chǎn)品具有互換性，同時飛機起落架位于中機身的腹部，要求起落架能夠順利收放。機身的模型是根據(jù)實際產(chǎn)品建模簡化的，機身的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，中機身垂直放置結(jié)構(gòu)主要包括6個整體加強框、2個900梁（對稱）和其他立梁、隔板等，兩個框之間通過立梁、隔板連接在一起。加強框從上到下7100框、7880框、8700框、10060框、10460框和10860框均為數(shù)控機加框，每個加強框上有4個φ10的定位交點孔，如圖2所示，其中1為工藝交點孔，2為加強框。除了10860框以外，其余5個加強框均為電控懸臂帶臺階定位銷定位工藝孔及航向后框腹板面，10860框為主受力框，整個中機身重量通過梁傳遞到10860框上。10860框上的定位器設(shè)計為固定式，螺接在平臺上。針對加強框上4個交點孔的定位采用孔銷配合定位。首先，用1個φ10的銷定位交點孔，限制框的5個自由度，保證框的位置；其次，再用一個φ10的銷定位交點孔，限制框的轉(zhuǎn)動，即可達到完全定位，剩余兩個交點孔采用2個φ9的銷定位，此時會出現(xiàn)過定位情況，由于加強框交點孔定位精度為±0.1mm，所以可以避免銷插不進孔的情況。將機身6層加強框上的交點孔投影到底層平面上，交點孔分布如圖3所示。

交點孔主要分布在4個區(qū)域，其他兩點A點和B點為8700框上的交點孔，位置比較特殊，離其他各點較遠，且在工裝定位交點孔時容易與立梁干涉，交點孔分布如圖3所示。

圖1 中機身結(jié)構(gòu)Fig.1 Intermediate fuselage structure

900梁分為上900梁和下900梁兩個部分，和機身的其他各框之間要進行套合，其定位主要控制Z方向，X方向位置僅作檢查。在上900梁上有2個定位交點孔E點和F點，如圖4所示。利用兩個系統(tǒng)孔在型架橫梁上設(shè)置2組定位器，在平臺底部設(shè)置一個端面輔助托板，承受900側(cè)梁重量。

飛機主起落架的順利收放對主起落架轉(zhuǎn)軸提出同軸度要求。在平臺上設(shè)置支座，安裝“V”型帶壓緊塊的定位器，通過定位工藝軸確定主起落架轉(zhuǎn)軸接頭的位置。主起落架大護板3組接頭、小護板2組接頭需要定位，其中要保證大護板3組接頭定位器同軸度φ0.05，小護板2組接頭定位器同軸度φ0.05，具體定位需求如圖5所示。

中機身產(chǎn)品的裝配和后續(xù)的鉆鉚工作分別在不同的平臺上完成，在裝配工位完成中機身的裝配后，產(chǎn)品由AGV小車從裝配工位運輸至自動鉆鉚平臺。為保證運輸過程中中機身產(chǎn)品的穩(wěn)定性及減少鉆鉚時末端執(zhí)行器壓力腳壓緊產(chǎn)品對制孔精度的影響，提高產(chǎn)品的剛性，在900側(cè)梁處設(shè)置真空吸盤將產(chǎn)品與保型工裝連為一體。

圖2 機身加強框Fig.2 Fuselage strengthen frame

圖3 交點孔分布Fig.3 Intersection hole distribution

圖4 900梁交點孔分布Fig.4 Intersection hole distribution of 900 beam

圖5 主起落架護板和轉(zhuǎn)軸定位需求Fig.5 Positioning demand of main landing gear guard boad and spindle

2 柔性工裝方案設(shè)計

根據(jù)上述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及裝配要求分析，柔性工裝主要用于定位機身上的加強框和900梁，其中加強框的定位主要以孔定位為主。如圖3所示，交點孔主要分布在1、2、3、4區(qū)域，A、B兩點離其他區(qū)域比較遠。根據(jù)框交點孔分布情況和900梁定位需求確定柔性工裝機械結(jié)構(gòu)的整體布局，4個區(qū)域每一個區(qū)域上的交點孔共用一個立柱面，以完成在高度方向的柔性，900梁定位單獨對應(yīng)一個立柱。

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位特征多、位置集中、空間開敞性差，定位準確度要求高，且對中機身產(chǎn)品的認知有一個過程，因此工裝經(jīng)過了幾輪方案設(shè)計才得以完成。工裝的幾個主要結(jié)構(gòu)形式如下：

方案一：該方案采用6根立柱式結(jié)構(gòu)，每根立柱對應(yīng)一個區(qū)域的交點孔定位，A點劃在3區(qū)域，B點劃在4區(qū)域。每一個交點孔都能實現(xiàn)3個方向自由度，其中兩個方向是通過電機自動控制，一個方向是通過人工調(diào)整。該方案優(yōu)點是柔性比較大，自動化程度高，產(chǎn)品快速重構(gòu)時間短；缺點是工裝開敞性差，產(chǎn)品框不能水平進出，工人操作不方便，工裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。

方案二：該方案采用龍門式結(jié)構(gòu)，針對4個區(qū)域的交點孔，每個區(qū)域?qū)?yīng)一個立柱，區(qū)域1和區(qū)域2的立柱、區(qū)域3和區(qū)域4的立柱分別連到一起成為龍門式結(jié)構(gòu)，900梁的定位由專門定位立柱完成，且該立柱安裝在工裝底座上，產(chǎn)品裝配完后和產(chǎn)品一起運走。其中針對機身框上的每一個交點孔都能實現(xiàn)3個方向自由度，實現(xiàn)自動控制，在900側(cè)梁上的交點孔定位實行剛性工裝定位。該方案工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)點是開敞性比較好，產(chǎn)品在運輸過程中穩(wěn)定性強；缺點是針對900側(cè)梁的定位柔性化程度小，在900梁定位柱處開敞性差，裝配時產(chǎn)品框不能水平進出，工裝結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

方案三：該方案采用龍門式結(jié)構(gòu)，針對4個區(qū)域的交點孔，每個區(qū)域?qū)?yīng)一個立柱，區(qū)域1和區(qū)域3、區(qū)域2和區(qū)域4的立柱分別連到一起成為龍門式結(jié)構(gòu)，900梁的定位柱安裝在保型工裝上，隨產(chǎn)品一起運走，主起轉(zhuǎn)軸定位器安裝在龍門上，結(jié)構(gòu)如圖8所示。該工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)點是開敞性較好，裝配時能夠滿足產(chǎn)品框水平進出，產(chǎn)品運輸過程中穩(wěn)定性好；缺點是主起轉(zhuǎn)軸定位精度不高，900梁定位立柱剛性不夠，產(chǎn)品制孔時末端執(zhí)行器壓力腳壓緊中機身影響制孔精度。

圖6 方案一：柔性工裝結(jié)構(gòu)Fig.6 Flexible tooling structure of the first scheme

圖7 方案二：柔性工裝結(jié)構(gòu)Fig.7 Flexible tooling structure of the second scheme

圖8 方案三：柔性工裝結(jié)構(gòu)Fig.8 Flexible tooling structure of the third scheme

方案四：該方案采用龍門式結(jié)構(gòu)，針對4個區(qū)域的交點孔，每個區(qū)域?qū)?yīng)一個立柱，區(qū)域1和區(qū)域3、區(qū)域2和區(qū)域4的立柱分別連到一起成為龍門式結(jié)構(gòu)，900梁的定位柱結(jié)構(gòu)加強，主起轉(zhuǎn)軸定位器安裝在工裝底座上，10460框、10060框靠近主起轉(zhuǎn)軸的定位器為剛性定位器，且和主起轉(zhuǎn)軸定位器安裝在同一個支撐立柱上，主起護板定位器安裝在900梁立柱上，8700框上的A、B兩點的定位器為剛性定位器。工裝結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。該方案工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)點是開敞性好，工人操作空間比較大，保型工裝剛性強，機身產(chǎn)品在后續(xù)制孔過程中比較穩(wěn)，精度比較高；缺點是柔性化程度相對于其他方案低一些。

綜合以上4種方案，分析優(yōu)點和缺點，在合理評估柔性工裝需要具備的柔性化程度[10]，結(jié)合產(chǎn)品對裝配開敞性要求以及制孔精度要求的情況下，選擇方案四作為工裝的最終方案。

圖9 方案四：柔性工裝結(jié)構(gòu)Fig.9 Flexible tooling structure of the fourth scheme

3 產(chǎn)品工藝試驗

為了確定工裝各定位器在中機身變形中的作用，對完成架內(nèi)鉚接的中機身做了一系列的工藝試驗，相關(guān)試驗及結(jié)果如圖10、表1、表2所示。

根據(jù)試驗得出結(jié)論：

（1）900梁定位器的固定對于中機身受力變形影響較大，其次為主起轉(zhuǎn)軸定位器；

（2）在中機身底部10460框定位器主要起支撐作用，其與工藝孔的固定狀態(tài)對中機身受力變形影響不大；

（3）900梁定位器比主起轉(zhuǎn)軸定位器對中機身的穩(wěn)定性更強；

（4）如果只固定900梁定位器中的下定位器，對于中機身的穩(wěn)定性影響不大；

（5）在固定900梁定位器時中機身機腹到機背方向變形大于垂直900梁方向的變形；

（6）在固定主起轉(zhuǎn)軸定位器時中機身機腹到機背方向和900梁方向的受力變形量大體一致。

圖10 完成架內(nèi)鉚接的中機身Fig.10 Intermediate fuselage after riveting inside the fixture

表1 中機身5種固持方式

表2 5種固持方式下不同方向施加500N力時產(chǎn)品最高點處變形量mm

4 柔性工裝機械結(jié)構(gòu)

4.1 柔性工裝總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)中機身結(jié)構(gòu)特點及裝配定位需求，確定柔性工裝方案設(shè)計，其主要結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要包括產(chǎn)品、龍門、龍門搭扣、保型工裝、主起轉(zhuǎn)軸定位器、主起護板定位器、移動單元模塊、定位器快換模塊、剛性定位器等。各個部分在產(chǎn)品裝配過程中起到的作用如下：開始時，保型工裝安裝在底座上，龍門合攏，龍門搭扣鎖緊，移動各移動單元模塊和剛性定位器，安裝主起轉(zhuǎn)軸定位器和主起護板定位器，裝配產(chǎn)品，快換接頭位于各定位器頂部，可以更換。

4.2 柔性工裝外形輪廓尺寸

柔性工裝總體尺寸為5997mm×4320mm×2986mm，如圖12所示。

4.3 移動單元模塊

工裝柔性化具體實現(xiàn)在移動單元模塊的柔性化。對于移動單元模塊來說，柔性工裝有3個方向的柔性，X方向通過作動筒前后移動，Y方向通過移動單元在導(dǎo)軌上下移動，Z方向上可以通過更換墊片和微調(diào)快換接頭實現(xiàn)，如圖13所示。

移動單元模塊作為柔性工裝自動控制的執(zhí)行模塊，主要包括移動滑臺、作動筒移動桿、作動筒基座、墊片等幾個關(guān)鍵部分。移動滑臺由電機、直角減速機、斜齒輪、橫板、導(dǎo)軌制動器、導(dǎo)軌座等組成，電機連接減速機，通過齒輪齒條傳動實現(xiàn)移動單元的上下移動；作動筒移動桿由矩形鋼、導(dǎo)軌和快換接頭組成；作動筒基座由導(dǎo)軌座、絲杠、電機和外筒組成；電機帶動絲杠傳動，從而移動桿在導(dǎo)軌上滑行，實現(xiàn)前后移動。通過更換墊片、微調(diào)快換接頭或更換快換接頭可以實現(xiàn)移動單元在左右方向的柔性。

圖11 柔性工裝模塊Fig.11 Flexible tooling modules

圖12 柔性工裝整體尺寸Fig.12 Integral dimension of flexible tooling

圖13 移動單元模塊Fig.13 Mobile unit module

4.4 定位器快換模塊

定位器快換模塊固定在作動筒的末端，包括一個可左右調(diào)整的定位器快換接頭等，該接頭上有一排精密定位孔，接頭上不同位置的孔和作動筒上的孔通過螺栓連接，可實現(xiàn)定位器左右方向的調(diào)動，當產(chǎn)品交點孔類型改變后可通過更換定位器接頭實現(xiàn)對交點孔的定位?？鞊Q模塊如圖14所示。

4.5 剛性定位器

剛性定位器模塊為定位產(chǎn)品時不方便或不需要實現(xiàn)柔性化的定位器主要安裝在龍門上，產(chǎn)品改變后剛性定位器也需改變。如圖15所示為剛性定位器，該定位器包括支撐桿和移動單元兩個部分，在龍門對合時剛性定位器通過銷、孔方式對合，可增加剛性定位器的剛性和定位精度。

4.6 主起轉(zhuǎn)軸定位器

主起轉(zhuǎn)軸定位器包括立柱、支座、手搖裝置、護腕、絲杠、V型件、安裝工藝軸、壓板、銷等，如圖16所示。安裝在保型工裝底座上，主要保證主起落架壁板上的兩個孔處于同一個軸上，而且還能增強產(chǎn)品在制孔時的穩(wěn)定性。

圖14 快換模塊Fig.14 Quick change module

圖15 剛性定位器Fig.15 Rigid positioner

4.7 主起護板定位器

主起護板定位器主要包括支座和定位器2個部分，安裝在保型工裝900梁加強框上，5個定位器獨立定位，通過交點量規(guī)協(xié)調(diào)，保證900梁上下兩個板處于同一個平面上（圖17）。

4.8 保型工裝

保型工裝包括工裝底座、液壓銷、導(dǎo)軌、導(dǎo)向塊、滾球、底座組件、加強框、點定位器、真空吸附定位器等，如圖18所示。保型工裝安裝在產(chǎn)品底部，通過底座組件定位產(chǎn)品的底層框，通過側(cè)面的2個點定位器定位900梁，通過側(cè)面的真空吸附定位器支撐、夾持900梁。從剛開始產(chǎn)品裝配，直到產(chǎn)品完成裝配，保型工裝起著保持產(chǎn)品形狀位置、保證產(chǎn)品裝配準確性和穩(wěn)定性的作用。裝配完成后，保型工裝的液壓銷下移，保型工裝上部分和產(chǎn)品一起沿導(dǎo)軌移動，運到移動小車上。一種保型工裝對應(yīng)一種產(chǎn)品，產(chǎn)品改變后只需更換保型工裝即可。

圖16 主起轉(zhuǎn)軸定位器Fig.16 Main landing gear shaft positioner

圖17 主起護板定位器Fig.17 Main landing gear supporting plate positioner

保型工裝的基本尺寸為4433mm×3600mm×2400mm，如圖19所示。

圖18 保型工裝Fig.18 Protection tool

圖19 保型工裝基本尺寸Fig.19 Basic dimensions of protection tool

5 結(jié)論

本文針對機身骨架裝配，借鑒國內(nèi)外工裝研究方法，采用機床“龍門式”工裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機身骨架裝配柔性工裝，通過控制系統(tǒng)調(diào)整移動單元位置、更換快換接頭以實現(xiàn)對截面直徑尺寸小于3m，筒段3～5m的多種產(chǎn)品的定位。其應(yīng)用可減少專用剛性型架，縮短研制周期，具有效率高、可重構(gòu)時間短、精度高等優(yōu)點，對于提高國內(nèi)柔性裝配的水平，促進飛機制造企業(yè)研制能力的發(fā)展具有重要意義。

參 考 文 獻

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