飛機(jī)垂尾壁板類柔性工裝設(shè)計(jì)研究

陳英偉+劉云盛+馮世彬

摘要：在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的帶動(dòng)下，我國的飛機(jī)制造業(yè)取得了較為顯著的成果，開始朝著多型號的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，柔性工裝裝配技術(shù)也受到了越來越多的關(guān)注。本文結(jié)合飛機(jī)垂尾壁板類裝配工裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其柔性工裝設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單分析。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)；垂尾壁板；柔性工裝；設(shè)計(jì)

前言：作為飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)的一部分，柔性工裝的存在，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自動(dòng)化和智能化裝配，在降低成本和提高效率方面意義重大。相比較發(fā)達(dá)國家在飛機(jī)裝配所有環(huán)節(jié)都應(yīng)用柔性工裝的做法，我國現(xiàn)階段飛機(jī)壁板類裝配采用的依然是傳統(tǒng)的固定裝配工裝，在效率方面相對較差。對此，加強(qiáng)對于飛機(jī)垂尾壁板類柔性工裝的設(shè)計(jì)和研究非常必要。

1 柔性工裝的特點(diǎn)

從提升飛機(jī)生產(chǎn)效率的角度出發(fā)，對于垂尾壁板類柔性柔性工裝提出了一些新的需求，一是對于相同類型的飛機(jī)，必須能夠滿足不同垂尾型號符合材料壁板的裝配工作；二是在對不同型號的垂尾壁板進(jìn)行裝配定位和緊固時(shí)，必須保證作業(yè)方式的柔性化和模塊化；三是相應(yīng)的照明和定位應(yīng)該選擇自動(dòng)化、柔性化裝置；四是對于壁板裝配環(huán)節(jié)沾染的灰塵，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清理。

垂尾壁板類柔性工裝具有幾個(gè)非常顯著的特點(diǎn)：

（1）柔性工裝的骨架采用型材和標(biāo)準(zhǔn)零件組成的剛性框架，框架為可拆卸結(jié)構(gòu)，便于進(jìn)行安裝和維護(hù)[1]；

（2）結(jié)合垂尾骨架和壁板裝配工藝的性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)模塊的設(shè)計(jì)，通過激光追蹤儀在線測量，搭配液壓與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，對定位和緊固件的位置進(jìn)行調(diào)整和控制。在專業(yè)的計(jì)算機(jī)操作平臺支持下，可以實(shí)結(jié)合硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對柔性工裝移動(dòng)定位器的遠(yuǎn)程操控，保證了定位的精度和準(zhǔn)度。在將動(dòng)態(tài)模塊移動(dòng)到相應(yīng)的位置后，可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)定位件以及緊固設(shè)備的安裝，為后續(xù)的垂尾零部件裝配奠定良好的基礎(chǔ)；

（3）柔性工裝系統(tǒng)設(shè)置與偶自動(dòng)照明和清潔裝置，當(dāng)傳感器檢測到人員操作，照明裝置啟動(dòng)和清潔裝置啟動(dòng)，提供良好的作業(yè)環(huán)境。同時(shí)，前后升降梯的配置也為人工制孔以及鉚接工作提供了良好的空間。

2 柔性工裝的設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)流程

首先，需要對飛機(jī)垂尾壁板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及整體骨架進(jìn)行分析，結(jié)合分析結(jié)果確定垂尾骨架總裝定位孔面以及裝配蒙皮的具體位置；其次，需要結(jié)合相應(yīng)的研究資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定飛機(jī)垂尾壁板類柔性裝配工作的整體布局，做好結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)。具體來講，應(yīng)該將后機(jī)身的連接插孔作為主要定位孔，將骨架大梁側(cè)孔作為輔助定位孔，以翼尖為主要定位面而尾燈安裝部位則為輔助定位面；然后，需要根據(jù)實(shí)際情況，做好裝配方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)，從全局角度進(jìn)行綜合考慮；最后，應(yīng)該針對得到到了裝配方案，進(jìn)行ANSYS和DELMIA仿真驗(yàn)證，得到最終設(shè)計(jì)成果。

2.2設(shè)計(jì)方法

（1）靜態(tài)框架結(jié)構(gòu)分析：在針對飛機(jī)垂尾壁板類柔性工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮其在運(yùn)行環(huán)節(jié)零部件本身的受力情況。結(jié)合自動(dòng)化和智能化系統(tǒng)，工裝能夠?qū)崿F(xiàn)自裝配，而在這個(gè)過程中，需要做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析工作，包括型架在自重、伺服電機(jī)、定位模塊、升降機(jī)構(gòu)等荷載作用下的強(qiáng)度與剛度等。應(yīng)該明確，壁板裝配環(huán)節(jié)，應(yīng)該對承載定位與夾緊器的動(dòng)態(tài)模塊的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行可靠分析，以確保系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。垂尾壁板類柔性工裝整體采用型鋼材料，自重在200kg左右，垂尾骨架和壁板的合計(jì)重量為50kg，設(shè)置有7個(gè)伺服電機(jī)，每個(gè)電機(jī)5kg，合計(jì)35kg，在加上作業(yè)人員的體重60kg，從安全的角度，依照1000kg的質(zhì)量荷載分?jǐn)?，確保其能夠均勻的分布在框架結(jié)構(gòu)上[2]。結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算和Ansys仿真驗(yàn)證，型鋼的彈性變形如表1所示。

分析可知，框架兩端固定的情況下，最大變形產(chǎn)生于橫梁的中間位置，矩形冷彎空心型鋼的變形量最小，因此可以作為柔性工裝的型架材料。結(jié)合仿真分析，最小應(yīng)力和最大應(yīng)力分別為0.03MPa和1.78MPa，柔性工裝本身剛度精度對于撓度的要求是不超過0.1mm，而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工裝的撓度僅為0.0332mm，能夠滿足相關(guān)規(guī)定的要求。

（2） 動(dòng)態(tài)調(diào)整單元集成控制系統(tǒng)：在柔性工裝系統(tǒng)中，設(shè)置有8個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整模塊，以及兩個(gè)輔助性的靜態(tài)定位模塊，可以針對不同的飛機(jī)類型，通過在動(dòng)態(tài)模塊上更換定位與緊固設(shè)備的方式，滿足不同的工藝需求。例如，主梁面柔性定位模塊可以通過聯(lián)軸器鏈接的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位導(dǎo)桿上下運(yùn)動(dòng)，在達(dá)到指定位置后，可以對不同機(jī)型的定位器進(jìn)行更換。在柔性工裝動(dòng)態(tài)定位與緊固裝置調(diào)整的過程中，需要對飛機(jī)垂尾的型號進(jìn)行明確，然后在測量和仿真軟件中，導(dǎo)入數(shù)字化的三維模型，通過模型分析確定柔性工裝的裝配工藝參數(shù)。飛機(jī)坐標(biāo)系的構(gòu)建方法有兩種，一是依照工裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)孔的理論值與實(shí)測值，結(jié)合最佳擬合法建立坐標(biāo)系，二是結(jié)合CAD對齊法，在飛機(jī)垂尾數(shù)模上，選擇相應(yīng)的理論點(diǎn)，通過擬合的方式建立坐標(biāo)系，兩種各有優(yōu)勢，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇[3]。

3 結(jié)語

總而言之，伴隨著航空制造業(yè)的飛速發(fā)展，飛機(jī)制造業(yè)在朝著自動(dòng)化、智能化的方向演變，傳統(tǒng)的剛性工裝必將被柔性工裝所取代。本文提出了一種飛機(jī)垂尾壁板類柔性工裝的設(shè)計(jì)方案，對新型飛機(jī)飛機(jī)垂尾壁板工裝研制周期較長的問題進(jìn)行了解決，也可以為相關(guān)飛機(jī)產(chǎn)品的柔性化裝配提供一定的參考。與傳統(tǒng)工裝相比，本文設(shè)計(jì)的柔性工裝體積小，效率高，自動(dòng)化運(yùn)行能夠有效降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，控制人力成本，對于實(shí)現(xiàn)我國飛機(jī)裝配技術(shù)的柔性化和智能化有著一定的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]白新宇，王思聰.飛機(jī)壁板類組件柔性工裝系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，（22）：133-135.

[2]崔琳琳.飛機(jī)壁板裝配柔性工裝設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)研究[J].中國機(jī)械，2016，（1）：100.

[3]王巍，谷天慧，俞鴻均.某型飛機(jī)垂尾壁板類柔性工裝設(shè)計(jì)[J].航空制造技術(shù)，2016，507（12）：66-70.