面向飛機(jī)的舵面類柔性裝配工裝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

路衛(wèi)華，譚 娜

（1.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110032；2.遼寧天意實(shí)業(yè)有限公司，遼寧 129013）

面向飛機(jī)的舵面類柔性裝配工裝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

路衛(wèi)華1，譚 娜2

（1.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110032；2.遼寧天意實(shí)業(yè)有限公司，遼寧 129013）

0 引言

二十世紀(jì)九十年代以來，為滿足飛機(jī)制造業(yè)對(duì)其裝配過程高質(zhì)量、高效率、低成本并能適應(yīng)多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，柔性裝配技術(shù)在飛機(jī)制造業(yè)中得到了越來越廣泛的運(yùn)用[1]。

作為飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)的重要組成部分[2]，柔性工裝是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的可重組、模塊化、自動(dòng)化裝配工裝，其目的是在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，免除設(shè)計(jì)和制造各種零部件裝配的專用固定型架、夾具。

1 柔性工裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 舵面類柔性裝配工裝需求分析

單架飛機(jī)通常包括多個(gè)飛機(jī)舵面，其結(jié)構(gòu)形式相似，尺寸變化不大，且左右舵面完全對(duì)稱。當(dāng)采用傳統(tǒng)工裝進(jìn)行裝配時(shí)，由于各個(gè)舵面定位形式不同，需采用多套工裝分別進(jìn)行定位。在研制階段及小批量試制階段，工裝生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長，不能夠滿足現(xiàn)代飛機(jī)快速研制的要求；而在大批量生產(chǎn)階段，當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸時(shí)，難以快速有效的消解。

因此，需要滿足研制生產(chǎn)要求的舵面類柔性裝配工裝： 1）能夠適應(yīng)同類飛機(jī)中多套舵面的裝配定位工作； 2）能夠?qū)崿F(xiàn)不同舵面定位形式間的快速轉(zhuǎn)換；3）具有一定的擴(kuò)展性以滿足產(chǎn)品改型及工藝變更的需求。

1.2 舵面類柔性裝配工裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的固定式裝配工裝往往只能適應(yīng)特定的裝配對(duì)象，其結(jié)構(gòu)形式受到飛機(jī)部件的尺寸、結(jié)構(gòu)、定位交點(diǎn)位置的嚴(yán)格限制，工裝利用率低，占地面積大[3]。

圖1 立框式柔性裝配工裝結(jié)構(gòu)形式圖

根據(jù)舵面類部件柔性裝配的需求，采用立框式柔性裝配工裝的結(jié)構(gòu)形式[4]，由靜態(tài)框架和動(dòng)態(tài)模塊兩部分組成。靜態(tài)框架是柔性裝配工裝的骨架部分，由標(biāo)準(zhǔn)零件和連接件組合而成。動(dòng)態(tài)模塊則是依附于靜態(tài)框架上，依據(jù)飛機(jī)部件的不同需要而設(shè)計(jì)，具有多個(gè)自由度，通過轉(zhuǎn)接器調(diào)整其定位部件，以滿足同類相似產(chǎn)品定位需求的定位器。立框式柔性裝配工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)流程

舵面類柔性裝配工裝設(shè)計(jì)過程主要包括四個(gè)步驟，總體流程如圖2所示[5]。

圖2 舵面類柔性裝配工裝設(shè)計(jì)流程圖

舵面類柔性裝配工裝的具體設(shè)計(jì)過程如下：

第一步，分析所需裝配舵部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其共性。不同舵面部件雖然在外形尺寸上不盡相同，但結(jié)構(gòu)形式及其相似，都是以對(duì)接交點(diǎn)為裝配定位核心，由梁、加強(qiáng)肋、壁板、尾緣組件及連接件組裝而成。因此，柔性裝配工裝的結(jié)構(gòu)布局基本確定。

第二步，以模塊化元件為關(guān)鍵組成。典型件的設(shè)計(jì)充分考慮在同一模塊中，集成支撐、定位和夾緊等主要功能，并配備快速轉(zhuǎn)換裝置。從基本模塊中生成多種功能，用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊滿足公共的功能需求。

第三步，整體裝配方案的確定及詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1）通過整體結(jié)構(gòu)及主要元件的合理布置和調(diào)節(jié)，使得同一套工裝可定義和構(gòu)建適用于一組不同裝配件制造要求的多個(gè)定位系統(tǒng)。

2）柔性裝配工裝的主要模塊和元件，均采用激光測(cè)量技術(shù)來調(diào)節(jié)這些模塊和元件間的相互位置關(guān)系，以快速形成工裝定位構(gòu)型，并確保此構(gòu)型的準(zhǔn)確性。

3）自適應(yīng)調(diào)節(jié)和補(bǔ)充定位精度。通過光柵尺、激光跟蹤儀等測(cè)量系統(tǒng)，采集和反饋工件的空間定位精度，通過對(duì)比理論精度調(diào)整相關(guān)定位元件的方位。

第四步，驗(yàn)證及評(píng)價(jià)。采用有限元分析對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，通過DELMIA三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)對(duì)柔性裝配工裝的功能及形式進(jìn)行驗(yàn)證并反饋，優(yōu)化工裝設(shè)計(jì)方案。反復(fù)迭代，直至滿足裝配需求，確定最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 靜態(tài)框架強(qiáng)度分析

與傳統(tǒng)裝配工裝不同，柔性裝配工裝添加了動(dòng)態(tài)調(diào)整單元，其伺服機(jī)構(gòu)為結(jié)構(gòu)框架帶來了更高的承重要求，且在調(diào)整單元存在著位姿變換的問題，故在強(qiáng)度校核過程中需對(duì)調(diào)整單元的極限狀況進(jìn)行分析。

考慮到加工和安裝方便，舵面類柔性工裝采用型鋼（GB/T6728-2002）結(jié)構(gòu)。通過理論計(jì)算和Ansys軟件仿真，對(duì)比分析不同型號(hào)規(guī)格型鋼在自重條件下的最大變形，結(jié)果如表1所示。通過數(shù)據(jù)分析可知，140×220的矩形冷彎空心型鋼變形最小，故選用該型號(hào)型鋼為骨架材料。

表1 不同型號(hào)規(guī)格型鋼骨架自重變形分析結(jié)果

為保證骨架在裝配過程中的變形滿足精度要求，現(xiàn)對(duì)骨架承受1.5倍工作載荷，并在中央受集中力（變形最大）和兩端受均布力（受力最小）兩種極限狀況下的受力狀況進(jìn)行分析，受力分析結(jié)果如表2所示。

表2 不同位置下的有限元分析結(jié)果

由數(shù)據(jù)可知，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度（235 MPa）。中央受集中力載荷情況在工作狀態(tài)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)，故骨架滿足最大變形≤0.1mm彈性變形，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 動(dòng)態(tài)調(diào)整單元集成控制及調(diào)形控制方法

目前，該柔性工裝包括18個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整單元，由46個(gè)伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)，屬于多軸運(yùn)動(dòng)控制范疇，其伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制方式選擇PLC。通過對(duì)控制方案分析，控制系統(tǒng)采用德國倍福的“軟PLC”控制器。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)動(dòng)控制模式為“工控機(jī)（安裝有TwinCAT）+驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)”，模擬量及數(shù)字量I/O通過適配器通過EtherCAT與TwinCAT進(jìn)行通訊，如圖3所示。

動(dòng)態(tài)調(diào)整單元的調(diào)形控制分兩步進(jìn)行。首先，對(duì)數(shù)模中各動(dòng)態(tài)調(diào)姿單元位置的確定，編輯運(yùn)動(dòng)軌跡控制程序。在定位調(diào)形過程中，在工控機(jī)輸入所需定位的舵面部件工位編號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，將動(dòng)態(tài)調(diào)整單元運(yùn)動(dòng)到其大致的理論位置。其次，進(jìn)一步通過激光測(cè)量?jī)x測(cè)量，精確調(diào)整動(dòng)態(tài)調(diào)整單元的位置。在柔性裝配工裝產(chǎn)品數(shù)字化模型中，各個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)姿單元均包含了其激光測(cè)量使用的靶球位置，通過記錄各動(dòng)態(tài)調(diào)姿單元的靶球位置，并使用激光測(cè)量?jī)x測(cè)量比較，最后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)補(bǔ)償測(cè)量誤差。動(dòng)態(tài)調(diào)整單元的調(diào)整過程如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

當(dāng)前飛機(jī)制造業(yè)小批量多型號(hào)的需求對(duì)航空企業(yè)提出了更高的柔性要求，根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求，提高裝配柔性是解決該問題的有效手段。本文論述的舵面類部件柔性裝配工裝研制成功后，在飛機(jī)制造過程中將取得如下效果：1）明顯提高飛機(jī)零件的裝配準(zhǔn)確度；2）降低同系列產(chǎn)品40 %～50 %的工裝成本； 3）使飛機(jī)裝配周期縮短為原來的2/3，大幅度地改善企業(yè)的工裝投資短時(shí)間不能收回的局面； 4）能夠推動(dòng)柔性裝配技術(shù)在飛機(jī)生產(chǎn)中更加有效的發(fā)展和應(yīng)用，使我國飛機(jī)制造盡快達(dá)到國際先進(jìn)水平。

[1]王巍,賀平,萬良輝.飛機(jī)柔性裝配技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006,7(11):88-90.

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[3]范玉青.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社.1999.

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Design and application of fl exible fi xture for rudder-face assembly

LU Wei-hua1，TAN Na2

飛機(jī)制造業(yè)已經(jīng)逐步向小批量多型號(hào)的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，柔性裝配工裝能滿足對(duì)多種部件的定位與夾持，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)柔性裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)舵面類部件裝配的需求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種舵面類部件柔性裝配工裝的設(shè)計(jì)流程，并詳細(xì)分析了其設(shè)計(jì)方法與關(guān)鍵技術(shù)。最后，通過實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證并總結(jié)了該方法的有效性。

柔性工裝；飛機(jī)裝配；設(shè)計(jì)與應(yīng)用；數(shù)字化制造

路衛(wèi)華（1978 -），男，工程師，主要從事飛機(jī)數(shù)字化裝配與飛機(jī)柔性裝配工作。

V261

A

1009-0134(2013)01(下)-0116-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.01(下).33

2012-08-30

國家科技攻關(guān)計(jì)劃（2011BAF13B11，2010BAF13B11）