無人機柔性裝配工裝技術(shù)研究及應用

趙寒達 趙玉華 呂思源 韓碩

摘要：無人機基于柔韌性工裝技術(shù)，創(chuàng)建機身部件數(shù)字化柔韌性裝備系統(tǒng)，以無人機裝配工裝為例，運用柔性模塊化設計思想，著重研究該技術(shù)通用性，優(yōu)化和改進無人機裝備工裝結(jié)構(gòu)形式，彰顯柔性化、通用化、標準化等特點，并為相關研究提供借鑒意義。

關鍵詞：無人機;柔性裝配工裝技術(shù);應用研究

引言：

在國家軍事戰(zhàn)略和民用領域中，無人機的作用不言而喻。在無人機制造過程中，裝備工作是關鍵和核心，尤其是無人機裝配工作，應打破傳統(tǒng)設計理念，縮短設計制造周期，貼合實際市場需求，注重技術(shù)研發(fā)領域。柔性裝配技術(shù)作為一種先進技術(shù)，真正做到“一型多用”，滿足設計、制造和使用模式，分析該技術(shù)的可重組、模塊化設計，注重模塊化工裝的組合過程，為新一代無人機的數(shù)字化奠定了基礎。

1 無人機結(jié)構(gòu)模塊化特征

很多先進的無人機都采用復合材料制作而成，是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造的主體，尤其是一些中小型無人機，基本上為復合材料骨架和蒙皮結(jié)構(gòu)的形式。比如，以機身為例，在梁框式構(gòu)造下，機身壁板、機身梁、機身框板，多為玻璃纖維、碳纖維蜂窩夾層、玻璃纖維壓層結(jié)構(gòu)及復合材料等;通常呈現(xiàn)出“U型梁”或者是“工字梁”，遵循柔性模塊化設計原則，既要符合正常功能需求，又要盡力簡化模塊結(jié)構(gòu)，使其具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，尤其是無人機典型結(jié)構(gòu)，機身裝配起到關鍵性作用，無論是膠接機構(gòu)和裝配要求，都應簡化工裝結(jié)構(gòu)形式（框、梁、壁板等）。數(shù)字化柔性工裝定位與傳統(tǒng)工裝定位比較，柔性工裝的定位更具可控性，尤其是定位過程，能夠在定位系統(tǒng)下自動控制和調(diào)整

2 無人機柔性裝配工裝技術(shù)設計

2.1 無人機部件的定位方法

無人機部件產(chǎn)品裝配和定位，大體上分成兩種典型模式，分別是骨架為基準和蒙皮為基準，無人機翼面類部件采取蒙皮為基準的方式，機身及其他部件以骨架為基準。結(jié)合無人機部件裝配情況，工裝定位上呈現(xiàn)出以下兩個特點，一是飛機機身部件骨架結(jié)構(gòu)多為框梁類結(jié)構(gòu)，起到支撐定位作用;二是機身部件裝配側(cè)重強化主承力構(gòu)件（框、梁等）。在無人機模塊化裝配工裝設計中，采用一套型架結(jié)構(gòu)，在對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整和改進后，符合多種型號和部件裝配需求，節(jié)省生產(chǎn)制作時間，提升裝配工裝高效率，尤其是產(chǎn)品品種受到外界影響時，需要以經(jīng)濟性、功能性為前提和基礎，切實提高快速轉(zhuǎn)換生產(chǎn)機型的自適應能力。

2.2 柔性工裝的結(jié)構(gòu)整體和原理

2.2.1 機械系統(tǒng)設計

（1）靜態(tài)框架結(jié)構(gòu)

機械系統(tǒng)設計包括靜態(tài)框架結(jié)構(gòu)、動態(tài)卡板結(jié)構(gòu)，兩者相輔相成、缺一不可。靜態(tài)框架結(jié)構(gòu)包括支撐底座、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、標準框架和連接件等。

支撐底座主要起到支撐作用，根據(jù)框架轉(zhuǎn)動所需空間規(guī)格，打造支撐框架高度適宜的裝配工裝結(jié)構(gòu)，支撐底座位于框架設計轉(zhuǎn)動中心軸上，確保操作人員舒適高度操作，推進產(chǎn)品裝配工作。

轉(zhuǎn)動機構(gòu)處在框架設計轉(zhuǎn)動中心軸上，構(gòu)置在支撐底座上，采用相對成熟產(chǎn)品，提升工作人員效率，高水平、高質(zhì)量完成整個裝配工裝框架的轉(zhuǎn)動和固定工作;值得注意的是，轉(zhuǎn)動機構(gòu)最好選用市場上的標準化、規(guī)范化產(chǎn)品。

框架作為結(jié)構(gòu)中間部分，是柔性模塊化工程的必要環(huán)節(jié)，采用矩形框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際情況進行調(diào)整和改進，滿足多種外形尺寸及功能需求;傳統(tǒng)剛性工裝框架基本上固定在地基出，突出和強調(diào)框架的固定性。

標準框架是整個結(jié)構(gòu)的關鍵和核心，作為柔性化模塊化工裝的重要環(huán)節(jié)，無論是長度方向，還是其寬度方向，都有著較強的可調(diào)節(jié)性，除了滿足外形尺寸要求外，還能采用矩形型材嵌套式結(jié)構(gòu)形式。

連接件有標準定位銷和禁錮螺栓，主要用來定位和穩(wěn)固連接卡板，還涉及到標準框架（調(diào)整長度和寬度方向后）的連接和固定。

（2）動態(tài)卡板結(jié)構(gòu)

動態(tài)卡板機構(gòu)分別有外形卡板、橫卡板、接頭定位器、鉆模板。

部件外形卡板多為接頭定位器的定位和連接基準，尤其是產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)中，既支撐框架和蒙皮，又穩(wěn)固部件、組件啟動外形;外形卡板主要用來夾緊相近構(gòu)件（框、肋和蒙皮等），避免出現(xiàn)大量的膠接間隙，還切實壓緊部位的理論氣動外形，可用作全部接頭定位器的定位和連接基準。

橫卡板定位骨架中的梁和蒙皮，推進膠接質(zhì)量，經(jīng)采用標準連接件的方法，與外形卡板連接為一體。

接頭定位器根據(jù)框架定位基準，與角座和接頭定位器連接，不僅符合產(chǎn)品零部件定位，而且確保部件裝配后的應用;該定位作為一種結(jié)構(gòu)形式，不僅確保良好的定位功能，還具有便于拆卸的特點，主要用來對各部件內(nèi)部精準性的裝配定位。

鉆模板是指零組件（定位連接關系）的鉆制，使連接孔位和孔精度兩者保持高度的協(xié)調(diào)性和一致性。

柔性工裝的靜態(tài)框架，基本為桁梁式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有著較強的剛度和開敞性。動態(tài)定位器在整個工裝裝配中發(fā)揮者重要作用，結(jié)合后機身部件結(jié)構(gòu)，需要明確實際定位需求，將定位器利用不同的組裝方式，注重模塊化設計，使整個結(jié)構(gòu)更加緊湊簡化。在無人機工裝機械系統(tǒng)設計中，傳動機構(gòu)必不可少，該結(jié)構(gòu)有著3個方向的傳動結(jié)構(gòu)設計，X向為直線導軌聯(lián)合齒輪，其中齒條和直線導軌呈現(xiàn)平行方式，穩(wěn)固在橫梁后，兩端伺服電機推動橫梁前進，從而調(diào)整X向橫梁。同時，Y向與Z向橫梁采用移動裝置，達到控制伺服電機和節(jié)省空間的效果。

2.2.2 控制系統(tǒng)設計

結(jié)合無人機裝配柔性工裝系統(tǒng)原理，工裝控制系統(tǒng)需要對接定位器（40個），各定位涉及方向的運動控制（3個）。運動控制作為超多軸控控制系統(tǒng)工作中，構(gòu)建終端控制體系，達到數(shù)據(jù)保存與備份功能。

2.2.3 柔性裝配工裝按照及檢測方法

激光跟蹤測量技術(shù)作為一種先進的技術(shù)手段，技術(shù)優(yōu)勢和價值體現(xiàn)在無接觸、高速、高精度通用等，符合無人機各類尺寸部件裝配的要求。無人機柔性模塊化工裝技術(shù)應用，為確保良好的技術(shù)應用效果，主要依托于數(shù)字化傳遞方法和激光跟蹤測量技術(shù)，在標準框架、接頭定位器和主卡板等，采取增設激光靶點位置的做法，實現(xiàn)對無人機工裝裝配各部件的高精度定位和安裝，這有著重大現(xiàn)實意義。

3 應用案例分析

結(jié)合上述對無人機柔性模塊化工裝技術(shù)探討，從設計原則、結(jié)構(gòu)研究、理論內(nèi)容等，經(jīng)過不斷設計制造，并配合激光跟蹤儀應用實施，最終創(chuàng)建出某型無人機柔性裝備工裝實物。

經(jīng)過無人機柔性模塊化工裝設計制造技術(shù)的研發(fā)與實踐，證實在無人機整個制作過程中，柔性裝配工裝技術(shù)有著多種技術(shù)優(yōu)勢和價值。該技術(shù)降低技術(shù)成本，節(jié)省整個研制過程時間，運用先進的數(shù)字化技術(shù)，設計和分析大量數(shù)據(jù)，避免裝配工裝的設計出錯率，需結(jié)合實際情況，合理應用技術(shù)手段，切實提高工作效率。因此，無人機柔性裝配工裝技術(shù)，促進技術(shù)應用與推廣，推動制造行業(yè)技術(shù)研發(fā)。

結(jié)束語：

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機柔性裝配工裝技術(shù)面臨發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。經(jīng)過實際研發(fā)，無人機柔性裝配技術(shù)具有優(yōu)勢和價值，如精準性高、技術(shù)性優(yōu)越、節(jié)省研制周期，為多元化市場提供一條切實有效的技術(shù)渠道。

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