用于飛機艙門裝配的柔性工裝設(shè)計

金加奇，孔祥偉，趙清洲，申德華

（1.中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司科技與信息化部，遼寧 沈陽 110850；2.東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

大型薄壁件是構(gòu)成機身、機翼外形的主要部件，其厚度一般在（2～3）mm[1]，主要加工形式包括蒙皮成形、銑邊和鉆孔等加工工藝[2]。飛機艙門是飛機機身的重要組成部分之一，屬于典型的大型薄壁件，飛機上通常設(shè)有多種艙門，用以實現(xiàn)載人、載貨等用途。由于傳統(tǒng)工藝在加工飛機艙門蒙皮時采用的是托板式剛性夾具，此類工裝僅能滿足當(dāng)前艙門蒙皮的夾具工裝，而隨著航空行業(yè)的快速發(fā)展，飛機的制造多為中小批量制造，從而導(dǎo)致了我國航空企業(yè)生產(chǎn)效率低及資源的嚴(yán)重浪費。據(jù)統(tǒng)計，專用夾具的研制占了整個飛機研發(fā)周期的（30～50）%[3]，因此開發(fā)可重構(gòu)的柔性工裝系統(tǒng)以適應(yīng)不同尺寸和不同類型的飛機艙門蒙皮工件的裝夾，對于提高飛機研發(fā)效率以及節(jié)約資源上具有重要的意義。

國外學(xué)者在柔性工裝設(shè)計上進(jìn)行了許多研究，如多點真空吸附式柔性工裝系統(tǒng)[4]、基于POGO立柱單元的柔性夾具系統(tǒng)[5]、針對飛機蒙皮燈等曲面類工件切削加工問題設(shè)計的柔性鏡像銑結(jié)構(gòu)[6]、能快速自動實現(xiàn)工件定位裝夾的柔性工裝系統(tǒng)[7]、基于伸縮頂針的陣列式柔性工裝系統(tǒng)[8]和基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的柔性工裝系統(tǒng)[9?10]。在國內(nèi)，文獻(xiàn)[11]設(shè)計了一套包括4個支撐柱和1個隨動支撐柱的柔性夾具系統(tǒng)；文獻(xiàn)[12]提出一種具有百格點式底座的柔性夾具工裝系統(tǒng)；文獻(xiàn)[13]研制用于飛機長桁切邊的柔性夾具，通過電機調(diào)整壓板和支承塊的位置來滿足不同尺寸長銜工件的裝夾；文獻(xiàn)[14]設(shè)計了一種機身蒙皮雙機器人自動鉚接的柔性裝配系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的人工鉚接的方式；文獻(xiàn)[15]提出一種三維柔性工裝定位平臺模型，并通過有限元軟件證明該平臺具有足夠的強度和剛度；文獻(xiàn)[16]結(jié)合柔性工裝的實例對柔性工裝的調(diào)裝技術(shù)展開研究；文獻(xiàn)[17?18]對基于并聯(lián)機構(gòu)的柔性夾具也做了一定的研究，取得一定的成果。

總的來說，國內(nèi)外學(xué)者基于有限元法和實驗法，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計兩個方面對工件的柔性工裝設(shè)計進(jìn)行了研究，但設(shè)計到具體某一型號飛機大型薄壁件的柔性工裝設(shè)計的文獻(xiàn)較少。因此本文以某型號飛機的登機門、左服務(wù)門、右服務(wù)門、前貨艙門、后貨艙門和應(yīng)急門的裝配加工為研究對象，利用有限元軟件研究柔性單元布局參數(shù)對蒙皮加工變形的影響，從結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)兩個方面完成艙門蒙皮的柔性工裝系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)一套夾具對多套艙門蒙皮的裝夾，研究結(jié)果可以為同類大型薄壁件柔性工裝設(shè)計提供良好的借鑒，具有很強的工程應(yīng)用價值。

2 柔性工裝設(shè)計總體方案

2.1 設(shè)計對象

選用某型號飛機艙門為研究對象，該飛機具有6個艙門，分別為登機門、前貨艙門、后貨艙門、左服務(wù)門、右服務(wù)門和應(yīng)急門，各艙門相對于機身的位置，如圖1所示。后貨艙門在機尾位置，為錐面結(jié)構(gòu)，其它艙門蒙皮均為橢圓柱面結(jié)構(gòu)，艙門蒙皮的最大曲率半徑為1400mm，最小曲率半徑為1100mm，厚度均為2.1mm。各艙門的尺寸，如表1所示。

圖1 飛機艙門及其相對位置Fig.1 Aircraft Hatch and Their Relative Positions

表1 各艙門尺寸Tab.1 Dimensions of Each Hatch

2.2 設(shè)計方案

柔性工裝是結(jié)合了計算機技術(shù)在內(nèi)的一種集成的數(shù)字化工裝技術(shù)，是一種結(jié)合軟、硬件的綜合系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上來看，柔性工裝包含有多個位置可調(diào)的定位夾緊單元，通過采用真空吸盤式伸縮結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)工件夾緊與高度的調(diào)節(jié)；從系統(tǒng)上來看，柔性工裝包含多個可調(diào)控可監(jiān)測的控制單元，其設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計?？傮w設(shè)計方案，如圖2所示。

圖2 柔性工裝設(shè)計方案Fig.2 Flexible Tooling Design Scheme

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，為實現(xiàn)柔性單元的定位夾緊功能，柔性單元選擇可伸縮的真空吸盤結(jié)構(gòu)；柔性單元的布局采用弧形式，夾具能適應(yīng)更大曲率面的薄壁件，且能降低伸縮桿的高度，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在系統(tǒng)設(shè)計方面，基于西門子PLC對能實現(xiàn)定位與夾緊控制、信息反饋與調(diào)控的硬件設(shè)備進(jìn)行選擇，并在TIA Portal平臺實現(xiàn)系統(tǒng)的手動控制與自動控制設(shè)計。

3 柔性工裝布局的影響因素分析

飛機艙門蒙皮的加工方式主要有銑邊和鉆孔，為能設(shè)計出滿足加工變形要求的柔性工裝布局，需要結(jié)合有限元法研究柔性夾具單元列邊距、行邊距、行間距和列間距對加工變形量的影響，布局參數(shù)的具體含義，如圖3所示。

圖3 布局參數(shù)的定義Fig.3 Definition of Layout Parameters

3.1 有限元模型

根據(jù)柔性工裝布局形式建立柔性夾具的有限元模型，艙門蒙皮材料選擇為2024?T3鋁合金，單元類型為SHEEL181殼單元，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm，如圖4所示。在鉆孔加工時，對吸盤區(qū)域中心點施加載荷；在銑邊切削時，對蒙皮邊緣施加載荷。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite Element Model

3.2 列邊距和行邊距對蒙皮變形的影響

根據(jù)設(shè)計需求，設(shè)置吸盤工作壓力為?0.5MPa，吸盤定位球距弧線邊和直線邊為60mm、70mm、80mm、90mm和100mm，通過有限元分析直線邊列邊距和弧線邊行邊距對蒙皮變形的影響，得到蒙皮最大變形量與吸盤邊距關(guān)系，如圖5所示。

圖5 最大變形量與吸盤邊距的關(guān)系Fig.5 The Relationship Between Maximum Deformation and Edge Distance of Suction Cup

從圖中可以看出，直線邊列邊距對蒙皮變形的影響較弧線邊大，且蒙皮變形量隨邊距的減小而減小。在銑邊加工時，較小的列邊距有利于減小加工點到支撐點的力矩，從而減小變形，因此應(yīng)當(dāng)選用直徑較小的吸盤。參照FESTO公司的真空吸盤規(guī)格，選擇吸盤的直徑為60mm；由于銑邊加工時，吸盤外邊緣距離工件的邊緣至少要留有20mm距離，因此綜合考慮，柔性工裝布局的列邊距設(shè)置為50mm。

為進(jìn)一步研究行邊距對蒙皮加工變形的影響，根據(jù)加工要求的銑邊加工載荷范圍（20～40）N，設(shè)置加工載荷分別為20N、25N、30N、35N 和40N，行邊距分別為50mm、60mm、70mm、80mm 和90mm，通過有限元分析不同加工載荷下行邊距對工件變形的影響，分析不同加工載荷下工件最大變形量與行邊距的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 不同載荷下最大變形量與行邊距的關(guān)系Fig.6 The Relationship Between Maximum Deformation and Edge Distance Under Different Loads

設(shè)計工程要求銑邊加工的最大變形量為0.9mm，因此觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)行邊距在80mm及以下時，所有加工載荷均滿足工件變形要求；當(dāng)行邊距為90mm時，銑邊載荷40N下的最大變形量超過企業(yè)工程要求，因此設(shè)置柔性工裝布局的最大行邊距為80mm。

3.3 行間距對蒙皮變形的影響

加工載荷設(shè)置為20N、25N、30N、35N 和40N，每種加工載荷下的行間距分別為150mm、200mm、250mm、300mm和350mm，通過有限元Ansys模擬各載荷下的銑邊加工過程，確定各載荷下最大變形量與行間距的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 銑邊加工模擬結(jié)果Fig.7 Simulation Results of Milling

觀察圖7可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)行間距不超過200mm時，各加工載荷均滿足加工變形不超過0.9mm 的要求；當(dāng)行間距為250mm、300mm和350mm時，應(yīng)分別控制加工載荷小于35N、30N和25N。因此為了減小變形量，柔性工裝布局的行間距不超過200mm。

3.4 列間距對蒙皮變形的影響

設(shè)定夾持單元的弧長為200mm、250mm、300mm、350mm、400mm 和450mm，加工載荷分別為120N、130N、140N、和150N，通過有限元軟件分析不同夾持弧長和不同鉆孔載荷下的最大變形，如圖8所示。

圖8 不同載荷下最大變形與行間距的關(guān)系Fig.8 Relationship Between Maximum Deformation and Row Spacing Under Different Loads

對于鉆孔加工，設(shè)計工程要求的最大變形量不超過0.6mm，從圖8中可以看出，夾持弧長為350mm及以下時，各加工載荷均滿足要求；夾持弧長為400m時，150N的鉆孔載荷不滿足變形要求；夾持弧長為450mm時，140N和150N的鉆孔載荷不滿足加工要求；因此綜合考慮最大夾持弧長不超過400mm。

4 飛機艙門的柔性工裝設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)柔性工裝設(shè)計方案，結(jié)合有限元分析得到的滿足加工變形的布局參數(shù)范圍，對柔性工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，包括柔性單元結(jié)構(gòu)設(shè)計、行單元布局設(shè)計、列單元布局設(shè)計和柔性工裝主體設(shè)計。

4.1.1 柔性單元結(jié)構(gòu)

柔性單元需具有定位、夾緊以及輔助支撐的功能，按照柔性裝夾單元各部件的功能，可將裝夾單元劃分為傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)。傳動機構(gòu)是一套能夠?qū)崿F(xiàn)單向伸縮移動，且具有高精度、高可靠性的運動單元。該單元在工作時起軸向支撐作用，對系統(tǒng)的自鎖性要求較高，因此柔性單元的傳動機構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)電機的形式，如圖9所示。執(zhí)行機構(gòu)用于實現(xiàn)對工件的定位、支撐和夾緊，主要包括吸盤組件和定位球兩部分。吸盤組件結(jié)構(gòu)，如圖10所示。主要包括吸盤、壓板、支撐、球體、杯體和磁鐵，其中球體可以在杯體中繞球體的球心自由旋轉(zhuǎn)，使真空吸盤具有（20～40）°的角度調(diào)整能力。定位球位于球體半球結(jié)構(gòu)的球心位置，定位時直接與工件表面接觸。

圖9 傳動機構(gòu)Fig.9 Transmission Mechanism

圖10 真空吸盤Fig.10 Vacuum Sucker

4.1.2 行單元布局

為了滿足六種艙門蒙皮的加工定位，設(shè)定行邊距的范圍為（50～80）mm，結(jié)合六種艙門的尺寸和最大行間距200mm，計算出各個艙門所需的夾持寬度和夾持單元數(shù)，如表2所示。

表2 各艙門夾持寬度范圍及單元行數(shù)Tab.2 Clamping Width Range and Unit Lines of Each Hatch

為了滿足表2中的艙門需求，設(shè)置7行裝夾單元的行間距，如圖11所示。第1到4行間距為500mm，滿足應(yīng)急門、左服務(wù)門和右服務(wù)門的裝夾。第4行到第7行的間距為600mm，可以滿足登機門和前貨艙門的裝夾，第1行到第7行的間距為1100mm，可以滿足后貨艙門的裝夾。

圖11 裝夾單元行間距的設(shè)定Fig.11 Setting Row Spacing of Clamping Unit

4.1.3 列單元布局

假設(shè)兩列裝單元間的距離H，工件的曲率半徑為R，工件夾持的弧長為L，則三者之間的關(guān)系為：

計算得到夾持弧長為400mm，曲率半徑為1100mm 和1400mm 所對應(yīng)的列間距分別為397.80mm 和398.64mm。由于曲率半徑比較大，裝夾單元所夾弧長和其間距基本相等，因此可將夾持弧長最大為400mm的條件替換為夾持單元列間距最大為400mm來設(shè)計列單元的布局。根據(jù)幾何關(guān)系計算出6種艙門所需最大夾持長度及支撐單元的列數(shù)，如表3所示。

表3 各艙門所需夾持長度及支承單元列數(shù)Tab.3 Clamping Length and Number of Supporting Units Required for Each Hatch

由于吸盤及其球頭存在一定的尺寸，吸盤定位球距離夾具基面最低的距離為50mm，所以為了滿足裝夾要求，柔性夾具必須保證蒙皮最低點在距離夾具基面50mm以上的位置，

從而滿足最大夾持長度的要求，即需要在蒙皮最低點處設(shè)置一個裝夾單元，因此設(shè)計夾持單元的列數(shù)為7，沿第1列裝夾單元呈對稱分布，其中四列夾持單元的布局設(shè)計，如圖12所示。

圖12 柔性夾具列單元布局設(shè)計Fig.12 Layout Design of Flexible Fixture Column Unit

4.1.4 柔性工裝夾具主體

確定艙門蒙皮柔性工裝夾具系統(tǒng)的柔性單元行數(shù)7、列數(shù)7、行間距、行邊距、列間距、列邊距及布局形式后，根據(jù)柔性單元的布局特點，得到柔性工裝夾具主體的三維效果，如圖13所示。

圖13 艙門蒙皮柔性夾具主體Fig.13 Main Body of Flexible Clamp for Hatch Skin

4.2 系統(tǒng)設(shè)計

完成柔性工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計后，需要對柔性工裝的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試三個方面。

4.2.1 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)用于控制夾具單元完成對蒙皮的點位與夾緊，并能及時反饋信息，協(xié)調(diào)各模塊的運轉(zhuǎn)，使得柔性夾具系統(tǒng)可以順利的實現(xiàn)指定功能，因此將控制系統(tǒng)分為五個模塊，如圖14所示。

圖14 柔性夾具系統(tǒng)硬件組成Fig.14 Hardware Composition of Flexible Fixture System

結(jié)合現(xiàn)有硬件設(shè)備的特點，選擇的硬件設(shè)備及系統(tǒng)拓?fù)鋱D，如圖15所示。

圖15 硬件設(shè)備及系統(tǒng)Fig.15 Hardware Equipment and System

部分硬件的功能如下：

（1）利用RFID射頻識別技術(shù)可實現(xiàn)6種不同艙門蒙皮骨架定位型架工裝的智能識別；

（2）利用零點定位器反饋壓力信號，可實現(xiàn)零點定位器定位拉緊功能的監(jiān)測；

（3）通過PLC?伺服驅(qū)動器?伺服電機?精密電推桿（49組），控制所需電推桿達(dá)到預(yù)期位置及回原點的復(fù)位功能，實現(xiàn)每個電推桿的控制；

（4）真空吸盤吸附蒙皮以實現(xiàn)定位，并通過壓力傳感器反饋壓力信號，監(jiān)控吸附情況，在控制面板上顯示；

（5）通過控制電磁閥實現(xiàn)真空系統(tǒng)的氣源是否接通，實現(xiàn)吸盤對蒙皮吸附定位或?qū)γ善さ乃尚?；同時可通過壓力傳感器反饋信號，實現(xiàn)觸摸屏上狀態(tài)監(jiān)控的顯示。

4.2.2 軟件設(shè)計

TIA Portal 軟件是S7?1500 系列PLC 的專用編程軟件，能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試系統(tǒng)，基于TIA Portal軟件開發(fā)平臺，從手動控制程序和自動控制程序兩方面對柔性工裝控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

（1）手動控制系統(tǒng)

手動控制模式針對單個電推桿電機進(jìn)行操作，每一個電機均有單獨的操作界面，用于完成柔性單元運動的零點定位和終點定位，同時根據(jù)吸盤的吸合情況實現(xiàn)柔性單元的微調(diào)，手動控制系統(tǒng)操作界面，如圖16所示。

圖16 手動控制操作界面Fig.16 Manual Control Operation Interface

操作界面分為一般操作區(qū)和特殊操作區(qū)，一般操作區(qū)用于實現(xiàn)柔性單元位置信息的錄入與控制；特殊操作區(qū)用于將位置信息輸入待裝夾工件的專用信息存儲空間，由于每套工件只需輸入一次位置數(shù)據(jù)，因此特殊操作區(qū)添加了使用權(quán)限，防止操作人員的失誤而導(dǎo)致正確運行參數(shù)的改變。

（2）自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)每種工件下的多個柔性單元的電機軸聯(lián)動控制，實現(xiàn)對工件的夾緊與定位，同時對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。自動控制界面包括操作區(qū)和狀態(tài)顯示區(qū)，如圖17所示。

圖17 自動控制操作界面Fig.17 Automatic Control Operation Interface

由于每種工件在加工時，電機軸的伸縮長度不盡相同，且同一電機軸在加工不同工件時也不盡相同，因此系統(tǒng)設(shè)置了一個公用DB塊，用于存儲該飛機六種艙門的柔性單元軸運動數(shù)據(jù)，中間塊DB則用于完成某套特定艙門運動軸數(shù)據(jù)的提取，實現(xiàn)定位軸指令目標(biāo)位置的輸入，艙門DB塊的調(diào)用過程，如圖18所示。

圖18 艙門DB塊調(diào)用過程Fig.18 Calling Procedure of Hatch DB Block

4.3 系統(tǒng)調(diào)試及應(yīng)用

搭建柔性單元運行精度測試系統(tǒng)，如圖19所示。其中靶球座為半球形，半徑與吸盤球座相同，使激光靶球位于定位球球心位置，這樣靶球測量的數(shù)據(jù)即為柔性單元定位點處的數(shù)據(jù)；激光跟蹤儀用于測量夾持單元的實際運行位置。

圖19 運行精度測試系統(tǒng)Fig.19 Operation Accuracy Test System

設(shè)置柔性定位夾持單元的運行速度為10mm/s、60mm/s 和120 mm/s，以2號夾持單元為例，在電機手動控制界面中，控制電動推桿從定義的零點位置向前運動100mm，用激光跟蹤儀測量實際運行位置，計算平均定位位置和誤差，重復(fù)操作五次后得到測試結(jié)果，如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，三種運行速度下，平均定位誤差均小于0.1mm，滿足定位精度±0.1mm，重復(fù)定位精度0.05mm的要求。

表4 系統(tǒng)重復(fù)運行精度測試的結(jié)果Table.4 Results of Repeated Operation Accuracy Test of the System

此套柔性工裝已經(jīng)完成了某型號飛機6個艙門的裝配，裝配后的各測量數(shù)據(jù)和PTP試驗結(jié)果均滿足裝配要求，且效率和精度上都有了顯著的提高，為航空制造業(yè)同類大型薄壁件的柔性工裝設(shè)計提供了良好的參考，具有很強的工程實用價值。

5 結(jié)論

（1）建立艙門蒙皮的三維有限元模型，研究行邊距、列邊距、行間距和列間距對蒙皮加工變形的影響，確定柔性工裝參數(shù)布局要求。

（2）以旋轉(zhuǎn)電機式伸縮桿和真空吸盤式作為柔性單元的傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，滿足系統(tǒng)自鎖性要求，可實現(xiàn)柔性單元與加工曲面的有效吸附。

（3）根據(jù)艙門尺寸參數(shù)對柔性單元布局的行參數(shù)和列參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，確定柔性單元的行數(shù)為7的非均勻布置和列數(shù)為7的對稱式布置。

（4）將控制系統(tǒng)劃分為五個模塊，完成了各模塊下硬件設(shè)備的設(shè)計，并從手動控制和自動控制兩方面對系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)，設(shè)計了對應(yīng)的操作界面；系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的運行精度和定位精度。