屈力剛，陳國濤，蘇長青，季 偉，朱 平

(1.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2.阜新衡天礦山設(shè)備安全檢測有限責任公司 質(zhì)量技術(shù)室，遼寧 阜新 123000)

飛機壁板真空吸盤式柔性裝配工裝系統(tǒng)設(shè)計

屈力剛1，陳國濤1，蘇長青1，季 偉1，朱 平2

(1.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2.阜新衡天礦山設(shè)備安全檢測有限責任公司 質(zhì)量技術(shù)室，遼寧 阜新 123000)

飛機壁板柔性裝配技術(shù)已成為當今國內(nèi)外所有航空企業(yè)重點發(fā)展的技術(shù)手段。在傳統(tǒng)的飛機壁板裝配模式下，每種壁板類零件的裝配均需要設(shè)計制造一套專用夾具，造成了夾具種類眾多、適應(yīng)性差、成本增加和管理難度大等問題。針對傳統(tǒng)裝配的上述問題，提出一種真空吸盤式柔性裝配工裝系統(tǒng)，當飛機壁板外形發(fā)生變化，該工裝系統(tǒng)能根據(jù)壁板外形和布局自動進行調(diào)整適應(yīng)，通過自動改變定位和夾緊位置，以適應(yīng)不同的飛機壁板外形的新型加工工裝。詳細介紹了該工裝系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)、真空氣動、控制系統(tǒng)、定位精度等內(nèi)容，通過該工裝的使用，將大大提高飛機裝配質(zhì)量，降低飛機生產(chǎn)成本，加快飛機研制周期，對柔性工裝在我國航空企業(yè)生產(chǎn)過程中的普及有重要意義。

柔性工裝；機械結(jié)構(gòu)；真空氣動；控制系統(tǒng)

飛機制造是一項復(fù)雜的生產(chǎn)過程，飛機裝配工作量約占整個飛機制造勞動量的40%～50%，且最終產(chǎn)品質(zhì)量在很大程度上取決于裝配的質(zhì)量[1-2]。工裝是完成飛機裝配的重要工藝裝備，是裝配質(zhì)量的重要保障，工裝經(jīng)歷了從傳統(tǒng)剛性工裝到模塊工裝，最后到柔性工裝的發(fā)展歷程[3]。柔性工裝技術(shù)是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的可重組的模塊化、自動化裝配工裝技術(shù)，其目的是免除設(shè)計和制造中各種零部件裝配的專用固定型架、夾具，可降低工裝制造成本、縮短工裝準備周期、減少生產(chǎn)用地，同時大幅度提高裝配生產(chǎn)率[4]。柔性工裝一般具有柔性化、數(shù)字化、集成化和自動化的特點[5]，是當代飛機裝配技術(shù)發(fā)展的一個新領(lǐng)域。目前國外飛機裝配中應(yīng)用的柔性工裝，按其結(jié)構(gòu)特征劃分，一共存在 4 類典型柔性工裝：多點陣真空吸盤式柔性裝配工裝、行列式柔性裝配工裝、分散式部件裝配柔性工裝及各種形式大部件自動對接平臺[6-7]。在美國F22的裝配中，柔性裝配生產(chǎn)線已較成熟，通過采用一種U型裝配生產(chǎn)線，使裝配周期由16個月縮短為12個月[8]，大大提高了企業(yè)效益。

與國外先進柔性工裝技術(shù)水平相比，我國在飛機裝配中采用的工裝結(jié)構(gòu)仍主要以傳統(tǒng)的剛性、專用形式為主，總體上自動化效率還不高，生產(chǎn)前期準備工作時間較長，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。近年來，許多大型生產(chǎn)制造企業(yè)、研究所及科研院校在柔性工裝上做了大量研究，如清華大學的柔性工裝研發(fā)項目，已經(jīng)申請國家專利[9]，哈爾濱工業(yè)大學、吉林大學也做了關(guān)于柔性支撐單元的研究工作[10-11]，浙江大學、南京航空航天大學等采用企業(yè)院校相結(jié)合的模式進行相關(guān)研發(fā)工作[12]。當前由于柔性工裝的研制和應(yīng)用缺乏規(guī)范和指導(dǎo)，能夠成功應(yīng)用的柔性工裝數(shù)量較少，因此在航空企業(yè)的生產(chǎn)過程中還沒有得到很好的普及。

本文立足于數(shù)字化柔性裝配理念，通過對飛機壁板傳統(tǒng)工裝與柔性工裝技術(shù)的研究、對比，完成了該飛機壁板真空吸盤式柔性裝配工裝系統(tǒng)的設(shè)計，該柔性工裝系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)工裝在飛機壁板裝配中“一對一”突出存在的問題，大大提高了飛機裝配質(zhì)量、效率，節(jié)約了生產(chǎn)時間和成本，并且該工裝已經(jīng)在某航空企業(yè)實際生產(chǎn)線中得到應(yīng)用。

1 柔性工裝平臺構(gòu)成、原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 柔性工裝平臺構(gòu)成與原理

一套完整的柔性工裝平臺包括機械系統(tǒng)、真空氣動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。其中機械系統(tǒng)主要完成被加工工件的支撐定位作用；真空氣動系統(tǒng)用來提供足夠大的真空吸附力，將工件牢牢夾緊；控制系統(tǒng)控制各支柱的運動情況，生成與工件表面相吻合的吸附點陣，實現(xiàn)夾具形態(tài)的重構(gòu)。

吸盤式柔性工裝由多點陣真空吸盤組成，工作時上位機發(fā)送運動指令給控制系統(tǒng)，驅(qū)使柔性工裝平臺運動支柱直線移動，生成與飛機壁板曲面完全吻合且分布均勻的吸附點陣，此時在通過控制真空氣動系統(tǒng)，使之產(chǎn)生足夠大小的真空吸附力，從而精確可靠地定位和夾持飛機壁板。當飛機壁板外形發(fā)生變化時，吸附點陣布局自動進行調(diào)整，可以滿足不同飛機壁板裝配需求，實現(xiàn)了柔性工裝的柔性。

1.2 柔性工裝平臺關(guān)鍵技術(shù)

柔性工裝系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)主要有：

(1)自適應(yīng)定位夾持機構(gòu)設(shè)計。飛機薄壁件多為外形復(fù)雜并且具有不同曲率的自由曲面零件，當工件放置在真空吸盤上時，真空吸盤如何隨不同壁板外形進行自動旋轉(zhuǎn)，使其中心法矢量與薄壁件定位點的法矢量重合。

(2)柔性工裝吸附點陣運動控制設(shè)計。柔性工裝由吸附點陣運動構(gòu)成，控制這些運動支柱需要大量電機，如何保證多軸協(xié)調(diào)運動和定位精度，以及控制支柱運動使之生成與壁板曲面完全吻合且分布均勻的吸附點陣。

2 機械系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，為該真空吸盤式柔性工裝平臺總體機械結(jié)構(gòu)圖。該柔性工裝平臺機械結(jié)構(gòu)主要由：定位夾持系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)三個部分組成。定位夾持系統(tǒng)主要作用是使飛機壁板在空間中的位置固定，以進行后續(xù)加工或者裝配；傳動系統(tǒng)主要作用是為了使支柱能夠上下運動，能夠?qū)⑽P送到應(yīng)有的高度；支撐系統(tǒng)主要作用就是支撐、固定傳動系統(tǒng)，使得每套傳動系統(tǒng)都有自己的固定位置，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、牢靠。

圖1 柔性工裝平臺機械結(jié)構(gòu)圖

其中定位夾持系統(tǒng)由頂端帶有球面凹槽的中空支撐體、吸盤、定位件、不完整球體等組成。不完整球體與頂端帶有球面凹槽的中空支撐體構(gòu)成球副連接結(jié)構(gòu)，進而可以自由相對運動，實現(xiàn)不完整球體±26°的轉(zhuǎn)動，吸盤可以隨著球體的轉(zhuǎn)動而到達合適位置，使其中心法矢量與飛機壁板件定位點的法矢量重合，解決了自適應(yīng)定位夾持機構(gòu)設(shè)計的問題，使該工裝可以滿足不同曲率、不同形狀的飛機壁板裝配需求；傳動系統(tǒng)主要由支柱、固定塊、滾珠絲桿、支筒、聯(lián)軸器、伺服電機等組成。伺服電機產(chǎn)生的動力通過聯(lián)軸器傳送給滾珠絲杠，并帶動支柱上下運動，將吸盤送到需要的高度；為保證支柱組件只發(fā)生直線運動，支柱兩側(cè)設(shè)有滑道，確保支柱只進行上下直線運動；支撐系統(tǒng)主要由上板蓋，下板蓋，鋼條組成，起到了支撐固定作用。

當飛機壁板形狀較大，一個柔性工裝平臺不能滿足裝配需求時，可以通過輔助連接件將多個工裝平臺連接在一起，構(gòu)成一個大的工裝平臺，從而滿足裝配需求。如圖2所示。

圖2 柔性工裝平臺三維模型圖

由上可見，該工裝平臺在設(shè)計時采用了模塊化設(shè)計，主要體現(xiàn)在兩個方面。每一個獨立的運動傳動單元是一個模塊，九個吸盤頭獨立工作，當某一吸盤頭出現(xiàn)故障時易于檢測、維修；另外每一個完整的工裝平臺也是一個模塊，可以提供更強的柔性，完成更大型壁板的加工裝配任務(wù)。

3 真空氣動系統(tǒng)設(shè)計

3.1 真空吸盤工作原理

在傳統(tǒng)飛機壁板裝配中，由于采用剛性工裝，很容易導(dǎo)致壁板變形，嚴重影響飛機氣動性能。在該柔性工裝中，采用真空氣動的方式來產(chǎn)生真空力，即吸附力，來提供夾持壁板所需要的夾緊力，氣動吸附夾緊的方式實現(xiàn)了工件的小應(yīng)力裝夾[13]，大大減小了由于接觸所導(dǎo)致的變形。其工作原理：真空吸盤是一種密封唇邊[14]，在與被吸工件接觸后，吸盤與被吸工件會形成一個臨時的密封空間，通過抽走此密封空間里稀薄的空氣，產(chǎn)生內(nèi)外壓力差，從而將壁板緊緊吸附在真空吸盤上。由于該柔性工裝平臺采用的是橡膠材質(zhì)的真空吸盤，在吸附或者放開壁板時均不會對壁板表面造成嚴重變形或者損失，提高了飛機裝配質(zhì)量。

3.2 真空氣動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝置

真空氣動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝置如圖3所示。

圖3 真空氣動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝置圖

在實際裝配工作中，當生成與飛機壁板曲面完全吻合且分布均勻的吸附點陣后，接通外接氣源，打開壓力開關(guān)，首先對壓力開關(guān)進行調(diào)零操作，并且設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。此時在PLC控制系統(tǒng)中打開電磁閥的開關(guān)，真空發(fā)生器會吸走真空吸盤內(nèi)的空氣，使真空吸盤吸附飛機壁板。當工作完成后，斷開電磁閥，真空吸盤釋放飛機壁板。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)硬件組成

該控制系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器(PLC)來實現(xiàn)工裝平臺的運動控制和邏輯控制，最終實現(xiàn)夾具形態(tài)的重構(gòu)。整個柔性裝配平臺控制系統(tǒng)包含了伺服控制系統(tǒng)、PLC邏輯控制系統(tǒng)和上位機控制監(jiān)控系統(tǒng)。硬件控制系統(tǒng)由控制柜、控制平臺操作按鈕、5個臺達DVP28SV11T型PLC、18個臺達ASDA-AB型伺服驅(qū)動器和臺達伺服電機、以及用于行程限位的光電接近開關(guān)等組成。整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 控制系統(tǒng)工作流程

在飛機壁板裝配過程中，首先將壁板的三維模型導(dǎo)入到CATIA中，與已經(jīng)在CATIA環(huán)境中建好的柔性工裝三維數(shù)字樣機進行預(yù)裝配，提取裝配關(guān)鍵點，并建立一個裝配關(guān)鍵點數(shù)模。通過上位機中的軟件計算分析，最終得到柔性工裝的調(diào)行數(shù)據(jù)及控制代碼，并發(fā)送給下位機(PLC)控制模塊。下位機控制機械系統(tǒng)運動到指定位置，生成與飛機壁板曲面完全吻合且分布均勻的吸附點陣，實現(xiàn)柔性工裝對壁板的定位、夾緊安裝?？刂葡到y(tǒng)具體工作流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)工作流程圖

4.3 PLC控制方案設(shè)計

在裝配過程中，考慮到柔性工裝平臺的現(xiàn)場工作環(huán)境，以及對控制精度可靠性的嚴格要求，該柔性工裝平臺采用可靠性高?？垢蓴_能力強的PLC控制。該柔性工裝控制系統(tǒng)由3×3吸附點陣組成，相應(yīng)地需要9臺伺服電機，為了進行每一根軸的單獨運動以及多軸之間的聯(lián)合運動，上位機需要實現(xiàn)對每個電機的控制與監(jiān)控，故需搭建RS485控制網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)RS485通訊網(wǎng)絡(luò)圖

4.4 可視化控制軟件開發(fā)

可視化監(jiān)控模塊是在Visual C++6.0平臺上進行開發(fā)的，它主要完成和下位機的通訊和可視化前臺界面模塊[15]。通過發(fā)送指令到下位機，直接控制伺服電機的運動，同時還能讀取下位機的實時狀態(tài)，實現(xiàn)對下位機的監(jiān)控。三維可視化操作界面，包括運動控制軸列表區(qū)、實時動態(tài)的三維模型同步顯示區(qū)、控制代碼顯示區(qū)等?？梢暬幊瘫苊飧邚?fù)雜的控制過程所帶來的一些錯誤，開發(fā)出來的軟件界面直觀簡單，操作簡便。

5 柔性工裝精度與抗沖擊穩(wěn)定性測量

在搭建好柔性工裝硬件平臺后，需要對其運行精度與抗沖擊穩(wěn)定性進行測量。在測量時采用Metronor光筆坐標測量儀，邁卓諾光筆主要有DUO和SOLO兩種型號，其中DUO是雙相機測量系統(tǒng)，具有精確的3D測量精度，主要應(yīng)用于高精度零件測量；SOLO是單相機測量系統(tǒng)，主要應(yīng)用于一般精度零件的檢測。在此次測量中采用DUO雙相機測量系統(tǒng)，首先對工裝運行精度測量，測量時將每個運動支柱沿Z方向移動50mm的規(guī)定位移，Z向的有效行程為300mm，測量其實際位置與規(guī)定位置之間的偏差，得到定位精度結(jié)果；再利用光筆坐標測量儀對各支柱運動重復(fù)測量，次數(shù)為5，取坐標差值最大的記為柔性工裝重復(fù)定位精度，測量結(jié)果如表1所示。

表1 工裝運行精度結(jié)果表

抗沖擊能力指的是工裝自身能夠承受外部沖擊載荷的能力，也是工裝本身的固有特性。抗沖擊穩(wěn)定性差，會嚴重影響薄壁件的加工精度。薄壁件在承受鉆鉚力和切削力時要發(fā)生輕微的位移量的變化(定位工件沿法矢量方向彈性變形量)。定義以此位移量的大小來判斷工裝抗沖擊穩(wěn)定性的強弱，通過對不同厚度的平板、曲面板進行鉆削和切削試驗，得出了該柔性工裝抗沖擊穩(wěn)定性指標：ε≤0.1 mm。圖7所示為2 mm平板在切削時的穩(wěn)定性測量結(jié)果,圖8所示為2 mm平板在鉆削時的穩(wěn)定性測量結(jié)果，從測量結(jié)果可以得出工裝滿足抗沖擊穩(wěn)定性指標。

圖7 2 mm平板切削穩(wěn)定性測量結(jié)果圖

圖8 2 mm平板鉆削穩(wěn)定性測量結(jié)果圖

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了一套應(yīng)用于飛機壁板等壁板類組件的真空吸盤式柔性工裝系統(tǒng)，由機械系統(tǒng)、真空氣動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成，實現(xiàn)了夾具形態(tài)的快速重構(gòu)以及對零件的定位、夾緊功能，解決了傳統(tǒng)工裝中“一對一”的難題。

(2)機械系統(tǒng)完成了自適應(yīng)定位夾持機構(gòu)設(shè)計，能夠根據(jù)零件曲面法矢量的變化而自動適應(yīng)、定心；控制系統(tǒng)采用PLC與可視化軟件相結(jié)合的控制方案，實現(xiàn)了對多臺伺服電機的控制；真空氣動系統(tǒng)可以為夾緊零件提供充足的夾緊力。

(3)利用Metronor光筆坐標測量儀對柔性工裝系統(tǒng)Z方向運行精度和抗沖擊穩(wěn)定性指標進行了測量，結(jié)果表明Z向定位精度為0.061 mm，重復(fù)定位精度為0.029 mm，抗沖擊穩(wěn)定性指標：ε(定位工件沿法矢量方向彈性變形量)≤0.1 mm。

(4)柔性工裝的應(yīng)用可以大大減少專用工裝的使用，減低了生產(chǎn)成本，加快了飛機研制周期，更提高了飛機裝配完成質(zhì)量，增強了企業(yè)的競爭力，實現(xiàn)了飛機壁板裝配中“一對多”的裝配模式，為推動柔性工裝今后在我國航空企業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。

[1]范玉清.現(xiàn)代飛機制造技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001:3-10.

[2]劉洪.飛機工裝設(shè)計制造技術(shù)探討[J].航空制造技術(shù),2006(12):69-71.

[3]孫依禺.薄壁件柔性夾持工裝的仿真技術(shù)研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學,2013:4-8.

[4]李西寧,胡匡植,李維亮,等.飛機數(shù)字化柔性裝配工裝技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2013(12):40-43.

[5]郭洪杰.大型飛機柔性裝配技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2010(18):52-54.

[6]王 亮,李東升.飛機數(shù)字化裝配柔性工裝技術(shù)體系研究[J].航空制造技術(shù),2012(7):34-39.

[7]王 亮,李東升,劉鳳貴，等.飛機壁板類組件數(shù)字化裝配柔性工裝技術(shù)及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2010(10):58-61.

[8]郭洪杰.飛機數(shù)字化柔性裝配生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2011(17):40-43.

[9]陸俊百.飛行器大型薄壁件柔性工藝裝備系統(tǒng)研究[D].北京:清華大學,2010:7-10.

[10]甄瑞.飛機壁板加工柔性夾具控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2009:9-15.

[11]朱珊.柔性支撐板柱結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].長春:吉林大學,2007:29-36.

[12]朱明華.飛機部件多點柔性支撐系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].南京:南京航空航天大學,2011:10-13.

[13]黎月明，郭擁軍.航天器典型薄壁件精密加工技術(shù)研究[J].航天制造技術(shù),2011(2):29-33.

[14]蘇東東.基于CAN總線模式某前機身裝配平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].沈陽:沈陽航空航天大學,2014:40-44.

[15]楊建成.面向飛機柔性裝配平臺的多軸復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計[D].沈陽:沈陽航空航天大學,2012:22-25.

(責任編輯：趙金蘭 英文審校：宋曉英)

Designinflexibleassemblytoolingsystemofvacuumchunkforaircraftpanel

QU Li-gang1，CHEN Guo-tao1，SU Chang-qing1，JI Wei1，ZHU Ping2

(1.Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Aeronautical Digital Manufacturing Process,Shenyang Areospace University,Shenyang 110136,China; 2.Quality Technical Room,Fuxin Hengtian Mine Safety Appliance Detecting Co.,Ltd,Fuxin 123000,China)

Currently,domestic and foreign aviation enterprises have paid more attention on flexible assembly tooling technology for aircraft panel.Under the traditional assembly model of aircraft panel,a special fixture design and manufacture is required for the assembly of each fuselage panel part,which results in redundant types and poor adaptability of fixtures,increased costs and difficult management,etc.For the above-mentioned problems in the conventional assembly,a flexible assembly tooling system of vacuum chunk for aircraft panel has been presented,which can automatically adjust the location and clamping position according to the change of shape and layout of aircraft panel to various shapes of aircraft panel.Diverse aspects of the tooling system,such as mechanical structure,vacuum pneumatic,control system,are introduced.Wide applications of flexible assembly tooling system will greatly improve the quality of aircraft assembly,reduce aircraft production costs,and shorten the aircraft development cycle,which has a significant impact on the popularity of flexible assembly tooling with the production of aviation enterprises.

flexible tooling;mechanical structure;vacuum pneumatic;control system

2014-09-01

遼寧省教育廳實驗室項目(項目編號：2008S172)；沈陽市青年人才項目(項目編號：1081242-1-00)

屈力剛(1971-)，男，遼寧阜新人，博士，教授，主要研究方向：數(shù)字化設(shè)計與裝配，E-mail：quligang@126.com。

2095-1248(2014)06-0036-06

TH165

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.06.007