陳勇哲

摘要：用于滿足飛機產(chǎn)品最終裝配準確度要求的裝配工裝，隨著先進自動化連接設(shè)備和連接技術(shù)的發(fā)展，逐步由剛性工裝演變成具有數(shù)字化、模塊化、可重構(gòu)、可重復利用優(yōu)點的柔性工裝。在線測量系統(tǒng)提供裝配過程的實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工裝的數(shù)字化定位，對實現(xiàn)裝配全數(shù)字量傳遞、工裝調(diào)形全“閉環(huán)”控制提供了基礎(chǔ)保障。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；柔性工裝；數(shù)字化測量

飛機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，零部件數(shù)量多，裝配過程中極易發(fā)生變形，為保證裝配準確度，采用了大量的裝配工裝。早期飛機裝配應(yīng)用的工裝是剛性構(gòu)架，專用性強，穩(wěn)定性好，但設(shè)計制造周期長、占地面積大，而且結(jié)構(gòu)開敞性差，不利于先進自動化連接設(shè)備和連接技術(shù)的應(yīng)用。為了克服剛性工裝的上述缺點，在現(xiàn)代先進飛機的裝配過程中開始應(yīng)用各種數(shù)字化柔性工裝，使得裝配工裝的設(shè)計制造等準備周期顯著縮短，減少了工裝數(shù)量以及工裝設(shè)計制造成本，同時提高了工裝快速響應(yīng)產(chǎn)品變化的能力。此外，數(shù)字化測量設(shè)備實時采集測量對象的形位信息，測量分析軟件對測量信息快速分析處理，然后將實測數(shù)據(jù)傳遞給編程及仿真管理系統(tǒng)進行分析、優(yōu)化。柔性工裝的數(shù)字化驅(qū)動模式提高了工裝的定位準確度。

1 數(shù)字化柔性裝配工裝

1.1 數(shù)字化柔性工裝工作原理

數(shù)字化柔性裝配工裝是用于飛機裝配，具有柔性可重構(gòu)能力，具備“一架多用”功能的工藝裝備，通過調(diào)整或重構(gòu)可用于多種飛機零組件的定位裝配。其由復雜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成的綜合工裝系統(tǒng)。

柔性工裝一般具有柔性化、數(shù)字化、模塊化和自動化特點。柔性化表現(xiàn)為工裝具有快速重構(gòu)調(diào)整的能力，工裝設(shè)計、制造、安裝到應(yīng)用均采用數(shù)字量傳遞方式，且工裝硬件主要由具有模塊化結(jié)構(gòu)特點的單元組成，模塊化結(jié)構(gòu)單元的重構(gòu)實現(xiàn)了工裝的柔性，各模塊化單元可根據(jù)裝配需求自動完成裝配動作。

柔性工裝系統(tǒng)工作過程：首先，在應(yīng)用集成管理系統(tǒng)中進行裝配工藝規(guī)劃，同時進行裝配工藝仿真，將生成的工裝理論驅(qū)動數(shù)據(jù)解析為數(shù)控系統(tǒng)動作指令并傳遞至工裝的數(shù)控系統(tǒng)；然后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)動作指令計算各定位器軸的調(diào)形軌跡，驅(qū)動定位器調(diào)形；定位器調(diào)形到位后，在線檢測系統(tǒng)實時測量定位器位置，并將測量數(shù)據(jù)傳遞至離線編程與仿真管理系統(tǒng)；最后，離線編程與仿真管理系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行比較，檢查其是否滿足裝配要求，若測量數(shù)據(jù)無法滿足裝配需求，系統(tǒng)將自動生成優(yōu)化數(shù)據(jù)并由數(shù)控系統(tǒng)進一步調(diào)形，直到定位器位置精度滿足裝配要求。

1.2 飛機裝配應(yīng)用的典型柔性裝配工裝

飛機裝配一般分為組合件裝配、段件和部件裝配、大部件對接裝配，不同的裝配對象有不同的定位與裝配特點。

組合件裝配，結(jié)構(gòu)剛性較弱，裝配零件數(shù)量多，主要采用裝配工裝定位各個零件，控制其形狀。常見的組合件是壁板組件，典型柔性工裝有：數(shù)控柔性工裝和多點陣真空吸盤式柔性工裝及行列式柔性工裝。數(shù)控柔性工裝用于機身剛性較弱的壁板組件，多點陣真空吸盤式柔性工裝用于機身剛性較強的壁板組件，行列式柔性工裝結(jié)構(gòu)開敞性好，與自動鉆鉚機配合用于機翼壁板組件。

部件裝配柔性工裝主要針對大型部件的總裝配，分為整體式和分體式。整體式的柔性裝配平臺用于機身部件，其以工裝框架作為可調(diào)整定位器的支撐平臺，通過框架橫梁上定位器的運動來調(diào)整定位點，實現(xiàn)部件結(jié)構(gòu)中各個關(guān)鍵件的定位。當飛機產(chǎn)品型號變化時，通過調(diào)整或更換定位器來實現(xiàn)不同產(chǎn)品的裝配，從而實現(xiàn)工裝的柔性功能，使其滿足“一架多用”的需要。分體式柔性裝配工裝適用于翼面類部件結(jié)構(gòu)，其由一個固定內(nèi)框、前后兩個可沿導軌移動的外框和驅(qū)動電機組成，外框上布置飛機骨架及蒙皮定位器，內(nèi)框上布置梁及交點接頭定位器，裝配中外框沿軌道向外滑動，內(nèi)、外框上零件裝配定位后，外框與內(nèi)框?qū)?，實現(xiàn)翼身對接部件的裝配。

部件對接柔性工裝是大部件自動化對接平臺，其集成了自動化工裝、測量系統(tǒng)及計算軟件的綜合系統(tǒng)，對接平臺為分散式裝有定位器的立柱結(jié)構(gòu)。對接過程中，用仿真優(yōu)化軟件和數(shù)字化測量設(shè)備提供的優(yōu)化數(shù)據(jù)驅(qū)動工裝運動，然后在控制系統(tǒng)控制下工裝自動完成定位和調(diào)整。對接時工裝上的傳感器實時監(jiān)測裝配應(yīng)力變化情況，保證了對接安全可靠。

2 飛機裝配數(shù)字化測量

為提高飛機裝配質(zhì)量，確保飛機裝配精度，利用先進的測量技術(shù)和方法進行裝配過程控制，使產(chǎn)品最終幾何特征達到設(shè)計要求。飛機幾何特征的多樣性、裝配流程的復雜性以及裝配協(xié)調(diào)與準確度的要求，使得飛機裝配測量具有多種需求，其類型主要分為兩大類，即空間點位測量及復雜曲面測量。

2.1 通用測量設(shè)備及應(yīng)用

隨著飛機數(shù)字化柔性裝配的發(fā)展，數(shù)字化測量系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用于飛機裝配中。常用的數(shù)字化測量設(shè)備主要有關(guān)節(jié)臂測量機、經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)、全站儀測量系統(tǒng)、攝影測量系統(tǒng)、激光掃描測量系統(tǒng)、激光跟蹤儀測量系統(tǒng)和室內(nèi)空間測量系統(tǒng)等。

激光掃描測量系統(tǒng)、激光跟蹤儀測量系統(tǒng)和室內(nèi)空間測量系統(tǒng)相對精度高，測量范圍大，可用于工裝安裝、部件裝配定位、對接裝配及裝配質(zhì)量檢測等裝配生產(chǎn)環(huán)節(jié)；關(guān)節(jié)臂測量機和攝影測量系統(tǒng)具有體積小、便于攜帶的優(yōu)點，可用于特定裝配要求的測量或輔助其他測量設(shè)備協(xié)同測量。

2.2 測量系統(tǒng)建立

現(xiàn)代飛機的氣動性和隱身性對裝配質(zhì)量提出了更高的要求，從而對數(shù)字化檢測也提出更高挑戰(zhàn)。在裝配與檢測過程中除了對大部件的氣動外形進行檢測外，也要對一個大部件的某些小尺寸特征進行精確測量，如配合面間隙、接頭交點孔位置等，所以檢測設(shè)備既要測量范圍大、精度高，又要操作快速簡單方便。受限于測量原理，單個測量手段存在一定的局限性，基于組合機制的測量系統(tǒng)實現(xiàn)了多種方式的信息互補，優(yōu)化配置，使測量結(jié)果達到最優(yōu)。

建立一個具有多臺不同測量設(shè)備的大尺寸空間組合集成測量系統(tǒng)，實現(xiàn)大空間、多特征測量。構(gòu)建的全局精密測量控制網(wǎng)，通過高精度全局控制點，為集成系統(tǒng)提供可靠的測量基準，利用“轉(zhuǎn)站”測量實現(xiàn)各集成設(shè)備之間坐標系的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)換，以提高整體空間測量精度。在裝配測量現(xiàn)場采用激光跟蹤儀和iGPS設(shè)備對布設(shè)的空間全局控制點進行三維坐標精確測量和定位，并建立大空間精密三維測量坐標系。

3 國內(nèi)、外現(xiàn)狀

在數(shù)字化技術(shù)的支持下，國外在飛機產(chǎn)品的各個裝配階段中，均已經(jīng)研發(fā)應(yīng)用了相應(yīng)的柔性工裝，并取得了良好的效益。國內(nèi)飛機裝配中應(yīng)用的工裝，其結(jié)構(gòu)仍主要以傳統(tǒng)的剛性、專用形式為主。近年來國內(nèi)也研制了一批數(shù)字化柔性工裝，但從整體上看，研究和應(yīng)用方面仍處于起步階段。

4 結(jié)束語

航空事業(yè)的發(fā)展，特別是民用運輸?shù)陌l(fā)展需求，使得目前數(shù)字化裝配技術(shù)正在朝著原型機快速研制和穩(wěn)定化大批量快速生產(chǎn)兩個方向發(fā)展，以滿足新型飛機的快速研制和快速大批量生產(chǎn)的需求。飛機裝配的發(fā)展需求與變化，使柔性裝配工裝向著移動式、低成本及基于動態(tài)監(jiān)控的可靠性等方向發(fā)展。裝配測量技術(shù)已成為飛機裝配技術(shù)的重要組成部分，應(yīng)用數(shù)字化測量使裝配能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制?；跀?shù)字化測量技術(shù)的柔性裝配工裝是現(xiàn)代大飛機裝配生產(chǎn)的支撐與保障。

參考文獻

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