某型飛機(jī)垂尾壁板類柔性工裝設(shè)計(jì)

（沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部, 沈陽 110136）

柔性工裝作為飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)的重要組成部分，免除設(shè)計(jì)和制造各種飛機(jī)零組（部）件裝配的專用剛性工裝，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動化、智能化裝配，降低制造成本，縮短準(zhǔn)備周期、提高裝配生產(chǎn)率[1]。國外航空制造企業(yè)在飛機(jī)裝配的各個階段均應(yīng)用了柔性工裝，特別應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼及垂直尾翼等壁板裝配中，如真空吸盤式柔性裝配工裝、定位器快換類柔性裝配工裝、行列式結(jié)構(gòu)柔性裝配工裝等多種壁板類裝配柔性工裝[2]。針對現(xiàn)階段我國飛機(jī)壁板類裝配工裝仍然采用傳統(tǒng)的固定式裝配工裝，以及新型飛機(jī)垂尾壁板采用復(fù)合材料壁板裝配出現(xiàn)的問題，提出了一種新的多型垂尾壁板裝配柔性工裝的設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù)。通過對現(xiàn)階段多型垂尾壁板柔性工裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和需求分析，解決目前垂尾壁板類剛性工裝裝配時產(chǎn)生的問題，提高了垂尾總裝的裝配效率。

1 柔性工裝的需求分析與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在飛機(jī)裝配（零件、組件與部件）過程中，剛性專用工裝占地空間面積較大、重復(fù)利用率低、自動化水平局限、人工調(diào)整與裝夾過程復(fù)雜、制造費(fèi)用較高且費(fèi)時，嚴(yán)重制約了飛機(jī)裝配效率，柔性工裝技術(shù)的快速發(fā)展使得這一問題得到了解決。

1.1 垂尾壁板類柔性工裝需求分析

傳統(tǒng)的垂尾壁板類剛性工裝由于型號與垂尾左右壁板結(jié)構(gòu)的定位形式不同，需要采用垂尾左右各一套工裝分別進(jìn)行定位裝配。為滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要，殲擊機(jī)要求具有很強(qiáng)的機(jī)動性能，并且機(jī)身加長，航程增大，起飛重量也隨之增加，這就需要用大面積垂尾才能保證其航向的穩(wěn)定性，一般采用雙垂尾設(shè)計(jì)[3]。雙垂尾結(jié)構(gòu)形式相似且垂尾左右基本對稱，單個垂尾總裝裝配舵面左右復(fù)合材料壁板完全對稱。在數(shù)字化條件下，先進(jìn)機(jī)型的研制與試制階段，雙垂尾布局使得垂尾壁板裝配工裝研制準(zhǔn)備周期較長，相應(yīng)垂尾骨架類剛性工裝制造繁瑣，以至于不能滿足現(xiàn)代小批量飛機(jī)總裝裝配需求[4-7]。為滿足飛機(jī)快速生產(chǎn)的要求，飛機(jī)垂尾壁板類柔性工裝需要從以下幾方面改進(jìn)：

（1）能夠滿足相同類型的飛機(jī)不同垂尾型號復(fù)合材料壁板裝配；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)不同型號垂尾壁板裝配定位與夾緊的方式模塊化、柔性化；

（3）對各個定位方式及照明系統(tǒng)采用自動化、柔性化裝置；

（4）對復(fù)合材料壁板裝配過程中產(chǎn)生灰塵實(shí)現(xiàn)自動清洗。

1.2 垂尾壁板類柔性工裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)垂尾壁板類剛性工裝往往適應(yīng)特定機(jī)型，其結(jié)構(gòu)形式受垂尾外形的限制，定位與夾緊器的位置完全固定，雖然能夠完成垂尾壁板的準(zhǔn)確安裝，但是工裝的利用率低，占地面積大，工人的勞動強(qiáng)度較大。某型號飛機(jī)左右升降舵裝配剛性工裝如圖1所示。

圖1 某型號飛機(jī)左右升降舵裝配剛性工裝Fig.1 Around elevator rigid tooling of an aircraft

為滿足飛機(jī)隱身與穩(wěn)定性，垂尾壁板大量采用復(fù)合材料裝配。復(fù)合材料壁板制孔時需要自動照明系統(tǒng)以及制孔產(chǎn)生的灰塵需及時清理，而傳統(tǒng)的剛性工裝沒有安裝相應(yīng)的處理裝置，對垂尾總裝和工裝的使用環(huán)境有很大影響。根據(jù)現(xiàn)場垂尾壁板裝配需求，柔性工裝采用立框式結(jié)構(gòu)形式，由可拆卸剛性框架靜態(tài)系統(tǒng)和模塊化定位與夾緊動態(tài)系統(tǒng)兩部分組成[8]。另外裝有照明系統(tǒng)、吸塵裝置，以及自動升降裝置等輔助裝置。具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）可拆卸剛性框架是垂尾雙側(cè)壁板裝配柔性工裝的骨架部分，由標(biāo)準(zhǔn)零件和型材組合而成。

（2）動態(tài)模塊安裝依據(jù)垂尾骨架及壁板裝配工藝性不同而設(shè)計(jì)，利用液壓和電機(jī)驅(qū)動模塊在激光跟蹤儀在線測量下自動控制和調(diào)整其定位與夾緊件的位置。柔性工裝硬件系統(tǒng)安裝有計(jì)算機(jī)操作平臺，可對柔性工裝的移動定位器實(shí)時操作與控制，保證定位精度。部分動態(tài)模塊移動到正確位置，在動態(tài)模塊上安裝標(biāo)準(zhǔn)定位件與夾緊器方便垂尾零組件的準(zhǔn)確裝配。

（3）輔助裝置安裝自動照明燈、吸塵裝置等。當(dāng)有操作人員時開始照明，無操作時照明自動關(guān)閉。固定在型架四周的吸塵裝置與人工制孔同步及時清理復(fù)合材料制孔后產(chǎn)生灰塵。前后配有升降梯便于人工制孔和鉚接，同時對以后結(jié)合機(jī)器人柔性制孔研究提供空間。立框式垂尾壁板柔性裝配工裝結(jié)構(gòu)組成形式如圖2所示。

圖2 立框式垂尾壁板柔性裝配工裝結(jié)構(gòu)組成形式Fig.2 Flexible fixture structure frame of vertical tail panel

2 垂尾壁板類裝配柔性工裝設(shè)計(jì)流程

垂尾壁板類裝配柔性工裝設(shè)計(jì)過程主要包括以下幾個方面，工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 垂尾壁板類柔性工裝設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Flexible fixture design flow chart of vertical tail panel

垂尾壁板裝配柔性工裝初步設(shè)計(jì)如下：

（1）對垂尾裝配的整體骨架及壁板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，了解其共性。某機(jī)型垂尾結(jié)構(gòu)與主要定位器如圖4所示。

相似機(jī)型不同的垂尾結(jié)構(gòu)在定位與夾緊方式上基本相同，定位結(jié)構(gòu)基本相似，大多數(shù)基本以垂尾大梁與機(jī)身對接插孔為骨架裝配定位方式[9]。其余定位件主要有第2主梁支撐面，垂尾前緣等，復(fù)合材料壁板定位主要有壁板制造工藝K孔與卡板組合定位。因此，確定垂尾壁板類裝配柔性工裝整體定位與夾緊布局。

（2）垂尾壁板裝配柔性工裝的實(shí)現(xiàn)主要由模塊化動態(tài)定位與夾緊器組成，定位與夾緊的方式按照自動化程度及垂尾壁板安裝的工藝流程進(jìn)行設(shè)置。垂尾壁板安裝工藝流程主要有：

·在骨架裝配的剛性工裝上完成垂尾大梁、肋板和加強(qiáng)框等零件裝配；將完成的組合件放置在垂尾壁板裝配的柔性工裝上；初裝配垂尾復(fù)合材料壁板左側(cè)；

·完成左側(cè)壁板鉆孔取下壁板，將復(fù)合材料壁板右側(cè)裝配到，垂尾大梁組合件當(dāng)中完成制孔與鉚接；

·架下裝配方向舵操作組合件及航電系統(tǒng)；

·裝配已完成制孔的垂尾左側(cè)壁板，進(jìn)行鉚接；

·完成垂尾壁板裝配及尾燈裝置，連接方向舵完成垂尾總裝。

圖4 某機(jī)型垂尾結(jié)構(gòu)與定位器Fig.4 Vertical tail structure and locator of an aircraft

根據(jù)垂尾壁板裝配工藝流程，壁板裝配完成一側(cè)需要安裝航電設(shè)備再進(jìn)行裝配另一塊壁板，這就需要經(jīng)常將垂尾主要定位器位置重復(fù)定位與夾緊。為保證重復(fù)定位快速準(zhǔn)確性，減少勞動強(qiáng)度，主梁連接孔位主要定位與夾緊方式采用液壓驅(qū)動控制機(jī)構(gòu)。根據(jù)不同機(jī)型定位位置，驅(qū)動塊上下移動采用伺服電機(jī)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，用它來滿足不同主梁插孔的定位。垂尾與方向舵連接的主梁定位面定位裝置采用伺服電機(jī)與螺旋傳動集成機(jī)構(gòu)，帶有自動升降和左右滑動相互轉(zhuǎn)換的控制系統(tǒng)模塊化定位器。將不同的定位器與夾緊器安裝在快速移動的模塊上，如圖4所示。為適應(yīng)不同機(jī)型定位與夾緊需求，對不同的定位與夾緊器建立垂尾壁板裝配工裝定位與夾緊器庫，遇到不同的機(jī)型的垂尾，調(diào)節(jié)動態(tài)模塊的同時更換定位與夾緊器。垂尾前緣采用伺服電機(jī)驅(qū)動自動升降系統(tǒng)進(jìn)行面定位。不同機(jī)型定位面不需要改變升降系統(tǒng)只需更換定位器的轉(zhuǎn)換模塊。充分利用模塊化快速重組功能，滿足新機(jī)型的快速研制需求。

（3）垂尾壁板裝配柔性工裝詳細(xì)方案設(shè)計(jì)。

·對垂尾裝配大梁、肋等骨架結(jié)構(gòu)及壁板的主要定位與夾緊位置詳細(xì)分析并設(shè)計(jì)工裝定位器，使得同一套工裝可以適合不同機(jī)型相似結(jié)構(gòu)垂尾壁板裝配的多個柔性定位系統(tǒng)，各類定位元件都可拆卸。

·主要模塊化定位與夾緊器根據(jù)垂尾骨架與壁板定位夾緊的形狀確定。工裝左右側(cè)均采用模塊化自動定位模塊，在該運(yùn)動模塊上安裝適合某機(jī)型定位孔定位器，右側(cè)采用兩個自動調(diào)節(jié)定位模塊保證垂尾與后機(jī)身連接主要插孔的定位準(zhǔn)確性，左側(cè)采用一個自動定位結(jié)構(gòu)連接定位器保證垂尾頂尖飛行數(shù)據(jù)探測罩安裝準(zhǔn)確性。工裝上下均采用電機(jī)驅(qū)動控制柔性結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)上安裝不同機(jī)型的定位與夾緊器，定位與夾緊器所在的自動控制移動模塊可自動升降調(diào)整位置，適應(yīng)不同機(jī)型的垂尾骨架定位與壁板裝配需求。在安裝垂尾壁板時工裝定位卡板采用傳統(tǒng)卡板，以垂尾壁板提取基準(zhǔn)面當(dāng)作工裝卡板設(shè)計(jì)基準(zhǔn)完成定位卡板設(shè)計(jì)。其余夾緊器主要安裝卡板側(cè)面與工裝型架下方具有上下運(yùn)動動態(tài)結(jié)構(gòu)上，保證垂尾壁板安裝的穩(wěn)定性。

·垂尾壁板類裝配柔性工裝設(shè)計(jì)時，連接定位器的移動模塊與帶有夾緊器的運(yùn)動模塊，在工裝設(shè)計(jì)之初都要考慮激光跟蹤儀測量工具球孔的布置。無論在工裝制造裝配階段，還是在工裝裝配產(chǎn)品調(diào)整定位與夾緊器時都要考慮與激光跟蹤儀結(jié)合測量位置的布置。對工裝的每個定位與夾緊零件都要設(shè)計(jì)3個工具球孔，保證工裝制造調(diào)整準(zhǔn)確性，對工具球孔位置設(shè)置保證3-2-1定位法。設(shè)計(jì)完成工裝的整體結(jié)構(gòu)，需要布局工裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)孔，保證工裝基準(zhǔn)坐標(biāo)系的準(zhǔn)確。同時，柔性工裝具有快速實(shí)時控制移動模塊，在移動模塊上除了設(shè)計(jì)安裝位置傳感器，另外設(shè)計(jì)與激光跟蹤儀結(jié)合實(shí)時在線測量工具球孔，保證柔性工裝裝配產(chǎn)品時，實(shí)時在線測量。采用激光跟蹤儀測量技術(shù)來調(diào)節(jié)垂尾骨架主要定位器準(zhǔn)確位置，便于適應(yīng)不同機(jī)型垂尾結(jié)構(gòu)的定位準(zhǔn)確性。根據(jù)激光跟蹤儀反饋定位器的位置數(shù)據(jù)信息，通過人工操作柔性工裝的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)和補(bǔ)償定位與夾緊模塊與垂尾骨架之間精度誤差。因此，在垂尾壁板類柔性工裝設(shè)計(jì)時，測量工具球孔設(shè)計(jì)的合理性，會提高產(chǎn)品的快速準(zhǔn)確的裝配效率。

·輔助裝置設(shè)計(jì)，工裝照明采用自動感應(yīng)照明系統(tǒng)，由于傳統(tǒng)工裝未考慮復(fù)合材料制孔除塵裝置，采用外置吸塵器吸出制孔灰塵，這樣導(dǎo)致工裝的使用壽命降低，制造單位現(xiàn)場環(huán)境污染。在柔性工裝設(shè)計(jì)時，采用自動便攜式吸塵裝置，分布在工裝型架兩側(cè)，當(dāng)開始制孔時，吸塵裝置及時清理復(fù)合材料產(chǎn)生的粉塵。柔性工裝定位與夾緊移動模塊都采用控制系統(tǒng)自動控制，當(dāng)完成定位夾緊，人工制孔時，工裝兩側(cè)采用自動升降梯一套便于制孔。帶有螺旋傳動，液壓裝置的部位均采用密封裝置且時常更換及時添加潤滑油。

（4）仿真驗(yàn)證。

采用Ansys有限元分析軟件按照工裝的工作空間、結(jié)構(gòu)尺寸與復(fù)雜性對工裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度進(jìn)行校核。對工裝在零部件自重、定位件、夾緊件和安裝產(chǎn)品時，對整體型架與每個零部件受力分析驗(yàn)證應(yīng)力與變形。完成應(yīng)力與變形分析，利用DELMIA裝配工藝與人機(jī)仿真分析技術(shù)對柔性裝配工裝裝配產(chǎn)品及實(shí)際操作可行性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，檢查工裝設(shè)計(jì)的合理性與人員操作的舒適度并驗(yàn)證裝配工藝性[10-14]。根據(jù)Ansys結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度的變形分析，基于DELMIA裝配工藝性的驗(yàn)證優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定最終的設(shè)計(jì)布局方案。垂尾壁板類柔性工裝布局如圖5所示。

圖5 垂尾壁板類柔性工裝Fig.5 Flexible fixture of vertical tail panel

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 靜態(tài)框架的結(jié)構(gòu)分析

垂尾壁板類柔性工裝設(shè)計(jì)時，考慮工裝工作過程中零部件受力分析狀況。工裝在自裝配過程中分析型架在自身重量、定位與夾緊模塊、伺服電機(jī)、升降機(jī)構(gòu)與人員等載荷作用下的強(qiáng)度與剛度分析。壁板裝配過程中需要對承載定位與夾緊器的動態(tài)模塊強(qiáng)度與剛度進(jìn)行受力分析。垂尾壁板類柔性工裝采用型鋼結(jié)構(gòu)，考慮工裝本身重200kg，垂尾骨架與壁板重50kg，制孔人員60kg，7個伺服電機(jī)總重35kg，當(dāng)遇到其他工人同時作業(yè)，或者受到其他物體載荷，按整體所受重量1000kg分析，將載荷以均布的形式加載到框架上。通過一系列的計(jì)算驗(yàn)證和Ansys軟件仿真分析，彈性變形分析結(jié)果如表1所示。

表1 型號鋼彈性變形的分析結(jié)果

通過初步分析數(shù)據(jù)可知，型架兩端固定的最大變形在橫梁的中央。矩形冷彎空心型鋼在受載情況下變形最小，故選用該型號鋼作為工裝型架材料。Ansys對矩形空心型鋼分析最大應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 Ansys分析矩形空心型鋼云圖Fig.6 Ansys analysis cloud of rectangular hollow section

由分析可知最大應(yīng)力為1.78MPa，最小應(yīng)力 0.03MPa，工裝的剛度精度最高要求撓度小于0.1mm，實(shí)際設(shè)計(jì)工裝撓度值0.0332mm，工裝型架材料應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于235MPa，本工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合規(guī)定要求。

3.2 動態(tài)調(diào)整單元集成控制系統(tǒng)

該柔性工裝包括8個動態(tài)調(diào)整模塊，前后各4塊卡板，以及兩個輔助靜態(tài)定位塊，可以根據(jù)不同的機(jī)型在動態(tài)調(diào)整單元上更換定位與夾緊器滿足裝配工藝需求。其中，大梁插耳柔性動態(tài)模塊（如圖5）主要由電機(jī)與齒輪齒條結(jié)合驅(qū)動定位模塊Z正方向與XZ方向運(yùn)動，到達(dá)指定位置由液壓驅(qū)動連接定位器導(dǎo)桿沿X與Z負(fù)方向運(yùn)動使得定位模塊到達(dá)指定位置。主梁面柔性定位模塊由電機(jī)通過聯(lián)軸器鏈接齒輪齒條機(jī)構(gòu)，使得定位導(dǎo)桿上下運(yùn)動到達(dá)指定位置，更換不同機(jī)型的定位器。動態(tài)系統(tǒng)的調(diào)整過程如圖7所示。

柔性工裝動態(tài)定位與夾緊器在調(diào)整過程中，確定垂尾的機(jī)型型號，將數(shù)字化三維模型導(dǎo)入仿真軟件與測量軟件當(dāng)中分析柔性工裝裝配產(chǎn)品工藝參數(shù)。使用兩種方法建立飛機(jī)坐標(biāo)系，一種是根據(jù)工裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)孔理論值與實(shí)測值最佳擬合法建立飛機(jī)坐標(biāo)系，一種是利用CAD對齊法在飛機(jī)垂尾數(shù)模上選擇激光跟蹤儀一個站位能看到的六個點(diǎn)，在垂尾上實(shí)測選擇的理論點(diǎn)擬合建立飛機(jī)坐標(biāo)系。首先利用最佳擬合法建立飛機(jī)坐標(biāo)系，根據(jù)垂尾數(shù)模定位參數(shù)，由仿真控制程序驅(qū)動伺服電機(jī)確定柔性工裝各定位器位置，進(jìn)行垂尾骨架裝配，根據(jù)激光跟蹤儀測量動態(tài)定位器空間實(shí)際位置，調(diào)整定位器控制系統(tǒng)到理論位置。其次，用垂尾數(shù)模關(guān)鍵位置與工具球測量垂尾的實(shí)際位置對比，產(chǎn)生偏差的位置通過程序控制伺服電機(jī)補(bǔ)償誤差精確定位，完成壁板制孔與鉚接。最后，按照CAD對齊法建立飛機(jī)坐標(biāo)系對飛機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行關(guān)鍵特性檢測（如與機(jī)身連接接頭孔的同軸度，表面平面度，壁板的誤差合理性與襟幅翼連接插耳位置等），完成垂尾裝配。

圖7 壁板總裝調(diào)整過程Fig.7 Aircraft panel assembly and adjustment process

4 結(jié)束語

當(dāng)前我國航空制造企業(yè)得到快速發(fā)展，飛機(jī)制造技術(shù)朝著智能化方向邁進(jìn)，這就要求飛機(jī)裝配過程中全面實(shí)現(xiàn)自動化、柔性化裝配。垂尾壁板類柔性裝配工裝的設(shè)計(jì)，解決了新型先進(jìn)飛機(jī)垂尾壁板工裝研制周期長的問題，可為其他飛機(jī)產(chǎn)品裝配的柔性化提供參考。該工裝節(jié)約場地面積，降低勞動強(qiáng)度，減少工裝制造成本，使多型飛機(jī)垂尾壁板裝配周期縮短，工裝定位與夾緊器互換性改善企業(yè)工裝維修困難的難題。該柔性工裝的設(shè)計(jì)能夠推動飛機(jī)其他零組（部）件裝配實(shí)現(xiàn)柔性化技術(shù)應(yīng)用，促使我國飛機(jī)裝配技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性化、智能化。

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