基于蒙皮內形定位的飛機壁板柔性裝配系統(tǒng)

常頌揚，王鴻昇，上官敬益，朱 雷，馮 軍，鄭晨績，方 強

（1.浙江大學機械工程學院航空制造工程研究所，杭州 310027；2.中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安710089）

飛機裝配是飛機制造的重要環(huán)節(jié)，占飛機制造總工作量的40%～50%，直接影響飛機的最終質量、制造成本和周期[1]。隨著飛機制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的深入，對飛機裝配中的工藝裝備提出了柔性的新需求，多機型、小批量、快轉產(chǎn)的生產(chǎn)模式要求工裝具備系列化產(chǎn)品的適應性，即 “一對多”的工作模式。飛機柔性裝配技術是一種先進的制造技術，其依賴于數(shù)字化和自動化技術，能夠使用一組裝配夾具完成兩種或更多種飛機產(chǎn)品的組裝，可以極大地提高產(chǎn)品裝配質量，縮短產(chǎn)品的交付時間[2]。在對同種類型的產(chǎn)品進行裝配時不需要重新設計工裝，大大減少了設計時間，節(jié)省了資源，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。通過使用各種數(shù)字柔性裝配系統(tǒng)，各大飛機制造企業(yè)不僅提高了飛機裝配效率，還降低了飛機制造成本，實現(xiàn)了現(xiàn)代飛機的精確裝配，并顯著提高了飛機裝配技術水平[3]。

20世紀90年代，關于飛機制造中柔性工裝技術的研究逐漸在各個國家展開。EI 公司[4]研制的E6000 柔性工裝目前已成功用于A320/A380、波音737/ 波音787等型號飛機的機翼壁板組件裝配線。該工裝具備多個獨立分散排列的立柱單元，每個立柱單元上裝有具備運動調整能力的夾持單元，可通過調整各立柱單元上多個夾持單元排列分布，實現(xiàn)對不同飛機零件的裝配。Mtorres 公司[3]研制的TORRESTOOL 工裝，通過數(shù)模理論數(shù)據(jù)驅動POGO 柱單元運動，在其端部裝有真空吸盤用以提供夾緊力夾緊蒙皮，吸盤可以在45°角的范圍內進行旋轉以適應不同的蒙皮，實現(xiàn)多種壁板的柔性裝配。近年來，國內學者和企業(yè)也在柔性裝配技術領域進行了一些探索。Li 等[5]通過設計可三自由度運動的長桁定位器適應不同壁板產(chǎn)品，并且考慮到預裝配、自動鉆鉚工藝的結合，采用小圍框的結構，在飛機壁板預裝配完成后，小圍框和產(chǎn)品整體可直接掛至自動鉆鉚機支架上，提升了定位精度及裝配效率。王亮等[6]提出了一種柔性多點裝配型架，通過移動卡板定位支點位置，結合可更換的卡板，實現(xiàn)利用一個型架裝配多種壁板組件的目的。Guo 等[7]提出了一種基于協(xié)調孔的機翼蒙皮定位方法，并設計了可三坐標移動的定位器，通過定位器上的協(xié)調孔與翼肋產(chǎn)品表面的協(xié)調孔配合，實現(xiàn)了46 組翼肋的定位，進而通過機翼骨架定位蒙皮。

飛機壁板組件具有結構尺寸大、零件形狀復雜、剛度小、氣動外形要求嚴格及裝配精度要求高等特點，在其裝配過程中，不能單靠零件自身形狀和尺寸加工的準確性來裝配產(chǎn)品，需要采用大量具有定位、保型功能的專用工裝，以保證飛機壁板類組件在裝配過程中的精確幾何外形[8]。型架是飛機壁板類組件裝配工裝的常見形式。在傳統(tǒng)的型架結構中，為減小結構變形，保證定位的準確性，均采用剛性結構，一套型架只適用于一種壁板類組件的裝配，這就意味著在飛機生產(chǎn)準備階段需要設計制造大量的剛性型架，不僅占據(jù)廠房空間，而且造成飛機裝配成本增加，生產(chǎn)準備周期加長。隨著國內對于飛機裝配效率提升、裝配生產(chǎn)線升級的需求，傳統(tǒng)的剛性型架已不能適應現(xiàn)代飛機制造技術發(fā)展的要求。柔性工裝技術的發(fā)展為改善傳統(tǒng)剛性型架的裝配方式提供了可能。因此，需要通過柔性工裝中各項關鍵技術的應用，研制適用于飛機壁板類組件裝配的柔性工裝，從而降低工裝制造成本，縮短工裝準備周期，減少生產(chǎn)用地，同時大幅提高裝配生產(chǎn)效率。

本文針對ARJ21 飛機壁板組件裝配問題，提出一種基于蒙皮內形定位的壁板柔性裝配方法，并結合數(shù)字化控制技術，建立飛機壁板柔性裝配系統(tǒng)，推動工裝實現(xiàn)集約化、設備化轉變，改善傳統(tǒng)剛性工裝生產(chǎn)占地大、生產(chǎn)效率低、制造成本高等短板，豐富柔性工裝技術理論在飛機裝配、尤其是飛機壁板類組件裝配領域的運用。

基于柔性定位技術的工裝結構設計

1 裝配對象

機身壁板組件主要由蒙皮、長桁、剪切角片等零件構成，如圖1和圖2所示。蒙皮是一種薄殼結構，用以保證機身的氣動外形，能夠承受和傳遞其表面的垂直壓力，也可承受拉伸、壓縮和剪切載荷。長桁主要是“Z”字形、“T”字形、“工”字形等樣式的桁條，可以承受較大的壓縮、拉伸載荷及較小的彎曲載荷。剪切角片與長桁和蒙皮相連接，起傳遞載荷的作用。壁板組件的裝配需要經(jīng)過預裝配、自動鉆鉚兩個階段[9]。在預裝配階段，通過專用工裝進行蒙皮、長桁、角片的定位和夾緊，制預連接孔，并通過連接螺栓進行預連接，實現(xiàn)壁板各零件間相對位置關系的確定。預裝配完成后，將壁板安裝在自動鉆鉚機上進行自動鉆鉚，完成壁板裝配。

隨著柔性工裝技術的發(fā)展，提出了對機身壁板組件柔性裝配的需求，進行該類組件的柔性裝配，存在以下技術難點：（1）蒙皮內形面形狀復雜。蒙皮內形面存在為機身減重而設計化銑區(qū)域，也有窗框、艙門等開孔區(qū)域及其周圍的蒙皮加厚區(qū)域，蒙皮是變厚度的，不同壁板內型卡板的型面存在差異。（2）零件數(shù)量多且分布復雜。壁板的長桁、角片、隔框等零件均在蒙皮內形面按照一定的基準線及站位面分布，依照傳統(tǒng)工裝的設計思路，難以在一套工裝實現(xiàn)多組產(chǎn)品的定位。目前國內研發(fā)的壁板裝配柔性工裝多為基于更換卡板的設計方法，經(jīng)濟性較差且更換卡板工作量大。

圖1 壁板組件結構Fig.1 Aircraft panel composition

圖2 ARJ21前機身上部壁板Fig.2 Upper part of ARJ21 forward fuselage

2 柔性定位技術

本文主要針對飛機機身壁板，以柔性工裝作為載體，以一套工裝解決多組壁板的零件定位問題作為設計目標，進行飛機壁板柔性裝配系統(tǒng)設計。依據(jù)壁板裝配要求及零件分布特點，采用蒙皮內形作為定位基準，基于以下關鍵技術，實現(xiàn)壁板柔性裝配。（1）基于蒙皮最優(yōu)支撐的卡板設計方法。在進行卡板設計時，首先應以蒙皮裝配變形量最小作為優(yōu)化目標，進行蒙皮支撐點優(yōu)選。柔性定位技術采用卡板位置可重構設計以及卡板型面的變曲率設計，實現(xiàn)多塊蒙皮的最優(yōu)支撐。（2）多站式角片柔性裝配方法。傳統(tǒng)工裝通常在所有角片站位設置卡板，使工裝不具備柔性且開敞性差。柔性工裝基于數(shù)控定位技術實現(xiàn)卡板的位置重構，通過卡板在飛機航向及翼展向的平移運動，使單塊卡板即可完成所有站位角片的定位。（3）卡板數(shù)控定位技術?？ò鍞?shù)控定位技術是整套工裝柔性實現(xiàn)的基礎，通過上下雙電機同步閉環(huán)控制，保證卡板剛性以及定位的準確性。

3 結構設計

基于上述柔性定位技術，設計了

圖3所示的飛機壁板柔性裝配工裝，以實現(xiàn)對蒙皮、長桁、角片零件的柔性定位。工裝整體采用包圍式結構，外部框架起卡板支撐和電氣設備集成作用；前部為長桁卡板，通過布置方式及理論型面的設計計算，可實現(xiàn)多組蒙皮的定位支撐?？ò迳习惭b長桁柔性定位器，起長桁軸線定位作用，可實現(xiàn)尺寸在一定范圍內變化的多種長桁的夾持，長桁卡板可沿X向實現(xiàn)航向平移。后部2塊為角片卡板，起角片輔助定位、夾持作用，角片卡板可沿X向平移，范圍覆蓋壁板所有角片站位面，并通過Y向推出/縮回運動，實現(xiàn)運動避讓。

3.1 蒙皮柔性定位方法及結構設計

蒙皮作為弱剛性薄壁件，在裝配的過程中，受到重力、夾緊力、加工力的影響，容易產(chǎn)生較大變形，影響裝配精度，因此通常采用“N-2-1”定位方法[10]，即在滿足確定性定位的基礎上，在其主定位面增加定位元件數(shù)量，通過過約束的方式抑制蒙皮變形。傳統(tǒng)工裝受角片等零件定位要求的制約，在所有零件站位設置卡板，雖然可以在定位零件的同時，起到較好的蒙皮支撐效果，但是工裝開敞性較差，且制造成本和改造成本較高。柔性工裝采用多站式角片定位方法，不必在所有站位設置卡板，因此需要對蒙皮的定位點進行分析和優(yōu)化，對卡板布置方式進行設計，保證蒙皮的支撐剛性。另一方面，柔性工裝的一塊卡板需要滿足多種蒙皮的裝配要求，在進行卡板布局分析的同時，還應考慮卡板在不同蒙皮、不同位置的兼容效果。對此，本文提出了基于蒙皮最優(yōu)支撐的卡板設計方法，通過對多組蒙皮支撐剛性進行綜合分析，選定柔性裝配環(huán)境下的卡板的最優(yōu)布局，并進行卡板型面設計。該方法具體包括以下內容：

圖3 工裝結構整體設計Fig.3 Overall design of tooling structure

（1）優(yōu)化模型構建。將蒙皮在柔性工裝進行定位、綁帶拉緊后的最大變形量作為優(yōu)化目標，最大變形量隨定位/支撐布局的變化而變化。考慮到柔性工裝的特點，需綜合分析多塊蒙皮的最大變形量。因此將多塊蒙皮最大變形量的平均值Smax(X)作為優(yōu)化的目標函數(shù)，將卡板的布局方式X作為設計變量。此外，考慮到成本，將卡板數(shù)目N也作為優(yōu)化目標，建立如下優(yōu)化模型：

其中，X代表卡板布置方式；P代表柔性工裝需要裝配的壁板種類數(shù)；Si(X)為第i塊蒙皮的最大變形量；A為約束條件下卡板的可行設計域。

在進行卡板位置布局時，需要考慮產(chǎn)品的實際情況以及壁板裝配的工藝要求，包括以下約束條件：卡板位置應為角片裝配留出充分操作空間；卡板與卡板之間需留出充分空間避免干涉；需避讓加強墊板等有特殊裝配需要的蒙皮區(qū)域；在有定位要求的地方（蒙皮窗框、長桁端部等）需設置卡板。

（2）優(yōu)化流程。柔性工裝每一塊卡板的外形都將對應至少兩種蒙皮內形的對應區(qū)域。蒙皮雖然具有相同曲率的外形面，但為了飛機減重或結構優(yōu)化，蒙皮的內形面存在化銑區(qū)域或加厚區(qū)域，導致蒙皮內形面曲率半徑不完全相同，采用同一塊卡板可能無法實現(xiàn)與多種蒙皮形面的完全匹配。因此在進行卡板布置的優(yōu)化操作時，必須考慮卡板對應形面的支撐狀態(tài)。優(yōu)化流程分為以下5 步。

第1步：記錄蒙皮支撐信息。在進行優(yōu)化操作前，為簡化計算量，可先對蒙皮進行區(qū)域劃分，分區(qū)依據(jù)可以是長桁軸線、角片定位面、蒙皮變曲率分界處等。將蒙皮劃分成m×n個區(qū)域，每個區(qū)域內最多包含一個可行的蒙皮支撐點。記錄每個蒙皮區(qū)域的支撐情況，形面支撐有效記為“1”，形面未實現(xiàn)支撐記為“0”，將該信息記錄成m行n列的矩陣形式：

第2步：確定算法參數(shù)。首先，確定適應度函數(shù)。本文以多塊蒙皮最大變形量的平均值最小作為優(yōu)化目標。設置蒙皮最大變形的閾值S0，為提高計算效率，當單塊蒙皮的變形量超過，即賦予此種卡板布局方式下的適應度為0。然后，對設計變量進行編碼操作，將其轉化為程序可讀取的優(yōu)化參數(shù)，具體方法為采用二進制的編碼方式，將蒙皮區(qū)域的每一列是否具有卡板進行區(qū)分，以此表示卡板的布局，有卡板記為“1”，無卡板記為“0”，可得到：

第3步：建立有限元參數(shù)化模型?；赑ython 腳本建立ABAQUS的有限元參數(shù)化模型。在參數(shù)化建模過程中，重點考慮兩方面問題。（1）將優(yōu)化變量記錄的信息轉化為模型的輸入信息，本文中為蒙皮不同區(qū)域內卡板的支撐情況；（2）從結果數(shù)據(jù)對象中讀取需要的值，作為有限元分析的輸出，本文中為不同卡板布置狀態(tài)下蒙皮的最大變形量。最后，將參數(shù)化建模的程序封裝成函數(shù)的形式，即完成了參數(shù)化建模的過程。

第4步：算法與有限元參數(shù)化模型結合。Python 主程序部分主要負責將設計參數(shù)信息解碼，調用有限元參數(shù)化模型，尋找數(shù)據(jù)優(yōu)化方向以及記錄計算結果，有限元工具負責輸出適應度值。每生成一個新種群，即對應一組卡板的布局信息，需要至少調用1次，至多調用p次（p為柔性裝配的壁板數(shù)目）有限元計算，并將結果轉化為適應度值。適應度評估后，若滿足終止條件，則輸出本組卡板布局信息；若未滿足，對優(yōu)化參數(shù)進行選擇、交叉、變異的遺傳操作，生成新一代種群，直至得到最優(yōu)解。

第5步：卡板形面設計。依據(jù)分析計算得到的卡板最優(yōu)布局情況，針對各區(qū)域蒙皮的曲率半徑，設計卡板形面，以適應柔性裝配。

3.2 長桁與角片柔性定位結構設計

長桁通過蒙皮內形以及卡板上定位器所確定的軸線位置實現(xiàn)定位，采用多點夾持的方法進行夾緊。柔性工裝的長桁定位器設計，應滿足具備長桁軸線位置調整功能、適應多種類型和厚度的長桁、保證長桁定位面與蒙皮貼合的要求。為實現(xiàn)上述功能，設計了長桁柔性定位器，如圖4所示。該定位器安裝在長桁卡板側面，由位置調整組件和長桁夾持組件構成。位置調整組件由鎖止氣缸驅動，通過連接軸帶動卡板背面的夾持組件沿卡板的腰型長槽滑動，實現(xiàn)長桁定位器兩個工位切換。夾持組件由雙氣缸驅動，上氣缸提供夾持作用力，下氣缸驅動夾持組整體前后平移，便于長桁裝卸并保證長桁貼緊蒙皮。該長桁定位器可實現(xiàn)1～2mm厚度范圍內、20～30mm 寬度范圍內的Z型長桁、T型長桁的夾持。

圖5 角片卡板結構Fig.5 Structure of fixture board for shear clip

角片通過卡板確定其站位平面。柔性工裝使用可在航向和翼展方向移動的角片卡板進行定位，如圖5所示。翼展方向的運動由上下各一個帶同步功能的電動推桿驅動，航向方向的運動由上下各一個伺服電機同步驅動，在導軌平面安裝絕對光柵，實時測量卡板的航向位置，實現(xiàn)閉環(huán)控制。在進行角片裝配時，控制系統(tǒng)根據(jù)理論數(shù)模中角片的定位數(shù)據(jù)，通過數(shù)控程序驅動角片卡板沿航向運動，同時借助絕對光柵實時反饋卡板的位置信息，并進行補償，確保角片卡板的定位平面準確到達角片站位處。此時電動推桿驅動卡板沿航向推出，使卡板前端靠近蒙皮內形面。將角片分別與角片卡板定位面、蒙皮內形面貼合，再通過長桁確定上下位置，實現(xiàn)完全定位。使用安裝在角片卡板上的角片夾緊器進行角片夾緊，如圖6所示，該夾緊器采用內嵌方式安裝在角片卡板上，且具有鏡像夾持功能，適合角片的柔性定位/夾持。

圖6 角片自動夾緊器結構Fig.6 Automatic clamper for shear clip

圖7 飛機壁板柔性裝配系統(tǒng)Fig.7 Flexible assembly system for aircraft panel

電氣及軟件系統(tǒng)設計

完整的柔性裝配系統(tǒng)由機械部分、電氣部分、軟件部分組成，如圖7所示。機械部分起到產(chǎn)品定位、支撐、夾持作用，包括靜態(tài)框架和動態(tài)模塊[11]，動態(tài)模塊依附于靜態(tài)框架，具有多個自由度，可根據(jù)不同產(chǎn)品的特征重組以適應柔性裝配需求。電氣部分包括電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工裝的供能以及多軸運動、自動夾持的精確控制。軟件部分主要起人機交互作用，可實現(xiàn)工藝信息錄入、控制指令發(fā)送、運動狀態(tài)讀取等功能。

1 電氣設計介紹

1.1 控制系統(tǒng)總體方案

ARJ21 壁板柔性工裝電氣控制系統(tǒng)主要包含3個部分：6塊長桁卡板上下電機航向同步運動、2塊角片卡板上下電機航向同步運動和翼展聯(lián)動、布置在卡板上的長桁定位器和角片定位器控制。為了實現(xiàn)伺服電機、電動推桿及定位器的控制要求，在對比研究的基礎上，結合EtherCAT 實時以太網(wǎng)技術及柔性工裝需要，采用了基于EtherCAT 以太網(wǎng)技術的分布式網(wǎng)絡控制方案，既提高了系統(tǒng)的可靠性，又提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，結構簡單且便于擴展。

圖8為控制系統(tǒng)結構圖。工控機作為中央控制系統(tǒng)，通過實時以太網(wǎng) EtherCAT 實現(xiàn)通信功能，可以協(xié)調計算各從站運動單元，發(fā)送和接受指令數(shù)據(jù)，監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行?？刂茖佑筛鲝恼窘M成，主要負責與系統(tǒng)層的通信，并解析從系統(tǒng)層發(fā)送的控制指令以供執(zhí)行層執(zhí)行。執(zhí)行層由伺服驅動器、伺服電機、電磁閥、接近開關等執(zhí)行部件和檢測硬件組成，主要依據(jù)控制器指令執(zhí)行相應動作，并將檢測數(shù)據(jù)反饋給運動控制器和信號采集模塊。

1.2 電氣設備硬件布局

工裝電氣設備采用分布式電柜布局，根據(jù)工裝的需求，在工裝的下梁部分開設16個電柜孔用于存放電柜。每個電柜中安裝有對應卡板運動所需的驅動器、接線端子、開關電源等。而每塊卡板所需的輸入輸出模塊則安裝在卡板上，模塊的網(wǎng)絡、供電通過拖鏈與電柜相連接。電源模塊包括電機三相供電電源和直流開關電源。三相電源為電機運動提供能量，直流電源為伺服驅動器、I/O模塊、電動推桿等設備提供能源。數(shù)字量輸入模塊EL1008 和EL1809 用于從現(xiàn)場獲得按鈕和接近開關的反饋信號，并把數(shù)據(jù)以電隔離信號形式傳輸?shù)礁邔拥淖詣踊瘑卧幚?；?shù)字量輸出模塊 EL2008 和EL2809將控制層傳輸過來的控制信號傳到設備層的執(zhí)行機構；伺服驅動器則根據(jù)具體的運動要求完成對伺服電機的控制。

圖8 系統(tǒng)結構圖Fig.8 System structure drawing

工控機安裝在整個工裝的左立柱側，工控機上方設有工裝指示燈和蜂鳴器，便于操作人員了解當前工裝的狀態(tài)，工控機的側邊設有急停按鈕用于控制電機急停。工控機通過RJ45 接口與控制柜內伺服驅動器以及卡板上的輸入輸出模塊建立連接。

2 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件包括用于實現(xiàn)運動控制的下位機軟件和進行人機交互的上位機軟件，上位機通過ADS通信與下位機建立連接，實現(xiàn)對工裝裝配流程的控制和狀態(tài)的實時監(jiān)測。

2.1 運動控制程序

運動控制程序采用PLC程序進行編寫，在德國倍福公司 TwinCAT 軟件平臺環(huán)境下的程序開發(fā)。TwinCAT是一個包含了運行和開發(fā)平臺的自動化實時控制軟件。PLC程序負責系統(tǒng)的整體控制，包括所有伺服電機運動控制功能并對現(xiàn)場 I/O 數(shù)據(jù)采集處理。

ARJ21 壁板柔性工裝的卡板在整個運動過程是通過伺服電機驅動齒輪齒條帶動相應的運動機構來完成的，因此其控制過程可等價于多軸的運動控制，每塊卡板都由上下兩個伺服電機帶動，采用主從耦合方式進行同步運動。運動控制程序采用模塊化的設計思想，將使能、耦合、絕對運動、相對運動、讀取位置、找零等功能程序編寫成獨立的子程序，在主程序中進行調用。

2.2 人機交互界面

人機交互界面通過C#進行編寫。根據(jù)壁板裝配的流程要求，包含以下幾個主要功能模塊：壁板選擇、長桁定位器推出、長桁夾緊器夾緊、角片預安裝、長桁定位器回退、角片安裝、長桁夾緊器取消夾緊、長桁定位器縮回、退出系統(tǒng)，整個裝配流程如圖9所示。

在登錄模塊進行登錄，進入到ARJ21 壁板柔性工裝軟件主界面（圖10）。主界面窗口中可分為6個部分。左上方包含系統(tǒng)初始化和附加功能，系統(tǒng)初始化為整個裝配流程提供前提條件，附加功能中包括調試模式、管理員模式、演示模式和用于急停后恢復的找零功能；左中部分包含了整個項目的裝配流程選擇菜單；左下部分為整個系統(tǒng)的實時狀態(tài)顯示區(qū)；右上部分為當前工裝的運行狀態(tài)顯示、急停和復位按鈕；右中部分為當前流程操作界面的主要窗口，根據(jù)所選擇的模塊顯示對應的功能；右下部分用于顯示卡板運動的信息、進度條等信息。

運動控制程序與人機交互界面利用TwinCAT 提供的ADS 進行數(shù)據(jù)的交互訪問，完成從PLC程序到人機界面軟件以及從人機界面軟件到PLC程序的雙向數(shù)據(jù)傳遞過程。

圖9 裝配流程圖Fig.9 Assembly process chart

圖10 操作界面Fig.10 Operation interface

試驗驗證

本文針對ARJ21 前機身上部壁板設計柔性工裝，在一套工裝上完成4塊壁板的預連接，如圖11所示。圖12為蒙皮定位點優(yōu)化流程，4塊蒙皮的內形面共存在3種不同的曲率，藍色為基礎部分，曲率半徑為1670.351mm；灰色為蒙皮化銑區(qū)，曲率半徑為1670.751mm；黃色為蒙皮加厚區(qū)，曲率半徑為1669.951mm。依據(jù)角片定位面和長桁軸線位置，將上邊兩塊蒙皮劃分成10行17列，將下邊兩塊蒙皮劃分成7行17列，每一列代表卡板可能存在的位置。每個區(qū)域的中間位置即為卡板對蒙皮支撐點所在位置，用綠色表示卡板與蒙皮形面貼合，該支撐有效；用紅色表示卡板未與蒙皮形面貼合，該支撐無效。以圖12中最左邊卡板位置為例，由于需要適配第4塊蒙皮的黃色加厚區(qū)域，此部分卡板只能在第4塊蒙皮中起到有效支撐，矩陣對應元素記“1”，在其他蒙皮的對應區(qū)域均為無效支撐，矩陣對應元素記“0”。經(jīng)過優(yōu)化操作后，得出在2、5、7、9、11、13、16 框的中間設置7塊蒙皮定位/支撐卡板，在兩端面設置長桁端頭定位卡板，可以起到最理想的定位效果。

為保證裝配精度，使用激光跟蹤儀測量設備輔助工裝的安裝和調試，如圖13所示。結合MBD技術，使用工裝設計時給定的裝配基準點（TB點）建立工裝坐標系，并將理論數(shù)模導入測量軟件Spatial Analyzer中，對比檢驗各關鍵零件的空間位置。具體檢驗內容包括：（1）長桁定位器定位平面的輪廓度，要求為0.24mm，如圖13中的OTS 1所示；（2）卡板型面的輪廓度，要求為0.24mm，如圖13中的OTS 2所示；（3）卡板側面的輪廓度，要求為0.24mm，如圖13中的OTS 3所示。每項測量項目均在4塊壁板工作狀態(tài)下分別驗證。測量結果如表1所示，共選取了233個測量點，最大偏差0.1191mm，滿足公差要求。通過以上測量內容，可以保證：（1）長桁軸線定位準確，且在工位調整后依然可以保證準確裝配精度；（2）卡板型面可以滿足蒙皮內形的準確定位；（3）長桁卡板安裝位置準確，兩塊角片卡板可以精確運動至所有安裝站位，起到傳統(tǒng)工裝中17塊固定卡板的相同作用。

圖11 飛機壁板柔性裝配工裝Fig.11 Flexible assembly tooling for aircraft panel

圖12 蒙皮定位點優(yōu)化流程Fig.12 Optimization process of skin registration point

圖13 基于激光跟蹤儀的測量驗證Fig.13 Measurement verification based on laser tracker equipment

表1 OTS測量報告Table1 OTS measurement report

結論

（1）本項研究以一套工裝解決多組壁板的零件定位問題作為設計目標，以柔性工裝作為載體，構建了一套飛機壁板柔性裝配系統(tǒng)，并進行了機械、電氣、軟件功能的詳細設計。該系統(tǒng)具備自動化、數(shù)字化、模塊化的特點，可以改善傳統(tǒng)剛性工裝生產(chǎn)占地大、生產(chǎn)效率低、制造成本高等短板，為推動工裝實現(xiàn)集約化、設備化轉變提供了新的參考。

（2）提出一種基于蒙皮內形的柔性定位方法，通過多項技術應用，可以實現(xiàn)機身壁板的柔性裝配。該方法已在ARJ21 前機身上部、前機身下部以及中機身上部的多組壁板中進行柔性裝配的驗證，并取得較好的實際使用效果。