關(guān)于壁板組件柔性裝配工裝技術(shù)分析
形要求嚴(yán)格及精度要求高等特點(diǎn)，必須使用大量的工藝裝配型架（簡(jiǎn)稱(chēng)工裝）來(lái)保證裝配質(zhì)量[1]。壁板類(lèi)組件是構(gòu)成飛機(jī)氣動(dòng)外形的主要結(jié)構(gòu)件，具有尺寸大、剛度低、制造和裝配精度高等特點(diǎn)，其裝配精度直接影響后續(xù)機(jī)身、機(jī)翼部裝和總裝的裝配質(zhì)量，是保證飛機(jī)裝配的基礎(chǔ)[2-4]。
針對(duì)壁板類(lèi)組件的裝配，國(guó)外多采用多點(diǎn)陣真空吸盤(pán)柔性工裝，采用“n-2-1”的定位方法，通過(guò)控制吸盤(pán)的三維移動(dòng)定位，生成與壁板組件曲面*符合并且分布均勻的吸附點(diǎn)陣，從而可靠地定位和夾持壁板[5-9]。目前，國(guó)內(nèi)在實(shí)際生產(chǎn)中仍然大量使用“一對(duì)一”式的傳統(tǒng)剛性工裝，采用卡板以?xún)?nèi)/外形定位的方式定位壁板組件，每套壁板組件對(duì)應(yīng)的工裝都需單獨(dú)設(shè)計(jì)制造，工裝缺乏對(duì)壁板產(chǎn)品變化的快速響應(yīng)能力，工裝制造成本高、準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、誤差累積較大[3-4]。針對(duì)這一問(wèn)題，柔性壁板裝配工裝在現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)得到初步應(yīng)用[10-15]：王亮等[10]提出了一種卡板定位支點(diǎn)可重構(gòu)的數(shù)控柔性多點(diǎn)型架的方法，通過(guò)移動(dòng)卡板裝配點(diǎn)位置，結(jié)合可更換的卡板，實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)裝配中一個(gè)型架用于多種壁板類(lèi)組件的裝配模式，但其仍采用大量外形卡板的定位方式，延續(xù)的仍是傳統(tǒng)剛性工裝的設(shè)計(jì)思路，當(dāng)產(chǎn)品對(duì)象更改時(shí)，更換后的卡板工作外形安裝精度難以保證，裝配準(zhǔn)確度較低；李東升等[11]描述了一種行列吸盤(pán)式壁板裝配柔性工裝，工裝中的每個(gè)吸盤(pán)在電機(jī)控制下能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維的定位，構(gòu)成不同外形點(diǎn)陣可滿足對(duì)各種外形壁板的吸附定位。雖然不再使用卡板定位，能夠滿足數(shù)字化、柔性化裝配要求，但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，制造安裝困難，另外，x和z向移動(dòng)通過(guò)同步帶傳動(dòng)，導(dǎo)致外廓尺寸較大，同時(shí)同步帶齒易折斷、磨損，需經(jīng)常更換。lu[14]、陸俊百[15]等對(duì)用于飛行器薄壁件柔性工裝定位陣列優(yōu)化自動(dòng)生成進(jìn)行研究，通過(guò)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，采用“n-2-1”的定位方法，解決了工裝定位曲面的快速生成和相應(yīng)的優(yōu)化控制等關(guān)鍵技術(shù)，已應(yīng)用于大型薄壁件的加工。
為解決當(dāng)前飛機(jī)壁板類(lèi)組件裝配工裝重構(gòu)性弱、定位精度低、通用性差及卡板依賴(lài)性強(qiáng)等問(wèn)題，本文根據(jù)機(jī)身壁板的結(jié)構(gòu)，分析其裝配需求，采用“n-2-1”的定位方法，研制了面向機(jī)身壁板的數(shù)字化柔性裝配工裝。通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)承載立柱，采用定位器夾持壁板邊界，由多個(gè)真空吸盤(pán)吸附壁板內(nèi)表面，并使用plc+ipc（可編程控制器+工業(yè)計(jì)算機(jī)）的控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)調(diào)整定位器和吸盤(pán)的定位布局，實(shí)現(xiàn)了機(jī)身壁板裝配的數(shù)字化和柔性化。
機(jī)身壁板裝配需求分析
機(jī)身壁板主要由蒙皮、長(zhǎng)桁等弱剛性薄壁件組成，按照特定的位置關(guān)系鉚接成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。蒙皮作為壁板的主要構(gòu)件，為剛性較差的彈性薄壁件，具有尺寸大、形狀復(fù)雜及易變形的特點(diǎn)，需用定位器保持其外形輪廓；長(zhǎng)桁一般為“z”形或“j”結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)桁外形面及蒙皮上取預(yù)裝配孔，按裝配孔沿蒙皮母線方向定位裝配[1-3]。結(jié)合數(shù)字化、柔性化裝配的要求，使用數(shù)字量的尺寸與形狀傳遞方式，采用鉆孔機(jī)器人完成蒙皮與長(zhǎng)桁的制孔，實(shí)現(xiàn)不同曲率機(jī)身壁板對(duì)象組成零件的預(yù)裝配定位工作，以保證飛機(jī)壁板的高精度裝配要求，文中根據(jù)機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)不同壁板定位布局的快速轉(zhuǎn)換，滿足不同壁板的定位需求，機(jī)身壁板組件柔性裝配需求如下：
（1）根據(jù)壁板在工裝中定位完成后，采用鉆孔機(jī)器人完成蒙皮與長(zhǎng)桁制孔時(shí)的開(kāi)敞性需求，需以蒙皮內(nèi)形為裝配基準(zhǔn)，采用內(nèi)定位的裝配定位方式。
（2）為滿足壁板在工裝上定位的穩(wěn)定性，采用“n-2-1”的定位方法（壁板內(nèi)表面由多個(gè)蒙皮內(nèi)形定位點(diǎn)進(jìn)行定位，壁板下側(cè)水平邊界由兩個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行定位，壁板豎直邊界由一個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行定位），在三維模型中均勻劃分壁板定位區(qū)域并在壁板范圍內(nèi)均勻布置壁板定位點(diǎn)，布置定位點(diǎn)過(guò)程中必須使其避開(kāi)長(zhǎng)桁及蒙皮內(nèi)表面存在臺(tái)階的區(qū)域，從而保證每個(gè)定位點(diǎn)均可對(duì)壁板進(jìn)行穩(wěn)定的定位。
（3）為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同蒙皮內(nèi)形的定位點(diǎn)進(jìn)行定位，結(jié)合真空吸盤(pán)吸附的穩(wěn)定性[5-9]，采用真空吸盤(pán)對(duì)蒙皮內(nèi)形進(jìn)行定位。
（4）針對(duì)不同曲率的機(jī)身壁板的裝配要求，需配以不同角度的吸盤(pán)安裝板，以保證真空吸盤(pán)的吸附夾持效果。
（5）為了實(shí)現(xiàn)不同尺寸的壁板組件的柔性定位要求，壁板組件承載立柱各運(yùn)動(dòng)方向的定位夾持單元須可以沿水平與豎直方向獨(dú)立運(yùn)動(dòng)；同時(shí)每個(gè)可移動(dòng)的蒙皮內(nèi)形定位夾持單元能夠獨(dú)立伸出移動(dòng)，以保證工裝能夠滿足不同弦高的機(jī)身壁板裝配要求。
工裝機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1工裝工作原理
根據(jù)機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合壁板組件裝配需求，融合模塊化設(shè)計(jì)思想[16]，設(shè)計(jì)以蒙皮內(nèi)表面為裝配基準(zhǔn)的數(shù)字化柔性裝配工裝，如圖1所示。工裝主要包括基座模塊、立柱模塊、蒙皮邊界定位夾緊模塊、蒙皮表面定位夾緊模塊。工裝采用“n-2-1”原則定位壁板，即壁板內(nèi)表面由多個(gè)蒙皮內(nèi)形定位點(diǎn)進(jìn)行定位，壁板下側(cè)水平邊界由兩個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行定位，壁板豎直邊界由一個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行定位。通過(guò)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)調(diào)整定位器的布局，形成不同的吸附點(diǎn)陣可以滿足不同壁板的裝配要求，實(shí)現(xiàn)工裝“一架多用”的功能。
2工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基座為多點(diǎn)可調(diào)支撐底座，由12個(gè)均勻分布的調(diào)平螺栓支撐，能夠有效應(yīng)對(duì)地基變化對(duì)工裝的影響?；戏桨惭b兩個(gè)承載立柱，1#立柱在x方向上固定不動(dòng)，2#立柱在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可沿x方向移動(dòng)。立柱左側(cè)安裝蒙皮表面定位夾緊模塊，立柱前端面安裝蒙皮水平邊界定位夾緊模塊，2#立柱右側(cè)安裝蒙皮豎直邊界定位夾緊模塊，如圖2所示。
蒙皮表面定位夾緊模塊由真空吸盤(pán)、吸盤(pán)安裝板、定位柱、y向驅(qū)動(dòng)單元和z向驅(qū)動(dòng)單元組成。吸盤(pán)安裝板上安裝兩個(gè)真空吸盤(pán)（可進(jìn)行周向±15°角度補(bǔ)償），為保證吸盤(pán)的吸附夾持效果，可根據(jù)壁板的曲率選擇不同角度（0°和15°）的安裝板進(jìn)行安裝，定位柱通過(guò)自身螺紋安裝于吸盤(pán)安裝板中部。吸盤(pán)在電缸的驅(qū)動(dòng)下可在y向移動(dòng)，電缸安裝在可上下運(yùn)動(dòng)的托板上，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可在z向移動(dòng)。選擇不同的吸盤(pán)安裝板能實(shí)現(xiàn)±30°的角度偏轉(zhuǎn)可滿足不同曲率的壁板的裝配要求，調(diào)整吸盤(pán)在y向的位置可適應(yīng)不同弦高的壁板裝配要求。
蒙皮水平邊界定位夾緊模塊由蒙皮夾緊裝置和z向驅(qū)動(dòng)單元組成。蒙皮夾緊裝置主要包括固定夾頭、移動(dòng)夾頭、蒙皮擋塊和連接板等，固定夾頭、移動(dòng)夾頭和蒙皮擋塊通過(guò)連接板組合在一起。蒙皮擋塊起定位作用，通過(guò)固定夾頭和移動(dòng)夾頭的相對(duì)移動(dòng)夾緊蒙皮，其中移動(dòng)夾頭的運(yùn)動(dòng)由氣缸帶動(dòng)。蒙皮夾緊裝置安裝于z向集成模塊上，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可在z向移動(dòng)。蒙皮夾緊裝置在z向的運(yùn)動(dòng)能滿足不同寬度的壁板的裝配要求。
蒙皮豎直邊界定位模塊由滑動(dòng)螺釘、安裝板和連接座組成，主要用來(lái)定位蒙皮在x向的位置?；瑒?dòng)螺釘上安裝蒙皮擋塊，調(diào)節(jié)螺釘在安裝板水平導(dǎo)槽中的位置來(lái)適應(yīng)不同曲率的蒙皮，安裝板通過(guò)連接座固定在在2#立柱右側(cè)面。在x向有效行程范圍內(nèi)，改變2#立柱在x向的位置，可滿足一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)壁板組件的穩(wěn)定性與柔性裝配。
3裝配誤差分析
在實(shí)現(xiàn)壁板組件的柔性裝配過(guò)程中，為保證裝配準(zhǔn)確度，要控制的誤差環(huán)節(jié)主要包括以下方面。
（1）工裝定位誤差。
工裝的定位誤差是指立柱定位單元的定位執(zhí)行末端從設(shè)定的原點(diǎn)位置出發(fā)，沿3個(gè)相互垂直的方向運(yùn)動(dòng)到理論空間位置后，定位器上定位基準(zhǔn)的實(shí)際空間位置與理論位置的偏差。在定位單元運(yùn)行調(diào)試過(guò)程中，定位單元不承受外部載荷，但其運(yùn)行工況、制造精度、安裝精度、幾何精度、測(cè)量精度與控制系統(tǒng)精度等因素均對(duì)定位有影響，其中，定位單元運(yùn)動(dòng)部件的幾何精度所產(chǎn)生的定位誤差是影響定位執(zhí)行末端定位誤差的zui主要因素[17]，主要包括各運(yùn)動(dòng)方向的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的軸向定位誤差與其導(dǎo)程誤差、導(dǎo)軌導(dǎo)向傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝定向誤差對(duì)定位基準(zhǔn)點(diǎn)產(chǎn)生的定位誤差。根據(jù)此3類(lèi)誤差源建立柔性工裝立柱定位單元單軸運(yùn)動(dòng)的定位誤差模型，并根據(jù)可疊加性原理對(duì)綜合定位誤差進(jìn)行綜合計(jì)算。經(jīng)誤差補(bǔ)償后，立柱定位單元模塊的定位精度方可滿足工程中對(duì)飛機(jī)部件的定位精度要求。
（2）零件制造誤差。
零件制造誤差是裝配誤差中的重要成分，其取決于形成零件zui后形狀和尺寸的尺寸傳遞過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，即裝配協(xié)調(diào)路線。在數(shù)字化裝配環(huán)境下，整個(gè)尺寸與形狀傳遞過(guò)程以飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，經(jīng)機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)及后置處理后，將產(chǎn)品的幾何形狀與容差信息通過(guò)數(shù)字量形式存在的nc加工指令直接傳遞給數(shù)控加工設(shè)備，形成物化的零件，經(jīng)數(shù)字測(cè)量設(shè)備檢測(cè)合格后，即可進(jìn)行產(chǎn)品的裝配工作。
（3）產(chǎn)品在工裝中的協(xié)調(diào)誤差。
在飛機(jī)壁板類(lèi)組件的裝配過(guò)程中，會(huì)受到夾持力、鉆孔力、連接力、回彈力等的作用，由于本身剛性不足，在外力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變形，當(dāng)外力釋放后，又會(huì)產(chǎn)生一定的變形回彈量，各種外力產(chǎn)生的變形量在裝配過(guò)程中相互影響，將引起裝配不協(xié)調(diào)、裝配超差等問(wèn)題。同時(shí)，定位誤差在裝配過(guò)程中影響各裝配環(huán)節(jié)，導(dǎo)致誤差進(jìn)一步放大。因此，針對(duì)壁板類(lèi)組件的裝配，需要詳細(xì)分析其定位過(guò)程與實(shí)際裝配工況，采用合理有效的方法得到個(gè)階段的定位誤差，獲取其裝配變形誤差，建立正確的耦合算法，綜合這兩類(lèi)誤差之間的影響關(guān)系，進(jìn)而獲取zui終的裝配誤差。
工裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
柔性工裝的自動(dòng)重構(gòu)主要依賴(lài)控制系統(tǒng)，它將完成壁板裝配過(guò)程中所需各種運(yùn)動(dòng)定位器的定位，實(shí)現(xiàn)工裝對(duì)壁板的可靠固定，保證機(jī)身壁板外形與數(shù)字化樣機(jī)的一致性[18-20]。
1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
壁板裝配工裝的控制是一種典型的以位置控制為目的的數(shù)字化控制系統(tǒng)，涉及到機(jī)、電、氣等多種系統(tǒng)的集成控制[21]。工裝包括12個(gè)定位調(diào)整單元，由21個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，屬多軸運(yùn)動(dòng)控制。
工裝控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)將驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送給控制器，控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將信息傳送給各驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成運(yùn)動(dòng)指令。電機(jī)編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將位移、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)發(fā)送回驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，借助數(shù)字化測(cè)量設(shè)備（激光跟蹤儀）實(shí)時(shí)測(cè)量工裝上定位基準(zhǔn)點(diǎn)的位置信息，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果不在誤差允許范圍內(nèi)需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。所有基準(zhǔn)點(diǎn)完成定位后即可將蒙皮夾緊，進(jìn)行制孔鉚接等操作。
2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)軟件包括兩部分：底層軟件（運(yùn)動(dòng)控制）和上層軟件（人機(jī)交互）。文中主要說(shuō)明上層人機(jī)交互軟件，包括系統(tǒng)初始化模塊、用戶管理模塊、工藝控制模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、氣動(dòng)控制模塊。
系統(tǒng)初始化模塊為用戶登錄及軟件啟動(dòng)時(shí)的參數(shù)初始化；用戶管理模塊是用來(lái)對(duì)用戶信息進(jìn)行管理；工藝控制模塊是工裝控制系統(tǒng)的軟件柔性化的體現(xiàn)，即通過(guò)運(yùn)行不同的工藝，完成不同壁板的定位，工藝編輯是對(duì)工藝內(nèi)容進(jìn)行編輯，工藝運(yùn)行是使工裝各運(yùn)動(dòng)軸按照預(yù)設(shè)的工藝順序執(zhí)行；運(yùn)動(dòng)控制模塊是手動(dòng)操作部分，包括設(shè)置電機(jī)的參數(shù)（速度、加速度、位置等）及單軸動(dòng)作（定零、回零、暫停/繼續(xù)等）；氣動(dòng)控制模塊是在各基準(zhǔn)點(diǎn)準(zhǔn)確定位后，完成蒙皮的夾緊動(dòng)作。軟件界面如圖3所示。
機(jī)身壁板組件裝配定位方法
根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)身壁板工裝機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)壁板組件的柔性定位，所采用的技術(shù)方案如下：
（1）根據(jù)工裝和壁板三維模型及其結(jié)構(gòu)和尺寸，結(jié)合裝配工藝，規(guī)劃各定位點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路徑，并使定位點(diǎn)在壁板范圍內(nèi)均勻分布。
（2）在三維cad裝配環(huán)境中，設(shè)定工裝裝配基準(zhǔn)坐標(biāo)系，根據(jù)工藝順序進(jìn)行裝配仿真并檢查是否有干涉，對(duì)干涉部分進(jìn)行檢查修改，通過(guò)裝配仿真獲得各定位點(diǎn)在裝配基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
（3）對(duì)上述獲取的定位點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成工裝各運(yùn)動(dòng)軸可用的數(shù)控代碼，利用控制系統(tǒng)使工裝各定位點(diǎn)按照工藝順序運(yùn)動(dòng)到理論位置。
（4）測(cè)量各定位點(diǎn)在工裝坐標(biāo)系中的實(shí)際位置，得到實(shí)際坐標(biāo)與理論坐標(biāo)的誤差值，把此誤差值反饋到控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算生成坐標(biāo)補(bǔ)償量，再利用控制系統(tǒng)對(duì)定位點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)補(bǔ)償，以保證各定位點(diǎn)的位置偏差在允許誤差范圍內(nèi)。
（5）先把機(jī)身壁板落放在下側(cè)水平邊界定位點(diǎn)上以保證壁板豎直方向上的定位，水平移動(dòng)壁板直至與豎直邊界定位點(diǎn)接觸以保證壁板水平方向的定位，把壁板內(nèi)表面靠近已生成的與蒙皮曲面*符合的真空吸盤(pán)吸附點(diǎn)陣，通氣后完成蒙皮的吸附工作，并對(duì)壁板邊界用夾緊裝置進(jìn)行夾持，完成對(duì)壁板內(nèi)形的完整定位。
（6）采用鉆孔機(jī)器人完成蒙皮與長(zhǎng)桁的制孔工作。
結(jié)論
本文針對(duì)傳統(tǒng)壁板裝配方法，借鑒國(guó)外多點(diǎn)陣真空吸附柔性工裝，根據(jù)機(jī)身壁板的結(jié)構(gòu)，采用“n-2-1”定位原則，設(shè)計(jì)機(jī)身壁板數(shù)字化柔性裝配工裝，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整吸盤(pán)及夾緊裝置的位置以滿足不同種類(lèi)壁板的裝配要求，其安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。其應(yīng)用可以減少剛性型架、縮短研制周期、通過(guò)數(shù)字量的協(xié)調(diào)傳遞提高裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有推廣價(jià)值。
（文章來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院）
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針對(duì)壁板類(lèi)組件的裝配，國(guó)外多采用多點(diǎn)陣真空吸盤(pán)柔性工裝，采用“n-2-1”的定位方法，通過(guò)控制吸盤(pán)的三維移動(dòng)定位，生成與壁板組件曲面*符合并且分布均勻的吸附點(diǎn)陣，從而可靠地定位和夾持壁板[5-9]。目前，國(guó)內(nèi)在實(shí)際生產(chǎn)中仍然大量使用“一對(duì)一”式的傳統(tǒng)剛性工裝，采用卡板以?xún)?nèi)/外形定位的方式定位壁板組件，每套壁板組件對(duì)應(yīng)的工裝都需單獨(dú)設(shè)計(jì)制造，工裝缺乏對(duì)壁板產(chǎn)品變化的快速響應(yīng)能力，工裝制造成本高、準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、誤差累積較大[3-4]。針對(duì)這一問(wèn)題，柔性壁板裝配工裝在現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)得到初步應(yīng)用[10-15]：王亮等[10]提出了一種卡板定位支點(diǎn)可重構(gòu)的數(shù)控柔性多點(diǎn)型架的方法，通過(guò)移動(dòng)卡板裝配點(diǎn)位置，結(jié)合可更換的卡板，實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)裝配中一個(gè)型架用于多種壁板類(lèi)組件的裝配模式，但其仍采用大量外形卡板的定位方式，延續(xù)的仍是傳統(tǒng)剛性工裝的設(shè)計(jì)思路，當(dāng)產(chǎn)品對(duì)象更改時(shí)，更換后的卡板工作外形安裝精度難以保證，裝配準(zhǔn)確度較低；李東升等[11]描述了一種行列吸盤(pán)式壁板裝配柔性工裝，工裝中的每個(gè)吸盤(pán)在電機(jī)控制下能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維的定位，構(gòu)成不同外形點(diǎn)陣可滿足對(duì)各種外形壁板的吸附定位。雖然不再使用卡板定位，能夠滿足數(shù)字化、柔性化裝配要求，但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，制造安裝困難，另外，x和z向移動(dòng)通過(guò)同步帶傳動(dòng)，導(dǎo)致外廓尺寸較大，同時(shí)同步帶齒易折斷、磨損，需經(jīng)常更換。lu[14]、陸俊百[15]等對(duì)用于飛行器薄壁件柔性工裝定位陣列優(yōu)化自動(dòng)生成進(jìn)行研究，通過(guò)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，采用“n-2-1”的定位方法，解決了工裝定位曲面的快速生成和相應(yīng)的優(yōu)化控制等關(guān)鍵技術(shù)，已應(yīng)用于大型薄壁件的加工。
為解決當(dāng)前飛機(jī)壁板類(lèi)組件裝配工裝重構(gòu)性弱、定位精度低、通用性差及卡板依賴(lài)性強(qiáng)等問(wèn)題，本文根據(jù)機(jī)身壁板的結(jié)構(gòu)，分析其裝配需求，采用“n-2-1”的定位方法，研制了面向機(jī)身壁板的數(shù)字化柔性裝配工裝。通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)承載立柱，采用定位器夾持壁板邊界，由多個(gè)真空吸盤(pán)吸附壁板內(nèi)表面，并使用plc+ipc（可編程控制器+工業(yè)計(jì)算機(jī)）的控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)調(diào)整定位器和吸盤(pán)的定位布局，實(shí)現(xiàn)了機(jī)身壁板裝配的數(shù)字化和柔性化。
機(jī)身壁板裝配需求分析
機(jī)身壁板主要由蒙皮、長(zhǎng)桁等弱剛性薄壁件組成，按照特定的位置關(guān)系鉚接成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。蒙皮作為壁板的主要構(gòu)件，為剛性較差的彈性薄壁件，具有尺寸大、形狀復(fù)雜及易變形的特點(diǎn)，需用定位器保持其外形輪廓；長(zhǎng)桁一般為“z”形或“j”結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)桁外形面及蒙皮上取預(yù)裝配孔，按裝配孔沿蒙皮母線方向定位裝配[1-3]。結(jié)合數(shù)字化、柔性化裝配的要求，使用數(shù)字量的尺寸與形狀傳遞方式，采用鉆孔機(jī)器人完成蒙皮與長(zhǎng)桁的制孔，實(shí)現(xiàn)不同曲率機(jī)身壁板對(duì)象組成零件的預(yù)裝配定位工作，以保證飛機(jī)壁板的高精度裝配要求，文中根據(jù)機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)不同壁板定位布局的快速轉(zhuǎn)換，滿足不同壁板的定位需求，機(jī)身壁板組件柔性裝配需求如下：
（1）根據(jù)壁板在工裝中定位完成后，采用鉆孔機(jī)器人完成蒙皮與長(zhǎng)桁制孔時(shí)的開(kāi)敞性需求，需以蒙皮內(nèi)形為裝配基準(zhǔn)，采用內(nèi)定位的裝配定位方式。
（2）為滿足壁板在工裝上定位的穩(wěn)定性，采用“n-2-1”的定位方法（壁板內(nèi)表面由多個(gè)蒙皮內(nèi)形定位點(diǎn)進(jìn)行定位，壁板下側(cè)水平邊界由兩個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行定位，壁板豎直邊界由一個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行定位），在三維模型中均勻劃分壁板定位區(qū)域并在壁板范圍內(nèi)均勻布置壁板定位點(diǎn)，布置定位點(diǎn)過(guò)程中必須使其避開(kāi)長(zhǎng)桁及蒙皮內(nèi)表面存在臺(tái)階的區(qū)域，從而保證每個(gè)定位點(diǎn)均可對(duì)壁板進(jìn)行穩(wěn)定的定位。
（3）為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同蒙皮內(nèi)形的定位點(diǎn)進(jìn)行定位，結(jié)合真空吸盤(pán)吸附的穩(wěn)定性[5-9]，采用真空吸盤(pán)對(duì)蒙皮內(nèi)形進(jìn)行定位。
（4）針對(duì)不同曲率的機(jī)身壁板的裝配要求，需配以不同角度的吸盤(pán)安裝板，以保證真空吸盤(pán)的吸附夾持效果。
（5）為了實(shí)現(xiàn)不同尺寸的壁板組件的柔性定位要求，壁板組件承載立柱各運(yùn)動(dòng)方向的定位夾持單元須可以沿水平與豎直方向獨(dú)立運(yùn)動(dòng)；同時(shí)每個(gè)可移動(dòng)的蒙皮內(nèi)形定位夾持單元能夠獨(dú)立伸出移動(dòng)，以保證工裝能夠滿足不同弦高的機(jī)身壁板裝配要求。
工裝機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1工裝工作原理
根據(jù)機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合壁板組件裝配需求，融合模塊化設(shè)計(jì)思想[16]，設(shè)計(jì)以蒙皮內(nèi)表面為裝配基準(zhǔn)的數(shù)字化柔性裝配工裝，如圖1所示。工裝主要包括基座模塊、立柱模塊、蒙皮邊界定位夾緊模塊、蒙皮表面定位夾緊模塊。工裝采用“n-2-1”原則定位壁板，即壁板內(nèi)表面由多個(gè)蒙皮內(nèi)形定位點(diǎn)進(jìn)行定位，壁板下側(cè)水平邊界由兩個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行定位，壁板豎直邊界由一個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行定位。通過(guò)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)調(diào)整定位器的布局，形成不同的吸附點(diǎn)陣可以滿足不同壁板的裝配要求，實(shí)現(xiàn)工裝“一架多用”的功能。
2工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基座為多點(diǎn)可調(diào)支撐底座，由12個(gè)均勻分布的調(diào)平螺栓支撐，能夠有效應(yīng)對(duì)地基變化對(duì)工裝的影響?；戏桨惭b兩個(gè)承載立柱，1#立柱在x方向上固定不動(dòng)，2#立柱在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可沿x方向移動(dòng)。立柱左側(cè)安裝蒙皮表面定位夾緊模塊，立柱前端面安裝蒙皮水平邊界定位夾緊模塊，2#立柱右側(cè)安裝蒙皮豎直邊界定位夾緊模塊，如圖2所示。
蒙皮表面定位夾緊模塊由真空吸盤(pán)、吸盤(pán)安裝板、定位柱、y向驅(qū)動(dòng)單元和z向驅(qū)動(dòng)單元組成。吸盤(pán)安裝板上安裝兩個(gè)真空吸盤(pán)（可進(jìn)行周向±15°角度補(bǔ)償），為保證吸盤(pán)的吸附夾持效果，可根據(jù)壁板的曲率選擇不同角度（0°和15°）的安裝板進(jìn)行安裝，定位柱通過(guò)自身螺紋安裝于吸盤(pán)安裝板中部。吸盤(pán)在電缸的驅(qū)動(dòng)下可在y向移動(dòng)，電缸安裝在可上下運(yùn)動(dòng)的托板上，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可在z向移動(dòng)。選擇不同的吸盤(pán)安裝板能實(shí)現(xiàn)±30°的角度偏轉(zhuǎn)可滿足不同曲率的壁板的裝配要求，調(diào)整吸盤(pán)在y向的位置可適應(yīng)不同弦高的壁板裝配要求。
蒙皮水平邊界定位夾緊模塊由蒙皮夾緊裝置和z向驅(qū)動(dòng)單元組成。蒙皮夾緊裝置主要包括固定夾頭、移動(dòng)夾頭、蒙皮擋塊和連接板等，固定夾頭、移動(dòng)夾頭和蒙皮擋塊通過(guò)連接板組合在一起。蒙皮擋塊起定位作用，通過(guò)固定夾頭和移動(dòng)夾頭的相對(duì)移動(dòng)夾緊蒙皮，其中移動(dòng)夾頭的運(yùn)動(dòng)由氣缸帶動(dòng)。蒙皮夾緊裝置安裝于z向集成模塊上，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可在z向移動(dòng)。蒙皮夾緊裝置在z向的運(yùn)動(dòng)能滿足不同寬度的壁板的裝配要求。
蒙皮豎直邊界定位模塊由滑動(dòng)螺釘、安裝板和連接座組成，主要用來(lái)定位蒙皮在x向的位置?；瑒?dòng)螺釘上安裝蒙皮擋塊，調(diào)節(jié)螺釘在安裝板水平導(dǎo)槽中的位置來(lái)適應(yīng)不同曲率的蒙皮，安裝板通過(guò)連接座固定在在2#立柱右側(cè)面。在x向有效行程范圍內(nèi)，改變2#立柱在x向的位置，可滿足一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)壁板組件的穩(wěn)定性與柔性裝配。
3裝配誤差分析
在實(shí)現(xiàn)壁板組件的柔性裝配過(guò)程中，為保證裝配準(zhǔn)確度，要控制的誤差環(huán)節(jié)主要包括以下方面。
（1）工裝定位誤差。
工裝的定位誤差是指立柱定位單元的定位執(zhí)行末端從設(shè)定的原點(diǎn)位置出發(fā)，沿3個(gè)相互垂直的方向運(yùn)動(dòng)到理論空間位置后，定位器上定位基準(zhǔn)的實(shí)際空間位置與理論位置的偏差。在定位單元運(yùn)行調(diào)試過(guò)程中，定位單元不承受外部載荷，但其運(yùn)行工況、制造精度、安裝精度、幾何精度、測(cè)量精度與控制系統(tǒng)精度等因素均對(duì)定位有影響，其中，定位單元運(yùn)動(dòng)部件的幾何精度所產(chǎn)生的定位誤差是影響定位執(zhí)行末端定位誤差的zui主要因素[17]，主要包括各運(yùn)動(dòng)方向的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的軸向定位誤差與其導(dǎo)程誤差、導(dǎo)軌導(dǎo)向傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝定向誤差對(duì)定位基準(zhǔn)點(diǎn)產(chǎn)生的定位誤差。根據(jù)此3類(lèi)誤差源建立柔性工裝立柱定位單元單軸運(yùn)動(dòng)的定位誤差模型，并根據(jù)可疊加性原理對(duì)綜合定位誤差進(jìn)行綜合計(jì)算。經(jīng)誤差補(bǔ)償后，立柱定位單元模塊的定位精度方可滿足工程中對(duì)飛機(jī)部件的定位精度要求。
（2）零件制造誤差。
零件制造誤差是裝配誤差中的重要成分，其取決于形成零件zui后形狀和尺寸的尺寸傳遞過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，即裝配協(xié)調(diào)路線。在數(shù)字化裝配環(huán)境下，整個(gè)尺寸與形狀傳遞過(guò)程以飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，經(jīng)機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)及后置處理后，將產(chǎn)品的幾何形狀與容差信息通過(guò)數(shù)字量形式存在的nc加工指令直接傳遞給數(shù)控加工設(shè)備，形成物化的零件，經(jīng)數(shù)字測(cè)量設(shè)備檢測(cè)合格后，即可進(jìn)行產(chǎn)品的裝配工作。
（3）產(chǎn)品在工裝中的協(xié)調(diào)誤差。
在飛機(jī)壁板類(lèi)組件的裝配過(guò)程中，會(huì)受到夾持力、鉆孔力、連接力、回彈力等的作用，由于本身剛性不足，在外力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變形，當(dāng)外力釋放后，又會(huì)產(chǎn)生一定的變形回彈量，各種外力產(chǎn)生的變形量在裝配過(guò)程中相互影響，將引起裝配不協(xié)調(diào)、裝配超差等問(wèn)題。同時(shí)，定位誤差在裝配過(guò)程中影響各裝配環(huán)節(jié)，導(dǎo)致誤差進(jìn)一步放大。因此，針對(duì)壁板類(lèi)組件的裝配，需要詳細(xì)分析其定位過(guò)程與實(shí)際裝配工況，采用合理有效的方法得到個(gè)階段的定位誤差，獲取其裝配變形誤差，建立正確的耦合算法，綜合這兩類(lèi)誤差之間的影響關(guān)系，進(jìn)而獲取zui終的裝配誤差。
工裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
柔性工裝的自動(dòng)重構(gòu)主要依賴(lài)控制系統(tǒng)，它將完成壁板裝配過(guò)程中所需各種運(yùn)動(dòng)定位器的定位，實(shí)現(xiàn)工裝對(duì)壁板的可靠固定，保證機(jī)身壁板外形與數(shù)字化樣機(jī)的一致性[18-20]。
1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
壁板裝配工裝的控制是一種典型的以位置控制為目的的數(shù)字化控制系統(tǒng)，涉及到機(jī)、電、氣等多種系統(tǒng)的集成控制[21]。工裝包括12個(gè)定位調(diào)整單元，由21個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，屬多軸運(yùn)動(dòng)控制。
工裝控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上位機(jī)將驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送給控制器，控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將信息傳送給各驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成運(yùn)動(dòng)指令。電機(jī)編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將位移、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)發(fā)送回驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，借助數(shù)字化測(cè)量設(shè)備（激光跟蹤儀）實(shí)時(shí)測(cè)量工裝上定位基準(zhǔn)點(diǎn)的位置信息，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果不在誤差允許范圍內(nèi)需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。所有基準(zhǔn)點(diǎn)完成定位后即可將蒙皮夾緊，進(jìn)行制孔鉚接等操作。
2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)軟件包括兩部分：底層軟件（運(yùn)動(dòng)控制）和上層軟件（人機(jī)交互）。文中主要說(shuō)明上層人機(jī)交互軟件，包括系統(tǒng)初始化模塊、用戶管理模塊、工藝控制模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、氣動(dòng)控制模塊。
系統(tǒng)初始化模塊為用戶登錄及軟件啟動(dòng)時(shí)的參數(shù)初始化；用戶管理模塊是用來(lái)對(duì)用戶信息進(jìn)行管理；工藝控制模塊是工裝控制系統(tǒng)的軟件柔性化的體現(xiàn)，即通過(guò)運(yùn)行不同的工藝，完成不同壁板的定位，工藝編輯是對(duì)工藝內(nèi)容進(jìn)行編輯，工藝運(yùn)行是使工裝各運(yùn)動(dòng)軸按照預(yù)設(shè)的工藝順序執(zhí)行；運(yùn)動(dòng)控制模塊是手動(dòng)操作部分，包括設(shè)置電機(jī)的參數(shù)（速度、加速度、位置等）及單軸動(dòng)作（定零、回零、暫停/繼續(xù)等）；氣動(dòng)控制模塊是在各基準(zhǔn)點(diǎn)準(zhǔn)確定位后，完成蒙皮的夾緊動(dòng)作。軟件界面如圖3所示。
機(jī)身壁板組件裝配定位方法
根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)身壁板工裝機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)壁板組件的柔性定位，所采用的技術(shù)方案如下：
（1）根據(jù)工裝和壁板三維模型及其結(jié)構(gòu)和尺寸，結(jié)合裝配工藝，規(guī)劃各定位點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路徑，并使定位點(diǎn)在壁板范圍內(nèi)均勻分布。
（2）在三維cad裝配環(huán)境中，設(shè)定工裝裝配基準(zhǔn)坐標(biāo)系，根據(jù)工藝順序進(jìn)行裝配仿真并檢查是否有干涉，對(duì)干涉部分進(jìn)行檢查修改，通過(guò)裝配仿真獲得各定位點(diǎn)在裝配基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
（3）對(duì)上述獲取的定位點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成工裝各運(yùn)動(dòng)軸可用的數(shù)控代碼，利用控制系統(tǒng)使工裝各定位點(diǎn)按照工藝順序運(yùn)動(dòng)到理論位置。
（4）測(cè)量各定位點(diǎn)在工裝坐標(biāo)系中的實(shí)際位置，得到實(shí)際坐標(biāo)與理論坐標(biāo)的誤差值，把此誤差值反饋到控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算生成坐標(biāo)補(bǔ)償量，再利用控制系統(tǒng)對(duì)定位點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)補(bǔ)償，以保證各定位點(diǎn)的位置偏差在允許誤差范圍內(nèi)。
（5）先把機(jī)身壁板落放在下側(cè)水平邊界定位點(diǎn)上以保證壁板豎直方向上的定位，水平移動(dòng)壁板直至與豎直邊界定位點(diǎn)接觸以保證壁板水平方向的定位，把壁板內(nèi)表面靠近已生成的與蒙皮曲面*符合的真空吸盤(pán)吸附點(diǎn)陣，通氣后完成蒙皮的吸附工作，并對(duì)壁板邊界用夾緊裝置進(jìn)行夾持，完成對(duì)壁板內(nèi)形的完整定位。
（6）采用鉆孔機(jī)器人完成蒙皮與長(zhǎng)桁的制孔工作。
結(jié)論
本文針對(duì)傳統(tǒng)壁板裝配方法，借鑒國(guó)外多點(diǎn)陣真空吸附柔性工裝，根據(jù)機(jī)身壁板的結(jié)構(gòu)，采用“n-2-1”定位原則，設(shè)計(jì)機(jī)身壁板數(shù)字化柔性裝配工裝，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整吸盤(pán)及夾緊裝置的位置以滿足不同種類(lèi)壁板的裝配要求，其安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。其應(yīng)用可以減少剛性型架、縮短研制周期、通過(guò)數(shù)字量的協(xié)調(diào)傳遞提高裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有推廣價(jià)值。
（文章來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院）
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