面向飞机的舵面类柔性装配工装设计及应用

路卫华，谭 娜

（1.中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110032；2.辽宁天意实业有限公司，辽宁 129013）

面向飞机的舵面类柔性装配工装设计及应用

路卫华1，谭 娜2

（1.中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110032；2.辽宁天意实业有限公司，辽宁 129013）

0 引言

二十世纪九十年代以来，为满足飞机制造业对其装配过程高质量、高效率、低成本并能适应多品种产品的生产要求，柔性装配技术在飞机制造业中得到了越来越广泛的运用[1]。

作为飞机柔性装配系统的重要组成部分[2]，柔性工装是基于产品数字量尺寸协调体系的可重组、模块化、自动化装配工装，其目的是在满足功能要求的基础上，免除设计和制造各种零部件装配的专用固定型架、夹具。

1 柔性工装结构特点

1.1 舵面类柔性装配工装需求分析

单架飞机通常包括多个飞机舵面，其结构形式相似，尺寸变化不大，且左右舵面完全对称。当采用传统工装进行装配时，由于各个舵面定位形式不同，需采用多套工装分别进行定位。在研制阶段及小批量试制阶段，工装生产准备时间长，不能够满足现代飞机快速研制的要求；而在大批量生产阶段，当出现生产瓶颈时，难以快速有效的消解。

因此，需要满足研制生产要求的舵面类柔性装配工装： 1）能够适应同类飞机中多套舵面的装配定位工作； 2）能够实现不同舵面定位形式间的快速转换；3）具有一定的扩展性以满足产品改型及工艺变更的需求。

1.2 舵面类柔性装配工装结构特点

传统的固定式装配工装往往只能适应特定的装配对象，其结构形式受到飞机部件的尺寸、结构、定位交点位置的严格限制，工装利用率低，占地面积大[3]。

图1 立框式柔性装配工装结构形式图

根据舵面类部件柔性装配的需求，采用立框式柔性装配工装的结构形式[4]，由静态框架和动态模块两部分组成。静态框架是柔性装配工装的骨架部分，由标准零件和连接件组合而成。动态模块则是依附于静态框架上，依据飞机部件的不同需要而设计，具有多个自由度，通过转接器调整其定位部件，以满足同类相似产品定位需求的定位器。立框式柔性装配工装结构如图1所示。

2 设计流程

舵面类柔性装配工装设计过程主要包括四个步骤，总体流程如图2所示[5]。

图2 舵面类柔性装配工装设计流程图

舵面类柔性装配工装的具体设计过程如下：

第一步，分析所需装配舵部件的结构特点及其共性。不同舵面部件虽然在外形尺寸上不尽相同，但结构形式及其相似，都是以对接交点为装配定位核心，由梁、加强肋、壁板、尾缘组件及连接件组装而成。因此，柔性装配工装的结构布局基本确定。

第二步，以模块化元件为关键组成。典型件的设计充分考虑在同一模块中，集成支撑、定位和夹紧等主要功能，并配备快速转换装置。从基本模块中生成多种功能，用标准化的模块满足公共的功能需求。

第三步，整体装配方案的确定及详细设计。

1）通过整体结构及主要元件的合理布置和调节，使得同一套工装可定义和构建适用于一组不同装配件制造要求的多个定位系统。

2）柔性装配工装的主要模块和元件，均采用激光测量技术来调节这些模块和元件间的相互位置关系，以快速形成工装定位构型，并确保此构型的准确性。

3）自适应调节和补充定位精度。通过光栅尺、激光跟踪仪等测量系统，采集和反馈工件的空间定位精度，通过对比理论精度调整相关定位元件的方位。

第四步，验证及评价。采用有限元分析对结构强度进行校核，通过DELMIA三维数字化装配工艺设计与仿真技术对柔性装配工装的功能及形式进行验证并反馈，优化工装设计方案。反复迭代，直至满足装配需求，确定最终的设计结果。

3 设计方法

3.1 静态框架强度分析

与传统装配工装不同，柔性装配工装添加了动态调整单元，其伺服机构为结构框架带来了更高的承重要求，且在调整单元存在着位姿变换的问题，故在强度校核过程中需对调整单元的极限状况进行分析。

考虑到加工和安装方便，舵面类柔性工装采用型钢（GB/T6728-2002）结构。通过理论计算和Ansys软件仿真，对比分析不同型号规格型钢在自重条件下的最大变形，结果如表1所示。通过数据分析可知，140×220的矩形冷弯空心型钢变形最小，故选用该型号型钢为骨架材料。

表1 不同型号规格型钢骨架自重变形分析结果

为保证骨架在装配过程中的变形满足精度要求，现对骨架承受1.5倍工作载荷，并在中央受集中力（变形最大）和两端受均布力（受力最小）两种极限状况下的受力状况进行分析，受力分析结果如表2所示。

表2 不同位置下的有限元分析结果

由数据可知，最大应力远小于材料的屈服强度（235 MPa）。中央受集中力载荷情况在工作状态时不会出现，故骨架满足最大变形≤0.1mm弹性变形，符合设计要求。

3.2 动态调整单元集成控制及调形控制方法

目前，该柔性工装包括18个动态调整单元，由46个伺服电机控制运动，属于多轴运动控制范畴，其伺服驱动系统的控制方式选择PLC。通过对控制方案分析，控制系统采用德国倍福的“软PLC”控制器。

图3 控制系统结构图

运动控制模式为“工控机（安装有TwinCAT）+驱动器+伺服电机”，模拟量及数字量I/O通过适配器通过EtherCAT与TwinCAT进行通讯，如图3所示。

动态调整单元的调形控制分两步进行。首先，对数模中各动态调姿单元位置的确定，编辑运动轨迹控制程序。在定位调形过程中，在工控机输入所需定位的舵面部件工位编号，驱动伺服电机，将动态调整单元运动到其大致的理论位置。其次，进一步通过激光测量仪测量，精确调整动态调整单元的位置。在柔性装配工装产品数字化模型中，各个动态调姿单元均包含了其激光测量使用的靶球位置，通过记录各动态调姿单元的靶球位置，并使用激光测量仪测量比较，最后驱动伺服电机补偿测量误差。动态调整单元的调整过程如图4所示。

图4 控制系统结构图

4 结束语

当前飞机制造业小批量多型号的需求对航空企业提出了更高的柔性要求，根据企业实际需求，提高装配柔性是解决该问题的有效手段。本文论述的舵面类部件柔性装配工装研制成功后，在飞机制造过程中将取得如下效果：1）明显提高飞机零件的装配准确度；2）降低同系列产品40 %～50 %的工装成本； 3）使飞机装配周期缩短为原来的2/3，大幅度地改善企业的工装投资短时间不能收回的局面； 4）能够推动柔性装配技术在飞机生产中更加有效的发展和应用，使我国飞机制造尽快达到国际先进水平。

[1]王巍,贺平,万良辉.飞机柔性装配技术研究[J].机械设计与制造,2006,7(11):88-90.

[2]邹方,薛汉杰,周万勇,许国康.飞机数字化柔性装配关键技术及其发展[J].航空制造技术,2006,1(9):30-35.

[3]范玉青.现代飞机制造技术[M].北京航空航天大学出版社.1999.

[4]王亮,李东升,罗红宇,靳阳.飞机装配数控柔性多点工装技术及应用[J].北京航空航天大学学报,2010,36(5):540-544.

[5]邱益,郑国磊,饶有福,郑洪涌.飞机柔性装配工装智能化设计(FFixCAD)系统[J].航空制造技术,2011,12(24):90-94.

Design and application of fl exible fi xture for rudder-face assembly

LU Wei-hua1，TAN Na2

飞机制造业已经逐步向小批量多型号的生产方式转变，柔性装配工装能满足对多种部件的定位与夹持，是实现飞机柔性装配的关键技术之一。针对舵面类部件装配的需求和结构特点，提出了一种舵面类部件柔性装配工装的设计流程，并详细分析了其设计方法与关键技术。最后，通过实际应用，验证并总结了该方法的有效性。

柔性工装；飞机装配；设计与应用；数字化制造

路卫华（1978 -），男，工程师，主要从事飞机数字化装配与飞机柔性装配工作。

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1009-0134(2013)01(下)-0116-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.01(下).33

2012-08-30

国家科技攻关计划（2011BAF13B11，2010BAF13B11）