柔性工裝技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用

柔性工裝技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用

飛機(jī)制造過(guò)程可分為四個(gè)階段：羊毛制造、零件加工、設(shè)備安裝和試驗(yàn)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)不同于一般的機(jī)械結(jié)構(gòu),在其裝配過(guò)程中,不能單靠零件自身形狀和尺寸的加工準(zhǔn)確性來(lái)裝配合格的部件,故在飛機(jī)的裝配過(guò)程中大量采用了具有定位功能的工藝裝備,以保證飛機(jī)產(chǎn)品從零組件到部件裝配過(guò)程中的精確幾何外形以型架為代表的傳統(tǒng)裝配工裝多采用剛性結(jié)構(gòu),其可重構(gòu)性差,裝配模式采用一個(gè)組件對(duì)應(yīng)一個(gè)型架的一對(duì)一模式。因此,對(duì)應(yīng)一個(gè)飛機(jī)產(chǎn)品,需要設(shè)計(jì)制造大量工裝,這不僅增加了飛機(jī)的制造成本,延長(zhǎng)了飛機(jī)的制造周期,而且大量的裝配型架占據(jù)了大量的廠房面積,特別是隨著越來(lái)越多新機(jī)型的出現(xiàn),裝配工裝占地面積大的矛盾越來(lái)越突出。隨著數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)制造過(guò)程中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,以柔性工裝技術(shù)為代表的各種數(shù)字化柔性裝配技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配技術(shù)是一種能適應(yīng)快速研制和生產(chǎn)、低成本制造要求,及設(shè)備和工裝模塊化、可重組的先進(jìn)裝配技術(shù)柔性工裝技術(shù)是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的可重組的模塊化、自動(dòng)化裝配工裝技術(shù),其目的是免除設(shè)計(jì)和制造各種零部件裝配的專用固定型架、夾具,可降低工裝制造成本、縮短工裝準(zhǔn)備周期、減少生產(chǎn)用地,同時(shí)大幅度提高裝配生產(chǎn)率柔性工裝技術(shù)在國(guó)外飛機(jī)的各級(jí)裝配中都得到了廣泛的應(yīng)用,無(wú)論是壁板類組件的裝配,還是機(jī)身機(jī)翼等大部件的裝配,直至最終各個(gè)大部件的對(duì)接,都應(yīng)用了大量的柔性裝配工裝。柔性裝配工裝的類型包括用于壁板類組件裝配的多點(diǎn)陣真空吸盤式柔性裝配工裝、用于機(jī)翼翼梁和機(jī)翼壁板裝配的決定性柔性裝配工裝、用于機(jī)身部件裝配的分散式機(jī)身柔性裝配工裝,以及用于大部件對(duì)接的自動(dòng)化對(duì)接平臺(tái)等幾類。國(guó)外的飛機(jī)制造商在飛機(jī)裝配過(guò)程中通過(guò)大量應(yīng)用柔性工裝技術(shù),大大降低了飛機(jī)的裝配制造成本,提高了生產(chǎn)效率,縮短了裝配周期,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。飛機(jī)壁板類組件結(jié)構(gòu)尺寸大,剛度小,制造精確度要求高。在壁板類組件的傳統(tǒng)裝配過(guò)程中,為減小變形、保證定位的準(zhǔn)確性,型架結(jié)構(gòu)(如圖1所示)均采用剛性結(jié)構(gòu),用來(lái)定位的卡板固連在型架骨架上。因此,一個(gè)型架只對(duì)應(yīng)一套卡板,從而只能適用于一個(gè)壁板組件的裝配。我國(guó)當(dāng)前的飛機(jī)壁板組件裝配還是采用這種傳統(tǒng)的裝配方式。在國(guó)外飛機(jī)壁板類組件的裝配過(guò)程中,工裝多采用多點(diǎn)陣真空吸盤式柔性工裝,如圖2所示。多點(diǎn)陣真空吸盤式柔性裝配工裝由一組立柱吸盤組成,吸盤在控制程序控制下可進(jìn)行三維移動(dòng)定位,生成與壁板組件曲面完全符合且分布均勻的吸附點(diǎn)陣,從而精確可靠地定位和夾持壁板。當(dāng)產(chǎn)品外形發(fā)生變化時(shí),吸附點(diǎn)陣布局自動(dòng)進(jìn)行數(shù)字調(diào)整,可以適應(yīng)不同的裝配組件外形。系統(tǒng)中各軸均采用精磨滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器,各垂直絲杠及導(dǎo)軌包含若干個(gè)末端執(zhí)行器,末端執(zhí)行器可成組移動(dòng)到指定位置,或根據(jù)應(yīng)用對(duì)象要求的支點(diǎn)數(shù)量以等間隔分布。圖2左圖中夾持的蒙皮為復(fù)合材料,正準(zhǔn)備移至相應(yīng)結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行定位作業(yè)。圖2中右端的控制器通過(guò)控制程序可控制各個(gè)真空吸盤運(yùn)動(dòng)到精確位置,定位精度可達(dá)0.005英寸(0.127mm)。通過(guò)上述對(duì)比可以看出,多點(diǎn)陣真空吸盤式柔性工裝不僅具有很好的柔性,而且定位精度高,值得我們研究和學(xué)習(xí)。但在我國(guó)當(dāng)前的國(guó)情狀況下,推廣應(yīng)用這種柔性工裝還有不少阻力和困難。首先由于多點(diǎn)陣真空吸盤式柔性工裝的裝配工藝與我國(guó)當(dāng)前基于剛性型架的裝配工藝差別較大,工人可能需要一定的時(shí)間來(lái)習(xí)慣和適應(yīng);其次這種工裝在應(yīng)用中,往往需要與自動(dòng)鉆鉚機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備配合使用,而當(dāng)前國(guó)內(nèi)自動(dòng)鉆鉚機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用還很少。因此,當(dāng)前在我國(guó)推行這種先進(jìn)的柔性工裝還有一段路要走。但是,隨著我國(guó)飛機(jī)制造業(yè)數(shù)字化工程的實(shí)施以及各種新機(jī)型的快速研制,飛機(jī)裝配中亟需應(yīng)用推廣柔性工裝技術(shù),但又必須立足于我國(guó)國(guó)情狀況。因此,基于我國(guó)當(dāng)前的飛機(jī)裝配工藝,研制能適應(yīng)不同產(chǎn)品的數(shù)字化柔性裝配工裝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。北京航空航天大學(xué)和沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司合作,在國(guó)內(nèi)研制出了首個(gè)針對(duì)壁板類組件裝配的柔性裝配工藝裝備——數(shù)控柔性多點(diǎn)裝配型架?？刂迫嵝渣c(diǎn)配置結(jié)構(gòu)1卡板的裝配工藝數(shù)控柔性型架是在研究國(guó)外柔性工裝技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的飛機(jī)裝配狀況,將國(guó)外柔性工裝技術(shù)的思想和我國(guó)當(dāng)前的裝配工藝相結(jié)合開(kāi)發(fā)完成的。其核心思想是將卡板定位支點(diǎn)可移動(dòng)化,使原本固定的卡板定位支點(diǎn)變成可重構(gòu)調(diào)形的可移動(dòng)支點(diǎn),通過(guò)更換不同的卡板,實(shí)現(xiàn)利用一個(gè)型架裝配多個(gè)壁板組件的目的,這樣既實(shí)現(xiàn)了工裝的柔性,又沿用了當(dāng)前國(guó)內(nèi)壁板裝配采用卡板定位的裝配工藝,便于工人操作使用。數(shù)控柔性裝配型架的原理為:在傳統(tǒng)型架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加可重構(gòu)調(diào)形單元,卡板定位支點(diǎn)位于可重構(gòu)調(diào)形單元上,利用數(shù)控技術(shù)精確控制可重構(gòu)調(diào)形單元在豎直方向和水平方向運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)卡板定位支點(diǎn)精確重構(gòu)調(diào)形,從而通過(guò)更換不同壁板組件對(duì)應(yīng)的卡板,即可完成多個(gè)不同壁板類組件的裝配。數(shù)控柔性多點(diǎn)型架主要由機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)及調(diào)形計(jì)算軟件系統(tǒng)組成。在工作過(guò)程中,3個(gè)系統(tǒng)相互聯(lián)系,互相配合,保證了調(diào)形數(shù)據(jù)在數(shù)控型架應(yīng)用過(guò)程中的全數(shù)字量傳遞,最終實(shí)現(xiàn)了卡板定位支點(diǎn)的精確重構(gòu)調(diào)形。數(shù)控柔性多點(diǎn)型架的工作流程如圖3所示。壁板類組件與其對(duì)應(yīng)的卡板在CATIA系統(tǒng)中設(shè)計(jì)完成后,與在CATIA環(huán)境中建立的數(shù)控柔性多點(diǎn)型架的三維數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行預(yù)裝配,提取卡板定位關(guān)鍵點(diǎn),建立一個(gè)裝配關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)模,調(diào)形計(jì)算軟件對(duì)該關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)模進(jìn)行分析計(jì)算,得到數(shù)控柔性多點(diǎn)型架的調(diào)形數(shù)據(jù)并生成數(shù)控代碼,最后傳遞給數(shù)控型架的控制軟件系統(tǒng)運(yùn)行此數(shù)控代碼,可重構(gòu)調(diào)形單元運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置,完成調(diào)形。數(shù)控柔性多點(diǎn)型架在應(yīng)用過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)了調(diào)形數(shù)據(jù)的全數(shù)字量傳遞,提高了型架的定位準(zhǔn)確度。2可重構(gòu)調(diào)形單元數(shù)控柔性多點(diǎn)型架在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)是在傳統(tǒng)型架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了16個(gè)可重構(gòu)調(diào)形單元(原理如圖4所示),伺服電機(jī)通過(guò)減速裝置帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)與固定在型架橫梁上的齒條嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)調(diào)形單元在水平方向的運(yùn)動(dòng);可重構(gòu)調(diào)形單元在豎直方向的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副來(lái)實(shí)現(xiàn)?？ò宥ㄎ恢c(diǎn)安裝在可重構(gòu)調(diào)形單元上,可重構(gòu)調(diào)形單元在水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了卡板定位支點(diǎn)在這2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。卡板定位支點(diǎn)調(diào)形到位后,電器上通過(guò)伺服電機(jī)的抱閘、機(jī)械上通過(guò)鎖死螺母雙重鎖死可重構(gòu)調(diào)形單元,保證定位的可靠性。3上位機(jī)+集成伺服單元的控制數(shù)控柔性多點(diǎn)裝配型架需要實(shí)現(xiàn)16個(gè)可重構(gòu)調(diào)形單元在水平和豎直方向的精確運(yùn)行,因此需要控制32個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)建立上位機(jī)+集成伺服單元的數(shù)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)32個(gè)伺服電機(jī)的精確控制。作為上位機(jī)即控制主站,工控機(jī)采用德國(guó)AMK公司的KU控制器(內(nèi)部集成PLC功能)為伺服主站,AMK公司的IDT一體化電機(jī)作為伺服從站,2者構(gòu)成集成伺服單元。整個(gè)系統(tǒng)采用了3個(gè)KU伺服主站,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線串聯(lián)了32個(gè)IDT伺服從站。(1)伺服單元子系統(tǒng)上位機(jī)與伺服主站之間通過(guò)串口線相連,伺服主站與伺服從站由AMK公司內(nèi)部的ACC總線相連。電機(jī)采取總線串聯(lián)方式以盡可能地減少系統(tǒng)連線。而采用一體化伺服電機(jī),內(nèi)部集成伺服單元,一方面大量節(jié)約了執(zhí)行單元所占空間,另一方面進(jìn)一步減少了執(zhí)行單元的內(nèi)部和外部連線,每個(gè)電機(jī)連線包括動(dòng)力線僅為3股。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)主要由控制主站與伺服主站的通信以及伺服主站與伺服從站通信2個(gè)階段組成。串口通信協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)控制主站與伺服主站的通信,而KU伺服主站與IDT伺服從站之間的通信則由基于ACC總線的AFP(AMKFieldbusProtocol)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。其中KU伺服主站實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。(2)fpga控制器控制軟件主要包括工控計(jì)算機(jī)上的主控軟件NCFF系統(tǒng)和伺服主站的PLC軟件。工控計(jì)算機(jī)主站軟件NCFF的主要功能為人機(jī)交互、指令構(gòu)建發(fā)送和狀態(tài)整理顯示,采用VisualBasic6.0開(kāi)發(fā)。工控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行NCFF控制主程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的指令控制、狀態(tài)處理、資源管理和人機(jī)交互等。PLC軟件主要功能為對(duì)串口通信協(xié)議和AFP協(xié)議的編碼、解碼及轉(zhuǎn)發(fā),采用CodeSys軟件開(kāi)發(fā)。4基于api加速開(kāi)發(fā)調(diào)形計(jì)算軟件系統(tǒng)是基于CATIA軟件平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)功能完成的。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法(OOP)、基于VB6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā),利用CATIA公開(kāi)的用于二次開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序編程接口(API),通過(guò)引用選擇不同的類和函數(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)流程如圖5所示。柔性工裝技術(shù)是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的可重組的模塊化、自動(dòng)化裝配工裝技術(shù),其目的是免除設(shè)計(jì)和制造各種零部件(如壁板類、翼梁類組件,機(jī)翼、機(jī)身部件等)裝配的專用固定型架、夾具,可降低工裝制造成本、縮短工裝準(zhǔn)備周期、減少生產(chǎn)用地,同時(shí)大幅度提高裝配生產(chǎn)率。飛機(jī)數(shù)字設(shè)備的柔性涂層技術(shù)和典型應(yīng)用功能模塊設(shè)計(jì)調(diào)形計(jì)算軟件具有初始參數(shù)設(shè)置、文檔操作和調(diào)形計(jì)算等3個(gè)主要功能模塊。系統(tǒng)計(jì)算完成后,自動(dòng)生成數(shù)控系統(tǒng)要求的XML格式的數(shù)控指令代碼,從而可以直接傳遞到工控機(jī)的控制軟件上,控制機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到合適位置?？ò宓陌惭b位置針對(duì)某型號(hào)飛機(jī)的2個(gè)壁板組件,對(duì)數(shù)控柔性多點(diǎn)型架進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。圖6為2個(gè)不同壁板類零件對(duì)應(yīng)的卡板安裝在數(shù)控型架上后的效果圖。通過(guò)上述2個(gè)零件的裝配表明:數(shù)控柔性多點(diǎn)裝配型架系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),定位精確,通過(guò)激光干涉儀測(cè)量水平和豎直方向的定位精度均在±0.05mm以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了利用一個(gè)型架完成多個(gè)壁板類組件的定位裝配,實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)裝配過(guò)程中裝配型架與壁板組件“一對(duì)多”的工作模式。數(shù)控柔性多點(diǎn)型架在研究飛機(jī)數(shù)字化裝配柔性技術(shù)的基礎(chǔ)上,介紹了國(guó)外面向飛機(jī)壁板類