柔性工裝在數(shù)字化裝配中的應用

柔性工裝在數(shù)字化裝配中的應用

飛機柔性安裝技術(shù)是先進數(shù)字服裝技術(shù)的重要組成部分，在國內(nèi)外航空公司中得到了廣泛應用。迄今為止,飛機裝配技術(shù)已經(jīng)歷了從手工裝配、半自動化裝配、自動化裝配到柔性裝配的發(fā)展歷程。近年來,為了縮短飛機生產(chǎn)準備周期,開始向飛機產(chǎn)品的工藝裝備提出了“柔性”的要求;另外同型號飛機的不同組件、部件或同類型飛機的對應組件、部件的工裝很多具備基本相同或相似的特征,也為實現(xiàn)產(chǎn)品工裝的“柔性”提供了可能,所以飛機柔性裝配工裝開始越來越多地應用到實踐中。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、自動化裝配工裝技術(shù),其目的是免除設(shè)計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、縮短工裝準備周期、減少生產(chǎn)用地,同時大幅度提高裝配生產(chǎn)率。柔性工裝一般具有柔性化、數(shù)字化、模塊化和自動化的特點。柔性化表現(xiàn)在工裝具有快速重構(gòu)調(diào)整的能力,從而一套工裝可以用于多個產(chǎn)品的裝配,這是柔性工裝的最根本特點;數(shù)字化特點體現(xiàn)在其從設(shè)計、制造、安裝到應用均廣泛采用數(shù)字量傳遞方式,是一種數(shù)字化的工裝;模塊化體現(xiàn)在柔性工裝在硬件上主要由具有模塊化結(jié)構(gòu)特點的單元組成,模塊化結(jié)構(gòu)單元的重構(gòu)實現(xiàn)了工裝的柔性;各模塊化單元可自動調(diào)整重構(gòu),體現(xiàn)了柔性工裝自動化的特點。本文在總結(jié)國內(nèi)外典型柔性工裝及其應用情況的基礎(chǔ)上,對飛機數(shù)字化柔性裝配工裝涉及的柔性工裝快速設(shè)計技術(shù)、柔性工裝仿真技術(shù)、柔性工裝集成控制技術(shù)、柔性工裝數(shù)字化安裝技術(shù)以及柔性工裝評價方法等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析探討。柔性工裝的優(yōu)點國外航空制造企業(yè)大力發(fā)展柔性裝配技術(shù),普遍采用柔性工裝,取得了非常顯著效果。國外飛機柔性裝配工裝主要包括多點陣成形真空吸附柔性工裝、行列式高速柱陣柔性裝配工裝、自動化對接平臺等。1多點式柔性工裝的裝配工藝多點陣真空吸盤式柔性工裝的模塊化單元為帶真空吸盤的立柱式單元,其在空間具有3個方向的運動自由度,通過控制立柱式單元生成與壁板組件曲面外形一致并均勻分布的吸附點陣,利用真空吸盤的吸附力,能精確和牢固地夾持壁板以便完成鉆孔、鉚接和銑切等裝配工作。當壁板外形發(fā)生變化時,工裝外形和布局自動調(diào)整,通過改變定位和夾緊位置,可適應不同零部件結(jié)構(gòu)和定位夾裝要求,從而降低了綜合成本,也縮短了工裝準備周期和產(chǎn)品的研發(fā)周期。多點陣真空吸盤式柔性工裝可分為立式、臥式和環(huán)式3種結(jié)構(gòu)形式,在機身壁板類組件的裝配中,主要應用立式和環(huán)式結(jié)構(gòu)的工裝;臥式結(jié)構(gòu)工裝則在一些復材結(jié)構(gòu)的水平尾翼和垂直尾翼的裝配中有應用。自20世紀90年代初開始,這種基于多點陣成形真空吸盤式柔性裝配工裝技術(shù)已廣泛應用于戴姆勒-奔馳宇航、波音、麥道、格魯門、英宇航、CASA、EADS/空客、龐巴迪宇航等公司軍、民用飛機的柔性裝配和生產(chǎn)中。2多組分排列調(diào)度行列式結(jié)構(gòu)柔性工裝是一種由多個行列式排列的立柱單元構(gòu)成的工裝,各立柱單元為模塊化結(jié)構(gòu),獨立分散排列,每個立柱單元上裝有夾持單元,夾持單元一般具有3自由度的運動調(diào)整能力,從而可通過調(diào)整各立柱單元上多個夾持單元排列分布,來實現(xiàn)對不同飛機零件的裝配。行列式柔性工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。行列式工裝結(jié)構(gòu)開敞性好,多與自動鉆鉚機配合使用。主要用于大型飛機的機翼壁板和翼梁裝配。行列式柔性工裝已廣泛用于空客系列飛機的機翼壁板和波音公司大型軍民用飛機翼梁的柔性裝配生產(chǎn)中。在空客系列飛機機翼壁板柔性裝配工裝上可完成A330/340、A319/320/321、A300等系列飛機機翼壁板的裝配。3柔性多點支撐工裝的布局方式自動化對接平臺是一個集成了工裝、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和計算機軟件的綜合系統(tǒng)。工裝驅(qū)動采用優(yōu)化的驅(qū)動數(shù)據(jù),在控制系統(tǒng)的控制下,工裝完成定位位置的調(diào)整、固定。根據(jù)飛機部件(前機身,中機身、后機身、機翼等)的結(jié)構(gòu)特點,柔性多點支撐陣列有三點式、四點式、六點式等布局,具體布局方式取決于飛機部件結(jié)構(gòu)特征。當被支撐飛機部件改變時,柔性支撐裝置作為基本單元,不需重新設(shè)計。只是通過改變各柔性支撐裝置的相對位置、增減柔性支撐裝置數(shù)量,迅速重構(gòu)組成新的柔性多點支撐陣列的方式,實現(xiàn)多機型共用同一支撐工裝,從而滿足新部件支撐要求。與傳統(tǒng)的對接平臺相比,自動化對接平臺能夠提高機體裝配質(zhì)量和效率,縮短周期,通用性強,適應不同尺寸的機身機翼結(jié)構(gòu)。根據(jù)工裝的結(jié)構(gòu)特點可把當前的大部件對接平臺分為3種形式:柱式結(jié)構(gòu)工裝平臺、塔式結(jié)構(gòu)工裝平臺和塔柱混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的工裝平臺。柱式結(jié)構(gòu)平臺結(jié)構(gòu)簡單、開敞性好,但其承載重量相對較小,多用于支線客機或軍機等中小型飛機的裝配中。在F35的部件對接中,采用AIT公司的EMAS系統(tǒng),就是一個典型的柱式結(jié)構(gòu)平臺。塔式結(jié)構(gòu)平臺形體較大,具有像伸縮臂一樣的運動調(diào)整部分,可從側(cè)面支撐和驅(qū)動部件,承載重量大,但結(jié)構(gòu)復雜,多用于大型客機如空客A380的對接。某型飛機大部件對接柔性工裝系統(tǒng)針對飛機型號研制需求,國內(nèi)航空企業(yè)聯(lián)合相關(guān)高校、研究所,加大了先進數(shù)字化裝配技術(shù)研究工作,開發(fā)了面向組件、部件和大部件對接的柔性工裝系統(tǒng),并得到了實際應用。其中浙江大學與中航工業(yè)西飛公司研制的某型飛機大部件對接柔性工裝系統(tǒng),針對飛機數(shù)字化裝配中大部件調(diào)姿與對接問題,設(shè)計了一種三坐標POGO柱,在此基礎(chǔ)之上提出了一種基于三坐標POGO柱三點支撐的姿態(tài)調(diào)整方法。西北工業(yè)大學與中航工業(yè)西飛公司基于壁板組件預裝配、壁板組件自動鉆鉚和壁板拼接的集成思想,研制了用于某型飛機壁板組件預裝配柔性工裝,如圖2所示。壁板組件預裝配柔性工裝的長桁夾持機構(gòu)可實現(xiàn)三個方向的運動以及繞X軸的轉(zhuǎn)動,其中繞X軸的轉(zhuǎn)動是通過長桁夾持機構(gòu)導板上的導向槽實現(xiàn)的(如圖3所示),從而使長桁與不同曲率蒙皮貼合,完成某型飛機蒙皮、長桁、剪切片的預裝配,提高了裝配質(zhì)量,減少了占地面積。柔性工裝集成的需要隨著先進數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展,以及型號研制的迫切需求,對柔性工裝技術(shù)提出了更高的要求?，F(xiàn)代的柔性工裝已經(jīng)不再像傳統(tǒng)的剛性工裝是一個單純的機械裝置,而發(fā)展演變成為一個集成了工裝結(jié)構(gòu)部分、測量部分、控制部分和其他部分(潤滑、工作梯等)的綜合系統(tǒng)。目前,柔性工裝涉及的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾種。1裝配型架的進步國外飛機制造企業(yè)一直在探索研究飛機柔性裝配工裝設(shè)計技術(shù),如將模塊化設(shè)計技術(shù)應用于飛機柔性裝配工裝的設(shè)計中,如在A380的工裝研制中,采用了標準立柱、標準液壓定位模塊、夾緊模塊、數(shù)字化定位模塊等,使飛機工裝的結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本的變化,提高了飛機裝配型架的設(shè)計制造效率,同時對裝配質(zhì)量的提高起到了極大的作用;AIT公司建立了標準的工裝模塊,廣泛應用于多個型號的工裝設(shè)計中,支撐飛機部件完成多機型飛機部件自動定位支撐和對接安裝,取得了良好的效益;洛克希德·馬丁公司在JSF原型機X-35的研制中采用了先進的模塊化柔性裝配工藝和系統(tǒng),縮短飛機裝配制造周期三分之二,由單機15個月縮短至5個月,工藝裝備由350件減少到19件,制造成本降低一半。雖然國內(nèi)柔性工裝使用日益廣泛,但對柔性工裝快速設(shè)計技術(shù)的研究較少,與國外有較大的差距。主要體現(xiàn)在設(shè)計方法、使能工具等方面。由于飛機數(shù)字化柔性裝配工裝具有典型的模塊化特征,因此基于產(chǎn)品平臺的可變型快速設(shè)計可以縮短工裝設(shè)計周期,是實現(xiàn)柔性工裝快速設(shè)計的有效途徑。4飛機裝配工裝技術(shù)的發(fā)展能否保證飛機裝配的質(zhì)量在很大程度上取決于飛機裝配工裝的準確度,而且主要是工裝的安裝準確度。為保證飛機裝配工裝的安裝質(zhì)量,工裝安裝方法從傳統(tǒng)的使用通用測量工具安裝(如使用拉線、吊線方法安裝工裝)、使用標準樣件安裝工裝、使用工裝裝配機安裝工裝等,發(fā)展到現(xiàn)在使用數(shù)字化方法安裝飛機裝配工裝。國外先進的飛機制造商在裝配工裝安裝時普遍采用數(shù)字化安裝方法,如波音737、777、C-17等飛機翼梁的裝配工裝的安裝就采用了激光跟蹤儀實時測量來裝配工裝。雖然國內(nèi)飛機制造企業(yè)在M600、ARJ21等裝配過程中同樣使用激光跟蹤儀來保證裝配工裝的準確度,相對而言,國內(nèi)在飛機裝配工裝安裝時雖然已普遍應用激光跟蹤儀,但相關(guān)基礎(chǔ)理論仍然缺乏,如坐標系的建立(ERS構(gòu)建及OTP點設(shè)置以經(jīng)驗為主)、誤差分析與補償?shù)?同時室內(nèi)GPS等其他數(shù)字化技術(shù)還在發(fā)展中。5評價指標的確定目前,對于柔性工裝及其技術(shù)尚沒有統(tǒng)一的評判標準。通過評價方法研究,建立數(shù)字化柔性工裝及其技術(shù)的評價模型,可以為企業(yè)分析自身在行業(yè)中的地位與水平、制定合理的裝備發(fā)展規(guī)劃、進一步提高裝備技術(shù)水平指明方向并為實施柔性工裝提供決策參考。整體性,各種技術(shù)有機結(jié)合而發(fā)揮作用,技術(shù)評價具有整體性;層次性,一個國家的生產(chǎn)活動由各地區(qū)、各行業(yè)和各部門的生產(chǎn)活動構(gòu)成,而行業(yè)、部門的生產(chǎn)活動又可以繼續(xù)細分,即技術(shù)評價具有層次性;動態(tài)性,技術(shù)總是處于不斷的發(fā)展中,不會長期停留在一個水平,對技術(shù)評價應考慮技術(shù)的發(fā)展?jié)摿臀磥戆l(fā)展趨勢,即對技術(shù)進行動態(tài)評價;相對性,技術(shù)評價需要有一個“參照物”,評價結(jié)果是相對的,不是絕對的;環(huán)境適應性,技術(shù)系統(tǒng)是一個開放的體系,任何技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展都離不開一定的環(huán)境,因此,進行技術(shù)評價時需考慮環(huán)境因素?！睂τ陲w機柔性工裝及其技術(shù)的評價,首先應該考慮整體性、層次性、動態(tài)性、相對性和環(huán)境等因素,提出構(gòu)建評價指標集的原則;綜合考慮技術(shù)水平、裝備可靠性、裝配柔性、經(jīng)濟效益等方面因素,建立評價指標集;根據(jù)擬定的評價流程,構(gòu)建合理的柔性工裝的評價模型,準確評估柔性工裝其技術(shù)實施效能。飛機研制的空白近年來我國的柔性裝配工裝技術(shù)雖然發(fā)展迅速,但與國外先進飛機裝配技術(shù)相比較,仍然存在差距,有些方面甚至還處于空白,制約了飛機研制生產(chǎn)水平的提高。分析柔性工裝技術(shù)存在的問題和發(fā)展方向,深入研究和應用柔性工裝設(shè)計技術(shù),突破我國柔性工裝技術(shù)中的薄弱環(huán)節(jié),推動柔性工裝技術(shù)在飛機制造的全面、協(xié)調(diào)、有效發(fā)展和應用,對于促進使我國飛機數(shù)字化裝配技術(shù)盡快達到國外先進水平,實現(xiàn)行業(yè)的跨越式發(fā)展具有重要意義。2柔性工裝仿真分析的困難柔性裝配工裝設(shè)計完成之后,通常對結(jié)構(gòu)部分進行力學仿真分析,以校核其強度、剛度。但由于柔性工裝定位夾緊等機構(gòu)的零件眾多,且其位置隨產(chǎn)品而變,因此仿真時的結(jié)構(gòu)簡化、加載方式等地選擇是實現(xiàn)柔性工裝精確仿真的困難之處。另外,人機功效也是仿真分析的重要方面。通過人機功效分析以檢查工裝、產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系,包括可達性、順序性、方向性、干涉情況等,幫助設(shè)計人員及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中的缺陷。由于飛機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜、要求高、關(guān)鍵部位多,裝配關(guān)系復雜,其數(shù)字化工裝及操作平臺結(jié)構(gòu)更為復雜,包含數(shù)字化定位器等運動機構(gòu),大量的數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)關(guān)系、機構(gòu)等導致計算機運行速度和仿真效率的嚴重低下,甚至無法進行。通過對數(shù)字化裝配工裝、操作平臺及工具等結(jié)構(gòu)特點進行分析,實現(xiàn)工裝結(jié)構(gòu)的輕量化,建立相關(guān)的運動機構(gòu)和機制,并保證仿真結(jié)果的正確性是仿真分析的重要課題。3柔性工裝高精度定位技術(shù)研究數(shù)字化柔性工裝中的精確定位,通常是由控制系統(tǒng)通過驅(qū)動伺服電機實現(xiàn)定位點的運動來完成的,因此伺服控制系統(tǒng)是實現(xiàn)飛機柔性裝配技術(shù)重要的一環(huán)。隨著飛機產(chǎn)品復雜程度的增加,保證飛機裝配過程中所需各種運動部件的精確定位,實現(xiàn)工