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飞机翼盒水平装配柔性夹具设计与验证研究 |
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作者：王艺玮 郑联语 蔡志为 |
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摘要：在航空工业中柔性夹具是飞机装配技术的一个重要研究方向。基于盒式连接和六足定位技术，本文提出并设计了一种在翼盒装配中应用的柔性水平式装配单元的实现方法，采用CATIA 软件建立了缩微型柔装配夹具（工装）的三维模型，对主要部件进行了强度分析，采用ADAMS 进行了夹具工作过程仿真，分析了其在安装和使用过程中需要做的测量验证工作，初步验证了翼盒水平装配柔性夹具设计方案的可行性，为真实尺寸的夹具设计和验证提供了参考。
关 键 词：翼盒；柔性夹具；水平装配；盒式连接
引言
在航空产品的制造中，飞机装配是将零件（组件、部件）按照设计和技术要求进行组合、连接，形成高一级的装配件或整机的过程。飞机装配由于产品尺寸大、形状复杂、零件以及连接件数量多，其劳动量占飞机制造总劳动量的一半左右甚至更多，因此欧美发达国家对飞机装配技术十分关注，并投入巨资进行研发。
目前，国内外蓬勃发展的柔性装配技术是一种能适应快速研制和生产及低成本制造要求、设备和工装模块化可重组的先进装配技术。它与数字化技术、信息技术相结合，形成了自动化装配技术的一个新领域。
1 翼盒装配工艺
1.1 飞机翼盒装配简介
在机翼结构中，翼肋中段与翼梁、蒙皮构成的部分称作翼盒。翼盒是机翼的主要承重结构。翼盒不仅是保持飞机飞行的主要机翼结构，也承担着飞机油箱的工作。每架飞机拥有两个机翼翼盒，分别装配在左翼和右翼。翼盒承担着飞机起飞、巡航和着陆过程中大部分的重量和压力。飞机机翼还支撑着飞机的动力装置和主起落装置。
传统的飞机翼盒装配采用垂直装配，即用型架将飞机的前梁固定地吊在铅垂平面内，将翼肋垂直于前梁安装好，再安装翼盒的后梁，最后安装蒙皮，如图1 所示。
图1 翼盒垂直装配
1.2竖直装配存在的缺点
传统的垂直装配需要将翼梁吊在空中，需要的空间高度很大。对于大型飞机，例如空客A380，装配型架要高达数十，占用空间太大。
垂直的机翼没有处于工作状态，对它的各项参数不好测量和评价。例如，垂直装配时，前翼梁和后翼梁空间高度相差达十几米甚至几十米，会有一定的温差，而温度的差异会使零件产生不同的变形，给装配带来精度误差。
采用水平装配方法，就是将翼盒以水平方式放置于夹具之上进行装配操作，这样可以解决上述问题。而水平装配技术要解决的是柔性设计以及如何进行装配操作的问题。
2 翼盒水平装配柔性夹具设计
2.1 基于盒式连接技术的柔性型架
盒式连接，如图2所示，是一系列的标准梁和连接件组合成的联合装置和框架。装置中的连接部分，没有焊接或其他永久性连接，而是采用了螺栓连接的摩擦接合。盒式连接概念的好处在于，它是由钢或碳纤维制成的标准模块化组件构成。系统的模块化能够适合不同尺寸的装配。另一个优点是，它不需要像传统装置一样精确配置，因为整个装置可以随时进行调整。基于盒式连接技术建立的主型架如图3所示。
本文中，采用的方形梁与盒式连接组成的主框架的尺寸数据为：横梁的长度设计为1.5m，横梁的界面尺寸设计为140mm x140mm x 6mm。竖梁的尺寸同横梁一样。中间板的尺寸设计为190mm x190mm，与梁接触部分的面积为140mm x 140mm。
槽的深度设计为10mm。两边板的受力分析与中间板类似，尺寸同中间板一致，只有一面开槽，槽的深度为10mm。
2.2 基于六足定位的柔性固持装置
在型架与飞机翼盒之前的柔性固持部分，采用六足定位装置满足其柔性需求。六足定位装置如图4所示。
图4 六足定位装置
六足定位装置底板通过盒式连接安装在型架上，顶板与需要固持的翼盒相连。其顶板的移动通过连接顶板和底座的六个脚腿实现。事实上可以通过任意改变脚腿长度来使顶板移动到它工作空间内的具有任意角度的任意一个位置。六足定位装置的一个重要的特点就是顶板在空间的任意一个位置都有相应的六条脚腿的长度设置来对应。当六足定位装置进行重新设置时，这种连接方式可以方便的调节以达到新的位置。
2.3 水平柔性装配的辅助设施
在竖直装配过程中，装配的操作主要是在侧面进行。而对与水平装配，由于翼盒的水平放置，装配的操作需要在翼盒的上方进行。这样就需要另外建立一个带有升降平台的型架，将机器人至于待装配的翼盒上方，对翼盒进行装配过程中的各种操作。此外，还要有一个型架用于固定工业相机等测量装置，在型架组装及翼盒装配过程中进行必要的测量工作.
由主型架、六足定位装置以及机器人定位机构和测量装置形成的完整柔性夹具如图5所示。
图5 整体夹具的构成
3 翼盒水平装配柔性夹具验证
3.1 部件应力分析
主型架需要承担500Kg的重量，材料为牌号Q255的碳素结构钢。由于在装配过程中，各个梁承重并不平均，而且装配操作可能有轻微的冲击，故假设横梁承受600kg的重量。横梁模型两端固定，在形心位置施加向下的集中载荷5886N，利用CATIA有限元分析模块对横梁分析，如图6所示。计算结果最大应力8.05MPa，最大变形0.044mm。
图6 横梁的有限元分析结果
对盒式连接的中间板进行有限元分析，四个螺栓孔位置固定，在与梁接触的面的形心位置施加10960N 的集中力，分析结果如图7 所示，中间板的最大应力为44.6MPa，发生在四个钻孔的位置。
对盒式连接的侧板进行有限元分析，侧板的四个螺孔位置固定，在与横梁接触的一面上施加10906N的集中载荷。最大应力为53.5MPa。最大位移为0.0158mm，如图8所示。
经过分析，各部件所承受的最大应力均未超过材料允许的盈利范围，而由应变产生的位移，最终可以通过六足定位装置进行调节，使其并不影响装配精度。
3.2 运动仿真
运动仿真能够简单展示柔性夹具的工作过程，是整个夹具验证工作的一个重要环节。由于CATIA自带数字样机模块仿真功能有限，本文采用接口软件simdesigner将CATIA中的装配模型导入ADAMS，最终仿真实现是基于CATIA+SimDesigner+ADAMS的。图9-12 为主要仿真结果，其中图9 是初始位置，图10 是机械手夹持一根翼肋，将它安装在翼梁上正确的位置，图11 是机械手完成工作，被顶部机器人型架带回到初始位置，图12 是测量型架上安装的照相机开始动作，将翼肋与壁板装配间隙情况予以测量。
仿真结果结果表明，该工装夹具能够达到了预期的工作过程。
图9 初始位置
3.3 测量辅助的验证
对水平装配柔性夹具的测量工作，根据其特点，在安装过程中和翼盒的装配过程中，有一些特别的测量工作。在安装过程中，不仅要使用激光跟踪仪对型架梁的位置进行测量，还要对盒式连接的连接部分位置进行测量辅助的调节工作，使其装配位置到达公差允许的范围之内。对于需要装配的翼盒组件位置，也需要不断测量，并调节六足定位装置，确定翼盒达到准确的装配位置。在工作过程中，由于夹具系统的柔性，对于型架及装夹部分可能发生的变形、偏斜、移位等问题，以及受环境因素变化影响产生的位置变动问题，都要进行实时测量，随时调整柔性装夹部分以满足装配公差要求。
4 结论与展望
柔性夹具技术是飞机装配过程的一个重要研究方向，而翼盒水平装配方式以其高精度和便捷操作的优点，有着良好的发展前景。本文进行了一种面向飞机翼盒水平装配的缩微型柔性夹具方案研究与设计验证研究。今后的研究重点是，翼盒水平装配柔性夹具的实证应用，以及如何通过软件实现柔性夹具的模块化设计与控制，以达到提高效率和节约成本的目的。
参考文献References
[1] 郭恩明.国外飞机柔性装配技术[M].航空制造技术，2005(9)，28-32.
[2] 范玉青.现代飞机制造技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[3] Alison millar, Henrik Kihlman. Reconfigurable Flexible Tooling for Aerospace Wing Assembly[J]. SAE international, 2009.
[4] 邹冀华,刘志存,范玉青.大型飞机部件数字化对接装配技术研究.计算机集成制造系统.2007(7),1367-1372
[5] 丘宏俊.基于知识的飞机装配工艺设计关键技术研究
[D]. 西北工业大学，2006.
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(8/10/2012) |
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