郭飛燕，王仲奇，康永剛，李西寧，陳文紅，劉春鋒

（1．西北工業(yè)大學 機電學院，陜西 西安 710072；2．中航工業(yè)洪都航空工業(yè)集團公司，江西 南昌 330024）

0 引言

飛機裝配需要采用大量的專用定位裝置來保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，使其符合設(shè)計準確度和互換協(xié)調(diào)要求［1］。以數(shù)字量傳遞的柔性裝配技術(shù)是縮短生產(chǎn)準備周期、降低制造成本的有效途徑。目前，國外發(fā)展的柔性裝配系統(tǒng)廣泛采用數(shù)字化的裝配協(xié)調(diào)技術(shù)，大量應用裝配孔定位裝配方法，主要有柔性機翼壁板裝配系統(tǒng)和柔性翼梁裝配系統(tǒng)、復合材料升降舵柔性裝配系統(tǒng)、機器人柔性裝配系統(tǒng)、機身柔性裝配系統(tǒng)等［2－5］。國內(nèi)眾多學者對柔性裝配技術(shù)做了大量的研究，如基于POGO柱支撐的飛機大部件的對接工作［6－8］；用于飛機壁板類組件的數(shù)字化裝配柔性工裝技術(shù)［9］，解決了卡板定位支點的數(shù)控調(diào)形重構(gòu)問題；用于飛行器薄壁件柔性工裝定位／支撐陣列的優(yōu)化自動生成技術(shù)［10］，應用于大型薄壁件的高速高精度加工等。柔性工裝定位技術(shù)是未來飛機柔性裝配的重要支撐技術(shù)，飛機翼面類部件裝配是飛機制造的重點和難點之一，由于其裝配需保證的交點與外形協(xié)調(diào)要求高，裝配操作需要從產(chǎn)品對象兩面和內(nèi)部操作進行，傳統(tǒng)的剛性工裝廣泛采用大量的外形卡板和專用定位夾緊裝置等進行定位，用于飛機翼面類部件的數(shù)字化柔性工裝在實際裝配生產(chǎn)中仍未應用。為改善剛性工裝在定位功能上一對一的專用性，以在一套工裝上實現(xiàn)不同前緣襟翼產(chǎn)品的裝配工作和減少裝配過程中常出現(xiàn)的協(xié)調(diào)問題，本文對數(shù)字化柔性工裝定位技術(shù)進行研究，采用內(nèi)定位的裝配方式，以骨架外形為裝配基準，以梁、肋的坐標孔為定位基準，提出一種三排平行布局柔性定位方案，用一個擋板定位器實現(xiàn)前緣襟翼四個產(chǎn)品所有翼肋的柔性定位，借助工藝長桁構(gòu)建產(chǎn)品骨架，設(shè)計一套柔性工裝實現(xiàn)前緣襟翼四個產(chǎn)品的裝配工作，并通過對裝配準確度進行分析，驗證了柔性定位的可行性。

1 基于三坐標定位的柔性設(shè)計

飛機部件裝配過程中的柔性工裝指可適用于不同形狀、不同尺寸組件或部件的裝配，且能夠保證裝配準確度的可重構(gòu)功能的模塊化、自動化裝配工裝系統(tǒng)，具有一定的可變性與通用性［11］。其主要特點是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸傳遞體系和依靠數(shù)字化控制系統(tǒng)完成產(chǎn)品裝配工作，減少設(shè)計和制造專用的傳統(tǒng)固定裝配型架、夾具的數(shù)量，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。本文從以下幾方面對數(shù)字化柔性工裝的定位技術(shù)進行了研究。

1．1 裝配基準的選擇

某型飛機前緣襟翼采用單梁式、多肋和金屬鉚接結(jié)構(gòu)，主要由肋板、大梁、交點、長桁、蒙皮和尾緣條等零件組成，分為內(nèi)前襟左、右件和外前襟左、右件。內(nèi)前襟上的主要交點有整體斜梁上的三組鉸鏈接頭，以及加強肋7肋、8肋上的兩組操縱接頭，如圖1所示。外前襟上斜梁內(nèi)段、外段為搭接結(jié)構(gòu)，其蒙皮由上、下翼面蒙皮拼接而成，主要交點有斜梁內(nèi)段上的兩組鉸鏈接頭與兩組操縱接頭，以及斜梁外段上的兩組鉸鏈接頭，如圖2所示。四個產(chǎn)品宏觀形態(tài)各異，其中左右件關(guān)于飛機對稱平面對稱，接頭數(shù)量及其在斜梁上的位置也存在差異，內(nèi)外前襟總體長度相差約300mm。

為在一套工裝上實現(xiàn)四個產(chǎn)品的柔性定位，并采用鉆孔六坐標機械臂對產(chǎn)品上下翼面進行制孔，同時方便產(chǎn)品內(nèi)部操作，采用大量的外形定位卡板的定位方式已無法滿足要求。斜梁、機加肋、端肋和工藝長桁等支撐零件組成的骨架結(jié)構(gòu)剛性較好，制造精度較高，采用內(nèi)定位的裝配方式，以骨架外形為裝配基準，以翼肋與斜梁上的坐標定位孔為定位基準，代替外形卡板在工裝上準確定位產(chǎn)品骨架，鉚上桁條后，在骨架上覆蓋蒙皮壁板，即可保證外形的準確度。

1．2 柔性定位原理

根據(jù)柔性裝配要求，產(chǎn)品關(guān)鍵協(xié)調(diào)特征為前緣襟翼與機翼對接的交點與操縱接頭，因此內(nèi)前襟斜梁以及外前襟內(nèi)、外段梁上的梳狀接頭、鉸鏈接頭與操縱接頭是需要關(guān)鍵控制的部位；為防止斜梁轉(zhuǎn)動且保證外前襟兩段斜梁搭接的準確性，考慮斜梁為一狹長機加零件，采取過定位的方式對斜梁腹板兩側(cè)和中間部位進行定位；蒙皮外形有嚴格的精度要求，需對所有翼肋及長桁進行準確定位；尾緣條的位置準確度與飛機氣動性能密切相關(guān)，其剛性較高，采用內(nèi)形定位塊對其兩端進行定位。

參照柔性工裝的定義［11］與所選裝配基準，為實現(xiàn)柔性工裝的定位功能，采用一種典型的立柱式三坐標定位單元在一套工裝上實現(xiàn)四個產(chǎn)品的柔性裝配工作，立柱各運動方向均由導軌導向系統(tǒng)、滾珠絲杠系統(tǒng)與伺服傳動組成，且設(shè)有光柵尺限位與機械限位。工作時，伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠軸向運動，帶動定位執(zhí)行端在有效行程范圍內(nèi)移動到空間任意定位點，實現(xiàn)三個直角坐標方向的精確調(diào)整。為保證裝配工作的穩(wěn)定性，伺服電機帶有抱閘制動，各運動方向上另設(shè)有氣動夾緊元件，如圖3所示。

為滿足柔性工裝的結(jié)構(gòu)簡約性與空間開敞性，以端肋作為水平方向基準、以大梁腹板作為豎直方向基準，確定裝配對象的空間放置狀態(tài)。分析四個產(chǎn)品對象的共性結(jié)構(gòu)，根據(jù)需定位關(guān)鍵區(qū)域的分布，確定四個產(chǎn)品在空間中的擺放形式。為在一套柔性工裝上實現(xiàn)對四個產(chǎn)品各組需定位的關(guān)鍵特征的柔性定位功能，分析各需定位的關(guān)鍵特征相對位置關(guān)系的差異性，將需要定位的關(guān)鍵定位特征分為7組，7個立柱式定位單元共同工作，每個立柱所完成的定位功能如表1所示。

表1 1?！?＃立柱定位功能描述

續(xù)表1

為合理評估柔性工裝需要具備的柔性化程度，在滿足各立柱定位單元定位執(zhí)行末端定位可達性的情況下，對組成柔性工裝定位單元運動軸的數(shù)量進行優(yōu)化設(shè)計。1＃和6＃立柱須實現(xiàn)定位器的定位功能集成，且可快速更換，在裝配工作完成后不影響產(chǎn)品的下架?；诋a(chǎn)品所需定位特征空間分布的分散性，2?！?＃立柱需設(shè)有多個定位執(zhí)行末端，將2＃和4＃立柱的Y向和Z向設(shè)置兩個運動軸，3＃和5＃立柱的Z向設(shè)置兩個運動軸，其余定位方向均設(shè)置一個運動軸。對于7＃立柱，需實現(xiàn)四個產(chǎn)品全部46個翼肋的柔性定位功能。

采用上述立柱式三坐標定位單元，在面對不同產(chǎn)品裝配或產(chǎn)品設(shè)計更改時，不需要設(shè)計新的裝配型架，只需更換各專用定位器，控制系統(tǒng)就可以根據(jù)定位數(shù)據(jù)，用數(shù)控程序驅(qū)動定位執(zhí)行端在每個運動方向的有效行程范圍內(nèi)運動，同時借助激光跟蹤儀實時反饋定位器的空間位置信息，對實際空間位置誤差進行補償。通過閉環(huán)控制調(diào)整，定位器可快速精確地運動調(diào)整到產(chǎn)品所需定位的關(guān)鍵區(qū)域，以實現(xiàn)對產(chǎn)品上新定位特征的定位功能，從而適應不同產(chǎn)品對象宏觀形態(tài)的變化，體現(xiàn)工裝可重構(gòu)、可變性和通用性的柔性定位功能，使其滿足“一架多用”的需要。因為采用激光跟蹤儀實時測量反饋定位執(zhí)行末端定位器的位置信息可減少工裝定位器的位置定檢工作，同時可克服傳統(tǒng)的剛性工裝在裝配工作中由于使用磨損而造成的定位偏差，所以提高了裝配定位的準確性。

1．3 定位執(zhí)行末端的設(shè)計

在1?！?＃立柱以坐標定位孔為定位基準的內(nèi)定位裝配方式中，可借用零件結(jié)構(gòu)上加工要求較高的孔或零件上增開的內(nèi)定位孔來確定零件的相互位置。采取的坐標定位孔為各翼肋上的兩個工藝定位孔與工藝長桁兩端余量處的工藝定位孔，定位孔亦可作為坐標測量孔。為實現(xiàn)前緣襟翼長桁的定位以構(gòu)造剛度較高的骨架，將長桁兩端留有一定的工藝余量，并在工藝余量處開設(shè)工藝定位孔。由于外前襟翼蒙皮分為上、下兩部分，根據(jù)外前襟翼端肋的結(jié)構(gòu)特點，裝配中先將長桁與蒙皮在架外連接，作為一個整體與骨架連接，而不需對長桁留有一定的工藝余量，工藝長桁可看作為骨架形成過程中的一種定位器。

在前緣襟翼柔性裝配過程中，各斜梁鉸鏈孔、斜梁腹板面、機加肋接頭與操縱接頭處都設(shè)有按產(chǎn)品設(shè)計基準設(shè)計制造的專用定位器（如圖4），每個定位器與其支座連接處均設(shè)有工藝分離面，以使定位器快速調(diào)整、更換到定位所要求的空間位置。端肋、工藝長桁、尾緣條、前緣條的定位、夾緊、測量功能集成在端肋定位器上，來取代大量的外形卡板，需對定位器的結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化設(shè)計：在整體上，端肋定位器設(shè)計為可拆卸的套筒結(jié)構(gòu)形式，定位器各組成部分設(shè)置有連接分離面；四個內(nèi)前襟翼端肋定位器上均帶有蒙皮內(nèi)形定位面、尾緣條內(nèi)形定位面、尾緣條托面、長桁定位槽、翼肋定位面、翼肋定位孔（也可作為測量靶標孔）、翼肋內(nèi)形檢測面等定位特征，另外四個外前襟翼端肋定位器不帶有長桁定位槽，比內(nèi)前襟翼端肋定位器多出了前緣條內(nèi)形定位面與限位銷讓開槽，如圖5所示。實際生產(chǎn)各端肋定位器時以翼肋定位孔為加工基準孔，以保證定位器上的外形定位面與產(chǎn)品外形的協(xié)調(diào)。其他46個鈑金肋和機加肋的定位不采用46對外形卡板，只設(shè)一個翼肋擋板定位器，在其上設(shè)有5個定位孔，將翼肋分為四組，每組翼肋在擋板定位器上都有一組定位孔與之對應，定位器的兩端為翼肋定位面，如圖6所示。根據(jù)“一面兩孔”的定位方法，7＃立柱定位單元的翼肋擋板定位器通過運動到不同的工作位置，可以實現(xiàn)形狀各異的2?！?3＃，17?！?5＃翼肋的定位夾緊工作，而不需要更換定位器，同時也可以方便檢測出肋與梁套合不協(xié)調(diào)的原因，這種“一對多”的定位特點也是柔性的體現(xiàn)。

1．4 柔性定位單元行程與布局約束

在詳細設(shè)計柔性工裝各立柱定位單元之前，參照機翼基準面與各翼肋基準面，以立柱可調(diào)支撐底座框架平面四角處的TB1，TB2和TB3三點為基準，以TB1為坐標原點、TB1與TB2的連線為X向、TB1與TB3的連線為Y向，建立工裝笛卡爾坐標系。其中四個產(chǎn)品的鉸鏈接頭孔軸線與X向平行、與Y向垂直于機翼基準面，則機翼基準面所在的方向為Z方向。

根據(jù)需要定位的產(chǎn)品的關(guān)鍵定位特征，相合四個產(chǎn)品的機翼設(shè)計基準面，使其與可調(diào)支撐底座中的軸面重合，四個產(chǎn)品的大端均位于1＃立柱一側(cè)，則四個產(chǎn)品在工裝坐標系中的Y向空間位置可確定；四個產(chǎn)品的鉸鏈孔連線距離底座的Z向高度設(shè)定為1 200mm；考慮立柱定位單元的行程要求，以四個產(chǎn)品鉸鏈孔定位端面與端肋的坐標定位孔在X方向的距離偏差最小為原則，確定四個產(chǎn)品在X方向的彼此空間位置，則四個產(chǎn)品在工裝坐標系中的準確空間位置狀態(tài)完全確定。

為實現(xiàn)各個立柱的定位功能，在滿足定位可達性、穩(wěn)定性、操作開敞性和人機工程等布局約束后［12］，以1＃立柱為布局基準，工裝在總體上采用三排平行布局方案：第一排為7＃翼肋擋板定位立柱，位于襟翼產(chǎn)品左件上翼面（即襟翼產(chǎn)品右件的下翼面）的一側(cè)；第二排由1＃，3＃，5＃和6＃四個立柱組成，立柱底座中軸線與可調(diào)支撐底座中軸線在Y向重合，其中1＃與6＃立柱分別位于產(chǎn)品大、小端兩側(cè)，3＃與5＃立柱位于產(chǎn)品的正下方；第三排由2＃與4＃雙支臂立柱組成，位于襟翼產(chǎn)品左件下翼面的一側(cè)，兩立柱間留有裝配操作空間，如圖7所示。在確定四個產(chǎn)品在工裝坐標系中的位置與柔性工裝7個定位立柱的布局方案后，以1＃立柱為布局基準，即可根據(jù)四個產(chǎn)品上所需定位的鉸鏈孔、坐標定位孔和斜梁腹板面在各方向距離的差值，確定1?！?＃立柱各定位方向的運動行程與7＃立柱定位各翼肋的行程要求。

1．5 柔性定位仿真驗證

在詳細設(shè)計各立柱定位單元后，將工裝各定位單元總裝數(shù)模放置在DELMIA環(huán)境下，檢查工裝各運動方向行程和柔性裝配過程中的干涉碰撞是否滿足要求，驗證裝配定位可達性與柔性工裝重構(gòu)可行性，建立DELMIA仿真模型，其中內(nèi)側(cè)前緣襟翼左件的柔性裝配仿真過程模型如圖7所示。通過仿真反饋確定了柔性裝配路徑，修正了立柱定位單元每個定位方向上的行程要求以及各立柱定位單元的空間布局，完成了控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)了工裝與目標產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)分析，可以滿足裝配性能設(shè)計的目標要求。

2 實施驗證

目前，已將該套數(shù)字化柔性工裝應用到實際生產(chǎn)中，實現(xiàn)了內(nèi)外前襟左右件共四個產(chǎn)品的柔性裝配工作。工裝工作時，立柱控制軟件通過定位精度的補償，1＃～6＃立柱各運動方向在設(shè)定的行程范圍內(nèi)運動到待裝配產(chǎn)品的定位位置后，經(jīng)激光跟蹤儀檢測，柔性工裝各定位方向的定位精度如表2所示。此后依次安裝各立柱定位單元定位器，完成斜梁、機加肋、端肋和工藝長桁等支撐零件的定位與連接工作。先將7＃翼肋擋板立柱調(diào)整到一個翼肋的理論位置，在翼肋擋板定位器上定位完畢后，進行翼肋與斜梁及其他零件間的鉚接固定工作，完工后控制系統(tǒng)按控制指令將定位器驅(qū)動至下一個翼肋的定位位置，進行類似操作，直到每個產(chǎn)品的所有翼肋都完成裝配。然后安裝除工藝長桁之外的其他三根長桁，在骨架零件完成定位后，以骨架作為蒙皮的裝配基準，依靠1＃與6＃立柱的端肋定位器定位蒙皮，同時用蒙皮栓緊器固定蒙皮，用鉆孔六坐標機械臂進行骨架與蒙皮的制孔鉚接工作，最后撤除各立柱定位單元，產(chǎn)品沿Y，Z向下架。外側(cè)前緣襟翼左件裝配現(xiàn)場如圖8所示。

表2 柔性工裝各立柱調(diào)試后的定位精度 mm

為驗證柔性裝配準確度，根據(jù)裝配檢驗計劃，在產(chǎn)品下架之前用激光跟蹤儀檢測每個翼肋上、中、下部位的蒙皮外形，尾緣條中間部位外形，以及交點處的裝配精度偏差，結(jié)果如表3和圖9所示?；谖闹兴龅娜嵝怨ぱb定位技術(shù)設(shè)計的柔性工裝，交點裝配精度為±0．07mm，蒙皮外形精度在－0．36 mm～＋0．25mm，裝配精度完全滿足飛機氣動外緣型值的偏差要求［1］。產(chǎn)品下架后，在機翼總裝型架與機翼翼盒對接進行對接協(xié)調(diào)實驗時，交點轉(zhuǎn)動靈活，蒙皮對縫與蒙皮階差均滿足此型飛機機翼產(chǎn)品精度的要求。

表3 內(nèi)前襟左件完工狀態(tài)交點檢測精度偏差mm

3 結(jié)束語

本文對數(shù)字化柔性工裝定位技術(shù)進行研究，采用內(nèi)定位的裝配方式，以骨架外形作為裝配基準，以翼肋與斜梁上的坐標定位孔為定位基準，在立柱式三坐標定位單元上定位來代替外形卡板，提出一種三排平行布局柔性定位方案，用一個擋板定位器實現(xiàn)所有翼肋的柔性定位，并借助工藝長桁構(gòu)建產(chǎn)品骨架，設(shè)計了一套柔性工裝實現(xiàn)前緣襟翼四個產(chǎn)品的裝配工作，具有較高的柔性化程度，可完全取代四套剛性工裝對前緣襟翼四個產(chǎn)品全部零件的裝配，工裝定位精度與產(chǎn)品裝配精度完全滿足設(shè)計要求，并適用于指導其他翼面前緣類部件的裝配工作。

［1］Aviation manufacturing engineering manual Total Editorial Committee．Aviation manufacturing engineering manual—aircraft assembly［M］．2nd ed．Beijing：Aviation Industry Press，2010（in Chinese）．［《航空制造工程手冊》總編委會．航空制造工程手冊——飛機裝配［M］．2版．北京：航空工業(yè)出版社，2010．］

［2］NAING S．Feature based design for jiggles assembly ［D］．Bedfordshire，U K：Cranfield University，2003．

［3］HOLDEN R，HAWORTH P．Automated riveting cell for A320 wing panels with improved throughput and reliability（SA2）．［EB／OL］．［2012－05－23］．http：／／www．electroimpact．com／．%5cresearch%5C07ATC－208．pdf．

［4］HARTMAN J，MEEKER C，WEIIER M，et al．Determinate assembly of tooling allows concurrent design of Airbus wings and major assembly fixtures［EB／OL］．［2012－05－23］．http：／／www．southampton．a(chǎn)c．uk／～jps7／Aircraft%20Design%20Resources／manufacturing／airbus%20wing%20assembly%20tolerance．pdf．

［5］GUO Enming．The flexible assembly technology of foreign［J］．Aeronautical Manufacturing Technology，2005（9）：28－32（in Chinese）．［郭恩明．國外飛機柔性裝配技術(shù)［J］．航空制造技術(shù)，2005（9）：28－32．］

［6］XIONG Ruibin，HUANG Pujin，KE Yinglin．A new posture following and keeping fixture for aircraft assembly［J］．Acta Aeronouticaet Astronautica Sinica，2009，30（12）：2469－2475（in Chinese）．［熊瑞斌，黃浦縉，柯映林．一種適用于飛機裝配的新型隨動定位器［J］．航空學報，2009，30（12）：2469－2475．］

［7］GUO Zhimin，JIANG Junxia，KE Yinglin．Design and accuracy for POGO stick with three axis［J］．Journal of Zhejiang U－niversity，2009，43（9）：1649－1654（in Chinese）．［郭志敏，蔣軍霞，柯映林．一種精密三坐標POGO柱設(shè)計與精度研究［J］．浙江大學學報，2009，43（9）：1649－1654．］

［8］GUO Zhimin，JIANG Junxia，KE Yinglin．Posture alignment for large aircraft parts based on three POGO sticks distributed support［J］．Acta Aeronouticaet Astronautica Sinica，2009，30（7）：1319－1324（in Chinese）．［郭志敏，蔣軍霞，柯映林．基于POGO柱三點支撐的飛機大部件調(diào)姿方法［J］．航空學報，2009，30（7）：1319－1324．］

［9］WANG Liang，LI Dongsheng，LUO Hongyu，et al．Numerical control reconfigurable compliant tooling technology and application in aircraft assembly［J］．Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2010，36（5）：540－544 （in Chinese）．［王 亮，李東升，羅紅宇，等．飛機裝配數(shù)控柔性多點工裝技術(shù)及應用［J］．北京航空航天大學學報，2010，36（5）：540－544．］

［10］LU Junbai，ZHOU Kai，ZHANG Bopeng．Research on optimization of location／support array of flexible tooling system for aircraft large－scale thin－wall workpiece［J］．China Mechanical Engineering，2010，22（2）：2369－2374（in Chinese）．［陸俊百，周 凱，張伯鵬．飛行器薄壁件柔性工裝定位／支承陣列優(yōu)化自生成研究［J］．中國機械工程，2010，22（2）：2369－2374．］

［11］TIAN Wei，LIAO Wenhe，TANG Jincheng．Common technology on flexible tooling for complex product assembly［J］．China Mechanical Engineering，2010，22（2）：2699－2705 （in Chinese）．［田 威，廖文和，唐金成．面向復雜產(chǎn)品裝配的柔性工裝共性技術(shù)研究［J］．中國機械工程，2010，22（2）：2699－2705．］

［12］PAN Zhiyi，HUANG Xiang，LI Yingguang．Research and implementation of method of layout design for large tooling in aircraft manufacture［J］．Acta Aeronouticaet Astronautica Sinica，2008，29（3）：757－762 （in Chinese）．［潘志毅，黃翔，李迎光．飛機制造大型工裝布局設(shè)計方法研究與實現(xiàn)［J］．航空學報，2008，29（3）：757－762．］