（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

飛機裝配過程中使用大量不同類型的裝配型架用以保證產(chǎn)品的尺寸、形狀及各零部件的相對位置，滿足產(chǎn)品對準確度及協(xié)調(diào)互換的要求[1]。在傳統(tǒng)的飛機制造業(yè)中，飛機裝配工裝主要采用的是一對一剛性專用模式，體型龐大、零組件需要定制、結(jié)構(gòu)不具備重構(gòu)性，其制造與生產(chǎn)均費時、費力。目前，發(fā)展迅速的數(shù)字化柔性裝配工裝基于其可重構(gòu)與柔性的特點，能夠適應并行設計中飛機后期改型的需要，提高工裝利用率，進而達到節(jié)約研制費用和縮短研制周期的目的。

柔性工裝的基本特征為可調(diào)型重構(gòu)，即可以根據(jù)待裝配飛機產(chǎn)品的不同，在一定的范圍內(nèi)合理地調(diào)節(jié)具有定位功能的構(gòu)件，將與產(chǎn)品發(fā)生直接接觸的工作部位移動至指定的方向和位置[2]。依據(jù)設計過程是否需要關(guān)聯(lián)裝配對象的設計細節(jié)，柔性工裝可劃分為僅需設計概念的通用結(jié)構(gòu)部分和必須關(guān)聯(lián)最終設計細節(jié)的專用結(jié)構(gòu)部分[3]。專用結(jié)構(gòu)一般為基于產(chǎn)品裝配特征的專用接頭，依附于通用結(jié)構(gòu)上，隨通用結(jié)構(gòu)的重構(gòu)改變其位置或姿態(tài)，滿足不同產(chǎn)品的裝配需求。通用結(jié)構(gòu)進一步分為主體支撐與調(diào)型機構(gòu)兩部分，文獻[4-6]研究了具有低成本與短準備周期特點的柔性工裝，主體支撐為包含若干個“箱式接頭（Box-joint）”的模塊化鋼構(gòu)架，在工裝調(diào)型過程中起支撐調(diào)型機構(gòu)的作用，保證調(diào)型運動的平穩(wěn)進行，調(diào)型機構(gòu)是被稱為“六足（Hexapods）”的柔性模塊。數(shù)字化測量系統(tǒng)測得“六足 （Hexapods）”頂板部件的位置數(shù)據(jù)，反饋至專用計算程序中，專用計算程序根據(jù)現(xiàn)場調(diào)型需求，進一步分析、計算，獲得“六足”各腿的相對調(diào)整量，“六足”模塊調(diào)整并帶動專用接頭運動到位，完成重構(gòu)任務。

目前，國內(nèi)也開始應用將柔性工裝分為通用結(jié)構(gòu)與專用接頭兩部分的理念[7]研制柔性工裝，對機身部件柔性工裝機械與控制系統(tǒng)也進行了部分探索性研究[8]，但尚無關(guān)于調(diào)型技術(shù)的系統(tǒng)、深入研究。

本文針對半硬殼式結(jié)構(gòu)機身部件的裝配特征，以“橋架式”數(shù)字化柔性工裝為對象，結(jié)合工裝結(jié)構(gòu)的功能模塊劃分和設備的“串-并”混合調(diào)型模式，研究了基于測量反饋的閉環(huán)調(diào)型原理，給出相應的調(diào)型數(shù)據(jù)傳遞流，并開發(fā)出專用計算軟件，保證了柔性工裝應用過程中調(diào)型運動的順利實現(xiàn)。

柔性工裝工作原理

現(xiàn)代軍用飛機的機身一般采用傳統(tǒng)的半硬殼式結(jié)構(gòu)[9]，以骨架為基準進行裝配。利用裝配工裝定位加強框與邊梁，按照直接裝配法（Partto-Part），隔板、長桁與龍骨等縱向受力件以框為基準進行定位，裝配形成機身段骨架。最后壁板蒙皮基于骨架表面進行定位，連接裝配成整體機身部件。綜合分析機型結(jié)構(gòu)特點、裝配順序、產(chǎn)品的定位要求與協(xié)調(diào)關(guān)系等，結(jié)合我國飛機裝配現(xiàn)狀，確定柔性工裝的總體結(jié)構(gòu)形式為橋架式。

1 功能模塊劃分

橋架式柔性裝配工裝的通用結(jié)構(gòu)即工裝設備，在確定裝配對象的基本要求例如裝配總重量、尺寸范圍等之后就可以展開研制工作，與具體裝配對象的關(guān)聯(lián)度不高，隨裝配對象更換而改變的僅是其部分零組件的空間位置，零組件的幾何外形不變。工裝系統(tǒng)與裝配對象發(fā)生直接接觸的構(gòu)件為其專用結(jié)構(gòu)，需要在產(chǎn)品所有細節(jié)設計完成后才能開展設計與制造工作，隨裝配對象更換而改變其空間位置和幾何外形。專用結(jié)構(gòu)作為一個獨立的模塊依據(jù)決定性裝配方法（Determinant Assembly 或Determinate Assembly），通過十字轉(zhuǎn)接件陰、陽模的配合與通用設備的定位立柱連接在一起，便于專用模塊的快速更換。

根據(jù)是否參與調(diào)型運動，柔性工裝設備分為主體支撐和調(diào)型構(gòu)件兩大主要模塊[10]。主體支撐模塊由一個靜態(tài)框架和四根起導向作用的靜橫梁組成，在工裝的調(diào)型運動過程中保持靜止，支撐調(diào)型構(gòu)件，確保調(diào)型操作的平穩(wěn)運行。調(diào)型構(gòu)件模塊包括動橫梁和定位立柱兩類子模塊，按裝配需求，工裝上、下各分布一層，每層動橫梁均裝配于兩根靜橫梁上，定位立柱布置于動橫梁上，在伺服電機的帶動下，動橫梁沿靜橫梁導向方向運動完成工裝定位單元X向的調(diào)型[11]，定位立柱分別平行和垂直動橫梁方向運動完成工裝定位單元Y和Z向的調(diào)型，最終各定位立柱可定位于工裝內(nèi)部的任意位置，形成一定的裝配工作空間[12]。圖1為該種柔性工裝的結(jié)構(gòu)分解圖。

圖1 橋架式數(shù)字化柔性裝配工裝的結(jié)構(gòu)分解圖Fig.1 Structural decomposition diagram of bridge-frame digital flexible assembly tooling

2 “串-并”混合調(diào)型模式分析

不同于一般的機械產(chǎn)業(yè)，飛機一架份機身部件的裝配周期一般需要數(shù)周甚至更長的時間，機型更換的頻率更是數(shù)月甚至一年一次，因此不需要用全并行調(diào)型方式為每個運動自由度均配置一臺伺服電機，可采用“串-并”混合方式進行調(diào)型[13]，即將多個運動自由度分組，組內(nèi)按串行方式依次調(diào)型，組與組之間按并行方式同時進行。這樣既能夠減少電機數(shù)量，降低控制系統(tǒng)故障發(fā)生率，并控制系統(tǒng)研制成本，同時還能保證調(diào)型效率。

柔性工裝采用了一種分時復用的機構(gòu)來實現(xiàn)“串-并”混合模式的調(diào)型，即在工裝的每根X向靜橫梁和Y向動橫梁上分別加裝滑動小車（圖2），借助滑板小車上安裝的零位，識別傳感器與氣動裝置輔助滑板小車順利完成其回零、對象識別、對象鎖定與解鎖等動作，用同一滑板小車串行完成組內(nèi)調(diào)型工作。工作原理為：伺服電機通過減速機帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動滑板小車對目標對象進行識別并鎖定，然后帶動調(diào)型目標移動，電機停止后檢測到位情況，確保已調(diào)型定位單元的位置坐標值在允許范圍后，滑板小車松開該定位構(gòu)件，進行下一個構(gòu)件的調(diào)型操作。

圖2 X向滑板小車的三維數(shù)模Fig.2 3D digital model of sliding plate at X direction

根據(jù)結(jié)構(gòu)差異及運動自由度分配，滑板小車分為兩類，X向滑板小車和Y、Z向滑板小車。X向滑板小車上裝配有2臺伺服電機，在伺服電機驅(qū)動下依次鎖定各動橫梁，完成定位單元X向調(diào)型運動。Y、Z向滑板小車配備有 臺伺服電機，帶動定位單元完成Y向和Z向的調(diào)型運動。柔性工裝共有4根X方向?qū)к墶?0根Y向?qū)к墸虼斯残枰?4臺伺服電機。圖3為伺服電機分布圖。

圖3 伺服電機分布Fig.3 Servo motor distribution

調(diào)型系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制

由于裝配對象-飛機機身部件體積龐大、定位精度要求極高，因此這類柔性工裝的調(diào)型運動跨度通常達數(shù)米甚至數(shù)十米。采用數(shù)控機床上常用的安裝光柵尺或編碼器等終端檢測裝置實現(xiàn)直接位置閉環(huán)控制不僅會使研制成本激增，且專用結(jié)構(gòu)因產(chǎn)品更換而復雜多變，很難實現(xiàn)位置信息的精準反饋。本項目采用激光跟蹤儀測量反饋到位信息解決該問題[14]。

1 數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成分析

根據(jù)工裝調(diào)型需求，系統(tǒng)以數(shù)字智能伺服控制接口板為終端控制電機，處理I/O與壓力傳感信號，同時基于CANopen通訊協(xié)議組成設備控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由多軸智能管理器協(xié)調(diào)，通過以太網(wǎng)連接工控機、主控電腦和測量系統(tǒng)，實現(xiàn)人機交互、測量數(shù)據(jù)接收與分析、調(diào)型計算、發(fā)送調(diào)型指令等功能，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

盡管工裝調(diào)型控制由現(xiàn)場適應能力較強的工控機完成，但其無法滿足三維CAD數(shù)模處理與大數(shù)據(jù)量計算的需求，因此需要一臺主控電腦輔助完成調(diào)型計算。使用一臺獨立的測量專用計算機，可以與其他工位共用一套測量系統(tǒng)，降低工裝系統(tǒng)研制成本，并減少專業(yè)測量人員的培訓工作。

圖4 數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of data transmission system

2 調(diào)型基準設定

柔性工裝的控制系統(tǒng)借助伺服電機驅(qū)動滑板小車運動，將定位構(gòu)件重構(gòu)于指定位置，完成其調(diào)型目標。因此，選擇定位單元中十字轉(zhuǎn)接件與專用結(jié)構(gòu)接觸端面的中心點作為調(diào)型基準點（圖5），計算其目標位置相對初始鎖定位置的坐標差（調(diào)型指令），X向差值為X向滑板小車調(diào)型對應動橫梁的相對移動量，Y、Z向差值分別為Y、Z向滑板小車調(diào)型對應定位單元的Y、Z向相對移動量，將其轉(zhuǎn)換成伺服脈沖數(shù)，連同定位單元編號發(fā)送給伺服電機，即可完成調(diào)型數(shù)據(jù)的傳遞。

圖5 定位單元上的調(diào)型基準點與測量基準點分布Fig.5 Distribution of adjustment and measurement reference points on positioning unit

3 到位檢測原理

到位檢測分為工裝準備階段的定位立柱到位檢測與產(chǎn)品裝配過程中的定位單元到位檢測[15]。

（1）工裝準備期間，柔性工裝接收產(chǎn)品理論狀態(tài)的調(diào)型指令，將各定位立柱（十字轉(zhuǎn)接件的陰模已裝配完成）調(diào)型到位;然后裝配十字轉(zhuǎn)接件陽模，并以其底面為基準，裝配專用結(jié)構(gòu)的各零組件。

到位檢測的目標是，各定位立柱的調(diào)型基準點實測坐標值與理論坐標值之差滿足精度要求，為此設計了一個專用測量轉(zhuǎn)接頭，結(jié)構(gòu)如圖6所示，底面與陰模凹槽緊貼，激光跟蹤儀靶標安放后，球心與調(diào)型基準點的空間位置重合，將靶標球心點坐標值作為特定機型工裝準備期間定位立柱的到位實測值反饋給控制系統(tǒng)。

圖6 專用測量轉(zhuǎn)接頭使用原理圖Fig.6 Principle diagram of special measuring connector

（2）機身部件裝配過程包括數(shù)個不同的裝配狀態(tài)，且需要不斷定位、裝配新的零組件，為確保工裝內(nèi)部形成的裝配工作空間具備足夠開敞性，需要移開/移入定位組件。此時，調(diào)型的最終目的為保證機身組部件定位的安全與可靠，要求保證與產(chǎn)品直接接觸的零件定位精度，此時再以調(diào)型基準點作為檢測基準是非常不合理的，且其坐標值也已經(jīng)無法直接測量，因此需要設定新的到位檢測點。

專用結(jié)構(gòu)上，與產(chǎn)品直接接觸的零件按“3-2-1”原則設計有3個保證裝配精度的OTP點（圖5），可以此3個OTP點作為到位檢測基準點，將其實測坐標值進行加權(quán)平均作為測量結(jié)果反饋給主程序，輔助系統(tǒng)完成工裝調(diào)型。

專用軟件開發(fā)

機身部件數(shù)字化柔性裝配工裝系統(tǒng)必須根據(jù)工藝意圖，基于現(xiàn)場實際狀況，借助專用計算軟件分析、計算并生成調(diào)控指令，引導其控制系統(tǒng)將指定定位單元平穩(wěn)、精確地重構(gòu)于目標位置，進而對裝配件進行定位和夾緊操作。

1 調(diào)型數(shù)據(jù)傳遞流

為了充分發(fā)揮數(shù)字化研制技術(shù)的優(yōu)勢，加快工裝準備周期，從設計給出的產(chǎn)品CAD數(shù)模到柔性裝配工裝調(diào)型指令的數(shù)據(jù)流起著重要的橋梁作用。調(diào)型數(shù)據(jù)流程見圖7。

柔性工裝的調(diào)型運動是通過伺服電機驅(qū)動滑板小車帶動定位單元運動到目標位置完成的。因此，通過計算定位單元中十字轉(zhuǎn)接件與專用結(jié)構(gòu)接觸的端面中心點（調(diào)型基準點）目標位置相對初始鎖定位置的坐標差（調(diào)型指令），就可獲得伺服電機（即滑板小車）調(diào)型該定位單元的相對移動量，將其轉(zhuǎn)換成伺服脈沖數(shù)，連同定位單元編號發(fā)送給伺服電機，即可完成調(diào)型數(shù)據(jù)的傳遞。通過測量系統(tǒng)反饋到位信息實現(xiàn)調(diào)型系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

調(diào)型指令獲取的依據(jù)為設計給出的產(chǎn)品CAD數(shù)模，根據(jù)產(chǎn)品裝配特征設計各種定位接頭，即柔性工裝的專用結(jié)構(gòu)模塊。導入工裝設備CAD數(shù)模，將其調(diào)整到合理的位置（至少保證所有專用結(jié)構(gòu)模塊在其工作空間內(nèi)），以十字轉(zhuǎn)接件的陽模底面為基準，將各定位立柱移動到位，在飛機設計坐標系下合成一體，作為調(diào)型指令獲取的源頭。

基于激光跟蹤儀輔助建立坐標系原理[16]，于工裝視線開敞、穩(wěn)定性好的下部X向?qū)к壍鬃暇珳拾惭b4個T/B點T/B101～T/B104。原點為靠近工控機的T/B101點，按右手定則建立工裝坐標系。設備零位校準完畢后，各調(diào)型基準點零位的理論坐標值在工裝坐標系下是恒定的。

輔助滑板回零后，驅(qū)動電機運動。通過識別感應器識別定位對象，根據(jù)電機反饋的脈沖數(shù)可以得出滑板小車初始鎖定動橫梁（定位單元）時的X（Y）向初始位移量。本次調(diào)型Z向初始位移值是通過調(diào)取記錄在數(shù)據(jù)庫中前次的目標位移值，下次的Z向初始位移值為本次初始位移值與調(diào)型量之和。

飛機坐標系下各調(diào)型基準點坐標值與工裝原點坐標值作差，可將調(diào)型基準點坐標轉(zhuǎn)換至工裝坐標系下。在工裝坐標系下，調(diào)型基準點目標坐標值與零位坐標值作差可得伺服電機的絕對位移量，與伺服電機初始鎖定調(diào)型構(gòu)件時的初始位移之差即為特定機型理論狀態(tài)的調(diào)型指令。

2 調(diào)型運動規(guī)劃仿真

調(diào)型規(guī)劃的基礎為飛機坐標系下處于某機型理論狀態(tài)時的工裝數(shù)模。首先導入輕量化處理過的調(diào)型規(guī)劃前的飛機裝配狀態(tài)數(shù)模與工裝外圍設備數(shù)模；然后，依據(jù)測量結(jié)果將定位單元移動至與現(xiàn)場一致的位置；最后，進行調(diào)型規(guī)劃，并通過仿真，校驗規(guī)劃的合理性，避免調(diào)型過程中發(fā)生干涉、碰撞與超程等具備危害性的現(xiàn)象。

為方便理解與操作，測量反饋數(shù)據(jù)的處理、調(diào)型指令的生成與發(fā)送等操作最終以軟件形式呈現(xiàn)在工藝人員和現(xiàn)場操作工人面前，界面如圖8所示。

工程應用

本文研究的橋架式數(shù)字化柔性工裝，以定位立柱加載3000N負載的檢驗標準，利用激光跟蹤儀對設備的X、Y和Z3向單坐標定位精度、重復定位精度進行測量，結(jié)果分別為±0.1mm與±0.05mm?；诩す飧檭x測量反饋，整個裝配平臺的定位精度也可控制在各向±0.05mm。

基于橋架式數(shù)字化柔性工裝平臺，工作人員已經(jīng)成功地完成了兩種型號的飛機后機身裝配工作。在應用過程中，通過軟件算得的調(diào)型數(shù)據(jù)可順利地被工裝工控機接收，工裝的調(diào)型定位精度完全能夠滿足工藝要求。更換機型時，可將十字轉(zhuǎn)接件陰陽模上的螺栓松開，將專用模塊更換為新機型的專用模塊即可，操作簡單、方便。

圖7 柔性裝配工裝調(diào)型流程圖Fig.7 Pattern-adjusting flow chart of flexible assembly tooling

圖8 調(diào)型運動規(guī)劃的數(shù)據(jù)生成界面Fig.8 Date generation interface of adjustment movement planning

結(jié)論

通過兩個機型的裝配驗證表明：調(diào)型計算數(shù)據(jù)可靠、方法可行、機構(gòu)運動穩(wěn)定，能夠滿足機身部件數(shù)字化裝配過程中對柔性工裝的各種要求，實現(xiàn)了后機身裝配過程中柔性工裝與產(chǎn)品“一對多”的工作模式。

（1）將柔性工裝分為工裝設備和專用結(jié)構(gòu)模塊，可充分發(fā)揮專業(yè)設備制造商和飛機制造廠各自的研制優(yōu)勢，提升柔性工裝的研制品質(zhì)。

（2）“串-并”混合調(diào)型方法不僅節(jié)約工裝的研制費用，降低故障率，而且保證不會因為調(diào)型周期過長而影響到產(chǎn)品裝配進度，充分發(fā)揮了單純并行和串行兩種調(diào)型方式的優(yōu)勢。

（3）調(diào)型方法滿足了飛機機身數(shù)字化裝配過程中所需的各種調(diào)型運動，為機身裝配工作提供基本保障，實現(xiàn)飛機后機身研制工作中數(shù)字量從產(chǎn)品設計向裝配定位的傳遞。

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