（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

飛機(jī)產(chǎn)品具有零件數(shù)量多、剛性低、外形復(fù)雜、裝配精度要求高等特點(diǎn)[1]，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[2]，因此，需要大量的工裝來(lái)保證產(chǎn)品從零組件到部件裝配過(guò)程中的精確幾何外形，限制裝配過(guò)程中的連接變形，使產(chǎn)品滿足準(zhǔn)確度及互換協(xié)調(diào)性要求[3]。

在傳統(tǒng)飛機(jī)裝配模式下，主要采用剛性專用工裝，工裝數(shù)量多、占地面積大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制造成本高。隨著國(guó)內(nèi)新機(jī)型號(hào)的逐漸增多，多品種、小批量生產(chǎn)的需求特征日趨顯著，在航空企業(yè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)零部件已基本實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工制造的背景下，傳統(tǒng)剛性專用工裝已成為實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)產(chǎn)和縮短新品研制周期的瓶頸[4]。

當(dāng)前，國(guó)外在飛機(jī)產(chǎn)品各個(gè)裝配階段已經(jīng)發(fā)展了相應(yīng)的柔性工裝。而在國(guó)內(nèi)，大部分制造廠在飛機(jī)裝配過(guò)程中仍廣泛采用傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)專用工裝[5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在組件、部件裝配方面做了大量的研究，取得了一定的成果。如中航工業(yè)沈飛研究并工程化的翼身整體結(jié)構(gòu)后段數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)[6]和后機(jī)身部件柔性裝配系統(tǒng)；西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的部件級(jí)數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)[7]和機(jī)身壁板類組件裝配工裝[8]；北京航空航天大學(xué)和中航工業(yè)沈飛公司合作設(shè)計(jì)的一種可重構(gòu)調(diào)形單元。其中，針對(duì)機(jī)身部件裝配的是沈飛研究的后機(jī)身部件柔性裝配系統(tǒng)。該系統(tǒng)柔性工裝為橋架式結(jié)構(gòu)，上下各5組橫梁，每個(gè)橫梁上有4組定位器，每個(gè)定位器在空間具有3個(gè)方向的自由度，通過(guò)合理調(diào)節(jié)具有定位功能的構(gòu)件，帶動(dòng)專用定位器運(yùn)動(dòng)至指定的方向和位置[9]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)身加強(qiáng)框的定位。

本文在分析中機(jī)身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配協(xié)調(diào)關(guān)系及制造工藝性的基礎(chǔ)上，針對(duì)某型機(jī)中機(jī)身結(jié)構(gòu)尺寸小、協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜、產(chǎn)品裝配零組件密集、開(kāi)敞性要求高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套部件級(jí)的數(shù)字化柔性裝配工裝系統(tǒng)，在一套工裝上可以完成對(duì)多種產(chǎn)品的裝配。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裝配要求

飛機(jī)部件產(chǎn)品裝配和定位主要有以骨架為基準(zhǔn)和以蒙皮為基準(zhǔn)兩種定位模式，其中翼面類部件多以蒙皮為基準(zhǔn)，機(jī)身部件多以骨架為基準(zhǔn)。針對(duì)本項(xiàng)目面向中機(jī)身部件裝配的特點(diǎn)，工裝定位方式將以骨架為基準(zhǔn)定位為主。面向機(jī)身部件裝配的柔性工裝的主要功能需要完成對(duì)機(jī)身主承力構(gòu)件和重要結(jié)合交點(diǎn)的裝配定位，同時(shí)充分考慮工人裝配時(shí)操作空間。中機(jī)身部件位于整個(gè)飛機(jī)的中部，前后分別與前機(jī)身和后機(jī)身連接，兩個(gè)側(cè)面連接飛機(jī)的機(jī)翼，中機(jī)身產(chǎn)品具有互換性，同時(shí)飛機(jī)起落架位于中機(jī)身的腹部，要求起落架能夠順利收放。機(jī)身的模型是根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品建模簡(jiǎn)化的，機(jī)身的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，中機(jī)身垂直放置結(jié)構(gòu)主要包括6個(gè)整體加強(qiáng)框、2個(gè)900梁（對(duì)稱）和其他立梁、隔板等，兩個(gè)框之間通過(guò)立梁、隔板連接在一起。加強(qiáng)框從上到下7100框、7880框、8700框、10060框、10460框和10860框均為數(shù)控機(jī)加框，每個(gè)加強(qiáng)框上有4個(gè)φ10的定位交點(diǎn)孔，如圖2所示，其中1為工藝交點(diǎn)孔，2為加強(qiáng)框。除了10860框以外，其余5個(gè)加強(qiáng)框均為電控懸臂帶臺(tái)階定位銷定位工藝孔及航向后框腹板面，10860框?yàn)橹魇芰?，整個(gè)中機(jī)身重量通過(guò)梁傳遞到10860框上。10860框上的定位器設(shè)計(jì)為固定式，螺接在平臺(tái)上。針對(duì)加強(qiáng)框上4個(gè)交點(diǎn)孔的定位采用孔銷配合定位。首先，用1個(gè)φ10的銷定位交點(diǎn)孔，限制框的5個(gè)自由度，保證框的位置；其次，再用一個(gè)φ10的銷定位交點(diǎn)孔，限制框的轉(zhuǎn)動(dòng)，即可達(dá)到完全定位，剩余兩個(gè)交點(diǎn)孔采用2個(gè)φ9的銷定位，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)定位情況，由于加強(qiáng)框交點(diǎn)孔定位精度為±0.1mm，所以可以避免銷插不進(jìn)孔的情況。將機(jī)身6層加強(qiáng)框上的交點(diǎn)孔投影到底層平面上，交點(diǎn)孔分布如圖3所示。

交點(diǎn)孔主要分布在4個(gè)區(qū)域，其他兩點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)為8700框上的交點(diǎn)孔，位置比較特殊，離其他各點(diǎn)較遠(yuǎn)，且在工裝定位交點(diǎn)孔時(shí)容易與立梁干涉，交點(diǎn)孔分布如圖3所示。

圖1 中機(jī)身結(jié)構(gòu)Fig.1 Intermediate fuselage structure

900梁分為上900梁和下900梁兩個(gè)部分，和機(jī)身的其他各框之間要進(jìn)行套合，其定位主要控制Z方向，X方向位置僅作檢查。在上900梁上有2個(gè)定位交點(diǎn)孔E點(diǎn)和F點(diǎn)，如圖4所示。利用兩個(gè)系統(tǒng)孔在型架橫梁上設(shè)置2組定位器，在平臺(tái)底部設(shè)置一個(gè)端面輔助托板，承受900側(cè)梁重量。

飛機(jī)主起落架的順利收放對(duì)主起落架轉(zhuǎn)軸提出同軸度要求。在平臺(tái)上設(shè)置支座，安裝“V”型帶壓緊塊的定位器，通過(guò)定位工藝軸確定主起落架轉(zhuǎn)軸接頭的位置。主起落架大護(hù)板3組接頭、小護(hù)板2組接頭需要定位，其中要保證大護(hù)板3組接頭定位器同軸度φ0.05，小護(hù)板2組接頭定位器同軸度φ0.05，具體定位需求如圖5所示。

中機(jī)身產(chǎn)品的裝配和后續(xù)的鉆鉚工作分別在不同的平臺(tái)上完成，在裝配工位完成中機(jī)身的裝配后，產(chǎn)品由AGV小車從裝配工位運(yùn)輸至自動(dòng)鉆鉚平臺(tái)。為保證運(yùn)輸過(guò)程中中機(jī)身產(chǎn)品的穩(wěn)定性及減少鉆鉚時(shí)末端執(zhí)行器壓力腳壓緊產(chǎn)品對(duì)制孔精度的影響，提高產(chǎn)品的剛性，在900側(cè)梁處設(shè)置真空吸盤(pán)將產(chǎn)品與保型工裝連為一體。

圖2 機(jī)身加強(qiáng)框Fig.2 Fuselage strengthen frame

圖3 交點(diǎn)孔分布Fig.3 Intersection hole distribution

圖4 900梁交點(diǎn)孔分布Fig.4 Intersection hole distribution of 900 beam

圖5 主起落架護(hù)板和轉(zhuǎn)軸定位需求Fig.5 Positioning demand of main landing gear guard boad and spindle

2 柔性工裝方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裝配要求分析，柔性工裝主要用于定位機(jī)身上的加強(qiáng)框和900梁，其中加強(qiáng)框的定位主要以孔定位為主。如圖3所示，交點(diǎn)孔主要分布在1、2、3、4區(qū)域，A、B兩點(diǎn)離其他區(qū)域比較遠(yuǎn)。根據(jù)框交點(diǎn)孔分布情況和900梁定位需求確定柔性工裝機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體布局，4個(gè)區(qū)域每一個(gè)區(qū)域上的交點(diǎn)孔共用一個(gè)立柱面，以完成在高度方向的柔性，900梁定位單獨(dú)對(duì)應(yīng)一個(gè)立柱。

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位特征多、位置集中、空間開(kāi)敞性差，定位準(zhǔn)確度要求高，且對(duì)中機(jī)身產(chǎn)品的認(rèn)知有一個(gè)過(guò)程，因此工裝經(jīng)過(guò)了幾輪方案設(shè)計(jì)才得以完成。工裝的幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)形式如下：

方案一：該方案采用6根立柱式結(jié)構(gòu)，每根立柱對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)孔定位，A點(diǎn)劃在3區(qū)域，B點(diǎn)劃在4區(qū)域。每一個(gè)交點(diǎn)孔都能實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向自由度，其中兩個(gè)方向是通過(guò)電機(jī)自動(dòng)控制，一個(gè)方向是通過(guò)人工調(diào)整。該方案優(yōu)點(diǎn)是柔性比較大，自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品快速重構(gòu)時(shí)間短；缺點(diǎn)是工裝開(kāi)敞性差，產(chǎn)品框不能水平進(jìn)出，工人操作不方便，工裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。

方案二：該方案采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，針對(duì)4個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)孔，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)立柱，區(qū)域1和區(qū)域2的立柱、區(qū)域3和區(qū)域4的立柱分別連到一起成為龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，900梁的定位由專門(mén)定位立柱完成，且該立柱安裝在工裝底座上，產(chǎn)品裝配完后和產(chǎn)品一起運(yùn)走。其中針對(duì)機(jī)身框上的每一個(gè)交點(diǎn)孔都能實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向自由度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在900側(cè)梁上的交點(diǎn)孔定位實(shí)行剛性工裝定位。該方案工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)敞性比較好，產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程中穩(wěn)定性強(qiáng)；缺點(diǎn)是針對(duì)900側(cè)梁的定位柔性化程度小，在900梁定位柱處開(kāi)敞性差，裝配時(shí)產(chǎn)品框不能水平進(jìn)出，工裝結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

方案三：該方案采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，針對(duì)4個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)孔，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)立柱，區(qū)域1和區(qū)域3、區(qū)域2和區(qū)域4的立柱分別連到一起成為龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，900梁的定位柱安裝在保型工裝上，隨產(chǎn)品一起運(yùn)走，主起轉(zhuǎn)軸定位器安裝在龍門(mén)上，結(jié)構(gòu)如圖8所示。該工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)敞性較好，裝配時(shí)能夠滿足產(chǎn)品框水平進(jìn)出，產(chǎn)品運(yùn)輸過(guò)程中穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)是主起轉(zhuǎn)軸定位精度不高，900梁定位立柱剛性不夠，產(chǎn)品制孔時(shí)末端執(zhí)行器壓力腳壓緊中機(jī)身影響制孔精度。

圖6 方案一：柔性工裝結(jié)構(gòu)Fig.6 Flexible tooling structure of the first scheme

圖7 方案二：柔性工裝結(jié)構(gòu)Fig.7 Flexible tooling structure of the second scheme

圖8 方案三：柔性工裝結(jié)構(gòu)Fig.8 Flexible tooling structure of the third scheme

方案四：該方案采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，針對(duì)4個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)孔，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)立柱，區(qū)域1和區(qū)域3、區(qū)域2和區(qū)域4的立柱分別連到一起成為龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，900梁的定位柱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，主起轉(zhuǎn)軸定位器安裝在工裝底座上，10460框、10060框靠近主起轉(zhuǎn)軸的定位器為剛性定位器，且和主起轉(zhuǎn)軸定位器安裝在同一個(gè)支撐立柱上，主起護(hù)板定位器安裝在900梁立柱上，8700框上的A、B兩點(diǎn)的定位器為剛性定位器。工裝結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。該方案工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)敞性好，工人操作空間比較大，保型工裝剛性強(qiáng)，機(jī)身產(chǎn)品在后續(xù)制孔過(guò)程中比較穩(wěn)，精度比較高；缺點(diǎn)是柔性化程度相對(duì)于其他方案低一些。

綜合以上4種方案，分析優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在合理評(píng)估柔性工裝需要具備的柔性化程度[10]，結(jié)合產(chǎn)品對(duì)裝配開(kāi)敞性要求以及制孔精度要求的情況下，選擇方案四作為工裝的最終方案。

圖9 方案四：柔性工裝結(jié)構(gòu)Fig.9 Flexible tooling structure of the fourth scheme

3 產(chǎn)品工藝試驗(yàn)

為了確定工裝各定位器在中機(jī)身變形中的作用，對(duì)完成架內(nèi)鉚接的中機(jī)身做了一系列的工藝試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)及結(jié)果如圖10、表1、表2所示。

根據(jù)試驗(yàn)得出結(jié)論：

（1）900梁定位器的固定對(duì)于中機(jī)身受力變形影響較大，其次為主起轉(zhuǎn)軸定位器；

（2）在中機(jī)身底部10460框定位器主要起支撐作用，其與工藝孔的固定狀態(tài)對(duì)中機(jī)身受力變形影響不大；

（3）900梁定位器比主起轉(zhuǎn)軸定位器對(duì)中機(jī)身的穩(wěn)定性更強(qiáng)；

（4）如果只固定900梁定位器中的下定位器，對(duì)于中機(jī)身的穩(wěn)定性影響不大；

（5）在固定900梁定位器時(shí)中機(jī)身機(jī)腹到機(jī)背方向變形大于垂直900梁方向的變形；

（6）在固定主起轉(zhuǎn)軸定位器時(shí)中機(jī)身機(jī)腹到機(jī)背方向和900梁方向的受力變形量大體一致。

圖10 完成架內(nèi)鉚接的中機(jī)身Fig.10 Intermediate fuselage after riveting inside the fixture

表1 中機(jī)身5種固持方式

表2 5種固持方式下不同方向施加500N力時(shí)產(chǎn)品最高點(diǎn)處變形量mm

4 柔性工裝機(jī)械結(jié)構(gòu)

4.1 柔性工裝總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)中機(jī)身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裝配定位需求，確定柔性工裝方案設(shè)計(jì)，其主要結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要包括產(chǎn)品、龍門(mén)、龍門(mén)搭扣、保型工裝、主起轉(zhuǎn)軸定位器、主起護(hù)板定位器、移動(dòng)單元模塊、定位器快換模塊、剛性定位器等。各個(gè)部分在產(chǎn)品裝配過(guò)程中起到的作用如下：開(kāi)始時(shí)，保型工裝安裝在底座上，龍門(mén)合攏，龍門(mén)搭扣鎖緊，移動(dòng)各移動(dòng)單元模塊和剛性定位器，安裝主起轉(zhuǎn)軸定位器和主起護(hù)板定位器，裝配產(chǎn)品，快換接頭位于各定位器頂部，可以更換。

4.2 柔性工裝外形輪廓尺寸

柔性工裝總體尺寸為5997mm×4320mm×2986mm，如圖12所示。

4.3 移動(dòng)單元模塊

工裝柔性化具體實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)單元模塊的柔性化。對(duì)于移動(dòng)單元模塊來(lái)說(shuō)，柔性工裝有3個(gè)方向的柔性，X方向通過(guò)作動(dòng)筒前后移動(dòng)，Y方向通過(guò)移動(dòng)單元在導(dǎo)軌上下移動(dòng)，Z方向上可以通過(guò)更換墊片和微調(diào)快換接頭實(shí)現(xiàn)，如圖13所示。

移動(dòng)單元模塊作為柔性工裝自動(dòng)控制的執(zhí)行模塊，主要包括移動(dòng)滑臺(tái)、作動(dòng)筒移動(dòng)桿、作動(dòng)筒基座、墊片等幾個(gè)關(guān)鍵部分。移動(dòng)滑臺(tái)由電機(jī)、直角減速機(jī)、斜齒輪、橫板、導(dǎo)軌制動(dòng)器、導(dǎo)軌座等組成，電機(jī)連接減速機(jī)，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)單元的上下移動(dòng)；作動(dòng)筒移動(dòng)桿由矩形鋼、導(dǎo)軌和快換接頭組成；作動(dòng)筒基座由導(dǎo)軌座、絲杠、電機(jī)和外筒組成；電機(jī)帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)，從而移動(dòng)桿在導(dǎo)軌上滑行，實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)。通過(guò)更換墊片、微調(diào)快換接頭或更換快換接頭可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)單元在左右方向的柔性。

圖11 柔性工裝模塊Fig.11 Flexible tooling modules

圖12 柔性工裝整體尺寸Fig.12 Integral dimension of flexible tooling

圖13 移動(dòng)單元模塊Fig.13 Mobile unit module

4.4 定位器快換模塊

定位器快換模塊固定在作動(dòng)筒的末端，包括一個(gè)可左右調(diào)整的定位器快換接頭等，該接頭上有一排精密定位孔，接頭上不同位置的孔和作動(dòng)筒上的孔通過(guò)螺栓連接，可實(shí)現(xiàn)定位器左右方向的調(diào)動(dòng)，當(dāng)產(chǎn)品交點(diǎn)孔類型改變后可通過(guò)更換定位器接頭實(shí)現(xiàn)對(duì)交點(diǎn)孔的定位?？鞊Q模塊如圖14所示。

4.5 剛性定位器

剛性定位器模塊為定位產(chǎn)品時(shí)不方便或不需要實(shí)現(xiàn)柔性化的定位器主要安裝在龍門(mén)上，產(chǎn)品改變后剛性定位器也需改變。如圖15所示為剛性定位器，該定位器包括支撐桿和移動(dòng)單元兩個(gè)部分，在龍門(mén)對(duì)合時(shí)剛性定位器通過(guò)銷、孔方式對(duì)合，可增加剛性定位器的剛性和定位精度。

4.6 主起轉(zhuǎn)軸定位器

主起轉(zhuǎn)軸定位器包括立柱、支座、手搖裝置、護(hù)腕、絲杠、V型件、安裝工藝軸、壓板、銷等，如圖16所示。安裝在保型工裝底座上，主要保證主起落架壁板上的兩個(gè)孔處于同一個(gè)軸上，而且還能增強(qiáng)產(chǎn)品在制孔時(shí)的穩(wěn)定性。

圖14 快換模塊Fig.14 Quick change module

圖15 剛性定位器Fig.15 Rigid positioner

4.7 主起護(hù)板定位器

主起護(hù)板定位器主要包括支座和定位器2個(gè)部分，安裝在保型工裝900梁加強(qiáng)框上，5個(gè)定位器獨(dú)立定位，通過(guò)交點(diǎn)量規(guī)協(xié)調(diào)，保證900梁上下兩個(gè)板處于同一個(gè)平面上（圖17）。

4.8 保型工裝

保型工裝包括工裝底座、液壓銷、導(dǎo)軌、導(dǎo)向塊、滾球、底座組件、加強(qiáng)框、點(diǎn)定位器、真空吸附定位器等，如圖18所示。保型工裝安裝在產(chǎn)品底部，通過(guò)底座組件定位產(chǎn)品的底層框，通過(guò)側(cè)面的2個(gè)點(diǎn)定位器定位900梁，通過(guò)側(cè)面的真空吸附定位器支撐、夾持900梁。從剛開(kāi)始產(chǎn)品裝配，直到產(chǎn)品完成裝配，保型工裝起著保持產(chǎn)品形狀位置、保證產(chǎn)品裝配準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的作用。裝配完成后，保型工裝的液壓銷下移，保型工裝上部分和產(chǎn)品一起沿導(dǎo)軌移動(dòng)，運(yùn)到移動(dòng)小車上。一種保型工裝對(duì)應(yīng)一種產(chǎn)品，產(chǎn)品改變后只需更換保型工裝即可。

圖16 主起轉(zhuǎn)軸定位器Fig.16 Main landing gear shaft positioner

圖17 主起護(hù)板定位器Fig.17 Main landing gear supporting plate positioner

保型工裝的基本尺寸為4433mm×3600mm×2400mm，如圖19所示。

圖18 保型工裝Fig.18 Protection tool

圖19 保型工裝基本尺寸Fig.19 Basic dimensions of protection tool

5 結(jié)論

本文針對(duì)機(jī)身骨架裝配，借鑒國(guó)內(nèi)外工裝研究方法，采用機(jī)床“龍門(mén)式”工裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了機(jī)身骨架裝配柔性工裝，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整移動(dòng)單元位置、更換快換接頭以實(shí)現(xiàn)對(duì)截面直徑尺寸小于3m，筒段3～5m的多種產(chǎn)品的定位。其應(yīng)用可減少專用剛性型架，縮短研制周期，具有效率高、可重構(gòu)時(shí)間短、精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提高國(guó)內(nèi)柔性裝配的水平，促進(jìn)飛機(jī)制造企業(yè)研制能力的發(fā)展具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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