（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

使用可重構(gòu)柔性工裝可以使工裝資源得到重復(fù)利用，提高生產(chǎn)效率，減少成本投入。裝配型架的柔性和可重構(gòu)能力是型架數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)型架的柔性和可重構(gòu)性進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了大量研究成果。其中，有代表性的是瑞典林雪平大學(xué)Kihlman等提出一種基于盒式連接和六足定位器的ART（Affordable Reconfigurable Tooling）工裝解決方案，即低成本可重構(gòu)夾具，并與薩博公司、DELFOi公司、空客公司等合作開展了大量的應(yīng)用研究[1-4]。國(guó)內(nèi)北京航空制造工程研究所開展了基于盒式連接、并聯(lián)定位器以及標(biāo)準(zhǔn)型材的可重構(gòu)柔性裝配型架的設(shè)計(jì)應(yīng)用。北航鄭聯(lián)語(yǔ)等開展了基于盒式連接的和可調(diào)定位器的可重構(gòu)柔性裝配工裝在中央翼盒、底板梁、平尾前緣等飛機(jī)產(chǎn)品裝配中的研究和探索，并開發(fā)了基于盒式連接的整套可重構(gòu)裝配工裝設(shè)計(jì)、分析和裝調(diào)系統(tǒng)[5-7]。

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法是數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到一定水平、數(shù)字化設(shè)計(jì)和管理相融合的結(jié)果，更強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品與內(nèi)部子模型之間的約束和聯(lián)系，其主要思想是將設(shè)計(jì)特征與設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)輸入關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更改或變型設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)，保證設(shè)計(jì)結(jié)果的一致性。劉俊堂等[8]對(duì)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)概念的引入及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究，并以機(jī)翼及翼肋為例說(shuō)明了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)在飛機(jī)研制中的應(yīng)用。田憲偉等[9]對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品的MBD模型表達(dá)及在關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中的骨架模型進(jìn)行了深入研究，闡述了骨架模型的工作原理及基于MBD的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)在飛機(jī)產(chǎn)品研制中的工藝、工裝、檢驗(yàn)檢測(cè)等方面的重要性。周婷等[10]研究了型架骨架與裝配件之間的關(guān)聯(lián)性并實(shí)現(xiàn)了基于裝配件包絡(luò)盒的骨架軸線關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)算法，可用于實(shí)現(xiàn)裝配型架的結(jié)構(gòu)及其尺寸隨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的修改而自適應(yīng)更改。韓彬等[11]將關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于航天器直屬件設(shè)計(jì)和自動(dòng)裝配中，將設(shè)計(jì)失誤率降低至1.6%，設(shè)計(jì)周期縮短約35%。

本文探究了基于關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的面向翼面類部件可重構(gòu)裝配型架的快速設(shè)計(jì)技術(shù)，基于CATIA設(shè)計(jì)平臺(tái)開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的裝配型架快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在某型垂尾裝配型架的快速設(shè)計(jì)中應(yīng)用驗(yàn)證，縮短了工裝的研制周期，降低了研制成本。

翼面類部件及其裝配型架特點(diǎn)

飛機(jī)翼面類部件結(jié)構(gòu)多以蒙皮、肋及梁組成，翼面內(nèi)部使用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)支持，主要包括機(jī)翼、垂直尾翼和水平尾翼等，其構(gòu)成組件包括翼盒、安定面、前緣縫翼、襟翼、副翼、擾流板、升降舵和方向舵等。

翼面類部件整體結(jié)構(gòu)差異性不大，主要體現(xiàn)在蒙皮及梁外形尺寸的變化，蒙皮及梁的厚度變化，緊固件孔位變化，部分翼肋及梁的結(jié)構(gòu)形式變化和材料變化，因此其裝配工裝整體結(jié)構(gòu)基本類似，主要為框架式結(jié)構(gòu)。由于飛機(jī)翼面類部件改型、變型較多且研制周期短，結(jié)構(gòu)尺寸差異較大，以飛機(jī)垂尾垂直安定面為例，其主要變化表現(xiàn)在前緣后掠角、半展長(zhǎng)、根弦長(zhǎng)、尖弦長(zhǎng)方面（圖1），所涉及的工裝尺寸也發(fā)生相應(yīng)變化，所以導(dǎo)致需要制造不同規(guī)格的翼面類傳統(tǒng)專用工裝，但其通用性、共享性較差。

圖1 機(jī)翼安定面結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure sketch of Wing stability surface

圖2 翼面類部件可重構(gòu)柔性型架組成模塊劃分Fig.2 Modules of wing surface components for reconfigurable flexible assembly tooling

翼面類部件可重構(gòu)柔性裝配型架

在實(shí)際工程應(yīng)用中，翼面類產(chǎn)品具有在研制階段反復(fù)更改和與后續(xù)家族機(jī)型構(gòu)形相似等特點(diǎn)，其裝配型架可通過(guò)可拆卸定位器、導(dǎo)軌式多工況移動(dòng)定位器、真空吸盤、可拆卸鉆模板、通用接口等柔性工裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)重構(gòu)，以適應(yīng)不同構(gòu)型產(chǎn)品的裝配要求。典型的飛機(jī)可重構(gòu)工裝的模型主要有4種基本元件組成，由內(nèi)到外分別為：裝配件，夾持器，定位支撐件和外圍工裝型架[5]。但外圍工裝型架的一體式剛性連接結(jié)構(gòu)、焊接時(shí)效周期長(zhǎng)、占用空間大，難以對(duì)多品種、小批量和定制化產(chǎn)品研制的需求作出快速響應(yīng)，束縛了可重構(gòu)裝配型架的適應(yīng)性。

因此，本文研究的可重構(gòu)裝配型架優(yōu)勢(shì)在于型架骨架和定位裝置的快速重構(gòu)，既保證型架骨架的模塊化快速重構(gòu)重用，又能保留定位器可拆可調(diào)的柔性，“一機(jī)多用”，節(jié)省存儲(chǔ)和運(yùn)輸空間，降低工裝研制成本，能適應(yīng)飛機(jī)產(chǎn)品快速迭代的研制和生產(chǎn)需要。模塊化劃分如圖2所示，其中型架骨架模塊包括型架梁、型架接頭、定位夾緊銷及地腳支承等輔助支撐件；動(dòng)態(tài)模塊即定位平臺(tái)模塊包括多坐標(biāo)定位平臺(tái)、并聯(lián)柔性定位平臺(tái)、多自由度伺服定位平臺(tái)和普通手動(dòng)調(diào)節(jié)定位平臺(tái)；定位/夾持器模塊包括定位器（多為孔定位）、夾持器（部分肋及梁的夾緊）及外形定位卡板，各模塊構(gòu)成某翼面類部件可重構(gòu)柔性裝配型架如圖3所示。該裝配型架由型架元組件如型架梁、敏捷接頭、盒式接頭、地腳支撐等構(gòu)成型架骨架，同時(shí)布置翼梁定位器、端肋定位器、接頭定位器、卡板定位器等實(shí)現(xiàn)翼面類部件的裝配，同時(shí)通過(guò)調(diào)整定位器的數(shù)目和位置，能夠適應(yīng)于該翼面類部件不同規(guī)格大小的多個(gè)部件裝配。

翼面類部件裝配型架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

1 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是一種特殊形式的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，其驅(qū)動(dòng)參數(shù)為上游設(shè)計(jì)的幾何特征（如點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系等），其表現(xiàn)為上游設(shè)計(jì)對(duì)下游設(shè)計(jì)的影響關(guān)系。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)可以抽象為公式：y=f(x)，其中，x為上游設(shè)計(jì)給下游設(shè)計(jì)的輸入，y為建立在上游設(shè)計(jì)輸入基礎(chǔ)上的下游設(shè)計(jì)，f為上下游設(shè)計(jì)間建立的關(guān)聯(lián)關(guān)系[10]。

根據(jù)關(guān)聯(lián)方式的不同可分為：參數(shù)（尺寸）關(guān)聯(lián)和特征關(guān)聯(lián)。參數(shù)關(guān)聯(lián)是指將相互影響的尺寸建立直接或間接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)修改主驅(qū)動(dòng)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的同步更新，如根據(jù)翼面類產(chǎn)品規(guī)格尺寸更新型架骨架的規(guī)格尺寸。特征關(guān)聯(lián)是指通過(guò)模型特征（點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系等）建立的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通常用于建立不同模型之間的位置約束，如各定位器組件與裝配件和型架骨架之間的位置約束。

圖3 翼面類部件可重構(gòu)裝配型架構(gòu)成Fig.3 Constitution of reconfigurable assembly tooling for wing surface type components

圖4 翼面類部件及其裝配型架關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.4 Association between wing surface components and assembly tooling

2 翼面類部件與其裝配型架的關(guān)聯(lián)

實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，主要通過(guò)參數(shù)、公式、約束關(guān)系、自定義特征等實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)更新的目的。翼面類部件結(jié)構(gòu)件多，且形狀復(fù)雜，其裝配型架復(fù)雜程度因待裝部件而定，因此，在梳理關(guān)聯(lián)參數(shù)和裝配約束是關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)施的關(guān)鍵。

在研究翼面類部件及其裝配型架結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，建立二者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4所示，建立待裝配翼面類部件與型架骨架模塊及定位平臺(tái)（或定位器組件模塊）之間的參數(shù)和特征關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而使裝配型架在具有模塊化重構(gòu)能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)待裝配件與裝配型架的同步適應(yīng)性更新。

3 型架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)步驟

型架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)可通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

（1）模型預(yù)處理：包括對(duì)實(shí)施對(duì)象的驅(qū)動(dòng)參數(shù)和裝配特征的定義，其中驅(qū)動(dòng)參數(shù)的定義是通過(guò)參數(shù)化方式實(shí)現(xiàn)的，裝配特征的定義是通過(guò)發(fā)布機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。如某型飛機(jī)垂尾安定面部件預(yù)處理如圖5所示，主要參數(shù)定義包括產(chǎn)品長(zhǎng)度、產(chǎn)品寬度、產(chǎn)品高度；主要裝配特征定義包括上下翼梁面、肋面、上下翼梁孔軸、接頭孔軸等。

（2）建立關(guān)聯(lián)關(guān)系：參數(shù)關(guān)聯(lián)通過(guò)函數(shù)關(guān)系建立，如裝配件的長(zhǎng)、寬、高已知（分別用l、w、h表示），對(duì)于需要更新的型架骨架規(guī)格，即可根據(jù)以下比例關(guān)系確定：α=L/l，β=W/w，γ=H/h（其中，L、W、H分別表示型架骨架的長(zhǎng)、寬、高，α、β、γ為對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)），通過(guò)交互指定比例系數(shù)即可實(shí)現(xiàn)不同大小的裝配件與對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的型架骨架尺寸進(jìn)行關(guān)聯(lián)。特征關(guān)聯(lián)是通過(guò)不同裝配特征之間的約束關(guān)系而建立的，如軸重合、面平行、面接觸等。

按照關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法建立其型架總裝結(jié)構(gòu)層次及關(guān)系如圖6所示，在型架總裝根節(jié)點(diǎn)下，建立翼面類部件、型架骨架、定位夾緊裝置、其他裝置（測(cè)量輔件等）模塊，各模塊中包含了該對(duì)象在設(shè)計(jì)過(guò)程中所用的所有關(guān)鍵設(shè)計(jì)輸入，如關(guān)鍵的點(diǎn)、線、面特征，零組件實(shí)體等。

根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系是否完整，關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中的關(guān)系類型劃分為強(qiáng)關(guān)系和弱關(guān)系，其中強(qiáng)關(guān)系指由裝配特征建立起的完全約束關(guān)系，如裝配對(duì)象中零組件與定位器之間的關(guān)聯(lián)，以保證待裝配產(chǎn)品位置精確；弱關(guān)系是指由裝配特征建立的不完全約束關(guān)系，如定位器組件與型架骨架的關(guān)聯(lián)，以便定位器組件在型架骨架上的安裝調(diào)整。

（3）同步更新：利用更新機(jī)制快速更新建立關(guān)聯(lián)關(guān)系后的模型，通過(guò)CAA二次開發(fā)程序自動(dòng)讀取關(guān)聯(lián)信息，快速配置該裝配件的可重構(gòu)裝配型架。此外，在裝配型架模型建立完成后，保留關(guān)聯(lián)關(guān)系的存在，從而實(shí)現(xiàn)在下一版本的同步更新修改中模型和關(guān)聯(lián)關(guān)系能夠重用，提高裝配型架設(shè)計(jì)的效率、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖5 模型預(yù)處理Fig.5 Pre-processing of models

圖6 裝配型架結(jié)構(gòu)層次及關(guān)系Fig.6 Structure level and relationship of assembly tooling

應(yīng)用實(shí)例

以某型垂尾安定面的裝配型架設(shè)計(jì)為例，該垂尾安定面屬于固定翼面類部件，主要由蒙皮、壁板、翼肋、翼梁和墻等元組件組成。垂尾垂直安定面部件的裝配是指按照一定的裝配順序?qū)⒃摬考囊砝摺⒁砹汉兔善さ冉M裝成部件，其型架主要是為了保證該垂尾各組成件的準(zhǔn)確定位和夾緊，從而實(shí)現(xiàn)垂尾部裝。其操作流程為：（1）導(dǎo)入待裝配翼面類部件，判斷是否按照規(guī)范進(jìn)行預(yù)處理，若符合預(yù)處理要求則直接進(jìn)入工裝檢索環(huán)節(jié)，配置符合該部件裝配的型架骨架，否則需要按照預(yù)處理規(guī)范進(jìn)行處理；（2）檢索工裝骨架實(shí)例庫(kù)，若檢索到適合該部件的型架類型，可進(jìn)行型架骨架、定位器等的關(guān)聯(lián)，否則重新設(shè)計(jì)型架骨架；（3）檢查配置結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求或配置其他輔件并保存至工裝實(shí)例庫(kù)。最終配置設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Verification result of system

結(jié)論

基于關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)的可重構(gòu)裝配型架在飛機(jī)翼面類部件研制和改型中，具有良好的應(yīng)用前景。建立翼面類部件模型和裝配型架的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)快速配置設(shè)計(jì)，大大減少了工裝設(shè)計(jì)或修改的工作量，對(duì)減少工裝的研制周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]KIHLMAN H, ENGSTR?M M.Flexible fixtures with low cost and short leadtime[J]. Engineering & Technology, [2007-09-17]//doi:10.4271/2007-01-3797.

[2]JONSSON M, KIHLMAN H,OSSBAHR G. Coordinate Controlled Fixturing for Affordable Reconfigurable Tooling[C]//Proceedings of the 2nd Conference on Assembly Technologies and Systems, Sweden, 2008.

[3]MILLAR A, KIHLMAN H.Reconfigurable flexible tooling for aerospace wing assembly[C]//Aerospace Technology Conference& Eroposition, 2009.

[4]KIHLMAN H, ENGSTROM M.Flexapods-flexible tooling at SAAB for building the NEURON aircraft[C]//Aerospace Technology Conference & Eroposition, 2010.

[5]鄭聯(lián)語(yǔ),王建華.盒式連接可重構(gòu)柔性工裝技術(shù)及應(yīng)用展望[J].航空制造技術(shù)，2013(18):26-31.ZHENG Lianyu, WANG Jianhua.Development and application prospect of boxjoint-based reconfigurable and flexible tooling technology[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(18): 26-31.

[6]王藝瑋.盒式連接可重構(gòu)柔性工裝技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2013.WANG Yiwei. Box joint-based reconfigurable and flexible tooling technology and system development[D]. Beijing: Beihang Univercity, 2013.

[7]劉清軍.基于穩(wěn)定性的盒式連接裝配型架優(yōu)化設(shè)計(jì)與測(cè)量技術(shù)研究[D]. 北京：北京航空航天大學(xué)， 2014.LIU Qingjun. Research on box-joint assembly jig optimization design and measurement technologies for stability[D]. Beijing: Beihang Univercity, 2014.

[8]劉俊堂,劉看旺.關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)在飛機(jī)研制中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù)，2008(14):45-47.LIU Juntang, LIU Kanwang. Application of associated design technology in aircraft development[J]. Aeronautical Manfacturing Technology, 2008(14): 45-47.

[9]田憲偉,曲直.基于MBD的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)在飛機(jī)研制中的應(yīng)用[J].航空工程進(jìn)展， 2013(3): 381-385.TIAN Xianwei, QU Zhi. Application of associated design based on MBD on aircraft research[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2013(3): 381-385.

[10]周婷,曹巍,鄭國(guó)磊.飛機(jī)裝配型架骨架的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)原理及算法[J].航空制造技術(shù)， 2014(8):32-35.ZHOU Ting, CAO Wei, ZHENG Guolei.Principle and algorithm of associated frame design for aircraft assembly fixtures[J]. Aeronautical Manurfacturing Technology, 2014(8): 32-35.

[11]韓彬，劉剛.航天器直屬件關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法[J].航天器工程，2014(23)： 37-40.HAN Bin , LIU Gang. Research of associated design in special parts for integration[J].Spacecraft Engineering, 2014(23):37-40.