張 麗，郭巧榮

（中國民航大學(xué)a.法學(xué)院；b.航空工程學(xué)院，天津 300300）

傳統(tǒng)飛機裝配是基于模擬量傳遞的剛性裝配方式，而現(xiàn)代飛機裝配已發(fā)展成為全三維數(shù)字化的柔性裝配模式[1]，其中曲面薄壁零件的柔性裝配定位問題受到了越來越多的關(guān)注[2-3]。目前，航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家已在翼梁和機身、機身壁板集成、升降舵柔性裝配、柔性機翼壁板裝配以及機器人柔性裝配等方面[4-7]實現(xiàn)自動化。

國內(nèi)飛機裝配常采用傳統(tǒng)方法或根據(jù)使用經(jīng)驗來設(shè)計制造，對柔性工裝問題涉及較少。于金等[8]對薄壁件多點柔性加工變形問題進行了分析，采用有限元方法獲得了試驗較難測量的物理力學(xué)參數(shù)。張遠(yuǎn)遠(yuǎn)等[9]運用多點技術(shù)原理設(shè)計了某機型襟翼部件多點支撐定位系統(tǒng)。在測量技術(shù)方面，零件的定位測量裝備已應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)幾何尺寸和位置的測量。同時，在飛機部件數(shù)字化預(yù)裝配方面，柔性裝配的裝配順序、路徑優(yōu)化以及容差分配等問題得到了廣泛的關(guān)注和研究[10-13]。

在柔性工裝系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用方面，國內(nèi)相關(guān)研究工作仍停留在應(yīng)用研究和實驗層面，相比發(fā)達(dá)國家已在飛機生產(chǎn)和新型飛機研制過程中大量應(yīng)用，差距明顯。雖然已有少量研究對柔性工裝進行了改進設(shè)計，但成本較高，且沒有進行詳細(xì)的力學(xué)響應(yīng)分析，不能直接用于飛機制造。

夾持定位系統(tǒng)是柔性工裝系統(tǒng)的重要組成部分。研究柔性工裝系統(tǒng)中裝配元件成本的降低、裝配元件操作的簡化，可為面向空間曲面薄壁件的柔性工裝系統(tǒng)及其應(yīng)用提供理論參考。

民用飛機機翼與機身薄壁件具有結(jié)構(gòu)尺寸大、易變形的特點，其裝配技術(shù)一直是機體制造的關(guān)鍵。針對該問題，開發(fā)一種三維柔性工裝定位實體平臺，為保證柔性支撐裝置系統(tǒng)在額定載荷下穩(wěn)定工作，利用有限元軟件對其進行建模、靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合液壓設(shè)備和自動化設(shè)備，研究曲面薄壁零件維修和改裝過程中存在的定位難和易變形等問題，為提高民機結(jié)構(gòu)修理和改裝效率提供理論支撐。

1 三維柔性夾持工裝平臺設(shè)計

工裝是為了保證零部件加工和裝配質(zhì)量，并最大程度提高裝配效率的相關(guān)設(shè)備?！叭嵝浴敝傅氖菍Σ考b配的各種條件做出快速響應(yīng)的能力。定位夾持機構(gòu)分為夾持器和定位器兩部分。

工裝設(shè)計必須使工件能夠在工作臺上移動，且可旋轉(zhuǎn)夾持裝置，實現(xiàn)精確定位和曲面零件的姿態(tài)調(diào)整。柔性工裝系統(tǒng)中的夾具機構(gòu)可分為4個模塊：底板、連接模塊、支承模塊和夾緊模塊，各模塊單元可分別設(shè)計制造，實現(xiàn)柔性定位，如圖1所示。

圖1 三維柔性夾持工裝平臺Fig.1 3D flexible clamping fixture platform

柔性工裝平臺夾緊時能任意改變形狀與工件相適應(yīng)，擬采用真空吸附式定位夾持裝置，能夠基于曲面法矢量調(diào)節(jié)、吸附待裝配工件。為實現(xiàn)對零件柔性和方向的靈活定位，工裝平臺采用可調(diào)旋轉(zhuǎn)伸縮臂式結(jié)構(gòu)，因此，該工裝具有臥式、立式和環(huán)式等機構(gòu)特點，利用機械手臂控制方法對定位坐標(biāo)和調(diào)姿做具體研究。參考某廠家機械手零件進行設(shè)計，并對柔性工裝的零部件進行組裝[14]。機械手的設(shè)計可使曲面零件的真空吸附定位對復(fù)雜曲面工件有著很好的適用性。

2 三維柔性夾持工裝平臺有限元建模與計算

首先，利用CATIA建立柔性夾持工裝平臺的幾何模型，如圖2所示。然后，將該幾何模型導(dǎo)入ABAQUS進行有限元網(wǎng)格劃分，并進行靜力學(xué)和動力學(xué)分析。靜力學(xué)分析用于校核工裝平臺的剛度和強度，結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析包括自由振動分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析。因為柔性支撐系統(tǒng)進行加工作業(yè)時的外加載荷很小，故只需進行固有振動特性分析，即可預(yù)測平臺可能發(fā)生共振的關(guān)鍵部件和部位，為局部結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化提供依據(jù)。

圖2 三維柔性夾持工裝平臺的幾何模型Fig.2 Geometric model of 3D flexible clamping fixture platform

2.1 關(guān)鍵部件的靜力學(xué)分析

計算固定載荷作用下結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，以保證柔性支撐裝置各部件在零件自重作用下的變形在允許范圍之內(nèi)，使其不會影響系統(tǒng)的幾何構(gòu)型與定位精度。

因為實驗臺僅作演示使用，所以每個支撐點承重限制定為5 kg，共9個支撐點，總承重為45 kg。支撐裝置各部件材料選擇如下：伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)為鋁合金，彈性模量為71 GPa，密度為2 700 kg/m3；三維工裝平臺材質(zhì)為灰鑄鐵，彈性模量為100 GPa，密度為7 200 kg/m3。在有限元模型中，工裝平臺底部固支約束，縱向載荷為50 N，橫向載荷為10 N。計算所得支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布如圖3～圖6所示。

三維柔性工裝平臺應(yīng)力較小，且變形量極小，如表1所示。由圖3～圖6中的應(yīng)力和位移云圖可知，當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)的自重為5 kg時，支撐結(jié)構(gòu)與零件的接觸部位最易發(fā)生變形，且此處的最大VonMesis應(yīng)力為97.66MPa；而支撐結(jié)構(gòu)材料為鋁合金，屈服極限為180 MPa，因此支撐結(jié)構(gòu)具有足夠的強度。最大位移小于1 mm，發(fā)生在支撐結(jié)構(gòu)頂端，即安裝真空吸盤的位置，表明支撐結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，能夠保證裝配精度。

圖3 伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Mises stress distribution of telescopic rotational support structure

圖4 伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)位移云圖（ux）Fig.4 Displacement（ux）of telescopic rotational support structure

圖5 伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)位移云圖（uy）Fig.5 Displacement（uy）of telescopic rotational support structure

圖6 伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)位移云圖（uz）Fig.6 Displacement（uz）of telescopic rotational support structure

表1 伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力Tab.1 Displacement and stress of telescopic rotational support structure

2.2 夾持工裝平臺模態(tài)分析

柔性支撐裝置可通過重新排列組成新的多點柔性支撐系統(tǒng)，對夾持零件進行加工或試驗時，將產(chǎn)生一定的機械振動，并傳遞到支撐系統(tǒng)上，如果振動頻率接近支持裝置的自身固有頻率，則產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使支撐結(jié)構(gòu)不能穩(wěn)定工作。因此，有必要對支撐結(jié)構(gòu)和整體平臺進行固有頻率分析。

取前4階振型和固有頻率，伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)和三維柔性工裝平臺進行模態(tài)分析。伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)和三維柔性工裝臺的前4階固有頻率如表2所示，前4階振型分別如圖7～圖8所示?？芍?，由于支撐結(jié)構(gòu)和整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度較大，所以其固有頻率也較高，支撐結(jié)構(gòu)的基頻為274.56 Hz，整體系統(tǒng)的基頻為224.19 Hz，振幅最大處位于支撐筒的頂部。尺寸較大的薄壁結(jié)構(gòu)固有頻率較低，因此，從前4階振型分析結(jié)果可知，一般情況下零件傳遞的結(jié)構(gòu)振動不會讓支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。

表2 支撐結(jié)構(gòu)和整體系統(tǒng)的前4階固有頻率Tab.2 First four orders of natural frequencies of supporting structure and total system Hz

圖7 伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)前4階振型圖Fig.7 First four orders of vibration shapes of telescopic rotational support structure

圖8 三維柔性工裝平臺前4階振型圖Fig.8 First four orders of vibration shapes of 3D flexible clamping fixture platform

3 結(jié)語

基于模塊單元的薄壁件夾持三維柔性工裝平臺，其支撐單元在工作臺各方向上可任意移動，夾持裝置可根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)調(diào)整，實現(xiàn)曲面薄壁零件的定位和調(diào)姿。裝配平臺夾持定位系統(tǒng)是柔性工裝系統(tǒng)的重要組成部分，針對多點柔性支撐裝置在實際加持過程中的受載情況，對其進行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明，伸縮旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和強度。對柔性支撐裝置關(guān)鍵部件和整體平臺進行模態(tài)分析，考慮前4階固有頻率和振型，分析結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性，計算結(jié)果表明，一般情況下零件傳遞的結(jié)構(gòu)振動不會使支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。