常頌揚(yáng)，王鴻昇，上官敬益，朱 雷，馮 軍，鄭晨績，方 強(qiáng)

（1.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院航空制造工程研究所，杭州 310027；2.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安710089）

飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造的重要環(huán)節(jié)，占飛機(jī)制造總工作量的40%～50%，直接影響飛機(jī)的最終質(zhì)量、制造成本和周期[1]。隨著飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的深入，對(duì)飛機(jī)裝配中的工藝裝備提出了柔性的新需求，多機(jī)型、小批量、快轉(zhuǎn)產(chǎn)的生產(chǎn)模式要求工裝具備系列化產(chǎn)品的適應(yīng)性，即 “一對(duì)多”的工作模式。飛機(jī)柔性裝配技術(shù)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，其依賴于數(shù)字化和自動(dòng)化技術(shù)，能夠使用一組裝配夾具完成兩種或更多種飛機(jī)產(chǎn)品的組裝，可以極大地提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的交付時(shí)間[2]。在對(duì)同種類型的產(chǎn)品進(jìn)行裝配時(shí)不需要重新設(shè)計(jì)工裝，大大減少了設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)省了資源，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。通過使用各種數(shù)字柔性裝配系統(tǒng)，各大飛機(jī)制造企業(yè)不僅提高了飛機(jī)裝配效率，還降低了飛機(jī)制造成本，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代飛機(jī)的精確裝配，并顯著提高了飛機(jī)裝配技術(shù)水平[3]。

20世紀(jì)90年代，關(guān)于飛機(jī)制造中柔性工裝技術(shù)的研究逐漸在各個(gè)國家展開。EI 公司[4]研制的E6000 柔性工裝目前已成功用于A320/A380、波音737/ 波音787等型號(hào)飛機(jī)的機(jī)翼壁板組件裝配線。該工裝具備多個(gè)獨(dú)立分散排列的立柱單元，每個(gè)立柱單元上裝有具備運(yùn)動(dòng)調(diào)整能力的夾持單元，可通過調(diào)整各立柱單元上多個(gè)夾持單元排列分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同飛機(jī)零件的裝配。Mtorres 公司[3]研制的TORRESTOOL 工裝，通過數(shù)模理論數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)POGO 柱單元運(yùn)動(dòng)，在其端部裝有真空吸盤用以提供夾緊力夾緊蒙皮，吸盤可以在45°角的范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)不同的蒙皮，實(shí)現(xiàn)多種壁板的柔性裝配。近年來，國內(nèi)學(xué)者和企業(yè)也在柔性裝配技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了一些探索。Li 等[5]通過設(shè)計(jì)可三自由度運(yùn)動(dòng)的長桁定位器適應(yīng)不同壁板產(chǎn)品，并且考慮到預(yù)裝配、自動(dòng)鉆鉚工藝的結(jié)合，采用小圍框的結(jié)構(gòu)，在飛機(jī)壁板預(yù)裝配完成后，小圍框和產(chǎn)品整體可直接掛至自動(dòng)鉆鉚機(jī)支架上，提升了定位精度及裝配效率。王亮等[6]提出了一種柔性多點(diǎn)裝配型架，通過移動(dòng)卡板定位支點(diǎn)位置，結(jié)合可更換的卡板，實(shí)現(xiàn)利用一個(gè)型架裝配多種壁板組件的目的。Guo 等[7]提出了一種基于協(xié)調(diào)孔的機(jī)翼蒙皮定位方法，并設(shè)計(jì)了可三坐標(biāo)移動(dòng)的定位器，通過定位器上的協(xié)調(diào)孔與翼肋產(chǎn)品表面的協(xié)調(diào)孔配合，實(shí)現(xiàn)了46 組翼肋的定位，進(jìn)而通過機(jī)翼骨架定位蒙皮。

飛機(jī)壁板組件具有結(jié)構(gòu)尺寸大、零件形狀復(fù)雜、剛度小、氣動(dòng)外形要求嚴(yán)格及裝配精度要求高等特點(diǎn)，在其裝配過程中，不能單靠零件自身形狀和尺寸加工的準(zhǔn)確性來裝配產(chǎn)品，需要采用大量具有定位、保型功能的專用工裝，以保證飛機(jī)壁板類組件在裝配過程中的精確幾何外形[8]。型架是飛機(jī)壁板類組件裝配工裝的常見形式。在傳統(tǒng)的型架結(jié)構(gòu)中，為減小結(jié)構(gòu)變形，保證定位的準(zhǔn)確性，均采用剛性結(jié)構(gòu)，一套型架只適用于一種壁板類組件的裝配，這就意味著在飛機(jī)生產(chǎn)準(zhǔn)備階段需要設(shè)計(jì)制造大量的剛性型架，不僅占據(jù)廠房空間，而且造成飛機(jī)裝配成本增加，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期加長。隨著國內(nèi)對(duì)于飛機(jī)裝配效率提升、裝配生產(chǎn)線升級(jí)的需求，傳統(tǒng)的剛性型架已不能適應(yīng)現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)發(fā)展的要求。柔性工裝技術(shù)的發(fā)展為改善傳統(tǒng)剛性型架的裝配方式提供了可能。因此，需要通過柔性工裝中各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，研制適用于飛機(jī)壁板類組件裝配的柔性工裝，從而降低工裝制造成本，縮短工裝準(zhǔn)備周期，減少生產(chǎn)用地，同時(shí)大幅提高裝配生產(chǎn)效率。

本文針對(duì)ARJ21 飛機(jī)壁板組件裝配問題，提出一種基于蒙皮內(nèi)形定位的壁板柔性裝配方法，并結(jié)合數(shù)字化控制技術(shù)，建立飛機(jī)壁板柔性裝配系統(tǒng)，推動(dòng)工裝實(shí)現(xiàn)集約化、設(shè)備化轉(zhuǎn)變，改善傳統(tǒng)剛性工裝生產(chǎn)占地大、生產(chǎn)效率低、制造成本高等短板，豐富柔性工裝技術(shù)理論在飛機(jī)裝配、尤其是飛機(jī)壁板類組件裝配領(lǐng)域的運(yùn)用。

基于柔性定位技術(shù)的工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 裝配對(duì)象

機(jī)身壁板組件主要由蒙皮、長桁、剪切角片等零件構(gòu)成，如圖1和圖2所示。蒙皮是一種薄殼結(jié)構(gòu)，用以保證機(jī)身的氣動(dòng)外形，能夠承受和傳遞其表面的垂直壓力，也可承受拉伸、壓縮和剪切載荷。長桁主要是“Z”字形、“T”字形、“工”字形等樣式的桁條，可以承受較大的壓縮、拉伸載荷及較小的彎曲載荷。剪切角片與長桁和蒙皮相連接，起傳遞載荷的作用。壁板組件的裝配需要經(jīng)過預(yù)裝配、自動(dòng)鉆鉚兩個(gè)階段[9]。在預(yù)裝配階段，通過專用工裝進(jìn)行蒙皮、長桁、角片的定位和夾緊，制預(yù)連接孔，并通過連接螺栓進(jìn)行預(yù)連接，實(shí)現(xiàn)壁板各零件間相對(duì)位置關(guān)系的確定。預(yù)裝配完成后，將壁板安裝在自動(dòng)鉆鉚機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚，完成壁板裝配。

隨著柔性工裝技術(shù)的發(fā)展，提出了對(duì)機(jī)身壁板組件柔性裝配的需求，進(jìn)行該類組件的柔性裝配，存在以下技術(shù)難點(diǎn)：（1）蒙皮內(nèi)形面形狀復(fù)雜。蒙皮內(nèi)形面存在為機(jī)身減重而設(shè)計(jì)化銑區(qū)域，也有窗框、艙門等開孔區(qū)域及其周圍的蒙皮加厚區(qū)域，蒙皮是變厚度的，不同壁板內(nèi)型卡板的型面存在差異。（2）零件數(shù)量多且分布復(fù)雜。壁板的長桁、角片、隔框等零件均在蒙皮內(nèi)形面按照一定的基準(zhǔn)線及站位面分布，依照傳統(tǒng)工裝的設(shè)計(jì)思路，難以在一套工裝實(shí)現(xiàn)多組產(chǎn)品的定位。目前國內(nèi)研發(fā)的壁板裝配柔性工裝多為基于更換卡板的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)濟(jì)性較差且更換卡板工作量大。

圖1 壁板組件結(jié)構(gòu)Fig.1 Aircraft panel composition

圖2 ARJ21前機(jī)身上部壁板Fig.2 Upper part of ARJ21 forward fuselage

2 柔性定位技術(shù)

本文主要針對(duì)飛機(jī)機(jī)身壁板，以柔性工裝作為載體，以一套工裝解決多組壁板的零件定位問題作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行飛機(jī)壁板柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)。依據(jù)壁板裝配要求及零件分布特點(diǎn)，采用蒙皮內(nèi)形作為定位基準(zhǔn)，基于以下關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壁板柔性裝配。（1）基于蒙皮最優(yōu)支撐的卡板設(shè)計(jì)方法。在進(jìn)行卡板設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)以蒙皮裝配變形量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行蒙皮支撐點(diǎn)優(yōu)選。柔性定位技術(shù)采用卡板位置可重構(gòu)設(shè)計(jì)以及卡板型面的變曲率設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多塊蒙皮的最優(yōu)支撐。（2）多站式角片柔性裝配方法。傳統(tǒng)工裝通常在所有角片站位設(shè)置卡板，使工裝不具備柔性且開敞性差。柔性工裝基于數(shù)控定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)卡板的位置重構(gòu)，通過卡板在飛機(jī)航向及翼展向的平移運(yùn)動(dòng)，使單塊卡板即可完成所有站位角片的定位。（3）卡板數(shù)控定位技術(shù)。卡板數(shù)控定位技術(shù)是整套工裝柔性實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，通過上下雙電機(jī)同步閉環(huán)控制，保證卡板剛性以及定位的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述柔性定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了

圖3所示的飛機(jī)壁板柔性裝配工裝，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蒙皮、長桁、角片零件的柔性定位。工裝整體采用包圍式結(jié)構(gòu)，外部框架起卡板支撐和電氣設(shè)備集成作用；前部為長桁卡板，通過布置方式及理論型面的設(shè)計(jì)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)多組蒙皮的定位支撐?？ò迳习惭b長桁柔性定位器，起長桁軸線定位作用，可實(shí)現(xiàn)尺寸在一定范圍內(nèi)變化的多種長桁的夾持，長桁卡板可沿X向?qū)崿F(xiàn)航向平移。后部2塊為角片卡板，起角片輔助定位、夾持作用，角片卡板可沿X向平移，范圍覆蓋壁板所有角片站位面，并通過Y向推出/縮回運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)避讓。

3.1 蒙皮柔性定位方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒙皮作為弱剛性薄壁件，在裝配的過程中，受到重力、夾緊力、加工力的影響，容易產(chǎn)生較大變形，影響裝配精度，因此通常采用“N-2-1”定位方法[10]，即在滿足確定性定位的基礎(chǔ)上，在其主定位面增加定位元件數(shù)量，通過過約束的方式抑制蒙皮變形。傳統(tǒng)工裝受角片等零件定位要求的制約，在所有零件站位設(shè)置卡板，雖然可以在定位零件的同時(shí)，起到較好的蒙皮支撐效果，但是工裝開敞性較差，且制造成本和改造成本較高。柔性工裝采用多站式角片定位方法，不必在所有站位設(shè)置卡板，因此需要對(duì)蒙皮的定位點(diǎn)進(jìn)行分析和優(yōu)化，對(duì)卡板布置方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證蒙皮的支撐剛性。另一方面，柔性工裝的一塊卡板需要滿足多種蒙皮的裝配要求，在進(jìn)行卡板布局分析的同時(shí)，還應(yīng)考慮卡板在不同蒙皮、不同位置的兼容效果。對(duì)此，本文提出了基于蒙皮最優(yōu)支撐的卡板設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)多組蒙皮支撐剛性進(jìn)行綜合分析，選定柔性裝配環(huán)境下的卡板的最優(yōu)布局，并進(jìn)行卡板型面設(shè)計(jì)。該方法具體包括以下內(nèi)容：

圖3 工裝結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)Fig.3 Overall design of tooling structure

（1）優(yōu)化模型構(gòu)建。將蒙皮在柔性工裝進(jìn)行定位、綁帶拉緊后的最大變形量作為優(yōu)化目標(biāo)，最大變形量隨定位/支撐布局的變化而變化?？紤]到柔性工裝的特點(diǎn)，需綜合分析多塊蒙皮的最大變形量。因此將多塊蒙皮最大變形量的平均值Smax(X)作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，將卡板的布局方式X作為設(shè)計(jì)變量。此外，考慮到成本，將卡板數(shù)目N也作為優(yōu)化目標(biāo)，建立如下優(yōu)化模型：

其中，X代表卡板布置方式；P代表柔性工裝需要裝配的壁板種類數(shù)；Si(X)為第i塊蒙皮的最大變形量；A為約束條件下卡板的可行設(shè)計(jì)域。

在進(jìn)行卡板位置布局時(shí)，需要考慮產(chǎn)品的實(shí)際情況以及壁板裝配的工藝要求，包括以下約束條件：卡板位置應(yīng)為角片裝配留出充分操作空間；卡板與卡板之間需留出充分空間避免干涉；需避讓加強(qiáng)墊板等有特殊裝配需要的蒙皮區(qū)域；在有定位要求的地方（蒙皮窗框、長桁端部等）需設(shè)置卡板。

（2）優(yōu)化流程。柔性工裝每一塊卡板的外形都將對(duì)應(yīng)至少兩種蒙皮內(nèi)形的對(duì)應(yīng)區(qū)域。蒙皮雖然具有相同曲率的外形面，但為了飛機(jī)減重或結(jié)構(gòu)優(yōu)化，蒙皮的內(nèi)形面存在化銑區(qū)域或加厚區(qū)域，導(dǎo)致蒙皮內(nèi)形面曲率半徑不完全相同，采用同一塊卡板可能無法實(shí)現(xiàn)與多種蒙皮形面的完全匹配。因此在進(jìn)行卡板布置的優(yōu)化操作時(shí)，必須考慮卡板對(duì)應(yīng)形面的支撐狀態(tài)。優(yōu)化流程分為以下5 步。

第1步：記錄蒙皮支撐信息。在進(jìn)行優(yōu)化操作前，為簡化計(jì)算量，可先對(duì)蒙皮進(jìn)行區(qū)域劃分，分區(qū)依據(jù)可以是長桁軸線、角片定位面、蒙皮變曲率分界處等。將蒙皮劃分成m×n個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)最多包含一個(gè)可行的蒙皮支撐點(diǎn)。記錄每個(gè)蒙皮區(qū)域的支撐情況，形面支撐有效記為“1”，形面未實(shí)現(xiàn)支撐記為“0”，將該信息記錄成m行n列的矩陣形式：

第2步：確定算法參數(shù)。首先，確定適應(yīng)度函數(shù)。本文以多塊蒙皮最大變形量的平均值最小作為優(yōu)化目標(biāo)。設(shè)置蒙皮最大變形的閾值S0，為提高計(jì)算效率，當(dāng)單塊蒙皮的變形量超過，即賦予此種卡板布局方式下的適應(yīng)度為0。然后，對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行編碼操作，將其轉(zhuǎn)化為程序可讀取的優(yōu)化參數(shù)，具體方法為采用二進(jìn)制的編碼方式，將蒙皮區(qū)域的每一列是否具有卡板進(jìn)行區(qū)分，以此表示卡板的布局，有卡板記為“1”，無卡板記為“0”，可得到：

第3步：建立有限元參數(shù)化模型?；赑ython 腳本建立ABAQUS的有限元參數(shù)化模型。在參數(shù)化建模過程中，重點(diǎn)考慮兩方面問題。（1）將優(yōu)化變量記錄的信息轉(zhuǎn)化為模型的輸入信息，本文中為蒙皮不同區(qū)域內(nèi)卡板的支撐情況；（2）從結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)象中讀取需要的值，作為有限元分析的輸出，本文中為不同卡板布置狀態(tài)下蒙皮的最大變形量。最后，將參數(shù)化建模的程序封裝成函數(shù)的形式，即完成了參數(shù)化建模的過程。

第4步：算法與有限元參數(shù)化模型結(jié)合。Python 主程序部分主要負(fù)責(zé)將設(shè)計(jì)參數(shù)信息解碼，調(diào)用有限元參數(shù)化模型，尋找數(shù)據(jù)優(yōu)化方向以及記錄計(jì)算結(jié)果，有限元工具負(fù)責(zé)輸出適應(yīng)度值。每生成一個(gè)新種群，即對(duì)應(yīng)一組卡板的布局信息，需要至少調(diào)用1次，至多調(diào)用p次（p為柔性裝配的壁板數(shù)目）有限元計(jì)算，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度值。適應(yīng)度評(píng)估后，若滿足終止條件，則輸出本組卡板布局信息；若未滿足，對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行選擇、交叉、變異的遺傳操作，生成新一代種群，直至得到最優(yōu)解。

第5步：卡板形面設(shè)計(jì)。依據(jù)分析計(jì)算得到的卡板最優(yōu)布局情況，針對(duì)各區(qū)域蒙皮的曲率半徑，設(shè)計(jì)卡板形面，以適應(yīng)柔性裝配。

3.2 長桁與角片柔性定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

長桁通過蒙皮內(nèi)形以及卡板上定位器所確定的軸線位置實(shí)現(xiàn)定位，采用多點(diǎn)夾持的方法進(jìn)行夾緊。柔性工裝的長桁定位器設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足具備長桁軸線位置調(diào)整功能、適應(yīng)多種類型和厚度的長桁、保證長桁定位面與蒙皮貼合的要求。為實(shí)現(xiàn)上述功能，設(shè)計(jì)了長桁柔性定位器，如圖4所示。該定位器安裝在長桁卡板側(cè)面，由位置調(diào)整組件和長桁夾持組件構(gòu)成。位置調(diào)整組件由鎖止氣缸驅(qū)動(dòng)，通過連接軸帶動(dòng)卡板背面的夾持組件沿卡板的腰型長槽滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)長桁定位器兩個(gè)工位切換。夾持組件由雙氣缸驅(qū)動(dòng)，上氣缸提供夾持作用力，下氣缸驅(qū)動(dòng)夾持組整體前后平移，便于長桁裝卸并保證長桁貼緊蒙皮。該長桁定位器可實(shí)現(xiàn)1～2mm厚度范圍內(nèi)、20～30mm 寬度范圍內(nèi)的Z型長桁、T型長桁的夾持。

圖5 角片卡板結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of fixture board for shear clip

角片通過卡板確定其站位平面。柔性工裝使用可在航向和翼展方向移動(dòng)的角片卡板進(jìn)行定位，如圖5所示。翼展方向的運(yùn)動(dòng)由上下各一個(gè)帶同步功能的電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，航向方向的運(yùn)動(dòng)由上下各一個(gè)伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，在導(dǎo)軌平面安裝絕對(duì)光柵，實(shí)時(shí)測(cè)量卡板的航向位置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。在進(jìn)行角片裝配時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)理論數(shù)模中角片的定位數(shù)據(jù)，通過數(shù)控程序驅(qū)動(dòng)角片卡板沿航向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)借助絕對(duì)光柵實(shí)時(shí)反饋卡板的位置信息，并進(jìn)行補(bǔ)償，確保角片卡板的定位平面準(zhǔn)確到達(dá)角片站位處。此時(shí)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)卡板沿航向推出，使卡板前端靠近蒙皮內(nèi)形面。將角片分別與角片卡板定位面、蒙皮內(nèi)形面貼合，再通過長桁確定上下位置，實(shí)現(xiàn)完全定位。使用安裝在角片卡板上的角片夾緊器進(jìn)行角片夾緊，如圖6所示，該夾緊器采用內(nèi)嵌方式安裝在角片卡板上，且具有鏡像夾持功能，適合角片的柔性定位/夾持。

圖6 角片自動(dòng)夾緊器結(jié)構(gòu)Fig.6 Automatic clamper for shear clip

圖7 飛機(jī)壁板柔性裝配系統(tǒng)Fig.7 Flexible assembly system for aircraft panel

電氣及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

完整的柔性裝配系統(tǒng)由機(jī)械部分、電氣部分、軟件部分組成，如圖7所示。機(jī)械部分起到產(chǎn)品定位、支撐、夾持作用，包括靜態(tài)框架和動(dòng)態(tài)模塊[11]，動(dòng)態(tài)模塊依附于靜態(tài)框架，具有多個(gè)自由度，可根據(jù)不同產(chǎn)品的特征重組以適應(yīng)柔性裝配需求。電氣部分包括電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工裝的供能以及多軸運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)夾持的精確控制。軟件部分主要起人機(jī)交互作用，可實(shí)現(xiàn)工藝信息錄入、控制指令發(fā)送、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)讀取等功能。

1 電氣設(shè)計(jì)介紹

1.1 控制系統(tǒng)總體方案

ARJ21 壁板柔性工裝電氣控制系統(tǒng)主要包含3個(gè)部分：6塊長桁卡板上下電機(jī)航向同步運(yùn)動(dòng)、2塊角片卡板上下電機(jī)航向同步運(yùn)動(dòng)和翼展聯(lián)動(dòng)、布置在卡板上的長桁定位器和角片定位器控制。為了實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)、電動(dòng)推桿及定位器的控制要求，在對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合EtherCAT 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)及柔性工裝需要，采用了基于EtherCAT 以太網(wǎng)技術(shù)的分布式網(wǎng)絡(luò)控制方案，既提高了系統(tǒng)的可靠性，又提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，結(jié)構(gòu)簡單且便于擴(kuò)展。

圖8為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。工控機(jī)作為中央控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng) EtherCAT 實(shí)現(xiàn)通信功能，可以協(xié)調(diào)計(jì)算各從站運(yùn)動(dòng)單元，發(fā)送和接受指令數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行?？刂茖佑筛鲝恼窘M成，主要負(fù)責(zé)與系統(tǒng)層的通信，并解析從系統(tǒng)層發(fā)送的控制指令以供執(zhí)行層執(zhí)行。執(zhí)行層由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、電磁閥、接近開關(guān)等執(zhí)行部件和檢測(cè)硬件組成，主要依據(jù)控制器指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋給運(yùn)動(dòng)控制器和信號(hào)采集模塊。

1.2 電氣設(shè)備硬件布局

工裝電氣設(shè)備采用分布式電柜布局，根據(jù)工裝的需求，在工裝的下梁部分開設(shè)16個(gè)電柜孔用于存放電柜。每個(gè)電柜中安裝有對(duì)應(yīng)卡板運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)器、接線端子、開關(guān)電源等。而每塊卡板所需的輸入輸出模塊則安裝在卡板上，模塊的網(wǎng)絡(luò)、供電通過拖鏈與電柜相連接。電源模塊包括電機(jī)三相供電電源和直流開關(guān)電源。三相電源為電機(jī)運(yùn)動(dòng)提供能量，直流電源為伺服驅(qū)動(dòng)器、I/O模塊、電動(dòng)推桿等設(shè)備提供能源。數(shù)字量輸入模塊EL1008 和EL1809 用于從現(xiàn)場(chǎng)獲得按鈕和接近開關(guān)的反饋信號(hào)，并把數(shù)據(jù)以電隔離信號(hào)形式傳輸?shù)礁邔拥淖詣?dòng)化單元處理；數(shù)字量輸出模塊 EL2008 和EL2809將控制層傳輸過來的控制信號(hào)傳到設(shè)備層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；伺服驅(qū)動(dòng)器則根據(jù)具體的運(yùn)動(dòng)要求完成對(duì)伺服電機(jī)的控制。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 System structure drawing

工控機(jī)安裝在整個(gè)工裝的左立柱側(cè)，工控機(jī)上方設(shè)有工裝指示燈和蜂鳴器，便于操作人員了解當(dāng)前工裝的狀態(tài)，工控機(jī)的側(cè)邊設(shè)有急停按鈕用于控制電機(jī)急停。工控機(jī)通過RJ45 接口與控制柜內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)器以及卡板上的輸入輸出模塊建立連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的下位機(jī)軟件和進(jìn)行人機(jī)交互的上位機(jī)軟件，上位機(jī)通過ADS通信與下位機(jī)建立連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝裝配流程的控制和狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1 運(yùn)動(dòng)控制程序

運(yùn)動(dòng)控制程序采用PLC程序進(jìn)行編寫，在德國倍福公司 TwinCAT 軟件平臺(tái)環(huán)境下的程序開發(fā)。TwinCAT是一個(gè)包含了運(yùn)行和開發(fā)平臺(tái)的自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制軟件。PLC程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制，包括所有伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制功能并對(duì)現(xiàn)場(chǎng) I/O 數(shù)據(jù)采集處理。

ARJ21 壁板柔性工裝的卡板在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程是通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條帶動(dòng)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成的，因此其控制過程可等價(jià)于多軸的運(yùn)動(dòng)控制，每塊卡板都由上下兩個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)，采用主從耦合方式進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將使能、耦合、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)、讀取位置、找零等功能程序編寫成獨(dú)立的子程序，在主程序中進(jìn)行調(diào)用。

2.2 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面通過C#進(jìn)行編寫。根據(jù)壁板裝配的流程要求，包含以下幾個(gè)主要功能模塊：壁板選擇、長桁定位器推出、長桁夾緊器夾緊、角片預(yù)安裝、長桁定位器回退、角片安裝、長桁夾緊器取消夾緊、長桁定位器縮回、退出系統(tǒng)，整個(gè)裝配流程如圖9所示。

在登錄模塊進(jìn)行登錄，進(jìn)入到ARJ21 壁板柔性工裝軟件主界面（圖10）。主界面窗口中可分為6個(gè)部分。左上方包含系統(tǒng)初始化和附加功能，系統(tǒng)初始化為整個(gè)裝配流程提供前提條件，附加功能中包括調(diào)試模式、管理員模式、演示模式和用于急停后恢復(fù)的找零功能；左中部分包含了整個(gè)項(xiàng)目的裝配流程選擇菜單；左下部分為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示區(qū)；右上部分為當(dāng)前工裝的運(yùn)行狀態(tài)顯示、急停和復(fù)位按鈕；右中部分為當(dāng)前流程操作界面的主要窗口，根據(jù)所選擇的模塊顯示對(duì)應(yīng)的功能；右下部分用于顯示卡板運(yùn)動(dòng)的信息、進(jìn)度條等信息。

運(yùn)動(dòng)控制程序與人機(jī)交互界面利用TwinCAT 提供的ADS 進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互訪問，完成從PLC程序到人機(jī)界面軟件以及從人機(jī)界面軟件到PLC程序的雙向數(shù)據(jù)傳遞過程。

圖9 裝配流程圖Fig.9 Assembly process chart

圖10 操作界面Fig.10 Operation interface

試驗(yàn)驗(yàn)證

本文針對(duì)ARJ21 前機(jī)身上部壁板設(shè)計(jì)柔性工裝，在一套工裝上完成4塊壁板的預(yù)連接，如圖11所示。圖12為蒙皮定位點(diǎn)優(yōu)化流程，4塊蒙皮的內(nèi)形面共存在3種不同的曲率，藍(lán)色為基礎(chǔ)部分，曲率半徑為1670.351mm；灰色為蒙皮化銑區(qū)，曲率半徑為1670.751mm；黃色為蒙皮加厚區(qū)，曲率半徑為1669.951mm。依據(jù)角片定位面和長桁軸線位置，將上邊兩塊蒙皮劃分成10行17列，將下邊兩塊蒙皮劃分成7行17列，每一列代表卡板可能存在的位置。每個(gè)區(qū)域的中間位置即為卡板對(duì)蒙皮支撐點(diǎn)所在位置，用綠色表示卡板與蒙皮形面貼合，該支撐有效；用紅色表示卡板未與蒙皮形面貼合，該支撐無效。以圖12中最左邊卡板位置為例，由于需要適配第4塊蒙皮的黃色加厚區(qū)域，此部分卡板只能在第4塊蒙皮中起到有效支撐，矩陣對(duì)應(yīng)元素記“1”，在其他蒙皮的對(duì)應(yīng)區(qū)域均為無效支撐，矩陣對(duì)應(yīng)元素記“0”。經(jīng)過優(yōu)化操作后，得出在2、5、7、9、11、13、16 框的中間設(shè)置7塊蒙皮定位/支撐卡板，在兩端面設(shè)置長桁端頭定位卡板，可以起到最理想的定位效果。

為保證裝配精度，使用激光跟蹤儀測(cè)量設(shè)備輔助工裝的安裝和調(diào)試，如圖13所示。結(jié)合MBD技術(shù)，使用工裝設(shè)計(jì)時(shí)給定的裝配基準(zhǔn)點(diǎn)（TB點(diǎn)）建立工裝坐標(biāo)系，并將理論數(shù)模導(dǎo)入測(cè)量軟件Spatial Analyzer中，對(duì)比檢驗(yàn)各關(guān)鍵零件的空間位置。具體檢驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）長桁定位器定位平面的輪廓度，要求為0.24mm，如圖13中的OTS 1所示；（2）卡板型面的輪廓度，要求為0.24mm，如圖13中的OTS 2所示；（3）卡板側(cè)面的輪廓度，要求為0.24mm，如圖13中的OTS 3所示。每項(xiàng)測(cè)量項(xiàng)目均在4塊壁板工作狀態(tài)下分別驗(yàn)證。測(cè)量結(jié)果如表1所示，共選取了233個(gè)測(cè)量點(diǎn)，最大偏差0.1191mm，滿足公差要求。通過以上測(cè)量內(nèi)容，可以保證：（1）長桁軸線定位準(zhǔn)確，且在工位調(diào)整后依然可以保證準(zhǔn)確裝配精度；（2）卡板型面可以滿足蒙皮內(nèi)形的準(zhǔn)確定位；（3）長桁卡板安裝位置準(zhǔn)確，兩塊角片卡板可以精確運(yùn)動(dòng)至所有安裝站位，起到傳統(tǒng)工裝中17塊固定卡板的相同作用。

圖11 飛機(jī)壁板柔性裝配工裝Fig.11 Flexible assembly tooling for aircraft panel

圖12 蒙皮定位點(diǎn)優(yōu)化流程Fig.12 Optimization process of skin registration point

圖13 基于激光跟蹤儀的測(cè)量驗(yàn)證Fig.13 Measurement verification based on laser tracker equipment

表1 OTS測(cè)量報(bào)告Table1 OTS measurement report

結(jié)論

（1）本項(xiàng)研究以一套工裝解決多組壁板的零件定位問題作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以柔性工裝作為載體，構(gòu)建了一套飛機(jī)壁板柔性裝配系統(tǒng)，并進(jìn)行了機(jī)械、電氣、軟件功能的詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具備自動(dòng)化、數(shù)字化、模塊化的特點(diǎn)，可以改善傳統(tǒng)剛性工裝生產(chǎn)占地大、生產(chǎn)效率低、制造成本高等短板，為推動(dòng)工裝實(shí)現(xiàn)集約化、設(shè)備化轉(zhuǎn)變提供了新的參考。

（2）提出一種基于蒙皮內(nèi)形的柔性定位方法，通過多項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)身壁板的柔性裝配。該方法已在ARJ21 前機(jī)身上部、前機(jī)身下部以及中機(jī)身上部的多組壁板中進(jìn)行柔性裝配的驗(yàn)證，并取得較好的實(shí)際使用效果。