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      真空吸盤柔性裝配工裝在飛機壁板裝配過程中應用

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-16 10:54:59    瀏覽次數:28    評論:0
      導讀

      真空吸盤柔性工裝的應用可以大大減少專用工裝的使用,減低了生產成本,加快了飛機研制周期,更提高了飛機裝配完成質量,增強了企業的競爭力,實現了飛機壁板裝配中“一對多”的裝配模式,為推動柔性工裝今后在我國航空企業的快速發展具有重要意義。

      飛機制造是一項復雜的生產過程,飛機裝配工作量約占整個飛機制造勞動量的40%~50%,且最終產品質量在很大程度上取決于裝配的質量[1-2]。工裝是完成飛機裝配的重要工藝裝備,是裝配質量的重要保障,工裝經歷了從傳統剛性工裝到模塊工裝,最后到柔性工裝的發展歷程[3]。柔性工裝技術是基于產品數字量尺寸協調體系的可重組的模塊化、自動化裝配工裝技術,其目的是免除設計和制造中各種零部件裝配的專用固定型架、夾具,可降低工裝制造成本、縮短工裝準備周期、減少生產用地,同時大幅度提高裝配生產率[4]。柔性工裝一般具有柔性化、數字化、集成化和自動化的特點[5],是當代飛機裝配技術發展的一個新領域。目前國外飛機裝配中應用的柔性工裝,按其結構特征劃分,一共存在 4 類典型柔性工裝:多點陣真空吸盤式柔性裝配工裝、行列式柔性裝配工裝、分散式部件裝配柔性工裝及各種形式大部件自動對接平臺[6-7]。在美國F22的裝配中,柔性裝配生產線已較成熟,通過采用一種U型裝配生產線,使裝配周期由16個月縮短為12個月[8],大大提高了企業效益。

      與國外先進柔性工裝技術水平相比,我國在飛機裝配中采用的工裝結構仍主要以傳統的剛性、專用形式為主,總體上自動化效率還不高,生產前期準備工作時間較長,產品質量不穩定。近年來,許多大型生產制造企業、研究所及科研院校在柔性工裝上做了大量研究,如清華大學的柔性工裝研發項目,已經申請國家專利[9],哈爾濱工業大學、吉林大學也做了關于柔性支撐單元的研究工作[10-11],浙江大學、南京航空航天大學等采用企業院校相結合的模式進行相關研發工作[12]。當前由于柔性工裝的研制和應用缺乏規范和指導,能夠成功應用的柔性工裝數量較少,因此在航空企業的生產過程中還沒有得到很好的普及。

      本文立足于數字化柔性裝配理念,通過對飛機壁板傳統工裝與柔性工裝技術的研究、對比,完成了該飛機壁板真空吸盤式柔性裝配工裝系統的設計,該柔性工裝系統很好地解決了傳統工裝在飛機壁板裝配中“一對一”突出存在的問題,大大提高了飛機裝配質量、效率,節約了生產時間和成本,并且該工裝已經在某航空企業實際生產線中得到應用。

      1 柔性工裝平臺構成、原理及關鍵技術

      1.1 柔性工裝平臺構成與原理

      一套完整的柔性工裝平臺包括機械系統、真空氣動系統、控制系統等。其中機械系統主要完成被加工工件的支撐定位作用;真空氣動系統用來提供足夠大的真空吸附力,將工件牢牢夾緊;控制系統控制各支柱的運動情況,生成與工件表面相吻合的吸附點陣,實現夾具形態的重構。

      吸盤式柔性工裝由多點陣真空吸盤組成,工作時上位機發送運動指令給控制系統,驅使柔性工裝平臺運動支柱直線移動,生成與飛機壁板曲面完全吻合且分布均勻的吸附點陣,此時在通過控制真空氣動系統,使之產生足夠大小的真空吸附力,從而精確可靠地定位和夾持飛機壁板。當飛機壁板外形發生變化時,吸附點陣布局自動進行調整,可以滿足不同飛機壁板裝配需求,實現了柔性工裝的柔性。

      1.2 柔性工裝平臺關鍵技術

      柔性工裝系統是一個復雜系統,關鍵技術主要有:

      (1)自適應定位夾持機構設計。飛機薄壁件多為外形復雜并且具有不同曲率的自由曲面零件,當工件放置在真空吸盤上時,真空吸盤如何隨不同壁板外形進行自動旋轉,使其中心法矢量與薄壁件定位點的法矢量重合。

      (2)柔性工裝吸附點陣運動控制設計。柔性工裝由吸附點陣運動構成,控制這些運動支柱需要大量電機,如何保證多軸協調運動和定位精度,以及控制支柱運動使之生成與壁板曲面完全吻合且分布均勻的吸附點陣。

      2 機械系統設計

      如圖1所示,為該真空吸盤式柔性工裝平臺總體機械結構圖。該柔性工裝平臺機械結構主要由:定位夾持系統、傳動系統、支撐系統三個部分組成。定位夾持系統主要作用是使飛機壁板在空間中的位置固定,以進行后續加工或者裝配;傳動系統主要作用是為了使支柱能夠上下運動,能夠將吸盤送到應有的高度;支撐系統主要作用就是支撐、固定傳動系統,使得每套傳動系統都有自己的固定位置,使結構穩定、牢靠。

      柔性工裝平臺機械結構圖

      其中定位夾持系統由頂端帶有球面凹槽的中空支撐體、吸盤、定位件、不完整球體等組成。不完整球體與頂端帶有球面凹槽的中空支撐體構成球副連接結構,進而可以自由相對運動,實現不完整球體±26°的轉動,吸盤可以隨著球體的轉動而到達合適位置,使其中心法矢量與飛機壁板件定位點的法矢量重合,解決了自適應定位夾持機構設計的問題,使該工裝可以滿足不同曲率、不同形狀的飛機壁板裝配需求;傳動系統主要由支柱、固定塊、滾珠絲桿、支筒、聯軸器、伺服電機等組成。伺服電機產生的動力通過聯軸器傳送給滾珠絲杠,并帶動支柱上下運動,將吸盤送到需要的高度;為保證支柱組件只發生直線運動,支柱兩側設有滑道,確保支柱只進行上下直線運動;支撐系統主要由上板蓋,下板蓋,鋼條組成,起到了支撐固定作用。

      當飛機壁板形狀較大,一個柔性工裝平臺不能滿足裝配需求時,可以通過輔助連接件將多個工裝平臺連接在一起,構成一個大的工裝平臺,從而滿足裝配需求。如圖2所示。

      柔性工裝平臺三維模型圖

      由上可見,該工裝平臺在設計時采用了模塊化設計,主要體現在兩個方面。每一個獨立的運動傳動單元是一個模塊,九個吸盤頭獨立工作,當某一吸盤頭出現故障時易于檢測、維修;另外每一個完整的工裝平臺也是一個模塊,可以提供更強的柔性,完成更大型壁板的加工裝配任務。

      3 真空氣動系統設計

      3.1 真空吸盤工作原理

      在傳統飛機壁板裝配中,由于采用剛性工裝,很容易導致壁板變形,嚴重影響飛機氣動性能。在該柔性工裝中,采用真空氣動的方式來產生真空力,即吸附力,來提供夾持壁板所需要的夾緊力,氣動吸附夾緊的方式實現了工件的小應力裝夾[13],大大減小了由于接觸所導致的變形。其工作原理:真空吸盤是一種密封唇邊[14],在與被吸工件接觸后,吸盤與被吸工件會形成一個臨時的密封空間,通過抽走此密封空間里稀薄的空氣,產生內外壓力差,從而將壁板緊緊吸附在真空吸盤上。由于該柔性工裝平臺采用的是橡膠材質的真空吸盤,在吸附或者放開壁板時均不會對壁板表面造成嚴重變形或者損失,提高了飛機裝配質量。

      3.2 真空氣動系統結構裝置

      真空氣動系統結構裝置如圖3所示。

      真空氣動系統結構裝置圖

      在實際裝配工作中,當生成與飛機壁板曲面完全吻合且分布均勻的吸附點陣后,接通外接氣源,打開壓力開關,首先對壓力開關進行調零操作,并且設置好相關參數。此時在PLC控制系統中打開電磁閥的開關,真空發生器會吸走真空吸盤內的空氣,使真空吸盤吸附飛機壁板。當工作完成后,斷開電磁閥,真空吸盤釋放飛機壁板。

      4 控制系統設計

      4.1 控制系統硬件組成

      該控制系統采用可編程邏輯控制器(PLC)來實現工裝平臺的運動控制和邏輯控制,最終實現夾具形態的重構。整個柔性裝配平臺控制系統包含了伺服控制系統、PLC邏輯控制系統和上位機控制監控系統。硬件控制系統由控制柜、控制平臺操作按鈕、5個臺達DVP28SV11T型PLC、18個臺達ASDA-AB型伺服驅動器和臺達伺服電機、以及用于行程限位的光電接近開關等組成。整個控制系統結構如圖4所示。

      控制系統結構圖

      4.2 控制系統工作流程

      在飛機壁板裝配過程中,首先將壁板的三維模型導入到CATIA中,與已經在CATIA環境中建好的柔性工裝三維數字樣機進行預裝配,提取裝配關鍵點,并建立一個裝配關鍵點數模。通過上位機中的軟件計算分析,最終得到柔性工裝的調行數據及控制代碼,并發送給下位機(PLC)控制模塊。下位機控制機械系統運動到指定位置,生成與飛機壁板曲面完全吻合且分布均勻的吸附點陣,實現柔性工裝對壁板的定位、夾緊安裝??刂葡到y具體工作流程如圖5所示。

      控制系統工作流程圖

      4.3 PLC控制方案設計

      在裝配過程中,考慮到柔性工裝平臺的現場工作環境,以及對控制精度可靠性的嚴格要求,該柔性工裝平臺采用可靠性高??垢蓴_能力強的PLC控制。該柔性工裝控制系統由3×3吸附點陣組成,相應地需要9臺伺服電機,為了進行每一根軸的單獨運動以及多軸之間的聯合運動,上位機需要實現對每個電機的控制與監控,故需搭建RS485控制網絡,如圖6所示。

      控制系統RS485通訊網絡圖

      4.4 可視化控制軟件開發

      可視化監控模塊是在Visual C++6.0平臺上進行開發的,它主要完成和下位機的通訊和可視化前臺界面模塊[15]。通過發送指令到下位機,直接控制伺服電機的運動,同時還能讀取下位機的實時狀態,實現對下位機的監控。三維可視化操作界面,包括運動控制軸列表區、實時動態的三維模型同步顯示區、控制代碼顯示區等??梢暬幊瘫苊飧邚碗s的控制過程所帶來的一些錯誤,開發出來的軟件界面直觀簡單,操作簡便。

      5 柔性工裝精度與抗沖擊穩定性測量

      在搭建好柔性工裝硬件平臺后,需要對其運行精度與抗沖擊穩定性進行測量。在測量時采用Metronor光筆坐標測量儀,邁卓諾光筆主要有DUO和SOLO兩種型號,其中DUO是雙相機測量系統,具有精確的3D測量精度,主要應用于高精度零件測量;SOLO是單相機測量系統,主要應用于一般精度零件的檢測。在此次測量中采用DUO雙相機測量系統,首先對工裝運行精度測量,測量時將每個運動支柱沿Z方向移動50mm的規定位移,Z向的有效行程為300mm,測量其實際位置與規定位置之間的偏差,得到定位精度結果;再利用光筆坐標測量儀對各支柱運動重復測量,次數為5,取坐標差值最大的記為柔性工裝重復定位精度,測量結果如表1所示。

      工裝運行精度結果表

      抗沖擊能力指的是工裝自身能夠承受外部沖擊載荷的能力,也是工裝本身的固有特性??箾_擊穩定性差,會嚴重影響薄壁件的加工精度。薄壁件在承受鉆鉚力和切削力時要發生輕微的位移量的變化(定位工件沿法矢量方向彈性變形量)。定義以此位移量的大小來判斷工裝抗沖擊穩定性的強弱,通過對不同厚度的平板、曲面板進行鉆削和切削試驗,得出了該柔性工裝抗沖擊穩定性指標:ε≤0.1 mm。圖7所示為2 mm平板在切削時的穩定性測量結果,圖8所示為2 mm平板在鉆削時的穩定性測量結果,從測量結果可以得出工裝滿足抗沖擊穩定性指標。

      7 2 mm平板切削穩定性測量結果圖

      8 2 mm平板鉆削穩定性測量結果圖

      6 結論

      (1)設計了一套應用于飛機壁板等壁板類組件的真空吸盤式柔性工裝系統,由機械系統、真空氣動系統、控制系統構成,實現了夾具形態的快速重構以及對零件的定位、夾緊功能,解決了傳統工裝中“一對一”的難題。

      (2)機械系統完成了自適應定位夾持機構設計,能夠根據零件曲面法矢量的變化而自動適應、定心;控制系統采用PLC與可視化軟件相結合的控制方案,實現了對多臺伺服電機的控制;真空氣動系統可以為夾緊零件提供充足的夾緊力。

      (3)利用Metronor光筆坐標測量儀對柔性工裝系統Z方向運行精度和抗沖擊穩定性指標進行了測量,結果表明Z向定位精度為0.061 mm,重復定位精度為0.029 mm,抗沖擊穩定性指標:ε(定位工件沿法矢量方向彈性變形量)≤0.1 mm。

      (4)柔性工裝的應用可以大大減少專用工裝的使用,減低了生產成本,加快了飛機研制周期,更提高了飛機裝配完成質量,增強了企業的競爭力,實現了飛機壁板裝配中“一對多”的裝配模式,為推動柔性工裝今后在我國航空企業的快速發展具有重要意義。


       
      (文/小編)
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