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      集成管理系統在飛機裝配柔性工裝上的應用

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-27 12:01:02    瀏覽次數:10    評論:0
      導讀

      當前,德國正在制造業領域積極推行工業4.0 計劃,成為引領全球新工業革命的典型[1],中國順應國際工業發展趨勢提出了中國制造2025,航空工業作為評價一個國家工業水平的主要標準,是中國制造2025 的重要組成部分,對于實現中國制造2025 的工業發展任務起關鍵作用。航空工業主要是指飛機的制造與裝配,飛機的制造與裝配是一

      當前,德國正在制造業領域積極推行工業4.0 計劃,成為引領全球新工業革命的典型[1],中國順應國際工業發展趨勢提出了中國制造2025,航空工業作為評價一個國家工業水平的主要標準,是中國制造2025 的重要組成部分,對于實現中國制造2025 的工業發展任務起關鍵作用。航空工業主要是指飛機的制造與裝配,飛機的制造與裝配是一個復雜且信息具大的過程,集成管理系統是解決這個問題的關鍵。本文對飛機柔性工裝的集成管理系統進行研究。

      1 國內外柔性工裝集成化發展現狀

      國際上知名的飛機制造企業,包括空客、波音、麥道等均已經對飛機產品的各個裝配階段研發出相對應的柔性工裝,并通過集成管理系統對裝配過程進行控制與信息管理。目前,國內飛機制造企業,對于飛機的裝配,大部分仍以傳統的剛性工裝為主,很難做到對于飛機裝配過程的集成化管理。

      近幾年,國內也研制出了許多柔性工裝設備。如航空工業制造院,浙江大學等研制的飛機大部件對接柔性工裝系統,北京航空航天大學與沈飛集團聯合設計的飛機壁板柔性工裝,但總體來看,我國飛機裝配柔性工裝的研究仍然處于初級階段,能夠應用到實際生產中的柔性工裝數量較少,沒有形成規?;?、集成化的柔性裝配體系。

      2 柔性工裝集成管理系統的構架

      集成管理系統是飛機裝配柔性工裝的大腦與核心,該系統不僅可以生成與管理柔性工裝數據,還能夠控制柔性工裝對飛機零部件的裝配運動[2]。如圖1所示,集成管理系統主要有7 個功能模塊。

      裝配工藝方案管理模塊主要功能是工人工作信息管理,工作現場可視化,裝配工藝文件的制定。驅動數據生成模塊的主要功能是將理論數據與實測數據進行分析處理來產生工裝驅動優化數據。虛擬仿真模塊的主要功能是對飛機零部件進行虛擬裝配仿真,來對飛機裝配過程進行評估與在線反饋。工裝運動控制模塊的主要功能是控制工裝的調形運動,來實現裝配的自動化。故障診斷與維護模塊的主要功能是系統檢測與維護,故障診斷與檢修,以及數據的記錄。裝配基礎數據庫模塊主要是對裝配工藝數據的存儲、查詢、刪改與管理。測量數據接口模塊主要是對裝配的測量數據進行采集,存儲與傳送。

      圖1 飛機裝配柔性工裝集成管理系統功能構架
      Fig.1 Functional framework of aircraft assembly integrated management system

      3 集成管理系統的數據格式與通信接口

      集成管理系統不同數據之間的通信是集成管理系統運行的關鍵環節。飛機裝配過程中的文件格式較多,總體上分為5 種格式,如圖2所示,主要有CAD 系統的三維數模文件格式,CAD 系統的輕量化文件格式,文本格式,視頻文件格式和表格文件格式。

      其中,CAD 三維模型格式主要是用來保存和管理飛機三維數模和柔性裝配工裝的三維數模,CAD 系統輕量化文件格式主要是保存和管理柔性工裝輕量化模型,文本格式主要包括裝配工藝規劃數據,柔性裝配工裝所需的驅動數據,定位單元當前狀態數據的載體文件。視頻文件格式主要管理數據對象為裝配仿真錄像。表格文件格式主要管理對象有在線測量系統中的測量分析軟件所需要特征點的理論坐標值,測量反饋值載體文件等數據類型導出文件。

      通過上述分析可知,集成管理系統主要有3 種接口對數據格式進行通信傳送,主要包括CAD 系統的接口、在線測量系統接口、集成控制系統接口。其中CAD 系統接口主要用于導入飛機產品與裝配生產線理論模型數據。在線測量系統的接口主要用于讀取裝配過程中的測量數據,并將測量數據保存在管理系統中。集成控制系統接口主要將生成的工裝優化驅動數據傳輸到集成控制系統中,驅動工裝定位器調形到位。

      4 柔性工裝驅動數據生成與傳送

      圖2 集成管理系統通信接口
      Fig.2 Power communication interface of integrated management system

      柔性工裝驅動數據的產生需要理論數據與實測數據作為數據源,其中理論數據在工裝設計階段已經得到,實測數據需要數字化測量設備對飛機裝配過程進行跟蹤測量來得到,如圖3所示,目前我國在飛機制造業,主要應用激光跟蹤儀、經緯儀、iGPS、照相測量以及全站儀等數字化測量設備,不同設備對應不同的在線測量軟件。在測量過程中,在線測量軟件會對飛機裝配過程中的實測數據進行采集與處理,并將測量數據傳遞給優化分析軟件。

      柔性工裝對于飛機零部件的裝配需要集成控制系統產生的驅動數據來控制,其中驅動數據主要由虛擬仿真系統與離線編程產生,飛機裝配柔性工裝的驅動數據主要包括3 種,有理論數據,實測數據與優化驅動數據,如圖4所示。

      理論數據是通過產品數模與裝配工藝生產線模型進行裝配仿真而產生的柔性工裝定位數據,理論數據生成較快,并且理論數據不考慮飛機零部件以及柔性工裝的制造誤差。

      實測數據是通過數字化測量設備對零部件上的定位點進行測量而產生的實際位置數據,實測數據考慮了零部件以及柔性工裝的制造誤差。

      優化驅動數據是將理論數據與實測數據進行比較分析,并通過數據處理軟件,得到的工裝驅動數據,其主要用于裝配過程復雜且裝配精度要求較高的飛機零件、組件及部件之間。

      優化驅動數據具體生成過程如下:假設飛機某部件上有n 裝配定位點,這些裝配定位點在飛機坐標系下的理論坐標值為(Xti Yti Zti),其中i 代表裝配定位點個數,(i=1,2,3,…,n)。這些裝配基準點在飛機坐標系下,激光跟蹤儀測量的實測坐標值為(Xt Yt Zt)。則在飛機坐標系下,該部件工裝運動調形優化驅動數據生成算法為:

      經過該算法生成的優化驅動數據,最終會經過數據處理軟件生成工裝驅動命令,傳送給工控機,來控制柔性工裝調形[3]。

      5 飛機柔性裝配技術體系

      通過對飛機裝配工裝技術理論與方法和柔性裝配工裝關鍵技術的研究,以及在典型柔性工裝的基礎上,對柔性工裝的應用推廣及發展趨勢的探索,可初步建立如圖5所示的飛機柔性裝配技術體系[4]。飛機柔性裝配技術體系中主要包括飛機裝配工裝技術理論與方法、柔性裝配工裝關鍵技術、典型柔性工裝、柔性工裝的應用推廣及柔性工裝發展趨勢等5 個模塊。

      飛機裝配工裝技術理論與方法是柔性工裝的設計與發展的理論基礎,飛機裝配工裝技術理論主要包括飛機裝配模式及特點、工裝功用及結構形式、飛機典型結構裝配工裝的形式和特點、面向裝配的設計方法研究、無型架裝配理論方法、決定性裝配理論方法以及工裝低成本化研究等部分。

      圖3 數字化測量設備
      Fig.3 Digital measuring equipment

      圖4 集成管理系統數據傳送流程
      Fig.4 Data transfer flow of integrated management system

      圖5 飛機柔性裝配技術體系
      Fig.5 Aircraft flexible assembly technology system

      集成管理系統集合了柔性工裝結構優化技術、先進數控技術、系統集成技術、傳感檢測技術、工裝驅動數據生成技術等柔性工裝關鍵技術,是柔性工裝關鍵技術的結合體。

      目前,在飛機裝配4 個典型柔性工裝中,集成化程度較高的是大部件自動對接平臺,飛機裝配自動對接平臺是一個集成了裝配工裝體系、在線測量系統、工裝控制系統的綜合性集成系統。根據飛機大部件對接工裝的結構特點可把當前的大部件對接平臺分為3 種形式:柱式結構工裝平臺、塔式結構工裝平臺和塔柱混聯式結構工裝平臺。

      目前柔性工裝已經在4 種典型柔性工裝的基礎上,產生出壁板組件柔性工裝、機身部件裝配柔性工裝等新形式工裝,此外,柔性工裝也會逐漸向低成本化、智能化、全自動化、深度柔性化發展。

      6 集成管理系統在柔性工裝上的應用

      圖6 柔性工裝閉環控制過程
      Fig.6 Flexible tooling control process

      如圖6所示為飛機裝配柔性工裝閉環控制過程。柔性工裝應用集成管理系統進行裝配工藝規劃,同時進行裝配工藝仿真,將生成的工裝理論驅動數據解析為數控系統動作調形指令并傳遞至柔性工裝的數控系統。

      然后,數控系統根據動作指令計算各定位器軸的調形軌跡,驅動定位器調形,定位器調形到位后,在線檢測系統實時測量定位器位置,并將測量數據傳遞至離線編程與仿真管理系統,最后,離線編程與仿真管理系統將測量數據與理論數據進行比較,檢查其是否滿足裝配要求,若測量數據無法滿足裝配需求,系統將自動生成優化數據并由數控系統進一步調形,直到定位器位置精度滿足要求。

      如圖7所示,柔性工裝集成管理系統集合了工裝結構優化設計技術、先進測控技術、系統集成技術、傳感檢測技術和工裝驅動數據生成技術。在集成管理系統控制下的4 種典型柔性工裝在飛機裝配過程中的用途:多點陣真空吸盤式柔性工裝主要在平尾翼、垂直尾翼以及機身壁板的裝配中應用;行列式結構柔性工裝主要用于飛機的機翼壁板和翼梁裝配;分散式柔性工裝主要用于機身或機翼的零部件裝配;對接平臺主要用于飛機大部件的對接過程中。

      應用典型柔性工裝對飛機組件、部件進行裝配時,會產生誤差。不同類型柔性工裝產生的誤差范圍不同。如成飛萬世明等研制的可快速重構的行列式柔性工裝,最高修正誤差范圍可達2mm[5]。郭洪杰[6]研制的飛機大部件自動對接平臺,可以將飛機部件對接調姿偏差控制在0.252mm 以下。點陣式吸盤柔性工裝,在工裝控制器的控制程序下,可控制各個真空吸盤運動到精確位置,定位精度可達0.127mm[7]。

      圖7 集成管理系統在飛機柔性裝配中的應用
      Fig.7 Application of integrated management system in aircraft flexible assembly

      圖8為某機身尾段的集成化裝配工裝。該機身尾段主要由蒙皮、長桁、環框、骨架等組成。在機身尾段裝配過程中,機身尾段部件協調環節多,外形準確度要求高,由于現行的補償數控加工能力不足和經濟上的考慮[8],對機身尾段裝配的數字量與模擬量進行集成化管理,來對機身尾段裝配的協調性進行優化。

      圖9為集成管理系統對尾段裝配協調性的優化過程。通過集成管理系統對機身垂尾的裝配過程的集成化管理,來保證機身垂尾裝配的質量與效率。

      7 結論

      飛機裝配集成管理系統是現代化飛機裝配的技術基礎與關鍵。飛機裝配集成管理系統的研發與設計,對于逐步實現我國飛機裝配的集成化應用,使得飛機裝配制造成為制造行業的領先模式起到關鍵作用。要立足實現未來飛機制造工廠中,所有零組件管理設備系統、柔性裝備、對接系統、運輸裝備、檢測與在線測量系統等先進裝備與系統,與人相互結合形成一體化集成管理系統,來滿足中國先進飛機研制需求,使我國走上航空強國之路。

      圖8 集成管理系統在某機身尾段上的應用
      Fig.8 Application of integrated management system in rear section of fuselage

      圖9 集成管理系統對尾段裝配協調性優化過程
      Fig.9 Coordination optimization process of tail section assembly by integrated management system

      參 考 文 獻

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      ZHANG Yao.Research on assembly process and tolerance analysis of a certain type of aircraft tail section[D].Shenyang:Shenyang Aerospace University,2014.


       
      關鍵詞: 柔性工裝 飛機行業
      (文/小編)
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