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      自適應柔性裝配工裝技術

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-04-06 20:20:33    瀏覽次數:13    評論:0
      導讀

      本文在分析裝配應力產生原因的基礎上,提出了自適應裝配技術,同時結合典型壁板結構,梳理了柔性裝配工裝技術的要點,完成了柔性工裝概念設計,為實現自適應裝配技術的廣泛應用奠定了重要基礎。

      飛機壁板類組件具有結構典型、氣動外形精度高等特點,必須使用專用的工藝裝配夾具來保證裝配質量。而在壁板裝配過程中,除了結構的連接裝配質量直接影響壁板外形精度以外,在裝配過程中所產生的殘余應力也會影響飛機結構的強度和疲勞壽命,同時殘余應力致使壁板變形還會導致壁板組件在總裝站位裝配不協調。本文針對飛機壁板類組件提出基于柔性工裝的自適應裝配技術,以解決裝配應力對壁板裝配質量及飛機強度、壽命帶來的影響。

      1 自適應裝配技術的提出

      飛機結構件中的殘余應力包含零件供應時就存在的殘余應力和裝配過程中新生的裝配殘余應力。殘余應力又可分為殘余壓應力和殘余拉應力,殘余壓應力可以提高結構的疲勞強度,但裝配過程中產生的殘余拉應力則會降低結構的疲勞強度。飛機結構裝配中產生的殘余拉應力主要是由裝配過程中的結構裝配變形引起的,裝配變形包括連接過程中所產生的連接變形以及由于強迫裝配所產生的強迫變形。壁板結構中大多數零件剛度弱,結構和外形復雜,主要采用工裝定位,裝配中容易出現不協調現象,從而發生強迫裝配而產生殘余應力。

      針對強迫裝配而產生殘余應力,國內還沒有很好的工藝方法和措施來解決。以典型壁板框緣裝配為例,框的定位主要以剛性工裝結合孔定位為主。當零件上的定位孔位置與理論數據有差異但又在公差允許范圍內時,就會出現零件孔與定位孔對不齊而無法定位。如圖1中,零件孔與工裝孔在A點對齊,就會在B點出現錯位。當前國內主要采用換用更小的定位銷等工藝補償方法來解決此類問題,這些工藝補償方法雖然也能部分消除裝配應力的存在,但這與現代飛機精準裝配的理念是不符的,其在后續裝配過程中會導致一些無法預測的問題發生。因此,我們提出柔性工裝概念,以自適應裝配來消除強迫裝配應力。

      圖1 零件孔與工裝孔定位分析

      2 柔性工裝自適應裝配原理

      根據裝配應力的產生因素分析,要減小裝配應力只能從減小強迫裝配變形入手,因此,本文提出如下的柔性工裝自適應裝配概念。

      柔性工裝自適應裝配是指在飛機裝配中,在飛機結構件制造精度滿足制造公差要求的前提下,利用具有自適應功能的工裝來實現結構件在空間精確定位,依靠工裝的自適應功能來減小或消除強迫裝配變形,從而減小甚至消除裝配應力。自適應工裝有一定的調整范圍,其調整必須在整個結構裝配容差允許范圍之內。自適應裝配不是指裝配中絕對的不存在裝配應力,而是指在裝配中裝配應力較小,不會對飛機的結構質量、壽命、安全性造成影響。

      因此,實現自適應無應力裝配必須滿足下述條件:a.零件的制造精度符合制造要求是自適應裝配的前提條件,其決定了自適應裝配能否實施,只有零件制造精度滿足設計要求,自適應裝配才有可能實施;b.結構件的裝配容差要求,這決定了自適應工裝的調整范圍,工裝的自適應調整必須在裝配容差允許的范圍內,不能無限制的調整;c.具有自適應功能的柔性工裝,這是實施自適應無應力裝配的必要條件,工裝必須具有柔性化的自適應功能,才能通過調整減少或消除裝配變形。

      3 壁板柔性工裝研究

      為解決當前飛機壁板類組件裝配定位精度低、裝配應力大及工裝通用性差等問題,本文根據機身壁板的典型結構,分析其裝配需求,采用柔性定位的方法,提出了面向機身壁板的數字化柔性裝配工裝。

      3.1 柔性工裝裝配需求分析

      機身壁板主要由蒙皮、長桁、鈑金框緣等弱剛性薄壁件組成,按照特定的位置關系鉚接成為一個整體結構。蒙皮、框緣作為壁板的主要構件,為剛性較差的彈性薄壁件,具有尺寸大、形狀復雜及易變形的特點,需用定位器保持其外形輪廓;長桁一般為“Z”形或“J”結構,在長桁外形面及蒙皮上取預裝配孔,按裝配孔與蒙皮定位裝配。結合數字化、柔性化裝配的要求,使用數字量的尺寸與形狀傳遞方式,實現不同曲率、尺寸、框緣等壁板組成零件的預裝配定位工作,以保證飛機壁板的高精度裝配要求。

      機身壁板組件柔性裝配需求總結如下:a.為滿足壁板蒙皮在工裝上定位的穩定性,采用柔性的定位方法(蒙皮外形面由多個真空吸盤定位點進行精確定位),在蒙皮外形面均勻布置定位點,布置定位點過程中必須使其避開長桁與蒙皮、蒙皮與框緣連接處,從而保證后續的制孔連接工作;b.為實現無應力的自適應裝配,工裝還需設置XYZ三坐標可移動的數字化框緣定位器,以滿足快速插孔精準定位。同時,根據機身壁板結構特點,柔性工裝還可實現不同尺寸壁板的快速定位轉換,滿足不同壁板的定位需求。

      3.2 工裝機械結構設計

      工裝工作原理根據機身壁板結構特點,結合壁板組件裝配需求,融合模塊化設計思想,分兩部分完成壁板柔性工裝設計。概念設計如圖2。

      3.2.1 設計以蒙皮外形面為裝配基準的數字化柔性真空吸盤定位單元。定位單元主要包括整體可移動圍框、整體框架底盤、柔性真空吸盤定位夾緊模塊。工裝采用蒙皮外形面為定位基準定位壁板蒙皮,即蒙皮外形面由多個柔性吸盤定位點進行定位,通過數字伺服控制系統調整定位器的布局,形成不同的吸附點陣可以滿足不同壁板的裝配要求,實現工裝“一架多用”的功能。

      3.2.2 設計以框緣定位孔為裝配基準的數字化柔性可調節定位單元。定位單元主要包含整體圍框、數字化柔性可移動卡板單元、可調節框緣定位模塊。工裝采用數字化框緣定位模塊(XYZ三向可移動)來滿足框緣的自適應定位,同時通過數字伺服控制系統調整可移動卡板單元滿足不同壁板的裝配要求,同樣可實現工裝“一架多用”的功能。

      圖2 柔性工裝概念設計

      4 基于柔性工裝自適應裝配技術

      根據自適應裝配原理及壁板類裝配工藝,自適應裝配主要涉及以下關鍵技術。

      4.1 自適應裝配單元本質上是一種柔性工裝,其在機械結構上是一種模塊化單元結構,而且其一方面整體上在空間內具有比較大范圍的3向運動調整能力,另一方面,其定位器又具有小范圍的3向精確運動調整能力。因此,可重構調形單元的運動復雜,多個方向的精確傳動技術是其設計中的一個關鍵技術。

      4.2 自適應裝配的調形過程采用主動方式,因此,其控制系統需滿足柔性工裝多軸控制系統的要求。

      結束語

      本文分析了裝配應力產生的原因,對壁板類組件自適應裝配進行了研究,提出了自適應裝配關鍵技術及柔性工裝方案設計,為自適應裝配技術在飛機裝配上應用奠定了理論的基礎。同時,柔性工裝的應用可以減少專用剛性型架、縮短研制周期、通過數字量的協調傳遞提高裝配質量和生產效率,具有推廣價值。

      參考文獻

      [1]郭洪杰,康曉峰.飛機部件裝配數字化柔性工裝技術研究[J].航空制造技術,2011(22):96-97.

      [2]王亮等.飛機裝配數控柔性多點工裝技術及應用[J].北京航空航天大學學報,2010.


       
      (文/小編)
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