飞机数字化装配定位系统的设计与实现

徐峰

摘要：飞机壁板是构成飞机机体的最主要的装配组件，但飞机壁板零件绝大多数是薄壁件，零件的刚性比较低，因此飞机壁板零件的装配过程比较复杂，且装配周期长。本文主要分析壁板类零件装配定位的特点和数字化装配定位系统的工作原理，完成了数字化装配定位系统的总体方案设计。

关键词：飞机数字化装配；定位系统；设计

1.机身壁板类零件装配定位的特点

本文中的壁板零件装配只考虑蒙皮零件和长桁零件，其装配定位的特点如下：

（1）一套工装对应一套零件，装配工装不具有柔性。从而加大了飞机的生产周期，且提高了飞机的制造成本。

（2）使用模拟量工装，由于模拟量工装是靠实物来传递尺寸，增长了装配过程的误差尺寸链，降低了装配定位的精度，装配的准确度比较低。

（3）装配定位过程大多靠手工完成，自动化程度低，效率低。

2.飞机数字化装配定位系统的工作原理

基于飞机机身壁板零件装配的数字化装配定位系统的定位过程分为：蒙皮的定位和长桁的定位。蒙皮依靠定位平台的内型卡板和蒙皮挡件来定位；长桁依靠机械随动定位装置，配合光学测量设备来定位。

图2.1数字化装配定位系统的工作原理圖

由图2.1可以看到定位系统平台包括内型卡板的定位部分，还有机械随动定位装置的定位部分。在进行壁板零件装配时，首先控制模块控制机械随动定位装置运动，使其带动末端执行器移动，在末端执行器接近长桁的空间坐标位置时停止，然后人手工将长桁夹持到末端执行器上并进行蒙皮的定位，将蒙皮贴紧内型卡板，蒙皮的下端靠在蒙皮挡件上，然后用帆布带机械式压紧装置将起固定在内型卡板上，但不拉紧；旋转蒙皮挡件上的销，调整蒙皮在内型卡板上的位置，进行蒙皮的精确定位，再将帆布带拉紧，使蒙皮紧贴在内型卡板上。最后控制模块再次控制机械随动定位装置运动，末端执行器带动长桁精确移动，同时光学测量仪器采集长桁运动的数据，误差补偿模块将数据进行运算，并与长桁定位设计数据比较，得到长桁实时定位的补偿数据，并将补偿数据反馈到控制模块，这样控制模块继续控制机械随动定位装置运动，最终完成长桁和蒙皮的定位。

3.定位系统平台的总体设计

通过对数字化装配定位方法及装配准确度、数字化装配定位原理的分析、数字化装配工装技术等几项关键技术的研究，下面进行数字化装配定位系统平台的开发设计。

3.1装配定位平台基础框架概述

数字化装配定位系统平台型架基础框架和内型卡板。其中内型卡板是用来定位壁板的蒙皮零件，保证蒙皮的外形准确度。

该装配型架的主要功能和特点如下：

（1）提供零件装配的基础平台，零件的定位都要在该平台上完成；

（2）提供数字化装配定位的开发平台，机械随动定位装置的开发都要在型架骨架上完成，提供机械随动定位装置和内型卡板的连接接口。

3.2机械随动定位装置的设计

综合以上分析，装配过程中将实现长桁的数字化装配定位。而在空间中要实现物体的定位，则要控制物体上一点的空间位置，并控制物体在空间中的姿态。本文采用能够实现上述功能机械随动定位装置来进行长桁的定位。该装置主要包括竖直机械臂、水平机械臂和末端执行器，各部分的详细设计如下：

1）竖直机械臂的设计

如图3.1a为竖直机械臂的结构图。

图3.1a竖直机械臂的机构设计图中

①外壳②滑块③原点开关安装座④伺服电机⑤电机驱动器（带抱闸）⑥丝杠⑦限位开关⑧原点开关

竖直机械臀的工作原理为：电机通电后，产生旋转运动，电机通过联轴器与丝杠相联，带动丝杠旋转，丝杠的旋转运动再转化为滑块的直线运动，滑块带动通过连接块与其相联的水平机械臂产生竖直方向的运动。竖直机械臂上的原点开关为滑块在竖直方向运动的零点，限位开关防止滑块超出其行程运动。

图3.1 机构设计图

2）水平机械臂的设计

水平机械臂的结构图，如图3.1b所示。水平机械臂的结构和竖直机械臂非常相似，只是长度上没有竖直机械臂长，另外水平机械臂的驱动电机的驱动器没有抱闸。水平机械臂通过连接块与竖直机械臂相联在竖直方向运动，同时水平机械臂的滑块不动，电机转动时水平机械臂自身在水平方向运动。水平机械臂再通过连接块与末端执行器相联，带动其再水平方向和竖直方向运动。

图3.1b为水平机械臂机构设计图其中

①外壳②滑块③原点开关安装座④伺服电机⑤电机驱动器⑥丝杠⑦限位开关⑧原点开关

3）末端执行器的设计

如图3.1c所示，末端执行器结构图。末端执行器一端通过花键与电机轴连接，由电机带动作旋转运动；另一端用来夹持长桁，用旋紧螺丝将长桁压紧，然后动长桁在竖直方向、水平方向运动以及绕电机轴的旋转运动。

如图3.2所示，机械随动定位装置的结构图。机械随动定位装置的工作原理为：系统加电时，竖直机械臂带动水平机械臂在竖直方向运动，水平机械臂带动末端执行器在水平方向作直线运动，末端执行器联结块上的电机带动其作旋转运动，矫正长析在空间中的姿态，实现长析的精确定位。

图3.2机械随动定位装置结构图

①竖直机械臂②水平机械臂③末端执行器④伺服电机⑤限位开关⑥原点开关安装座⑦原点开关⑧电机驱动器⑨减速器⑩滑块○11水平机械臂与竖直机械臂的连接块○12水平机械臂与末端执行器的连接块。

结论

本文分析了数字化装配定位平台的总体设计思路和原理。结合数字化装配定位平台的开发需求及现有的基础条件，设计了系统平台的定位机构以及机械随动定位装置的总体结构。使得装配定位系统能够实现壁板零件的数字化装配定位；并且是该平台具有较高的柔性，提高了系统的装配定位准确度和系统的效率。

参考文献：

[1] 吴伟仁.军工制造业数字化[M].北京：原子能出版社，2005：9-lO.