形要求嚴(yán)格及精度要求高等特點，必須使用大量的工藝裝配型架（簡稱工裝）來保證裝配質(zhì)量[1]。壁板類組件是構(gòu)成飛機氣動外形的主要結(jié)構(gòu)件，具有尺寸大、剛度低、制造和裝配精度高等特點，其裝配精度直接影響后續(xù)機身、機翼部裝和總裝的裝配質(zhì)量，是保證飛機裝配的基礎(chǔ)[2-4]。
　　
　　針對壁板類組件的裝配，國外多采用多點陣真空吸盤柔性工裝，采用“N-2-1”的定位方法，通過控制吸盤的三維移動定位，生成與壁板組件曲面*符合并且分布均勻的吸附點陣，從而可靠地定位和夾持壁板[5-9]。目前，國內(nèi)在實際生產(chǎn)中仍然大量使用“一對一”式的傳統(tǒng)剛性工裝，采用卡板以內(nèi)/外形定位的方式定位壁板組件，每套壁板組件對應(yīng)的工裝都需單獨設(shè)計制造，工裝缺乏對壁板產(chǎn)品變化的快速響應(yīng)能力，工裝制造成本高、準(zhǔn)備周期長、誤差累積較大[3-4]。針對這一問題，柔性壁板裝配工裝在現(xiàn)實中已經(jīng)得到初步應(yīng)用[10-15]：王亮等[10]提出了一種卡板定位支點可重構(gòu)的數(shù)控柔性多點型架的方法，通過移動卡板裝配點位置，結(jié)合可更換的卡板，實現(xiàn)在飛機裝配中一個型架用于多種壁板類組件的裝配模式，但其仍采用大量外形卡板的定位方式，延續(xù)的仍是傳統(tǒng)剛性工裝的設(shè)計思路，當(dāng)產(chǎn)品對象更改時，更換后的卡板工作外形安裝精度難以保證，裝配準(zhǔn)確度較低；李東升等[11]描述了一種行列吸盤式壁板裝配柔性工裝，工裝中的每個吸盤在電機控制下能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維的定位，構(gòu)成不同外形點陣可滿足對各種外形壁板的吸附定位。雖然不再使用卡板定位，能夠滿足數(shù)字化、柔性化裝配要求，但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，制造安裝困難，另外，X和Z向移動通過同步帶傳動，導(dǎo)致外廓尺寸較大，同時同步帶齒易折斷、磨損，需經(jīng)常更換。Lu[14]、陸俊百[15]等對用于飛行器薄壁件柔性工裝定位陣列優(yōu)化自動生成進行研究，通過分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行原理，采用“N-2-1”的定位方法，解決了工裝定位曲面的快速生成和相應(yīng)的優(yōu)化控制等關(guān)鍵技術(shù)，已應(yīng)用于大型薄壁件的加工。
　　
　　為解決當(dāng)前飛機壁板類組件裝配工裝重構(gòu)性弱、定位精度低、通用性差及卡板依賴性強等問題，本文根據(jù)機身壁板的結(jié)構(gòu)，分析其裝配需求，采用“N-2-1”的定位方法，研制了面向機身壁板的數(shù)字化柔性裝配工裝。通過設(shè)計相關(guān)承載立柱，采用定位器夾持壁板邊界，由多個真空吸盤吸附壁板內(nèi)表面，并使用PLC+IPC（可編程控制器+工業(yè)計算機）的控制系統(tǒng)，驅(qū)動伺服電機運動調(diào)整定位器和吸盤的定位布局，實現(xiàn)了機身壁板裝配的數(shù)字化和柔性化。
　　
　　機身壁板裝配需求分析
　　
　　機身壁板主要由蒙皮、長桁等弱剛性薄壁件組成，按照特定的位置關(guān)系鉚接成為一個整體結(jié)構(gòu)。蒙皮作為壁板的主要構(gòu)件，為剛性較差的彈性薄壁件，具有尺寸大、形狀復(fù)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(jié)構(gòu)，在長桁外形面及蒙皮上取預(yù)裝配孔，按裝配孔沿蒙皮母線方向定位裝配[1-3]。結(jié)合數(shù)字化、柔性化裝配的要求，使用數(shù)字量的尺寸與形狀傳遞方式，采用鉆孔機器人完成蒙皮與長桁的制孔，實現(xiàn)不同曲率機身壁板對象組成零件的預(yù)裝配定位工作，以保證飛機壁板的高精度裝配要求，文中根據(jù)機身壁板結(jié)構(gòu)特點，為實現(xiàn)不同壁板定位布局的快速轉(zhuǎn)換，滿足不同壁板的定位需求，機身壁板組件柔性裝配需求如下：
　　
　　（1）根據(jù)壁板在工裝中定位完成后，采用鉆孔機器人完成蒙皮與長桁制孔時的開敞性需求，需以蒙皮內(nèi)形為裝配基準(zhǔn)，采用內(nèi)定位的裝配定位方式。
　　
　?。?）為滿足壁板在工裝上定位的穩(wěn)定性，采用“N-2-1”的定位方法（壁板內(nèi)表面由多個蒙皮內(nèi)形定位點進行定位，壁板下側(cè)水平邊界由兩個定位點進行定位，壁板豎直邊界由一個定位點進行定位），在三維模型中均勻劃分壁板定位區(qū)域并在壁板范圍內(nèi)均勻布置壁板定位點，布置定位點過程中必須使其避開長桁及蒙皮內(nèi)表面存在臺階的區(qū)域，從而保證每個定位點均可對壁板進行穩(wěn)定的定位。
　　
　?。?）為實現(xiàn)對不同蒙皮內(nèi)形的定位點進行定位，結(jié)合真空吸盤吸附的穩(wěn)定性[5-9]，采用真空吸盤對蒙皮內(nèi)形進行定位。
　　
　?。?）針對不同曲率的機身壁板的裝配要求，需配以不同角度的吸盤安裝板，以保證真空吸盤的吸附夾持效果。
　　
　?。?）為了實現(xiàn)不同尺寸的壁板組件的柔性定位要求，壁板組件承載立柱各運動方向的定位夾持單元須可以沿水平與豎直方向獨立運動；同時每個可移動的蒙皮內(nèi)形定位夾持單元能夠獨立伸出移動，以保證工裝能夠滿足不同弦高的機身壁板裝配要求。
　　
　　工裝機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　
　　1工裝工作原理
　　
　　根據(jù)機身壁板結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合壁板組件裝配需求，融合模塊化設(shè)計思想[16]，設(shè)計以蒙皮內(nèi)表面為裝配基準(zhǔn)的數(shù)字化柔性裝配工裝，如圖1所示。工裝主要包括基座模塊、立柱模塊、蒙皮邊界定位夾緊模塊、蒙皮表面定位夾緊模塊。工裝采用“N-2-1”原則定位壁板，即壁板內(nèi)表面由多個蒙皮內(nèi)形定位點進行定位，壁板下側(cè)水平邊界由兩個定位點進行定位，壁板豎直邊界由一個定位點進行定位。通過數(shù)字伺服控制系統(tǒng)調(diào)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(xiàn)工裝“一架多用”的功能。

　　
　　2工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　
　　基座為多點可調(diào)支撐底座，由12個均勻分布的調(diào)平螺栓支撐，能夠有效應(yīng)對地基變化對工裝的影響?；戏桨惭b兩個承載立柱，1#立柱在X方向上固定不動，2#立柱在伺服電機驅(qū)動下可沿X方向移動。立柱左側(cè)安裝蒙皮表面定位夾緊模塊，立柱前端面安裝蒙皮水平邊界定位夾緊模塊，2#立柱右側(cè)安裝蒙皮豎直邊界定位夾緊模塊，如圖2所示。

　　
　　蒙皮表面定位夾緊模塊由真空吸盤、吸盤安裝板、定位柱、Y向驅(qū)動單元和Z向驅(qū)動單元組成。吸盤安裝板上安裝兩個真空吸盤（可進行周向±15°角度補償），為保證吸盤的吸附夾持效果，可根據(jù)壁板的曲率選擇不同角度（0°和15°）的安裝板進行安裝，定位柱通過自身螺紋安裝于吸盤安裝板中部。吸盤在電缸的驅(qū)動下可在Y向移動，電缸安裝在可上下運動的托板上，在伺服電機驅(qū)動下可在Z向移動。選擇不同的吸盤安裝板能實現(xiàn)±30°的角度偏轉(zhuǎn)可滿足不同曲率的壁板的裝配要求，調(diào)整吸盤在Y向的位置可適應(yīng)不同弦高的壁板裝配要求。
　　
　　蒙皮水平邊界定位夾緊模塊由蒙皮夾緊裝置和Z向驅(qū)動單元組成。蒙皮夾緊裝置主要包括固定夾頭、移動夾頭、蒙皮擋塊和連接板等，固定夾頭、移動夾頭和蒙皮擋塊通過連接板組合在一起。蒙皮擋塊起定位作用，通過固定夾頭和移動夾頭的相對移動夾緊蒙皮，其中移動夾頭的運動由氣缸帶動。蒙皮夾緊裝置安裝于Z向集成模塊上，在伺服電機驅(qū)動下可在Z向移動。蒙皮夾緊裝置在Z向的運動能滿足不同寬度的壁板的裝配要求。
　　
　　蒙皮豎直邊界定位模塊由滑動螺釘、安裝板和連接座組成，主要用來定位蒙皮在X向的位置?；瑒勇葆斏习惭b蒙皮擋塊，調(diào)節(jié)螺釘在安裝板水平導(dǎo)槽中的位置來適應(yīng)不同曲率的蒙皮，安裝板通過連接座固定在在2#立柱右側(cè)面。在X向有效行程范圍內(nèi)，改變2#立柱在X向的位置，可滿足一定長度范圍內(nèi)壁板組件的穩(wěn)定性與柔性裝配。
　　
　　3裝配誤差分析
　　
　　在實現(xiàn)壁板組件的柔性裝配過程中，為保證裝配準(zhǔn)確度，要控制的誤差環(huán)節(jié)主要包括以下方面。
　　
　?。?）工裝定位誤差。
　　
　　工裝的定位誤差是指立柱定位單元的定位執(zhí)行末端從設(shè)定的原點位置出發(fā)，沿3個相互垂直的方向運動到理論空間位置后，定位器上定位基準(zhǔn)的實際空間位置與理論位置的偏差。在定位單元運行調(diào)試過程中，定位單元不承受外部載荷，但其運行工況、制造精度、安裝精度、幾何精度、測量精度與控制系統(tǒng)精度等因素均對定位有影響，其中，定位單元運動部件的幾何精度所產(chǎn)生的定位誤差是影響定位執(zhí)行末端定位誤差的zui主要因素[17]，主要包括各運動方向的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的軸向定位誤差與其導(dǎo)程誤差、導(dǎo)軌導(dǎo)向傳動系統(tǒng)的安裝定向誤差對定位基準(zhǔn)點產(chǎn)生的定位誤差。根據(jù)此3類誤差源建立柔性工裝立柱定位單元單軸運動的定位誤差模型，并根據(jù)可疊加性原理對綜合定位誤差進行綜合計算。經(jīng)誤差補償后，立柱定位單元模塊的定位精度方可滿足工程中對飛機部件的定位精度要求。
　　
　?。?）零件制造誤差。
　　
　　零件制造誤差是裝配誤差中的重要成分，其取決于形成零件zui后形狀和尺寸的尺寸傳遞過程中的各個環(huán)節(jié)，即裝配協(xié)調(diào)路線。在數(shù)字化裝配環(huán)境下，整個尺寸與形狀傳遞過程以飛機產(chǎn)品設(shè)計數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，經(jīng)機械加工工藝設(shè)計及后置處理后，將產(chǎn)品的幾何形狀與容差信息通過數(shù)字量形式存在的NC加工指令直接傳遞給數(shù)控加工設(shè)備，形成物化的零件，經(jīng)數(shù)字測量設(shè)備檢測合格后，即可進行產(chǎn)品的裝配工作。
　　
　?。?）產(chǎn)品在工裝中的協(xié)調(diào)誤差。
　　
　　在飛機壁板類組件的裝配過程中，會受到夾持力、鉆孔力、連接力、回彈力等的作用，由于本身剛性不足，在外力作用下會產(chǎn)生一定的變形，當(dāng)外力釋放后，又會產(chǎn)生一定的變形回彈量，各種外力產(chǎn)生的變形量在裝配過程中相互影響，將引起裝配不協(xié)調(diào)、裝配超差等問題。同時，定位誤差在裝配過程中影響各裝配環(huán)節(jié)，導(dǎo)致誤差進一步放大。因此，針對壁板類組件的裝配，需要詳細(xì)分析其定位過程與實際裝配工況，采用合理有效的方法得到個階段的定位誤差，獲取其裝配變形誤差，建立正確的耦合算法，綜合這兩類誤差之間的影響關(guān)系，進而獲取zui終的裝配誤差。
　　
　　工裝控制系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　柔性工裝的自動重構(gòu)主要依賴控制系統(tǒng)，它將完成壁板裝配過程中所需各種運動定位器的定位，實現(xiàn)工裝對壁板的可靠固定，保證機身壁板外形與數(shù)字化樣機的一致性[18-20]。
　　
　　1硬件系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　壁板裝配工裝的控制是一種典型的以位置控制為目的的數(shù)字化控制系統(tǒng)，涉及到機、電、氣等多種系統(tǒng)的集成控制[21]。工裝包括12個定位調(diào)整單元，由21個伺服電機驅(qū)動控制，屬多軸運動控制。
　　
　　工裝控制系統(tǒng)運行時，上位機將驅(qū)動程序發(fā)送給控制器，控制器通過現(xiàn)場總線將信息傳送給各驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動電機完成運動指令。電機編碼器實時監(jiān)測運動狀態(tài)，將位移、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)發(fā)送回驅(qū)動器，構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時，借助數(shù)字化測量設(shè)備（激光跟蹤儀）實時測量工裝上定位基準(zhǔn)點的位置信息，將實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行對比，如果不在誤差允許范圍內(nèi)需進行運動補償。所有基準(zhǔn)點完成定位后即可將蒙皮夾緊，進行制孔鉚接等操作。
　　
　　2軟件系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　控制系統(tǒng)軟件包括兩部分：底層軟件（運動控制）和上層軟件（人機交互）。文中主要說明上層人機交互軟件，包括系統(tǒng)初始化模塊、用戶管理模塊、工藝控制模塊、運動控制模塊、氣動控制模塊。
　　
　　系統(tǒng)初始化模塊為用戶登錄及軟件啟動時的參數(shù)初始化；用戶管理模塊是用來對用戶信息進行管理；工藝控制模塊是工裝控制系統(tǒng)的軟件柔性化的體現(xiàn)，即通過運行不同的工藝，完成不同壁板的定位，工藝編輯是對工藝內(nèi)容進行編輯，工藝運行是使工裝各運動軸按照預(yù)設(shè)的工藝順序執(zhí)行；運動控制模塊是手動操作部分，包括設(shè)置電機的參數(shù)（速度、加速度、位置等）及單軸動作（定零、回零、暫停/繼續(xù)等）；氣動控制模塊是在各基準(zhǔn)點準(zhǔn)確定位后，完成蒙皮的夾緊動作。軟件界面如圖3所示。

　　
　　機身壁板組件裝配定位方法
　　
　　根據(jù)設(shè)計的機身壁板工裝機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，為實現(xiàn)壁板組件的柔性定位，所采用的技術(shù)方案如下：
　　
　　（1）根據(jù)工裝和壁板三維模型及其結(jié)構(gòu)和尺寸，結(jié)合裝配工藝，規(guī)劃各定位點運動路徑，并使定位點在壁板范圍內(nèi)均勻分布。
　　
　?。?）在三維CAD裝配環(huán)境中，設(shè)定工裝裝配基準(zhǔn)坐標(biāo)系，根據(jù)工藝順序進行裝配仿真并檢查是否有干涉，對干涉部分進行檢查修改，通過裝配仿真獲得各定位點在裝配基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
　　
　　（3）對上述獲取的定位點坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換，生成工裝各運動軸可用的數(shù)控代碼，利用控制系統(tǒng)使工裝各定位點按照工藝順序運動到理論位置。
　　
　?。?）測量各定位點在工裝坐標(biāo)系中的實際位置，得到實際坐標(biāo)與理論坐標(biāo)的誤差值，把此誤差值反饋到控制計算機，計算生成坐標(biāo)補償量，再利用控制系統(tǒng)對定位點進行移動補償，以保證各定位點的位置偏差在允許誤差范圍內(nèi)。
　　
　?。?）先把機身壁板落放在下側(cè)水平邊界定位點上以保證壁板豎直方向上的定位，水平移動壁板直至與豎直邊界定位點接觸以保證壁板水平方向的定位，把壁板內(nèi)表面靠近已生成的與蒙皮曲面*符合的真空吸盤吸附點陣，通氣后完成蒙皮的吸附工作，并對壁板邊界用夾緊裝置進行夾持，完成對壁板內(nèi)形的完整定位。
　　
　?。?）采用鉆孔機器人完成蒙皮與長桁的制孔工作。
　　
　　結(jié)論
　　
　　本文針對傳統(tǒng)壁板裝配方法，借鑒國外多點陣真空吸附柔性工裝，根據(jù)機身壁板的結(jié)構(gòu)，采用“N-2-1”定位原則，設(shè)計機身壁板數(shù)字化柔性裝配工裝，通過控制系統(tǒng)調(diào)整吸盤及夾緊裝置的位置以滿足不同種類壁板的裝配要求，其安裝現(xiàn)場如圖4所示。其應(yīng)用可以減少剛性型架、縮短研制周期、通過數(shù)字量的協(xié)調(diào)傳遞提高裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有推廣價值。