用于飛行器艙板裝配的機械系統(tǒng)設計與研究

郭衛(wèi)東,沙佳杰,黃斌,韓先國

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院,北京100191)

0 引言

裝配是產(chǎn)品制造全生命周期中需要耗費大量時間和精力的關鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)Womack等人[1]1990年所作的調查表明,工業(yè)化國家中,裝配勞動量占產(chǎn)品總工時的20%~30%,裝配成本超過生產(chǎn)成本的40%。俄羅斯飛機制造業(yè)的統(tǒng)計資料也顯示,在新機試制階段,裝配工作量高達飛機生產(chǎn)總工作量的75%~80%[2]。因此,裝配技術的發(fā)展是保證產(chǎn)品品質和提高生產(chǎn)效率的決定性因素之一。

在飛行器艙板的裝配過程中,現(xiàn)有的翻轉機械系統(tǒng)仍以手動操作為主,對于判斷安裝位置是否準確到位,取決于操作人員的目測結果,往往會造成裝配位置不完全對應、裝配效率較低、操作人員勞動強度較大等問題。所以實現(xiàn)飛行器艙板自動化裝配是當前的必然需求,也是現(xiàn)代化飛行器裝配過程中不可或缺的一部分。

1 機械系統(tǒng)設計要求

翻轉機械系統(tǒng)是為了能將飛行器可拆裝的艙板以固定方式打開,并能可靠停放的一種運動工裝。主要有以下三點設計要求:

1)翻轉軸為艙板上邊沿(圖1中理想轉軸),即翻轉機械系統(tǒng)要保證能夠繞著艙板上邊沿進行水平翻轉,這是由飛行器艙板的打開形式所決定的;

2)翻轉角度:0°－90°,初始位置為水平;

3) 翻轉速度:10－30°/min;

由于艙板的外形尺寸較大、質量較為沉重、翻轉軸位置固定等因素的存在,所以在進行艙板裝配時,不可能依靠人力直接完成裝配,必須要借助機械系統(tǒng)來完成。作為專門針對艙板裝配而設計的翻轉機械系統(tǒng),可以使整個裝配過程完全實現(xiàn)自動化,并且能夠在很大程度上節(jié)省工作時間和減小操作人員工作強度,真正實現(xiàn)高效、精確、可靠的自動化裝配。

圖1 翻轉軸位置圖示

2 機械系統(tǒng)運動原理及機構設計

2.1 運動原理

為了滿足工況需求,設計以上艙板裝配翻轉機械系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有水平移動、豎直移動和繞轉軸轉動三個自由度。如圖2所示,移動架車由四個萬向腳輪1、四套支撐墊鐵3和架車體5組成,來實現(xiàn)機械系統(tǒng)較大距離的移動,在架車移動至目標位置后,再調整架車體上的四個支撐墊鐵,將架車體上表面調整到指定位姿。然后通過翻轉機械系統(tǒng)本身的自由度調整艙板位姿,直至其到達指定裝配位姿,而這個調整過程就需要由水平移動機構、豎直移動機構和平面四桿機構(RPRR)配合來完成。

圖2 飛行器艙板裝配機械系統(tǒng)

2.2 機構設計

1)水平移動機構

如圖3所示,水平移動機構由水平移動電機、兩套水平移動導軌、水平移動絲杠螺母和兩根與水平移動滑塊固定在一起的立柱組成。通過水平移動電機驅動水平移動絲杠螺母機構,從而使運動部件沿著水平移動導軌方向做水平移動。

圖3 水平移動機構圖

2)豎直移動機構

如圖4所示,豎直移動機構由豎直移動電機通過減速器驅動豎直移動絲杠轉動,而螺母與橫梁固連在一起,通過絲杠的轉動帶動橫梁沿著豎直移動導軌實現(xiàn)豎直方向的移動。

3)平面四桿機構(RPRR)

圖4 豎直移動機構圖

如圖5所示,轉動機構由翻轉電機4驅動位于電動缸體5內部的絲杠轉動,通過絲杠螺母配合帶動電動缸伸縮桿6即螺母進行伸縮運動,從而促使艙板1繞著轉軸做水平旋轉,直至指定位置。其中電動缸支架3和橫梁2之間是通過螺栓實現(xiàn)的剛性連接,在此處視為機架部分。

圖5 繞轉軸轉動機構圖

將繞轉軸轉動部分用機構運動簡圖表示,可得圖5中所示的平面四桿機構(RPRR),其中,伸縮桿CD為主動件,艙板AC為從動件,通過控制伸縮桿CD沿著電動缸體BD的移動速度v來使艙板AC繞著A軸的做勻角速度轉動,從水平位置轉至豎直位置,且角速度大小在設計要求規(guī)定的范圍內。

3 運動規(guī)劃

如圖1所示,設計要求中所規(guī)定的翻轉軸應為理想轉軸位置,而在實際設計中,轉軸位置與之存在一定的偏置,為了使翻轉軸滿足設計要求,在繞實際轉軸轉動的同時,需要水平移動和豎直移動與之配合運動,最終實現(xiàn)理想轉軸的空間位置始終不變,即艙板繞著理想轉軸轉動。

參考圖4中得出的平面四桿機構,建立翻轉速度模型,如圖6所示。

圖6 翻轉速度模型

根據(jù)圖6得到的速度模型,可以得到電動缸伸縮桿CD的伸長量S與艙板轉角θ的函數(shù)關系式:

將式(1)的兩邊對時間t進行求導可得:

θ＝ωt代入式(1)和式(2)中,合并兩式結果,得到艙板AC繞轉軸進行勻角速度轉動時,伸縮桿CD沿著電動缸體BD方向的移動速度v關于時間t的函數(shù)關系:

由式(3)得出的結果可求得在理想轉軸空間位置不變的情況下,艙板水平移動速度v1和豎直移動速度v2隨時間t的函數(shù)關系式:

所以水平移動機構和豎直移動機構只需要施加與v1、v2大小相同、方向相反的移動速度即可實現(xiàn)艙板繞理想轉軸的勻角速度轉動。

4 虛擬樣機仿真分析

在完成方案設計和運動規(guī)劃的基礎上,對翻轉機械系統(tǒng)進行虛擬樣機仿真[3],以保證各項指標性能符合設計要求。

1)保持架轉速驗證

將翻轉機械系統(tǒng)尺寸參數(shù)代入式(3)中,得到伸縮桿CD的速度－時間函數(shù)關系式,將其在虛擬樣機仿真軟件中添加到相應的motion上,運行完成后測出翻轉速度隨時間的變化曲線如圖7所示,轉動速度值始終在15.17°/min左右,運動規(guī)劃方程正確無誤,轉速大小滿足設計要求。

圖7 保持架轉動角速度

2)轉軸位置驗證

將式(4)、式(5)得到的速度－時間函數(shù)分別添加到水平移動和豎直移動motion上,運行完成后檢測理想轉軸空間位置隨時間的變化情況,如圖8所示,轉軸位置最大只有0.32 mm的變化,近似可認為始終不變,完全滿足設計要求。

圖8 理想轉軸位置

5 結語

本文所研制的飛行器艙板裝配翻轉機械系統(tǒng)能夠高效自動的完成裝配任務,各項參數(shù)滿足設計要求,機械結構合理可靠,在很大程度上提高了裝配效率、保證了裝配精度和降低了操作人員勞動強度。

[1]J.P.Womack, D.T.Jones, D.Roos.The Machine That Changed The World[M].USA:Macmillan,1990:27-32.

[2]Г.A.克里沃夫.前蘇聯(lián)飛機制造技術[M].北京:北京航空工藝研究所, 1999:5-8.

[3]郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.6.

[4]郭衛(wèi)東.機械原理(第2版)[M].北京:科學出版社,2013.2.