飛機垂尾壁板類柔性工裝設計研究

陳英偉+劉云盛+馮世彬

摘要：在科學技術飛速發展的帶動下，我國的飛機制造業取得了較為顯著的成果，開始朝著多型號的生產方式轉變，柔性工裝裝配技術也受到了越來越多的關注。本文結合飛機垂尾壁板類裝配工裝的結構特點，對其柔性工裝設計進行了簡單分析。

關鍵詞：飛機；垂尾壁板；柔性工裝；設計

前言：作為飛機柔性裝配系統的一部分，柔性工裝的存在，實現了產品的自動化和智能化裝配，在降低成本和提高效率方面意義重大。相比較發達國家在飛機裝配所有環節都應用柔性工裝的做法，我國現階段飛機壁板類裝配采用的依然是傳統的固定裝配工裝，在效率方面相對較差。對此，加強對于飛機垂尾壁板類柔性工裝的設計和研究非常必要。

1 柔性工裝的特點

從提升飛機生產效率的角度出發，對于垂尾壁板類柔性柔性工裝提出了一些新的需求，一是對于相同類型的飛機，必須能夠滿足不同垂尾型號符合材料壁板的裝配工作；二是在對不同型號的垂尾壁板進行裝配定位和緊固時，必須保證作業方式的柔性化和模塊化；三是相應的照明和定位應該選擇自動化、柔性化裝置；四是對于壁板裝配環節沾染的灰塵，可以實現自動化清理。

垂尾壁板類柔性工裝具有幾個非常顯著的特點：

（1）柔性工裝的骨架采用型材和標準零件組成的剛性框架，框架為可拆卸結構，便于進行安裝和維護[1]；

（2）結合垂尾骨架和壁板裝配工藝的性能進行動態模塊的設計，通過激光追蹤儀在線測量，搭配液壓與電機驅動模塊，對定位和緊固件的位置進行調整和控制。在專業的計算機操作平臺支持下，可以實結合硬件系統實現對柔性工裝移動定位器的遠程操控，保證了定位的精度和準度。在將動態模塊移動到相應的位置后，可以進行標準定位件以及緊固設備的安裝，為后續的垂尾零部件裝配奠定良好的基礎；

（3）柔性工裝系統設置與偶自動照明和清潔裝置，當傳感器檢測到人員操作，照明裝置啟動和清潔裝置啟動，提供良好的作業環境。同時，前后升降梯的配置也為人工制孔以及鉚接工作提供了良好的空間。

2 柔性工裝的設計

2.1設計流程

首先，需要對飛機垂尾壁板的結構特點以及整體骨架進行分析，結合分析結果確定垂尾骨架總裝定位孔面以及裝配蒙皮的具體位置；其次，需要結合相應的研究資料和實踐經驗，確定飛機垂尾壁板類柔性裝配工作的整體布局，做好結構的總體設計。具體來講，應該將后機身的連接插孔作為主要定位孔，將骨架大梁側孔作為輔助定位孔，以翼尖為主要定位面而尾燈安裝部位則為輔助定位面；然后，需要根據實際情況，做好裝配方案的詳細設計，從全局角度進行綜合考慮；最后，應該針對得到到了裝配方案，進行ANSYS和DELMIA仿真驗證，得到最終設計成果。

2.2設計方法

（1）靜態框架結構分析：在針對飛機垂尾壁板類柔性工裝進行設計時，必須充分考慮其在運行環節零部件本身的受力情況。結合自動化和智能化系統，工裝能夠實現自裝配，而在這個過程中，需要做好相應的數據分析工作，包括型架在自重、伺服電機、定位模塊、升降機構等荷載作用下的強度與剛度等。應該明確，壁板裝配環節，應該對承載定位與夾緊器的動態模塊的強度與剛度進行可靠分析，以確保系統的正常穩定運行。垂尾壁板類柔性工裝整體采用型鋼材料，自重在200kg左右，垂尾骨架和壁板的合計重量為50kg，設置有7個伺服電機，每個電機5kg，合計35kg，在加上作業人員的體重60kg，從安全的角度，依照1000kg的質量荷載分攤，確保其能夠均勻的分布在框架結構上[2]。結合相應的計算和Ansys仿真驗證，型鋼的彈性變形如表1所示。

分析可知，框架兩端固定的情況下，最大變形產生于橫梁的中間位置，矩形冷彎空心型鋼的變形量最小，因此可以作為柔性工裝的型架材料。結合仿真分析，最小應力和最大應力分別為0.03MPa和1.78MPa，柔性工裝本身剛度精度對于撓度的要求是不超過0.1mm，而在實際設計中，工裝的撓度僅為0.0332mm，能夠滿足相關規定的要求。

（2） 動態調整單元集成控制系統：在柔性工裝系統中，設置有8個動態調整模塊，以及兩個輔助性的靜態定位模塊，可以針對不同的飛機類型，通過在動態模塊上更換定位與緊固設備的方式，滿足不同的工藝需求。例如，主梁面柔性定位模塊可以通過聯軸器鏈接的齒輪齒條機構，由電機驅動定位導桿上下運動，在達到指定位置后，可以對不同機型的定位器進行更換。在柔性工裝動態定位與緊固裝置調整的過程中，需要對飛機垂尾的型號進行明確，然后在測量和仿真軟件中，導入數字化的三維模型，通過模型分析確定柔性工裝的裝配工藝參數。飛機坐標系的構建方法有兩種，一是依照工裝設計基準孔的理論值與實測值，結合最佳擬合法建立坐標系，二是結合CAD對齊法，在飛機垂尾數模上，選擇相應的理論點，通過擬合的方式建立坐標系，兩種各有優勢，可以根據實際需求進行選擇[3]。

3 結語

總而言之，伴隨著航空制造業的飛速發展，飛機制造業在朝著自動化、智能化的方向演變，傳統的剛性工裝必將被柔性工裝所取代。本文提出了一種飛機垂尾壁板類柔性工裝的設計方案，對新型飛機飛機垂尾壁板工裝研制周期較長的問題進行了解決，也可以為相關飛機產品的柔性化裝配提供一定的參考。與傳統工裝相比，本文設計的柔性工裝體積小，效率高，自動化運行能夠有效降低作業人員的勞動強度，控制人力成本，對于實現我國飛機裝配技術的柔性化和智能化有著一定的推動作用。

參考文獻：

[1]白新宇，王思聰.飛機壁板類組件柔性工裝系統研究[J].制造業自動化，2014，（22）：133-135.

[2]崔琳琳.飛機壁板裝配柔性工裝設計與優化技術研究[J].中國機械，2016，（1）：100.

[3]王巍，谷天慧，俞鴻均.某型飛機垂尾壁板類柔性工裝設計[J].航空制造技術，2016，507（12）：66-70.