飛機翼盒水平裝配柔性夾具設計與驗證研究

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tags: 夾具設計    時間:2014-03-12 09:30:29
飛機翼盒水平裝配柔性夾具設計與驗證研究簡介
摘要:在航空工業中柔性夾具是飛機裝配技術的一個重要研究方向。基於盒式連接和六足定位技術,本文提出並設計了一種在翼盒裝配中應用的柔性水平式裝配單元的實現方……
飛機翼盒水平裝配柔性夾具設計與驗證研究正文

摘要:在航空工業中柔性夾具是飛機裝配技術的一個重要研究方向。基於盒式連接和六足定位技術,本文提出並設計了一種在翼盒裝配中應用的柔性水平式裝配單元的實現方法,採用CATIA軟體建立了縮微型柔裝配夾具(工裝)的三維模型,對主要部件進行了強度分析,採用ADAMS進行了夾具工作過程模擬,分析了其在安裝和使用過程中需要做的測量驗證工作,初步驗證了翼盒水平裝配柔性夾具設計方案的可行性,為真實尺寸的夾具設計和驗證提供了參考。
關鍵詞:翼盒;柔性夾具;水平裝配;盒式連接
引言
在航空產品的製造中,飛機裝配是將零件(組件、部件)按照設計和技術要求進行組合、連接,形成高一級的裝配件或整機的過程。飛機裝配由於產品尺寸大、形狀複雜、零件以及連接件數量多,其勞動量占飛機製造總勞動量的一半左右甚至更多,因此歐美髮達國家對飛機裝配技術十分關注,並投入巨資進行研發。
目前,國內外蓬勃發展的柔性裝配技術是一種能適應快速研製和生產及低成本製造要求、設備和工裝模塊化可重組的先進裝配技術。它與數字化技術、信息技術相結合,形成了自動化裝配技術的一個新領域。
1翼盒裝配工藝
1.1飛機翼盒裝配簡介
在機翼結構中,翼肋中段與翼梁、蒙皮構成的部分稱作翼盒。翼盒是機翼的主要承重結構。翼盒不僅是保持飛機飛行的主要機翼結構,也承擔著飛機油箱的工作。每架飛機擁有兩個機翼翼盒,分別裝配在左翼和右翼。翼盒承擔著飛機起飛、巡航和著陸過程中大部分的重量和壓力。飛機機翼還支撐著飛機的動力裝置和主起落裝置。
傳統的飛機翼盒裝配採用垂直裝配,即用型架將飛機的前梁固定地吊在鉛垂平面內,將翼肋垂直於前梁安裝好,再安裝翼盒的後梁,最後安裝蒙皮,如圖1所示。


圖1翼盒垂直裝配1.2豎直裝配存在的缺點
傳統的垂直裝配需要將翼梁吊在空中,需要的空間高度很大。對於大型飛機,例如空客A380,裝配型架要高達數十,佔用空間太大。
垂直的機翼沒有處於工作狀態,對它的各項參數不好測量和評價。例如,垂直裝配時,前翼梁和后翼梁空間高度相差達十幾米甚至幾十米,會有一定的溫差,而溫度的差異會使零件產生不同的變形,給裝配帶來精度誤差。
採用水平裝配方法,就是將翼盒以水平方式放置於夾具之上進行裝配操作,這樣可以解決上述問題。而水平裝配技術要解決的是柔性設計以及如何進行裝配操作的問題。
2翼盒水平裝配柔性夾具設計
2.1基於盒式連接技術的柔性型架
盒式連接,如圖2所示,是一系列的標準梁和連接件組合成的聯合裝置和框架。裝置中的連接部分,沒有焊接或其他永久性連接,而是採用了螺栓連接的摩擦接合。盒式連接概念的好處在於,它是由鋼或碳纖維製成的標準模塊化組件構成。系統的模塊化能夠適合不同尺寸的裝配。另一個優點是,它不需要像傳統裝置一樣精確配置,因為整個裝置可以隨時進行調整。基於盒式連接技術建立的主型架如圖3所示。本文中,採用的方形梁與盒式連接組成的主框架的尺寸數據為:橫樑的長度設計為1.5m,橫樑的界面尺寸設計為140mmx140mmx6mm。豎梁的尺寸同橫樑一樣。中間板的尺寸設計為190mmx190mm,與梁接觸部分的面積為140mmx140mm。
槽的深度設計為10mm。兩邊板的受力分析與中間板類似,尺寸同中間板一致,只有一面開槽,槽的深度為10mm。
2.2基於六足定位的柔性固持裝置
在型架與飛機翼盒之前的柔性固持部分,採用六足定位裝置滿足其柔性需求。六足定位裝置如圖4所示。
圖4六足定位裝置六足定位裝置底板通過盒式連接安裝在型架上,頂板與需要固持的翼盒相連。其頂板的移動通過連接頂板和底座的六個腳腿實現。事實上可以通過任意改變腳腿長度來使頂板移動到它工作空間內的具有任意角度的任意一個位置。六足定位裝置的一個重要的特點就是頂板在空間的任意一個位置都有相應的六條腳腿的長度設置來對應。當六足定位裝置進行重新設置時,這種連接方式可以方便的調節以達到新的位置。
2.3水平柔性裝配的輔助設施
在豎直裝配過程中,裝配的操作主要是在側面進行。而對與水平裝配,由於翼盒的水平放置,裝配的操作需要在翼盒的上方進行。這樣就需要另外建立一個帶有升降平台的型架,將機器人至於待裝配的翼盒上方,對翼盒進行裝配過程中的各種操作。此外,還要有一個型架用於固定工業相機等測量裝置,在型架組裝及翼盒裝配過程中進行必要的測量工作.
由主型架、六足定位裝置以及機器人定位機構和測量裝置形成的完整柔性夾具如圖5所示。
圖5整體夾具的構成3翼盒水平裝配柔性夾具驗證
3.1部件應力分析
主型架需要承擔500Kg的重量,材料為牌號Q255的碳素結構鋼。由於在裝配過程中,各個梁承重並不平均,而且裝配操作可能有輕微的衝擊,故假設橫樑承受600kg的重量。橫樑模型兩端固定,在形心位置施加向下的集中載荷5886N,利用CATIA有限元分析模塊對橫樑分析,如圖6所示。計算結果最大應力8.05MPa,最大變形0.044mm。
圖6橫樑的有限元分析結果對盒式連接的中間板進行有限元分析,四個螺栓孔位置固定,在與梁接觸的面的形心位置施加10960N的集中力,分析結果如圖7所示,中間板的最大應力為44.6MPa,發生在四個鑽孔的位置。
對盒式連接的側板進行有限元分析,側板的四個螺孔位置固定,在與橫樑接觸的一面上施加10906N的集中載荷。最大應力為53.5MPa。最大位移為0.0158mm,如圖8所示。
經過分析,各部件所承受的最大應力均未超過材料允許的盈利範圍,而由應變產生的位移,最終可以通過六足定位裝置進行調節,使其並不影響裝配精度。3.2運動模擬
運動模擬能夠簡單展示柔性夾具的工作過程,是整個夾具驗證工作的一個重要環節。由於CATIA自帶數字樣機模塊模擬功能有限,本文採用介面軟體simdesigner將CATIA中的裝配模型導入ADAMS,最終模擬實現是基於CATIA+SimDesigner+ADAMS的。圖9-12為主要模擬結果,其中圖9是初始位置,圖10是機械手夾持一根翼肋,將它安裝在翼樑上正確的位置,圖11是機械手完成工作,被頂部機器人型架帶回到初始位置,圖12是測量型架上安裝的照相機開始動作,將翼肋與壁板裝配間隙情況予以測量。
模擬結果結果表明,該工裝夾具能夠達到了預期的工作過程。
圖9初始位置3.3測量輔助的驗證
對水平裝配柔性夾具的測量工作,根據其特點,在安裝過程中和翼盒的裝配過程中,有一些特別的測量工作。在安裝過程中,不僅要使用激光跟蹤儀對型架梁的位置進行測量,還要對盒式連接的連接部分位置進行測量輔助的調節工作,使其裝配位置到達公差允許的範圍之內。對於需要裝配的翼盒組件位置,也需要不斷測量,並調節六足定位裝置,確定翼盒達到準確的裝配位置。在工作過程中,由於夾具系統的柔性,對於型架及裝夾部分可能發生的變形、偏斜、移位等問題,以及受環境因素變化影響產生的位置變動問題,都要進行實時測量,隨時調整柔性裝夾部分以滿足裝配公差要求。
4結論與展望
柔性夾具技術是飛機裝配過程的一個重要研究方向,而翼盒水平裝配方式以其高精度和便捷操作的優點,有著良好的發展前景。本文進行了一種面向飛機翼盒水平裝配的縮微型柔性夾具方案研究與設計驗證研究。今後的研究重點是,翼盒水平裝配柔性夾具的實證應用,以及如何通過軟體實現柔性夾具的模塊化設計與控制,以達到提高效率和節約成本的目的。
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