CN110920927A - 一种柔性壁板装配工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性壁板装配工装，属于飞机数字化装配技术领域，包括设有处理工位、装配工位和制孔工位的底座，和设置在底座上的：在处理工位与装配工位间滑动的X向滑台，沿X方向活动安装在底座上，X向滑台上设有对蒙皮进行固定的蒙皮吸附单元；在装配工位与制孔工位间滑动的Y向滑台，沿Y方向活动安装在底座上，所述Y向滑台上设有对壁板框进行固定的壁板框定位组件，壁板框定位组件包括若干相对设置的***，各***包括与壁板框连接且具有三轴自由度的固定架，以及驱动固定架的X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构，用于调整壁板框的位置。基于数字化控制技术，与传统刚性工装的定位方式相比，数字化定位精度大幅提高。

Description

一种柔性壁板装配工装

技术领域

本发明涉及飞机数字化装配技术领域，具体地说，涉及一种柔性壁板装配工装。

背景技术

飞机壁板结构是飞机机身的基本结构，其装配质量直接影响机体的气动布局和外观形状，间接影响飞机的飞行安全和使用寿命。蒙皮是飞机壁板结构的重要组成部分，同时也是壁板结构装配的定位基准。

飞机装配是飞机制造环节中的重要环节，装配质量直接影响飞机的最终质量、成本与生产周期。而壁板类组件装配是飞机装配中的重要环节，壁板组件的装配质量直接影响后续机身、机翼的装配质量，是保证飞机装配总质量的基础。

同时飞机装配具有零件形状复杂、气动外形要求严格以及精度要求高等特点，所以必须使用大量工装来保证装配质量。壁板类组件是构成飞机气动外形的主要结构件，具有尺寸大、刚度低、制造和装配精度高等特点，其装配精度直接影响后续机身、机翼部装和总装的装配质量，是保证飞机装配精度的基础。

由于壁板组件装配的质量要求与本身结构特点，国外各大飞机制造厂采用壁板组件先进装配技术，如波音、空客、法航及庞巴迪等大型军民用飞机的机身与机翼壁板组件、冀梁组件等广泛采用了先进装配工艺、自动钻铆、柔性装配及装配仿真分析等技术，快速实现并完成了壁板组件高质量、高效率及低成本的装配。

目前，国内在实际生产中仍然大量使用“一对一”式的传统刚性工装，缺乏对壁板产品变化的快速响应能力，工装制造成本高、准备周期长、误差累积较大，且壁板预连接点数量和位置依然依靠工人经验，导致质量参差不齐。在传统的飞机壁板装配过程中，蒙皮一般采用定位卡板定位，这种卡板多需要曲面加工，加工成本高，而且针对不同尺寸、曲率的蒙皮，需要设计一套专用的工装。这种传统的定位工装使得装配工作量大，生产成本高，生产周期长，无法满足生产需求。随着多种类、大批量生产成为飞机制造的新方向，飞机壁板的柔性装配成为当下亟待解决的问题。

随着我国科技进步，航空制造和装配水平不断提高。但同国外相比我国飞机装配技术仍较落后，目前的装配水平越来越不能满足现代社会对飞机长寿命和高可靠性要求。在壁板装配领域，国内航空工业大多使用传统的一套工装对应一套壁板组件的刚性工装模式，刚性工装无法对不同型号壁板实现快速响应，增加飞机制造成本，加长生产周期，降低了企业效益，且定位精度低，装配误差积累较大。

发明内容

本发明的目的为提供一种柔性壁板装配工装，可以在一定范围内满足不同曲率型号的飞机壁板的装配需求，结构简单，柔性化程度高，可以大大提高飞机壁板的装配水平，缩短装配周期，节约工装制造成本。

为了实现上述目的，本发明提供的柔性壁板装配工装包括设有处理工位、装配工位和制孔工位的底座，和设置在底座上的：

在处理工位与装配工位间滑动的X向滑台，沿X方向活动安装在底座上，X向滑台上设有对蒙皮进行固定的蒙皮吸附单元；

在装配工位与制孔工位间滑动的Y向滑台，沿Y方向活动安装在底座上，所述Y向滑台上设有对壁板框进行固定的壁板框定位组件，壁板框定位组件包括若干相对设置的***，各***包括与壁板框连接且具有三轴自由度的固定架，以及驱动固定架的X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构，用于调整壁板框的位置。

上述技术方案中，***控制器根据蒙皮在装配工位的位姿信息控制***的X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构对壁板框进行位姿调整。基于数字化控制技术，与传统刚性工装基于模拟量的定位方式相比，数字化定位精度大幅提高。

为了安装***，作为优选，Y向滑台上设有用于安装壁板框定位组件的龙门架，相对设置的***分别固定在龙门架的顶部和底部。

为了实现对壁板框的固定和位姿调整，作为优选，***还包括与龙门架活动连接的Y向滑板、与Y向滑板活动连接的X向活动架以及与X向活动架活动连接的Z向安装架；Z向安装架上安装有与壁板框的定位孔配合的定位销钉。

作为优选，Y向驱动机构安装在龙门架与所述Y向滑板之间，驱动Y向滑板沿Y方向滑动；X向驱动机构固定在Y向滑板与X向活动架之间，驱动X向活动架沿X方向滑动；Z向驱动机构安装在X向活动架上，驱动Z向安装架沿Z方向移动。

X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构均包括驱动电机、丝杠螺母组件和导轨滑块组件，实现对固定架的三轴自由度的调整。

为了方便X向滑台和Y向滑台的移动，作为优选，底座上设有驱动X向滑台在处理工位与装配工位之间滑动的第一驱动机构和驱动Y向滑台在装配工位和制孔工位之间滑动的第二驱动机构；第一驱动机构和第二驱动机构均包括固定在底座上的电机、连接在电机的输出端的滚珠丝杠以及配合在滚珠丝杠上的丝杠螺母，X向滑台和Y向滑台固定在对应的丝杠螺母上；且在底座上设有X方向和Y方向的导轨及滑块，滑块固定在对应的滑台的底部。

作为优选，X向滑台上设有弧形立柱和用于安装弧形立柱的框架，弧形立柱上设置有若干蒙皮吸附单元；弧形立柱的底端设有可沿Z向活动的定位挡块，用于对蒙皮进行Z向定位；框架的两侧设有连接块，其中一侧的连接块上设有可沿X向移动的活动块，活动块与另一侧连接块上设有与蒙皮耳片上的定位孔配合的定位销孔。

定位挡块和定位销孔的位置可以沿直线导轨移动，以实现对不同规格的蒙皮定位，从而真正实现蒙皮工装的柔性。完成多种壁板蒙皮的数字化定位及钻铆装配，可以减少工装数量，缩短生产准备周期，提高定位精度，在机械工程领域对于一些结构较为复杂难以找到合适夹紧位置和夹紧面的工件也可以使用此工装，通过蒙皮吸附单元的快速重构，对相应的工件进行定位及夹紧。工作过程中，通过对产品外形进行分析结合装配工艺手动调整立柱间距、定位挡块及定位销孔的位置，控制***根据蒙皮外轮廓的理论或实测数据驱动蒙皮吸附单元运动，打开蒙皮吸附单元的气源开关，将蒙皮通过挡块以及定位销定位，放置在该工装上，真空吸附单元的橡胶吸盘通过自身的任意摆动适应蒙皮外形，通过吸盘产生的吸附力完成对蒙皮的定位与夹紧。

作为优选，蒙皮吸附单元包括支架、与支架固定的安装套筒以及在安装套筒内伸缩活动的伸缩套筒；伸缩套筒的一端连接有驱动伸缩套筒的驱动机构，另一端设置有盘面角度可调节的摆动吸盘组件；支架上设有检测伸缩套筒所受压力的压力传感器，压力传感器用于发出控制伸缩套筒的伸缩量的信号。

摆动吸盘组件能够自适应蒙皮的外形转动，通过吸盘内的负压产生的吸附力将蒙皮吸附，利用吸盘中心的固定接触点与蒙皮表面接触，实现蒙皮外形定位。真空吸附单元中的压力传感器通过检测压力变化，判断蒙皮是否吸附到位，完成钻孔等工序后，工装整体退出，进行去毛刺等操作，然后工装再次移动到配合位置，进行预连接等工序，所有工序完成后，关闭气源，工装退出。

橡胶材质的吸盘能在金属、复材等蒙皮表面形成气密性很高的腔室，经抽真空后可以产生足够的吸附力对蒙皮进行吸附夹持，且各轴电机均自带抱闸，工装可以在任意位置锁死；利用激光跟踪仪等辅助设备对关键定位位置进行测量、优化，整个工装***抗干扰能力强，模块化程度高，易于维护，定位精度高。

作为优选，驱动机构包括：

固定在伸缩套筒端部的丝杠螺母以及穿过丝杠螺母伸入伸缩套筒内的滚珠丝杠；和驱动滚珠丝杠转动的电机；滚珠丝杠上设有支撑环，安装套筒内设有与支撑环相抵的轴承座；压力传感器设置在轴承座与支架之间。

作为优选，摆动吸盘组件包括：

吸盘，固定在一内部中空的吸盘底座上，吸盘底座的底部为一球面；吸盘上设有连通吸盘底座的空腔的通气孔；

球托支座，底部连接在伸缩套筒的顶端，顶部设有与球面配合的球形凹腔；

中空的中心杆，将吸盘底座与球托支座连接在一起，并将吸盘底座的空腔连通至伸缩套筒。

作为优选，安装套筒外设有连通至安装套筒内部空腔的伸缩导气杆，伸缩导气杆的一端固定在安装套筒的底部，另一端通过一连接件连接至球托支座的底部；

伸缩导气杆与安装套筒之间设有气管接头；安装套筒的外壁上设有稳定伸缩导气杆的支撑架。

作为优选，框架的顶部和底部设有沿Y向的直线导轨，弧形立柱通过直线导轨活动安装在框架内。弧形立柱可以在直线导轨上沿Y方向移动，故其间距可以调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)通过接收壁板的实测数据进行壁板***的位置调整，可以减少传统刚性工装的蒙皮定位误差，从而提高总体装配精度。通过调整壁板框***中不同定位组件的位置，满足不同型号不同间距壁板框的定位条件。

2)蒙皮吸附单元头部吸盘具有自适应性，吸附住蒙皮后可以随蒙皮表面形状调整角度，同时减少吸附装置位置调整的误差。通过调整蒙皮吸附单元中不同蒙皮吸附机构的伸出长度，可以满足不同型号不同曲率蒙皮的吸附条件。

3)柔性化程度高，可满足壁板的快速高效高精度装配要求，降低壁板装配的周期，降低装配成本。

附图说明

图1为本发明实施例中柔性壁板装配工装的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中第一固定底座的结构示意图；

图3为本发明实施例中第二固定底座的结构示意图；

图4为本发明实施例中X向滑台与蒙皮吸附单元的装配结构示意图；

图5为本发明实施例中蒙皮吸附单元的结构示意图；

图6为本发明实施例中摆动吸盘组件的结构示意图；

图7为本发明实施例中摆动吸盘组件的剖视图；

图8为本发明实施例中Y向滑台与壁板框定位组件的装配结构示意图；

图9为本发明实施例中壁板框定位组件的结构示意图；

图10为本发明实施例中***的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1，本实施例的柔性壁板装配工装包括底座，底座上设有处理工位、装配工位和制孔工位。底座包括相互垂直的第一固定底座1和第二固定底座6，第一固定底座1上通过X向滑台8安装有蒙皮吸附单元2，第二固定底座6通过Y向滑台7安装有壁板框定位组件5。蒙皮3通过蒙皮吸附单元2固定，壁板框4通过壁板框定位组件5固定，并在装配工位进行装配处理。

参见图2，第一固定底座1上设有限位块101、限位块106、X向导轨103、滑块104、限位开关105、导轨防护罩107、丝杠固定座108、X向丝杠109和伺服电机110。限位块101和限位块106用于限制X向滑台超程。

参见图3，第二固定底座6上设有限位块602、限位块604、Y向丝杠603、伺服电机605、限位开关606、丝杠固定座607、Y向导轨608和导轨防护罩609。限位块602和限位块604用于限制Y向滑台超程。

参见图4至图7，X向滑台8上设有防护栏801、电气箱802、垂直立柱803、上横梁804、蒙皮热片***805和下横梁806。

两个垂直立柱803和两个横梁组成了龙门架，与X向滑台8上表面固连，上下横梁上均装有导轨，弧形立柱207通过导轨与两横梁连接；弧形立柱207由钢板焊接而成，根据产品特征形成一定的弧度，有利于减小真空吸附单元的伸出距离，提高整个工装的刚度，弧形立柱207的下端安装有定位挡块208，用来对蒙皮的Z向定位，该定位挡块为一具有加强肋板的“L”型结构件，两个垂直立柱803上各有一个蒙皮热片***805，通过螺栓与垂直立柱803固连，其中一个装有直线导轨滑块，其滑块可以在Y方向上移动，该滑块和另一个蒙皮热片***上都开有定位销孔，用来对蒙皮的Y方向进行定位，通过调整Z向的定位挡块208及X向的定位销孔的位置，能够对不同规格的蒙皮进行定位。

蒙皮吸附单元2包括伸缩套筒37、螺母38、安装套筒39、推力球轴承40、压力传感器41、滚珠丝杠安装座42、联轴器44、滚珠丝杠45、电机安装支架46、伺服电机47、行星轮减速器48、可伸缩导向杆49、气管接头50、导向杆支撑架51和52、“O”型密封圈53、导气杆安装座54以及摆动吸盘组件。

本实施例在满足工艺精度要求的前提下，使得蒙皮吸附单元2的数量及布局达到最优，通过分析可知，在蒙皮的航向方向上吸附单元个数对蒙皮形变影响较小可适当减少，而在蒙皮的展向方向上，蒙皮的变形逐渐变大，故在展向方向上从中间到两端吸附单元的间隔应逐渐减小。

摆动吸盘组件包括吸盘底座34、球托支架35和橡胶吸盘33。安装套筒39为整个单元的支撑部件，其安装于弧形立柱207的安装孔内，一端与安装套筒端盖36固连，安装套筒端盖36与弧形立柱207上表面配合，进行轴向定位并通过螺栓连接。气管接头50安装于安装套筒39上，其内的导气孔与安装套筒39上的导气孔55相吻合，用于抽取气体，滚珠丝杠安装座42以及电机安装支架46均与安装套筒39固连，伺服电机47安装于电机安装支架46上，该伺服电机为科尔摩根的AKM系列，直接与行星轮减速器48相连，该行星轮减速器为AF系列斜齿轮减速器，再通过联轴器44与滚珠丝杠45相连，该联轴器为膜片联轴器，螺母38与伸缩套筒37固连，伸缩套筒37的另一端与真空摆动吸盘的外球托35相连，由于可伸缩导向杆49与安装套筒39固连，且一端与球托支架35相连，限制住了伸缩套筒39的转动，使得伺服电机47的旋转运动转化成伸缩套筒37的轴向运动，并带动摆动吸盘组件轴向运动，控制***根据蒙皮外轮廓的理论或实测数据驱动伸缩柱阵列运动，通过阵列重构可以使该吸附工装适应不同的蒙皮，橡胶吸盘33可以在吸盘底座34内任意摆动以适用不同曲率的蒙皮外形，利用橡胶吸盘33中心的固定接触点与蒙皮外形接触，实现蒙皮外形定位，压力传感器41安装在滚珠丝杠45上的两个推力球轴承40与43之间，可以通过监测真空吸盘所受轴向力的变化来判断蒙皮与框是否已经贴合。

参见图8，Y向滑台7上设有电气箱701、垂直立柱702、上横梁703、下横梁705和防护栏704。壁板框定位组件5安装在上下横梁之间，其上固定有壁板4。

参见图9，壁板框定位组件5包括对称设置的上***502和下***501。上***502和下***501的结构相同。参见图10，***包括具有三轴自由度的固定架50105，以及驱动固定架50105的X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构，固定架50105上设有与壁板框4连接的定位销钉50104。***还包括与上/下横梁活动连接的Y向滑板50103和与Y向滑板50103活动连接的X向活动架50108，固定架50105与X向活动架50108活动连接。

X向驱动机构包括伺服电机50109，Y向驱动机构包括伺服电机50102和Y向丝杠螺母副50101，Z向驱动机构包括Z向丝杠螺母副50106和伺服电机50107。

本实施例的工作过程如下：

(1)完成壁板蒙皮的初步定位。

将蒙皮3吊装至指定位置，蒙皮底部由定位挡块208托住，蒙皮两边的耳片与蒙皮热片***805连接，实现蒙皮的初步定位。

(2)完成壁板蒙皮内形定位。

在装配坐标系下，基于蒙皮的实测数据通过转站计算出各个蒙皮真空***的理论位置，根据理论位置得吸盘底座34的伸出长度，伺服电机47驱动吸附单元运动到指定位置，蒙皮吸附单元2通过吸盘抽气孔开始抽真空，通过吸盘的自适应性，根据蒙皮的曲率自动调整角度，紧紧地吸附住蒙皮，完成蒙皮的内形定位。

(2)完成壁板框的初定位。

将各壁板框4与壁板框定位组件5通过上***502和下***501完成定位，具体是通过壁板框上下端面的定位孔与固定架50105上的定位销钉50104连接实现。

(3)完成壁板框的位姿调整。

根据蒙皮在装配坐标系下的位姿信息，计算目标达到的位姿信息并生成运动指令，壁板框定位组件5可以由伺服电机50109、伺服电机50102和伺服电机50107驱动到达指定位置，实现快速响应。

(4)蒙皮、壁板框贴合，制预连接孔。

蒙皮吸附装置滑台8由X向伺服电机110驱动，沿X向导轨103向靠近壁板框方向移动，壁板框定位装置滑台7不动，蒙皮3与壁板框4贴合后，进行钻预连接孔操作。

(5)蒙皮、壁板框分离，进行去毛刺等处理。

X向滑台8由伺服电机110驱动，沿X向导轨103向远离壁板框方向移动，Y向滑台7不动，蒙皮3与壁板框4分离一定距离后，对蒙皮3和壁板框4进行去毛刺、涂胶等处理。

(6)蒙皮、壁板框贴合，预连接。

X向滑台8由伺服电机110驱动，沿X向导轨103向靠近壁板框方向移动，Y向滑台7不动，蒙皮3与壁板框4贴合后，进行预连接操作。

(7)蒙皮脱离吸附装置，蒙皮与壁板框移至下一工位。

蒙皮3与壁板框4预连接完成，蒙皮3脱离蒙皮吸附单元2，关闭抽气，去除蒙皮上的耳片定位，蒙皮离开定位挡块208，蒙皮吸附单元2返回初始位置。X向滑台8由伺服电机605驱动，沿Y向导轨608向下一个工位运动，进行后续制孔等工序。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此及限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性壁板装配工装，其特征在于，包括设有处理工位、装配工位和制孔工位的底座，和设置在所述底座上的：

在处理工位与装配工位间滑动的X向滑台，沿X方向活动安装在所述底座上，所述X向滑台上设有对蒙皮进行固定的蒙皮吸附单元；

在装配工位与制孔工位间滑动的Y向滑台，沿Y方向活动安装在所述底座上，所述Y向滑台上设有对壁板框进行固定的壁板框定位组件，所述壁板框定位组件包括若干相对设置的***，各***包括与所述壁板框连接且具有三轴自由度的固定架，以及驱动所述固定架的X向驱动机构、Y向驱动机构和Z向驱动机构，用于调整所述壁板框的位置。

2.根据权利要求1所述的柔性壁板装配工装，其特征在于，所述的Y向滑台上设有用于安装所述壁板框定位组件的龙门架，相对设置的***分别固定在所述龙门架的顶部和底部。

3.根据权利要求2所述的柔性壁板装配工装，其特征在于，所述的***还包括与所述龙门架活动连接的Y向滑板、与所述Y向滑板活动连接的X向活动架以及与所述X向活动架活动连接的Z向安装架；

所述Z向安装架上安装有与所述壁板框的定位孔配合的定位销钉。

4.根据权利要求3所述的柔性壁板装配工装，其特征在于，所述的Y向驱动机构安装在所述龙门架与所述Y向滑板之间，驱动所述Y向滑板沿Y方向滑动；所述的X向驱动机构固定在所述Y向滑板与所述X向活动架之间，驱动所述X向活动架沿X方向滑动；所述的Z向驱动机构安装在所述X向活动架上，驱动所述Z向安装架沿Z方向移动。

5.根据权利要求1所述的柔性壁板装配工装，其特征在于，所述底座上设有驱动所述X向滑台在处理工位与装配工位之间滑动的第一驱动机构和驱动所述Y向滑台在装配工位和制孔工位之间滑动的第二驱动机构；所述第一驱动机构和第二驱动机构均包括固定在所述底座上的电机、连接在所述电机的输出端的滚珠丝杠以及配合在所述滚珠丝杠上的丝杠螺母，所述的X向滑台和Y向滑台固定在对应的丝杠螺母上；且在所述底座上设有X方向和Y方向的导轨及滑块，滑块固定在对应的滑台的底部。

6.根据权利要求1所述的柔性壁板装配工装，其特征在于，所述的X向滑台上设有弧形立柱和用于安装所述弧形立柱的框架，所述弧形立柱上设置有若干所述的蒙皮吸附单元；

所述弧形立柱的底端设有可沿Z向活动的定位挡块，用于对蒙皮进行Z向定位；所述框架的两侧设有连接块，其中一侧的连接块上设有可沿X向移动的活动块，所述活动块与另一侧连接块上设有与蒙皮耳片上的定位孔配合的定位销孔。

7.根据权利要求6所述的柔性壁板装配工装，其特征在于，所述的蒙皮吸附单元包括支架、与所述支架固定的安装套筒以及在所述安装套筒内伸缩活动的伸缩套筒；

所述伸缩套筒的一端连接有驱动所述伸缩套筒的驱动机构，另一端设置有盘面角度可调节的摆动吸盘组件；

所述支架上设有检测所述伸缩套筒所受压力的压力传感器，所述压力传感器用于发出控制所述伸缩套筒的伸缩量的信号。

8.根据权利要求7所述的柔性壁板装配工装，其特征在于，所述的驱动机构包括：

固定在所述伸缩套筒端部的丝杠螺母以及穿过所述丝杠螺母伸入所述伸缩套筒内的滚珠丝杠；

和驱动所述滚珠丝杠转动的电机；

所述滚珠丝杠上设有支撑环，所述安装套筒内设有与所述支撑环相抵的轴承座；所述的压力传感器设置在所述轴承座与所述支架之间。

9.根据权利要求7所述的柔性壁板装配工装，其特征在于，所述的摆动吸盘组件包括：

吸盘，固定在一内部中空的吸盘底座上，所述吸盘底座的底部为一球面；所述吸盘上设有连通所述吸盘底座的空腔的通气孔；

球托支座，底部连接在所述伸缩套筒的顶端，顶部设有与所述球面配合的球形凹腔；

中空的中心杆，将所述吸盘底座与所述球托支座连接在一起，并将所述吸盘底座的空腔连通至所述伸缩套筒。

10.根据权利要求9所述的柔性壁板装配工装，其特征在于，所述的安装套筒外设有连通至安装套筒内部空腔的伸缩导气杆，所述伸缩导气杆的一端固定在所述安装套筒的底部，另一端通过一连接件连接至所述球托支座的底部；

所述的伸缩导气杆与所述的安装套筒之间设有气管接头；所述安装套筒的外壁上设有稳定所述伸缩导气杆的支撑架。

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