飛機防護瓦智能裝配系統研究

畢修文，趙 旸，譚化建，鄧珍波

（1.航空工業成都飛機工業集團有限（責任）公司，四川 成都 610037 2.四川省航空智能制造裝備工程技術研究中心，四川 成都 610037）

1 引言

隨著工業化進程的不斷推進，制造技術正面臨著轉型升級的問題。作為制造技術中極具代表性的航空制造技術，勢必將迎來一場變革。飛機零部件的制造技術已經有了一個比較高的水平，而作為一個完整的飛機整個生命周期中十分重要的一環：裝配制造技術，還處于一種相對比較落后的一種狀態。飛機裝配水平衡是量一個國家制造業發達與否的一個標桿，飛機裝配過程通常將飛機分為多個部段進行分段協同制造[1]。傳統的飛機裝配技術存在著自動化程度低、工裝可重復利用率低、功能單一等問題。隨著裝備技術的不斷升級轉型，飛機裝配在模塊化、柔性化、自動化方向取得了一定的發展[2-5]。文獻[6]介紹了飛機大部件自動化對接系統中的位姿擬合技術、坐標變換技術、伺服控制技術等。文獻[7]在飛機傳統裝配工藝的基礎上研究了基于坐標孔的數字化柔性工裝定位技術。文獻[8-9]研究了自動化裝配過程中的力與位移的協調控制技術。在大部件的自動化裝配技術基礎上，融合模塊化技術、自動化閉環技術，研制了一套用于飛機防護瓦裝配的智能系統，保證數百塊瓦片的高效裝配。

2 系統構建

這里所述智能裝配系統為實現某類機型全機防護瓦的加壓裝配操作和抗壓測試，采用模塊化設計理念，以裝配工藝規程為指導，設計了不同功能組件。整個智能裝配系統主要涵蓋控制組件、移動組件、翻轉組件、保型組件、拉壓組件，如圖1所示。拉壓組件以互換件形式，采用標準接口，按照裝配工藝流程分組安放于調整組件上，在控制組件統一管控下實現閉環加壓。裝配過程依托翻轉組件同時滿足4種工況姿態：整機水平放置、整機腹部朝上放置、整機沿飛機坐標系X軸翻轉90°放置和整機沿飛機坐標系X軸翻轉-90°放置。裝配完成后翻轉組件雙向移出實現產品順利下架。

圖1 系統架構Fig.1 System Structure

3 自適應拉壓技術

防護瓦裝配分為加壓與抗拉測試兩個工藝流程。加壓過程需進行許用值保壓6h，抗拉測試需保證持續高壓不得低于5s，整個運行過程可以實現力與位移的閉環自適應調節。加壓與抗壓測試過程保證拉壓力方向與防護瓦型面法向一致，確保加壓效果。整機數百塊防護瓦加壓裝配與抗拉測試按照一定工藝流程分成若干組分類加壓，采用有限元法對保型工裝組件進行模擬工況下剛強度分析，保證在每組工作狀態下變形控制在許用值以內。如圖2所示，防護瓦加壓過程包含防護瓦選擇、防護瓦預壓、防護瓦保壓、安全退出4個環節。首先根據裝配工藝規程在上位機上完成瓦號和拉壓組件參數的選擇，進行相應模塊化線纜、壓板、電缸等零組件的安裝。然后觸發快速點動按鈕運行至接近瓦面，換慢速點動，待壓力感知（100～200）N。隨后觸發自動慢速自動進給，直到達到額定保壓值，進行持續保壓6h。保壓過程中壓力傳感器實時監測保壓過程中壓力參數的變化，同時編碼器監測實時位置，實現力與位移的同步實時監測并自適應調節。當出現壓力或者位移超限，則立即自動停機并發出聲光報警。最后，當完成加壓裝配后快速退回原點并卸載標準組件。

圖2 自適應加壓過程Fig.2 Process of Adaptive Pressing

壓力與位移閉環超限值，如圖3所示。加壓過程應嚴格控制壓力與位移的超限值。電動缸達到各防護瓦設定的額定壓力P值后，N作為壓力保護的極限超限值，壓力達到極限值P+N，控制系統發出聲光報警，電動缸進行自適應調節。系統達到設定壓力值后，設定電動缸在壓力極限超限值變化范圍內最大允許前進位移增量S，達到前進最大位移增量S后，控制系統發出聲光報警，電動缸進行自適應調節。

圖3 壓力與位移閉環超限值Fig.3 Pressure and Displacement of Closed-Loop Limiting Values

抗拉測試時只需將與瓦片對應的吸盤安裝在電動缸前端的萬向軸承上替換壓板并連接真空管即可。首先將電動缸手動操作盒的旋轉開關轉到“速動”檔，按壓“前進”按鈕將真空吸盤快速移動至接近瓦片位置，保證距離不低于5mm。然后將旋轉開關轉到“點動”檔，點動施加（50～100）N的力，以保證吸盤與瓦片表面充分接觸，不會有間隙導致漏氣。接著打開真空泵，觀察其示數直到讀數不再變化。然后點擊“拉脫測試”即吸盤向遠離瓦外表面方向運動，當達到拉脫力額定值（預置）時，保壓指定時間。完成保壓后反向運動至拉力降為0時，電動缸停止運行，并報警提示，人工關閉真空，等待吸盤與瓦表面自然分離。最后，當完抗拉測試后快速退回原點并卸載標準組件。

圖4 自適應抗拉測試流程Fig.4 Adaptive Tensile Test Procedure

4 實驗驗證

為驗證上述集成系統與功能組件之間的協同自適應功能，本文針對某機型數字化模型設計并制造了集成翻轉、保型、加壓、測試、下架于一體的整機防護瓦智能裝配系統。智能裝配系統實物局部視圖，如圖5所示。

圖5 智能裝配系統實物局部視圖Fig.5 Partial Picture of The Real Intelligent Assembly System

在裝配型架上安裝試驗件，用以測試防護瓦裝配過時加壓與抗壓測試環節力與位移的精確性。標準化加壓組件包括絕對式伺服電機系統、電缸傳動組件、單向壓力傳感器、放大器、球頭壓板、支撐框等。首先通過激光跟蹤儀測試標準化組件在產品坐標系下的位置，從而保證初始狀態的準確性。接著，裝配工程中通過上位機與PLC控制壓力與位移自適應控制，控制壓力與位移均控制在允許變化范圍內，并記錄過程變化參數。外接單向壓力傳感器與上位機和PLC通訊，實現了力的自適應調節。伺服系統自帶光柵尺，實現位移的半閉環自適應調節。試驗過程中支撐框與骨架基準點則通過激光跟蹤儀進行監控，從而保證了定位器位置與骨架基準系統均控制在誤差允許范圍內。

電缸加壓組件為互換件，不同的加壓工藝規程下進行不同件號參數的調用。上位機集成系統關鍵參數的設置界面，如圖6所示。實現加壓和抗拉測試過程中防護瓦號、標準借口號、電缸組件號、壓板號、吸盤號等通用件的調用，對額定壓力、許用壓力超限值、許用行程超限值、運行速度等關鍵參數的設置，對運動模式的操作以及壓力值的實時顯示。

圖6 參數設置界面Fig.6 Parameter Setting Interface

為了驗證裝配過程中保壓性能的穩定性，采用壓力傳感器對加壓過程中壓力參數進行實時監測，以1次/秒的頻次讀取并存儲壓力數據。如圖7所示為一片防護瓦的加壓過程，結果表明壓力能夠穩定維持在額定許用范圍內，壓力上升和卸載過程平穩，能夠滿足加壓裝配要求。

圖7 加壓驗證過程Fig.7 Pressure Verification Process

為了驗證防護瓦的粘接抗拉強度，采用拉力傳感器對抗拉試驗過程中拉力參數進行實時監測，以1次/s的頻次進行讀取并存儲拉力數據。為一片防護瓦的抗拉測試過程，如圖8所示。結果表明防護瓦能夠在額定拉力下維持規定的時間不產生松動或脫落，能夠滿足使用要求。

圖8 抗拉驗證過程Fig.8 Tensile Verification Process

5 結論

采用計算機輔助設計（CAD）計算機輔助工程（CAE）方法完成防護瓦智能裝配系統的設計與制造。基于模塊化理念將防護瓦智能裝配系統劃分翻轉組件、保型組件、移動組件和拉壓組件。力與位移的自適應控制算法運動與標準化拉壓組件，保證了試驗過程與裝配過程拉壓力大小與方向的精確性：

（1）防護瓦裝配持續加壓6h過程中，壓力方向與防護瓦型面法向偏差控制在±5°以內。（2）防護瓦裝配過程中在承受（1100～1200）N的壓力過程中，穩壓變化值控制在30N范圍內。（3）防護瓦能夠在承受（900～1000）N的載荷下維持30s以上不產生松動。