飛機艙門工裝柔性技術(shù)研究

王巍，烏琛，閆夢娜，于國棟，孔林

（沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，沈陽 110136）

0 引言

在飛機裝配過程中，將數(shù)以百計的不同尺寸、類型的零件進(jìn)行組裝和連接，并且要嚴(yán)格遵守裝配過程中的尺寸準(zhǔn)確性及協(xié)調(diào)性，最終達(dá)到飛機組裝的目的。在裝配過程中涉及數(shù)量多且尺寸各不相同的零件，每個零部件都要保證其精確性，對于安裝的完整性及精確性都有著嚴(yán)格的要求，因此在飛機裝配的過程中要消耗大量的人力、物力、財力。在科技迅速發(fā)展的當(dāng)今社會，各國對于飛機制造業(yè)的科研力度都在加大。飛機制造業(yè)成為國家科技水平的重要部分，飛機裝配技術(shù)也得到了大幅度的創(chuàng)新。柔性工裝在世界各國成為一種新興技術(shù)，代表著國家對于飛機裝配效率與質(zhì)量的科學(xué)比拼。我國飛機制造業(yè)起步晚，并且在柔性工裝方面較發(fā)達(dá)國家來講還存在一定的差距，無論是在理論還是技術(shù)都還存在著很大的進(jìn)步空間。

在傳統(tǒng)的飛機裝配過程中，為保證安裝過程的穩(wěn)定性，大部分工裝設(shè)計為剛性結(jié)構(gòu)，并且一個飛機結(jié)構(gòu)件的裝配對應(yīng)一個剛性型架，即為“一對一”[1]裝配模式；在這種裝配模式下周期長、成本高、占地面積大等弊端就顯露了出來。隨著飛機裝配技術(shù)的逐步發(fā)展，工裝結(jié)構(gòu)逐漸從傳統(tǒng)剛性單一形式轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝钥芍貥?gòu)形式，即為“一對多”裝配模式。柔性工裝具有自動化、數(shù)字化、集成化的特點，對比于傳統(tǒng)裝配，柔性工裝可以明顯提高飛機裝配的質(zhì)量及工作效率。

1 飛機艙門結(jié)構(gòu)特點及裝配需求分析

1.1 飛機艙門結(jié)構(gòu)及裝配特點

在傳統(tǒng)的剛性飛機艙門工裝配中，設(shè)計周期長、開發(fā)成本高、可變動性差、應(yīng)用單一，不同類型艙門的工裝都需要配備其專有的工藝要求。在艙門制造過程中，需要使用裝配型架對零件進(jìn)行精確定位，以保證艙門與飛機艙門骨架之間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系?，F(xiàn)有的艙門裝配型架采用包絡(luò)一體式工作臺面，而這種型架通常具有較大的體積及質(zhì)量。因此，需要采用地腳處安裝螺栓將其固定于水泥地面之上，而地基較厚，需要土建施工。此外，由于骨架零件和蒙皮零件在同一個型架上完成安裝，其工作開敞性差，常需要大量的型架外補、鉆補鉚等作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)效率低；其次，由于飛機部件的設(shè)計會發(fā)生經(jīng)常更改、調(diào)試等現(xiàn)象，而現(xiàn)有的一體式工作臺面需整體進(jìn)行返工，甚至有可能直接不能使用，這就極大地增加了飛機裝配制造的經(jīng)營成本。

民用飛機中艙門種類有很多，通過用途可分為：左登機門、右服務(wù)門、應(yīng)急門、前貨艙門和后貨艙門[2]。飛機艙門特點與結(jié)構(gòu)基本一致，以右服務(wù)門（如圖1）為例，飛機艙門的主要組成部分為縱梁、橫梁、短梁、蒙皮等，其中在最外圍的2個縱梁和2個橫梁組成艙門骨架的定位框。

圖1 右服務(wù)門的組成

1.2 飛機艙門需求分析

根據(jù)艙門結(jié)構(gòu)特點及艙門工裝的裝配工藝過程，需要柔性工裝滿足以下幾點需求：1）能夠在一套柔性工裝下滿足在不同類型下艙門的裝配；2）能夠?qū)崿F(xiàn)不同艙門的縱梁、橫梁以及短梁的裝配定位與夾緊；3）能夠滿足不同艙門蒙皮曲率的柔性定位、與多套不同艙門的剛性骨架定位。

2 飛機艙門柔性工裝設(shè)計分析流程

本文設(shè)計的柔性工裝由控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、支撐平臺等構(gòu)成。工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 飛機艙門柔性工裝設(shè)計分析流程圖

2.1 艙門柔性工裝控制系統(tǒng)

柔性工裝是結(jié)合軟件、硬件兩大板塊相輔相成[3]，硬件功能是實現(xiàn)軟件功能的基礎(chǔ)，也是軟件正常運轉(zhuǎn)的載體和指令的具體執(zhí)行部門?？刂葡到y(tǒng)總體架構(gòu)主控功能主要是軟件部分來實現(xiàn)的，而安全保護(hù)、伺服驅(qū)動、運動與邏輯控制這些功能是通過硬件部分實現(xiàn)的。

控制系統(tǒng)主要是用于實現(xiàn)人機數(shù)據(jù)交互的界面，便于使用者對整個系統(tǒng)發(fā)布相關(guān)指令及操作步驟，根據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)計算后，得到相關(guān)參數(shù)的配置及求解正逆運動學(xué)。運動與邏輯控制系統(tǒng)主要用于接收柔性工裝中各個軸、吸盤等運動結(jié)構(gòu)的位置、速度等數(shù)據(jù)信息，以及轉(zhuǎn)換伺服驅(qū)動系統(tǒng)與上位機互相發(fā)送的信號。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主要作用在于控制負(fù)責(zé)執(zhí)行運動機構(gòu)的伺服電動機，為各個軸運動到指定位置提供動力。

2.2 艙門柔性工裝機械系統(tǒng)

該工裝的機械系統(tǒng)可分為以柔性定位為主的蒙皮定位工裝和以剛性定位為主的骨架定位工裝。在飛機艙門柔性工裝中蒙皮定位工裝只需要一套，來實現(xiàn)不同艙門的蒙皮外形定位；對于骨架定位工裝需要設(shè)計不同的艙門骨架工裝，用于定位每一套不同的骨架。蒙皮定位工裝與骨架定位工裝之間采用可移動式獨立化設(shè)計，對接需要零點定位器進(jìn)行定位連接，來確保完成艙門蒙皮與骨架工裝的精確對接及后續(xù)鉚接、制孔等操作。

2.2.1 蒙皮定位工裝

在蒙皮與骨架對接后進(jìn)行鉚接、制孔時，要保證零部件的加工精度與質(zhì)量，不僅要確保定位的精準(zhǔn)，還要確保鉚接過程中的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生振動從而產(chǎn)生零件的偏差，影響飛機艙門產(chǎn)品質(zhì)量。因此具有可靠性、穩(wěn)定性的定位組件對于柔性工裝十分重要。在柔性裝配過程中，基于艙門數(shù)模的控制方式，可以根據(jù)不同艙門蒙皮的曲率和大小，通過軟件部分分析計算，電腦操控伺服電動機進(jìn)而改變每個吸盤的位置，確保蒙皮與吸盤之間能夠更好地接觸吸附，從而實現(xiàn)艙門蒙皮的定位。真空吸盤定位主要包括萬向吸盤、伸縮桿、支撐座、伺服電動機等部件，其結(jié)構(gòu)外形如圖3所示。

圖3 真空吸盤示意圖

真空閥在工作時，吸盤腔體的吸附力和抽空時間的關(guān)系如下[4]：

式中：P為吸盤的吸附力或絕對真空度；t為時間變量，指抽氣持續(xù)時間；K3為真空發(fā)生器的極限真空度值；K1、K2為真空發(fā)生器、容器體積、環(huán)境壓力等相關(guān)的常數(shù)。

由式（1）可知，腔內(nèi)吸附力和抽空時間呈指數(shù)型函數(shù)關(guān)系。真空氣閥啟動后，真空吸盤內(nèi)部壓力開始逐漸下降，當(dāng)內(nèi)部真空度提高后，內(nèi)部壓力以式（1）中指數(shù)曲線衰減，逐漸變慢，同時無限逼近真空發(fā)生器的最大真空度值。當(dāng)抽氣持續(xù)一段時間后，真空吸盤內(nèi)部真空度趨于穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上，可以對正常壓強下室外作業(yè)真空吸盤所需的真空度進(jìn)行計算，經(jīng)驗公式如下：

式中：w為真空吸盤所要掛載的重力，N；t為安全指數(shù)，其中水平吸附時t＞4，垂直吸附時t＞8；R為吸盤有效直徑，mm；n為吸盤個數(shù)。

（一）積極建立科技館輔導(dǎo)員行業(yè)的職稱體系，實施獎罰制度和績效管理。建議由中國科協(xié)、中國科技館牽頭，建立科技館行業(yè)自有的科學(xué)、完善的職稱評定體系，設(shè)置全國統(tǒng)一的職稱體系，并得到國家的認(rèn)可。現(xiàn)在，很多員工都非常重視職稱評定，把職稱作為自己的職業(yè)方向，但是苦于職稱的評定晉升沒有一個較為通暢的渠道。如果可以建立科技館自有職稱體系，與本職工作緊密相連，科技館從業(yè)者職稱晉升機會增多，可以增強員工的職業(yè)歸屬感，吸引更多的優(yōu)秀人才投入到科技館事業(yè)中來，激發(fā)工作的積極性。

已知飛機艙門蒙皮質(zhì)量范圍約為5.0～8.5 kg，根據(jù)計算在保證不破壞蒙皮外形結(jié)構(gòu)的情況下，并且在保證滿足蒙皮在吸附過程中不發(fā)生脫落，形成支撐；因此將吸盤定位工裝最多設(shè)計為15個，真空吸盤其圓盤直徑為104 mm,滿足固定條件下的最小真空度為2889 Pa。

蒙皮定位工裝采用側(cè)臥式結(jié)構(gòu)，在安裝過程中根據(jù)蒙皮外形尺寸通過耳片定位器進(jìn)行初定位；再通過電腦處理三維模型形成艙門的理論外形數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)對各個伸縮桿下達(dá)命令，保證艙門蒙皮與吸盤的精確貼合，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的吸附，以便后續(xù)裝配工作正常進(jìn)行。蒙皮定位工裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 蒙皮定位工裝

2.2.2 骨架定位工裝

骨架定位工裝依照參考傳統(tǒng)工裝定位方式，總體采用旋轉(zhuǎn)式可移動骨架，分為移動組件和骨架組件兩部分。對飛機艙門的定位框及短梁等骨架結(jié)構(gòu)的主要定位與夾緊位置詳細(xì)分析并設(shè)計定位工裝，但骨架定位工裝采用獨立式設(shè)計，每一種類型的艙門采用一種單獨的定位系統(tǒng)。對于對接后的蒙皮定位件采用可拆卸式結(jié)構(gòu)設(shè)計。限于篇幅，本文只對某機左服務(wù)門骨架裝配工裝進(jìn)行設(shè)計，其他艙門結(jié)構(gòu)及特點基本一致，不做過多分析設(shè)計。

在飛機艙門裝配中，為保證框結(jié)構(gòu)與蒙皮結(jié)構(gòu)平面保持垂直，并且根據(jù)上下橫梁腹板面與產(chǎn)品K孔特點，將上、下橫梁以軸定位與基準(zhǔn)面定位兩種相配合定位形式設(shè)計邊框定位器與壓緊器，再利用上下橫梁腹板面為基準(zhǔn)定位剩余縱梁與其他短梁；定位縱梁時同樣利用產(chǎn)品K孔，設(shè)計為螺旋壓緊器的定位方式，即可以定位縱梁基本位置，也可以通過螺旋深度來改變縱梁與蒙皮的垂直度。定位框及橫縱梁定位完成后，剩余短梁定位基本采用產(chǎn)品定位，完成骨架裝配。骨架裝配中定位器如圖5所示。

圖5 骨架定位工裝定位系統(tǒng)

2.3 飛機艙門柔性裝配過程

圖6 艙門鉚接制孔狀態(tài)

結(jié)合傳統(tǒng)飛機艙門裝配工藝與柔性工裝特點[5]，設(shè)計右服務(wù)門與左登機門裝配工藝流程，如圖7所示。

圖7 飛機艙門裝配流程

由飛機裝配流程可知，在柔性工裝裝配中，不同艙門的蒙皮可根據(jù)不同數(shù)量的吸盤對蒙皮進(jìn)行柔性定位；并且艙門柔性工裝可根據(jù)艙門蒙皮曲率的不同，去調(diào)節(jié)吸盤的旋轉(zhuǎn)角度及位移來實現(xiàn)蒙皮定位，并與不同骨架裝配相配合，滿足柔性工裝“一對多”的特性，在對蒙皮進(jìn)行鉚接時吸盤的吸附力與零點定位器可增強產(chǎn)品的牢靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3 艙門工裝框架靜力分析

飛機艙門柔性工裝設(shè)計時，考慮工裝工作過程中零部件受力分析狀況。在工裝自裝配過程中，分析型架在自身重力、定位與夾緊模塊、伺服電動機等載荷作用下的強度與剛度分析。需要對艙門裝配過程中產(chǎn)品與定位器的動態(tài)模塊強度與剛度進(jìn)行受力分析。

3.1 構(gòu)建有限元模型與基本載荷確定

傳統(tǒng)的工裝框架主要由橫梁、底梁、立柱、支撐等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，橫梁和底梁初步結(jié)構(gòu)設(shè)計為100 mm×100 mm×8 mm的空心結(jié)構(gòu)，支柱和斜支撐尺寸為100 mm×100 mm×6 mm。材料使用方鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.25～0.33，材料密度為7.9×103kg/m3。雖然定位夾緊機構(gòu)及飛機艙門產(chǎn)品質(zhì)量已知，但是在裝配過程中各個機構(gòu)中連接元件及裝配工具的作用力也在框架上。考慮靜態(tài)分析簡化問題，裝配工具與連接元件的質(zhì)量可忽略不計，對分析結(jié)果影響不大。飛機艙門柔性工裝采用型鋼材料，考慮工裝本身質(zhì)量約為200 kg，艙門骨架與骨架工裝質(zhì)量約為450 kg，將骨架與骨架工裝載荷加載到4個零點定位銷上，15個伺服電動機總質(zhì)量約為75 kg，將伺服電動機載荷以均布的形式加載到框架上。由于工裝與產(chǎn)品通過底座與地面接觸固定，所以可認(rèn)為產(chǎn)品的質(zhì)量分別均勻地加載在4個底座上。

3.2 艙門工裝框架結(jié)果分析

該工裝只考慮極限狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變情況，即當(dāng)骨架工裝與蒙皮對接時狀態(tài)，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 艙門工裝框架應(yīng)變云圖

圖9 艙門工裝框架應(yīng)力云圖

通過初步分析數(shù)據(jù)可知，型架兩端固定的最大變形在橫梁的中央。矩形冷彎空心型鋼在受載情況下變形最小，故選用該型號鋼作為工裝型架材料。采用ANSYS靜應(yīng)力分析，對矩形空心型鋼分析最大應(yīng)力云圖、最大應(yīng)變云圖如圖8、圖9 所示。由分析可知最大應(yīng)力為14.706 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.0919 mm。根據(jù)工裝設(shè)計要求，剛度和撓度的規(guī)定如表1、表2所示。

表1 剛度要求

表2 撓度要求

在艙門裝配過程中，對骨架定位工裝最大應(yīng)力小于235 MPa，滿足應(yīng)力要求，最大應(yīng)變小于0.1[6]，且滿足工裝精度的最高要求，該工裝框架滿足結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計要求，對于框架整體結(jié)構(gòu)無需進(jìn)行改變，故該工裝整體尺寸為3200 mm×1510 mm×1785 mm。

4 結(jié)語

在國家的扶持下我國航空制造企業(yè)得到快速發(fā)展，飛機裝配技術(shù)朝著智能化、數(shù)字化方向邁進(jìn)，這就要求在飛機裝配過程中能夠?qū)崿F(xiàn)全面自動化、柔性化裝配。在飛機艙門柔性工裝下，解決了新型先進(jìn)飛機艙門工裝研制周期長的問題，可為其他飛機產(chǎn)品裝配的柔性化提供參考。該工裝節(jié)約場地面積，降低勞動強度，減少工裝制造成本，使多型飛機艙門裝配周期縮短，工裝定位與夾緊器互換性改善了企業(yè)工裝維修困難的難題。該柔性工裝能夠推動飛機其他零部件裝配實現(xiàn)柔性化技術(shù)應(yīng)用，促使我國飛機裝配技術(shù)實現(xiàn)柔性化、智能化。