CN102306207A - 立柱阵列式机身壁板装配定位方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种立柱阵列式机身壁板装配定位方法及其装置，首先建立立柱阵列式工装及机身壁板的三维模型，然后在三维模型中均匀划分壁板定位区域并在壁板范围内均匀布置壁板定位点，对壁板模型进行精确定位并读取坐标，控制工装各定位点移动到指定坐标并测量实际坐标值，计算生成坐标补偿量，再进行控制移动。本发明在完全抛弃样板的基础上保证了壁板能按照设计要求进行精准定位，满足不同的装配要求。
Description
技术领域
本发明属于数字化装配装备及技术领域，涉及一种飞机机身壁板装配定位的方法及设备。
背景技术
柔性装配工装是基于产品数字量尺寸协调体系的、可重组的模块化、自动化装配工装系统，其目的是免除设计和制造各种产品装配专用的传统装配型架/夹具，从而降低了工装制造成本，缩短工装准备周期，同时大幅度提高装配生产率。其主要特点是基于产品数字量尺寸传递体系和依靠数字化控制系统来完成针对产品装配定位、夹紧等操作。
在当前工程应用上，壁板定位的解决方案是针对每一种壁板设计一套专用定位工装，较常见的形式是立柱式，靠专用卡板及夹持器分别对蒙皮和长桁进行定位、夹持，完成壁板的定位；这种传统的预定位工装导致装配工作量大、生成成本高、生成周期长、装配精度不稳定，不能适应现代飞机制造业低成本、高质量、快响应的要求。目前在国内柔性装配工装领域主要是在传统卡板型架的基础上进行了改进。如专利CN101486143A发明了一种柔性装配数字化型架装置，通过编程控制电机运动以实现卡板装配点的自由调形，通过更换不同卡板，可以用于多种壁板类零件的装配。该装置移动调形单元结构紧凑，调形迅速，精度高，开敞性好。但是由于仍要根据不同壁板零件制作相应的卡板，装置的通用性不够强，也不适用于高效率需求下的自动钻铆。专利CN201008935Y发明了一种壁板铆接柔性装配型架，具有一个由立柱支撑的型架框架和沿立柱侧面间隔排列的外形定位卡板，以及安装在外形定位卡板上的限位器，在卡板侧面间隔设置安装在吸盘托架上的真空吸盘，用于吸附壁板；该发明在更换壁板种类时需要更换外形定位卡板，吸盘的轴向位置需要手动的螺母装置调节。因此，上述改进的方法也没有彻底摆脱专用卡板，当面对不同外形的壁板，必须研制不同的装配工装，无法利用设计端的丰富的三维数模信息，造成研制成本的提高与制造端数据传递的断层。
发明内容
为了克服现有技术没有彻底摆脱专用卡板的不足，本发明提供一种立柱式机身壁板装配定位方法，通过分析不同机身壁板对象的特定结构，采用自动化控制方式实现相关承载立柱、蒙皮边界定位单元、可移动蒙皮内形定位夹持单元的相对运动，进而实现机身壁板的数字化柔性定位，保证飞机壁板的高装配精度要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)建立立柱阵列式工装及机身壁板的三维模型，在所建工装三维模型中设定装配基准坐标系。依据立柱阵列式工装及机身壁板三维模型的结构、形状、尺寸特点，在三维CAD装配环境中对机身壁板三维模型与立柱阵列式工装三维模型进行相对位置和姿态的调整，从而使机身壁板在立柱阵列式工装所有定位点的定位范围以内，以保证机身壁板能在立柱阵列式工装上成功进行安装定位；
(2)采用N-2-1的定位方法(壁板内表面由多个蒙皮内形定位点进行精确定位，壁板下侧水平边界由两个定位点进行定位，壁板竖直边界由一个定位点进行定位)，根据壁板在工装上定位的稳定性及工作时工装的开敞性，在三维模型中均匀划分壁板定位区域并在壁板范围内均匀布置壁板定位点，布置定位点过程中必须使其避开长桁以及蒙皮内表面存在台阶的区域，从而保证每个定位点均可对壁板进行稳定的定位；
(3)在三维CAD装配环境中，根据步骤(2)中所述壁板定位点的布局移动工装模型中各壁板定位点，从而对壁板模型进行精确定位，并读取各定位点在装配基准坐标系中的坐标；
(4)对上述获取的定位点坐标进行转换，生成工装数控系统可用的数控代码，利用数控系统集成控制工装各定位点移动到指定坐标；
(5)测量各定位点在实际工装坐标系中的坐标值，得到实际坐标与理论坐标的误差值，把此误差值反馈到控制计算机，计算生成坐标补偿量，再利用数控系统对定位点进行控制移动，以保证定位点的位置偏差在允许公差范围以内；
(6)先把机身壁板落放在下侧水平边界定位点上以保证壁板竖直方向上的定位，水平移动壁板直至与竖直边界定位点接触以保证壁板水平方向的定位，把壁板内表面靠向内形定位点以保证壁板内形的定位，并对壁板进行夹持。
为实现上述目的，本发明还提供一种立柱阵列式柔性数字化壁板装配定位装置，包括工装基座、承载立柱、蒙皮边界定位单元、可移动蒙皮内形定位夹持单元以及整个设备的集成控制系统，壁板各定位点坐标信息从各移动部件的位移传感器传输到集成控制系统，由集成控制系统进行数值计算并生成定位元件的移动方案输出给伺服马达，伺服马达驱动承载立柱、蒙皮边界定位单元、可移动蒙皮内形定位夹持单元移动，通过位移传感器将每个模块的各自由度行程反馈给集成控制系统。
所述工装基座包括长方体基座本体及导轨，两根导轨平行安装在基座本体上，导轨上安装有三组滑块，每组滑块由四个滑块构成且两两并排分别安装在两根导轨上。
所述承载立柱为长方体结构，承载立柱共四根，分为两类，其中三根相邻立柱为一类，为可移动立柱，每根立柱安装于一组滑块上，可沿着导轨方向进行移动；另一根立柱为一类，为不可移动立柱，与可移动立柱并排安装，固定于工装基座本体上，不可移动。每根立柱的同一侧面均设有两个平行导轨基座，用于安装可移动蒙皮内形定位夹持单元。每根可移动立柱均各由一根丝杠通过安装在立柱底部的丝母座进行移动，每根丝杠均由一个伺服马达进行驱动。增加不可移动立柱底座的高度，从而保证四根承载立柱的顶端高度相同。
所述蒙皮边界定位单元包括蒙皮水平边界定位单元和蒙皮竖直边界定位块。蒙皮水平边界定位单元共有四组，每组两个，分别相对安装于每根承载立柱的两侧且不与平行导轨基座在同一侧面。每个蒙皮边界定位单元包括一个蒙皮夹紧器和一个丝杠导轨组合单元，蒙皮夹紧器安装于丝杠导轨组合单元的滑块上，丝杠导轨组合单元安装于承载立柱上，伺服马达通过丝杠导轨组合单元驱动蒙皮夹紧器进行竖直方向的移动。所述蒙皮夹紧器包括夹紧器外壳、蒙皮顶板、固定的圆柱形挡块以及铰接的气动移动夹头，蒙皮顶板、挡块、气动移动夹头安装在夹紧器外壳上，圆形挡块与气动移动夹头相对安装，通过气动移动夹头的移动可以用于对蒙皮边界的定位及夹紧。所述丝杠导轨组合单元是市场有售的产品，由支撑座、导轨、丝杠、滑块组成，支撑座是长方形的盒体，导轨和丝杠沿长度方向布置在支撑座内，滑块安装在丝杠上，由导轨导向，由丝杠驱动。两个蒙皮竖直边界定位块均由三根方形型材焊接成三角形结构，三角形结构的长边用于蒙皮竖直边界定位，采用数控铣床进行精加工。每个三角形结构均通过连接脚片平行安装于不可移动立柱与平行导轨基座相对的另一侧面。
所述可移动蒙皮内形定位夹持单元共有十六组，每四组安装于一根承载立柱上。两根长导轨平行安装于承载立柱的平行导轨基座上，导轨上配有四组滑块，每组滑块两个且并排安装于两根导轨上；在两根导轨的中间位置装有四根丝杠，分为长行程丝杠和短行程丝杠，长行程丝杠和短行程丝杠并排安装为一组，共两组，两组丝杠沿导轨方向相对安装；丝杠由伺服马达驱动；每组蒙皮内形定位夹持单元包括直线型电缸、吸盘安装板(安装角度分为0°和15°，可根据壁板的曲率不同，选择不同角度的安装板进行安装，以保证真空吸盘的吸附夹持效果)、真空吸盘(可进行周向±15°角度补偿)和蒙皮内形定位柱。吸盘安装板安装于直线型电缸活塞杆端部；两个真空吸盘安装于吸盘安装板两端；蒙皮内形定位柱通过自身螺纹安装于吸盘安装板中部；每个直线型电缸水平安装于一组导轨滑块上并且与一根丝杠上的丝母座相连，从而可以沿着导轨进行竖直方向的移动；直线型电缸可通过驱动活塞杆水平移动蒙皮内形定位柱用于对壁板的定位。
本发明的有益效果是：
(1)机身壁板在装配定位过程中，在三维数模及公差约束下，通过自动控制系统完成对工装各定位点的调姿，在完全抛弃样板的基础上保证了壁板能按照设计要求进行精准定位。
(2)针对不同曲率的机身壁板，可配以不同的吸盘安装板，能实现-30°～+30°的角度偏转，进而满足不同曲率的机身壁板的装配要求。
(3)承载立柱可以沿横向水平运动，能保证立柱阵列式机身壁板装配工装满足不同长度的机身壁板装配要求(2800mm～5000mm)。
(4)每个承载立柱上的可移动蒙皮内形定位夹持单元能沿竖直方向独立运动，能保障立柱阵列式机身壁板装配工装满足不同宽度的机身壁板装配要求(1200mm～1900mm)；同时每个可移动蒙皮内形定位夹持单元能独立伸出移动，能保障立柱阵列式机身壁板装配工装满足不同弦高的机身壁板装配要求(100mm～260mm)。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是立柱阵列式壁板装配定位设备结构示意图；
图2是工装基座示意图；
图3是蒙皮水平边界定位单元示意图；
图4是蒙皮夹紧器示意图；
图5是蒙皮竖直边界定位块示意图；
图6是可移动蒙皮内形定位夹持单元示意图；
图7是吸盘安装板(0°)示意图；
图8是吸盘安装板(15°)示意图；
图9是蒙皮内形定位柱示意图；
图中，1-工装基座，2-可移动立柱，3-不可移动立柱，4-蒙皮水平边界定位单元，5-蒙皮竖直边界定位块，6-可移动蒙皮内形定位夹持单元，7-基座本体，8-导轨，9-滑块，10-丝杠导轨组合单元，11-伺服马达，12-蒙皮夹紧器，13-圆柱形挡块，14-蒙皮顶板，15-气动移动夹头，16-夹紧器外壳，17-轴承座，18-直线型电缸，19-滑块，20-导轨，21-伺服马达，22-轴承座，23-丝母，24-吸盘安装板，25-真空吸盘，26-蒙皮内形定位柱，27-短行程丝杠，28-长行程丝杠。
具体实施方式
将长×宽×厚＝4500mm×1500mm×4mm带曲度的飞机机身壁板(弦高180mm)进行装配定位，定位精度控制在0.1mm以内。
方法实施例：
(1)建立立柱阵列式工装及机身壁板的三维模型，在所建工装三维模型中设定装配基准坐标系。依据工装及机身壁板三维模型的结构、形状、尺寸特点，在三维CAD装配环境中对机身壁板三维模型与工装三维模型进行相对位置和姿态的调整，从而使壁板在工装所有定位点的定位范围以内，以保证机身壁板能在工装上成功进行安装定位；
(2)采用N-2-1的定位方法(壁板内表面由16个蒙皮内形定位点进行精确定位，壁板下侧水平边界由两个定位点进行定位，壁板竖直边界由一个定位点进行定位)，根据壁板在工装上定位的稳定性及工作时工装的开敞性，在三维模型中尽量均匀划分壁板定位区域并在壁板范围内均匀布置壁板定位点，布置定位点过程中必须使其避开长桁以及蒙皮内表面存在台阶的区域，从而保证每个定位点均可对壁板进行稳定的定位；
(3)在三维CAD装配环境中，根据(2)中所述壁板定位点的布局移动工装模型中各壁板定位点，包括蒙皮内形定位柱、蒙皮夹紧器、蒙皮边界定位块，从而对壁板模型进行精确定位，并读取各定位点在装配基准坐标系中的坐标；
(4)通过计算机对上述获取的定位点坐标进行数值转换，并生成工装数控系统可用的数控代码，利用数控系统集成控制工装各定位点移动到指定坐标；
(5)通过位移传感器测量各定位点在实际工装坐标系中的坐标值，得到实际坐标与理论坐标的误差值，把此误差值反馈到控制计算机，计算生成坐标补偿量，利用数控系统对定位点进行控制移动，当定位点的位置精度控制在公差范围以内时，对所有移动单元进行位置锁死；
(6)利用吊车把壁板缓慢落放在蒙皮夹紧器的蒙皮顶板上，从而对壁板进行竖直方向的定位；使壁板边缘顶在顶块基座处以对壁板水平边界进行定位；利用吊车使壁板沿横向移动，使壁板竖直边界与边界定位块接触，以对壁板进行横向的定位；把壁板靠向蒙皮内形定位柱，以进行壁板曲面的法向方向定位；真空吸盘对壁板进行吸附夹持，蒙皮夹紧器的夹紧臂运动，对蒙皮边缘进行夹紧。
装置实施例：如图1所示，本发明包括工装基座、安装于基座上的承载立柱、安装于立柱上的蒙皮边界定位单元(包括安装于立柱前窄端面的蒙皮水平边界定位单元和不可移动立柱右侧面的蒙皮竖直边界定位块)以及安装于立柱左侧面的可移动蒙皮内形定位夹持单元。
如图2所示，所述工装基座由长方体基座本体及导轨组成。两根导轨平行安装在基座本体上，导轨上安装有三组滑块，每组滑块四个且每两个并排安装在两根导轨上。
如图1所示，所述承载立柱为长方体结构，由左右侧面、前后窄端面、顶面以及底面组成。承载立柱共四根，分为两类，其中三根相邻立柱为一类，为可移动立柱，每根立柱安装于一组基座导轨滑块上，可沿着导轨方向进行移动；另一根立柱为一类，为不可移动立柱，与可移动立柱并排安装，固定于工装基座本体上，不可移动。每根立柱的左侧面均设有两个平行导轨基座，用于安装可移动蒙皮内形定位夹持单元。每根可移动立柱均各由一根丝杠通过安装在立柱底部的丝母座进行移动，每根丝杠均由一个伺服马达进行驱动。增加不可移动立柱底座的高度，从而保证四根立柱安装在同一高度上。
如图3所示，所述蒙皮水平边界定位单元，共有四组，每组两个，分别相对安装于每根立柱的前窄端面。每个蒙皮边界定位单元由一个蒙皮夹紧器和一个丝杠导轨组合单元组成，蒙皮夹紧器安装于丝杠导轨组合单元的滑块上，丝杠导轨组合单元安装于立柱前窄端面上，丝杠导轨组合单元轴端部连接有伺服马达，从而蒙皮夹紧器可以进行竖直方向的移动。如图4所示，所述蒙皮夹紧器由夹紧器外壳、蒙皮顶板、固定的圆柱形挡块以及铰接的气动移动夹头组成，蒙皮顶板、挡块、气动移动夹头安装在外壳上，圆柱形挡块与夹头相对安装，通过夹头的移动可以用于对蒙皮边界的定位及夹紧。所述丝杠导轨组合单元是市场有售的产品，由支撑座、导轨、丝杠、滑块组成，支撑座是长方形的盒体，导轨和丝杠沿长度方向布置在支撑座内，滑块安装在丝杠上，由导轨导向，由丝杠驱动。
如图5所示，两个蒙皮竖直边界定位块均由三根方形型材焊接成三角形结构，三角形定位块长边用于蒙皮竖直边界定位的面采用数控铣床进行精加工。每个定位块均通过两组连接脚片利用螺钉平行安装于不可移动立柱右侧面。
如图6所示，所述可移动蒙皮内形定位夹持单元，共有十六组，每四组安装于一根立柱上。两根长导轨平行安装于立柱左侧面的导轨基座上，导轨上配有四组滑块，每组滑块两个且并排安装于两根导轨上；在两根导轨的中间位置装有四根丝杠，丝杠分为长行程丝杠和短行程丝杠，长短丝杠并排安装为一组，共两组，两组丝杠沿导轨方向相对安装；丝杠由伺服马达驱动；每组蒙皮内形定位夹持单元包含有：直线型电缸、吸盘安装板(安装角度分为0°和15°，可根据壁板的曲率不同，选择不同角度的安装板进行安装，以保证真空吸盘的吸附夹持效果)、真空吸盘(可进行周向±15°角度补偿)、蒙皮内形定位柱。吸盘安装板安装于直线型电缸活塞杆端部；两个吸盘安装于吸盘安装板两端；蒙皮内形定位柱通过自身螺纹安装于吸盘安装板中部；每个直线型电缸水平安装于一组导轨滑块上并且与一根丝杠上的丝母座相连，从而可以沿着导轨进行竖直方向的移动；直线型电缸可通过驱动活塞杆水平移动蒙皮内形定位柱用于对壁板的定位。
Claims (6)
1.一种立柱阵列式机身壁板装配定位方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)建立立柱阵列式工装及机身壁板的三维模型，在所建工装三维模型中设定装配基准坐标系；依据立柱阵列式工装及机身壁板三维模型的结构、形状、尺寸特点，在三维CAD装配环境中对机身壁板三维模型与立柱阵列式工装三维模型进行相对位置和姿态的调整，从而使机身壁板在立柱阵列式工装所有定位点的定位范围以内；
(2)采用N-2-1的定位方法，根据壁板在工装上定位的稳定性及工作时工装的开敞性，在三维模型中均匀划分壁板定位区域并在壁板范围内均匀布置壁板定位点，布置定位点过程中必须使其避开长桁以及蒙皮内表面存在台阶的区域；
(3)在三维CAD装配环境中，根据步骤(2)中所述壁板定位点的布局移动工装模型中各壁板定位点，从而对壁板模型进行精确定位，并读取各定位点在装配基准坐标系中的坐标；
(4)对上述获取的定位点坐标进行转换，生成工装数控系统可用的数控代码，利用数控系统集成控制工装各定位点移动到指定坐标；
(5)测量各定位点在实际工装坐标系中的坐标值，得到实际坐标与理论坐标的误差值，计算生成坐标补偿量，再利用数控系统对定位点进行控制移动，以保证定位点的位置偏差在允许公差范围以内；
(6)先把机身壁板落放在下侧水平边界定位点上以保证壁板竖直方向上的定位，水平移动壁板直至与竖直边界定位点接触以保证壁板水平方向的定位，把壁板内表面靠向内形定位点以保证壁板内形的定位，并对壁板进行夹持。
2.一种实现权利要求1所述方法的立柱阵列式机身壁板装配定位装置，包括工装基座、承载立柱、蒙皮边界定位单元、可移动蒙皮内形定位夹持单元以及集成控制系统，其特征在于：壁板各定位点坐标信息从各移动部件的位移传感器传输到集成控制系统，由集成控制系统进行数值计算并生成定位元件的移动方案输出给伺服马达，伺服马达驱动安装在工装基座上的承载立柱以及安装在承载立柱上的蒙皮边界定位单元、可移动蒙皮内形定位夹持单元移动，通过位移传感器将每个模块的各自由度行程反馈给集成控制系统。
3.根据权利要求2所述的立柱阵列式机身壁板装配定位装置，其特征在于：所述的工装基座包括长方体基座本体及导轨，两根导轨平行安装在基座本体上，导轨上安装有三组滑块，每组滑块由四个滑块构成且两两并排分别安装在两根导轨上。
4.根据权利要求2所述的立柱阵列式机身壁板装配定位装置，其特征在于：所述的承载立柱为长方体结构，承载立柱共四根，其中三根相邻立柱为可移动立柱，每根立柱安装于一组滑块上，可沿着导轨方向进行移动；另一根立柱为不可移动立柱，与可移动立柱并排安装，固定于工装基座本体上；每根立柱的同一侧面均设有两个平行导轨基座，用于安装可移动蒙皮内形定位夹持单元；每根可移动立柱均各由一根丝杠通过安装在立柱底部的丝母座进行移动，每根丝杠均由一个伺服马达进行驱动；四根承载立柱的顶端高度相同。
5.根据权利要求2所述的立柱阵列式机身壁板装配定位装置，其特征在于：所述的蒙皮边界定位单元包括蒙皮水平边界定位单元和蒙皮竖直边界定位块；蒙皮水平边界定位单元共有四组，每组两个，分别相对安装于每根承载立柱的两侧且不与平行导轨基座在同一侧面；每个蒙皮边界定位单元包括一个蒙皮夹紧器和一个丝杠导轨组合单元，蒙皮夹紧器安装于丝杠导轨组合单元的滑块上，丝杠导轨组合单元安装于承载立柱上，伺服马达通过丝杠导轨组合单元驱动蒙皮夹紧器进行竖直方向的移动；所述蒙皮夹紧器包括夹紧器外壳、蒙皮顶板、固定的圆柱形挡块以及铰接的气动移动夹头，蒙皮顶板、挡块、气动移动夹头安装在夹紧器外壳上，圆形挡块与气动移动夹头相对安装，通过气动移动夹头的移动可以用于对蒙皮边界的定位及夹紧；两个蒙皮竖直边界定位块均由三根方形型材焊接成三角形结构，三角形结构的长边用于蒙皮竖直边界定位，每个三角形结构均通过连接脚片平行安装于不可移动立柱与平行导轨基座相对的另一侧面。
6.根据权利要求2所述的立柱阵列式机身壁板装配定位装置，其特征在于：所述的可移动蒙皮内形定位夹持单元共有十六组，每四组安装于一根承载立柱上；两根长导轨平行安装于承载立柱的平行导轨基座上，导轨上配有四组滑块，每组滑块两个且并排安装于两根导轨上；在两根导轨的中间位置装有四根丝杠，分为长行程丝杠和短行程丝杠，长行程丝杠和短行程丝杠并排安装为一组，共两组，两组丝杠沿导轨方向相对安装；丝杠由伺服马达驱动；每组蒙皮内形定位夹持单元包括直线型电缸、吸盘安装板、真空吸盘和蒙皮内形定位柱，吸盘安装板安装于直线型电缸活塞杆端部，两个真空吸盘安装于吸盘安装板两端，蒙皮内形定位柱通过自身螺纹安装于吸盘安装板中部，每个直线型电缸水平安装于一组导轨滑块上并且与一根丝杠上的丝母座相连，从而可以沿着导轨进行竖直方向的移动，直线型电缸可通过驱动活塞杆水平移动蒙皮内形定位柱用于对壁板的定位。
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