CN107471171B - 大型飞机机翼壁板的调姿定位系统及其数控调姿定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型飞机机翼壁板的调姿定位系统及其数控调姿定位装置，属于飞机数字化装配技术领域。数控调姿定位装置包括底座，通过导轨滑块机构可滑动地安装在底座上的滑台支柱，输出端相平行布置地安装在滑台支柱上的一台以上的三坐标数控定位器；输出端上固设有用于与设于壁板上的支撑球头构成球头铰接机构的球头锁紧器。由若干台该数控调姿定位装置构建成的壁板调姿定位系统，能实现对壁板位姿进行六自由度调整，在提高壁板位姿调整精度的同时，提高壁板的安装质量，可广泛应用于飞机组装技术领域。

Description

大型飞机机翼壁板的调姿定位系统及其数控调姿定位装置

技术领域

本发明涉及大型飞机数字化装配技术领域，具体地说，涉及一种大型飞机机翼壁板的调姿定位系统及用于构建该调姿定位系统的数控调姿定位装置。

背景技术

飞机装配是飞机制造过程的重要环节，由于机翼各组件尺寸大、刚性弱、结构复杂，导致其装配难度相当大。对于机翼壁板，其装配过程主要包括预连接及复位两道工序，即机翼壁板在完成预连接与制孔后需要与翼盒骨架分离以进行清理及涂胶操作，然后再将机翼壁板复位。

当前，主要是采用行车对机翼壁板进行吊装复位，其难以将壁板的位姿调整至与翼盒骨架的位姿相匹配，导致机翼壁板的复位效率偏低，且装配质量不高。此外，壁板在复位过程中容易与周边工装产生干涉。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型飞机机翼壁板的数控调姿定位装置，以便于将壁板调整至目标位姿，而提高壁板的复位效率及安装质量；

本发明的另一目的是提供一种以上述数控调姿定位装置构建的壁板调姿定位系统。

为了实现上述目的，本发明提供大型飞机机翼壁板的数控调姿定位装置包括底座，通过导轨滑块机构可滑动地安装在底座上的滑台支柱，输出端相平行布置地安装在滑台支柱上的一台以上的三坐标数控定位器；输出端上固设有用于与设于壁板上的支撑球头构成球头铰接机构的球头锁紧器。

在使用过程中，通过在沿壁板展向上布置两台以上的数控调姿定位装置，且数控定位器上的三坐标数控定位器的输出端与壁板间通过球头铰接结构连接，从而可通过设置各个输出端在X-Y-Z三维空间中三维位移，从而可以实现对壁板的位姿进行六自由度的调整，从而提高对壁板位姿调整的精度；通过可通过滑台支柱相对底座的滑动而实现对壁板在滑台支柱滑动方向上的快速及大范围地位置调整，有效地提高壁板位置调整效率。

具体的方案为球头锁紧器包括球托座、锁紧环、卡压件及拨环，支撑球头穿过锁紧环后座托于球托座的球托面上；锁紧环上设有供卡压件沿锁紧环的径向往复移动的导孔；拨环可在锁紧位置与释放位置间转动地套设在锁紧环外，其内环面包括大径环面部与小径环面部；拨环转至释放位置时，卡压件的外端面对准大径环面部，支撑球头的半径与卡压件的长度之和小于等于大径环面部的半径；拨环转至锁紧位置时，小径环面部挤压卡压件至其内端面与球托面上下抱紧所述支撑球头。可通过拨动拨环而实现对支撑球头的锁紧及释放，从而便于对完成调姿之后的壁板进行定位。

更具体的方案为卡压件上设有沿锁紧环径向布置的限位滑槽，一限位销钉的一端穿过限位滑槽后固定在锁紧环上；卡压件与锁紧环间设有复位弹簧，复位弹簧的弹性恢复力迫使卡压件远离支撑球头。通过限位滑槽与所述限位销钉的配合，有效地防止卡压件在往复移动过程中出现转动，以确保其内端面的朝向与支撑球头相对准配合；通过设置复位弹簧，可有效地将卡压件复位至释放位置，便于调姿定位系统与壁板的分离。

另一个更具体的方案为大径环面部与小径环面部间由平滑过渡面部连接；卡压件的外端面为曲率半径小于小径环面部的半径的弧形面，内端面为与支撑球头的上表面相配合的球冠状挤压面。便于卡压件随拨环在锁定位置与释放位置间转动过程中，其外端面能很好地沿拨环的内环面平滑滑动；且便于卡压件在锁紧位置时与球托面配合而抱紧支撑球头。

再一个更具体的方案为球头锁紧器包括用于检测支撑球头受力的三维力传感器，三维力传感器向控制器输出检测信号。便于通过该三维力传感器检测壁板与翼盒骨架间的压紧力。

优选的方案为三坐标数控定位器包括安装座、X向滑座、Y向滑座、滑枕箱及Z向滑枕，安装座与滑台支柱固定连接；X向滑座受致动器驱动地可沿固设在安装座上的X向直线导轨滑动；Y向滑座受致动器驱动地可沿固设在X向滑座上的Y向直线导轨滑动；滑枕箱固设在Y向滑座上，Z向滑枕受致动器驱动地相对滑枕箱沿Z向滑动；球头锁紧器固设在Z向滑枕的端部上。

更有选的方案为X向滑座与安装座间设有向控制器输出检测信号的X向位移检测传感器；Y向滑座与X向座间设有向所述控制器输出检测信号的Y向位移检测传感器；Z向滑枕与滑枕箱间设有向控制器输出检测信号的Z向位移检测传感器。通过致动器、位移检测传感器及控制器构成闭环数控系统，能有效地提高壁板的调姿定位精度。

另一个优选的方案为壁板上安装有壁板保形架，支撑球头固设在壁板保形架上。通过保形架提高壁板的刚度，以避免由于壁板刚度偏低而在调姿定位过程中出现扭曲变形，产生变形应力而降低壁板的安装质量与效率。

为了实现上述另一目的，本发明提供的壁板调姿定位系统包括若干台沿壁板的展向间隔排列且受控制器控制而协同动作地对壁板进行复位的调姿定位装置；该调姿定位装置为上述任一技术方案所描述的数控调姿定位装置。

通过沿壁板展向布置两台以上的数控调姿定位装置，且数控定位器上的三坐标数控定位器的输出端与壁板间通过球头铰接结构连接，从而可通过设置各个输出端在X-Y-Z三维空间中三维位移，从而可以实现对壁板的位姿进行六自由度的调整，从而提高对壁板位姿调整的精度；通过可通过滑台支柱相对底座的滑动而实现对壁板在滑台支柱滑动方向上的快速及大范围地位置调整，有效地提高壁板位置调整效率。

具体的方案为位于壁板翼根部及主体部处的数控调姿定位装置上的三坐标数控定位器的数量为两个，位于壁板翼梢部处的数控调姿定位装置上三坐标数控定位器的数量为一个。以根据壁板整体尺寸分布而合理布置三坐标数控定位器的数量的同时，更好地对壁板位置进行调姿定位。

附图说明

图1是安装有壁板的本发明实施例中调姿定位系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中数控调姿定位装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中球头锁紧器的结构分解图；

图4是本发明实施例中数控调姿定位装置与壁板保形架的连接结构图。

具体实施方式

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，本发明壁板调姿定位系统1包括控制器及受该控制器控制而协同动作的5台数控调姿定位装置2，该5台数控调姿定位装置2沿壁板10的展向间隔排列布置。

参见图1及图2，数控调姿定位装置2包括底座3、滑台支柱4及安装在滑台支柱4上的一台或两台三坐标数控定位器5。

沿壁板10的的翼根部指向翼梢部的方向，前三台数控调姿定位装置2上均设置两台三坐标数控定位器5，后两台数控调姿定位装置2各设置一台三坐标数控定位器，即位于壁板10翼根部及主体部处的数控调姿定位装置2上的三坐标数控定位器5的数量为两个，位于壁板10的翼梢部处的数控调姿定位装置2上三坐标数控定位器5的数量为一个；从而，在本实施例中共用八台三坐标数控定位器5对壁板10进行支撑，即它们的八个输出端一起构成用于支撑壁板的支撑面，同时对壁板的位姿进行调整与定位。

底座3包括长度方向沿z轴方向布置的座体30及设在座体30下方用于固定在地基上的可调垫铁31，滑台支柱4为通过导轨滑块机构33可滑动地安装在座体30上的L型箱体结构，导轨滑块机构33包括长度沿z轴方向布置的直线导轨，滑台支柱4的滑台结构沿z轴方向布置，用于安装三坐标数控定位器5的支柱沿y轴方向布置，且在滑台与座体30间设于用于检测二者在z轴方向上相对位移的位移检测传感器，该位移检测传感器向控制器输出检测信号，从而构成单坐标闭环控制的数控系统。

三坐标数控定位器5包括安装座50、X向滑座51、Y向滑座52、滑枕箱及Z向，安装座50用于将整个三坐标数控定位器安装在滑台支柱4的支柱结构上。在本实施例中，安装座50构成滑台支柱4的支柱结构的组成部分。

X向滑座51通过其直线导轨沿X轴方向布置的导轨滑块机构与安装座50滑动连接，并通过致动器驱动器相对安装座50沿X向往复移动，且在二者间设有向控制器输出检测信号的X向位移检测传感器，从而构成闭环控制系统。

Y向滑座52通过其直线导轨沿Y轴方向布置的导轨滑块机构与横移座51滑动连接，并通过致动器驱动器相对X向滑座51沿X向往复移动，且在二者间设有向控制器输出检测信号的Y向位移检测传感器，从而构成闭环控制系统。

滑枕箱53固设在Y向滑座52上，Z向滑枕受致动器驱动地相对滑枕箱沿Z向滑动，球头锁紧器55固设在Z向滑枕的端部54上，用于与固设在壁板上的支撑球头56一起构成球头铰接机构。

在本实施例中，致动器均由伺服电机及丝杆螺母机构构成；位移检测传感器为光栅尺，光栅尺将检测到位移信号输出给控制器，控制器向伺服电机输出控制信号，从而构成一三坐标闭环控制地数控系统。

参见图3，球头锁紧器55包括安装座78，安装在安装座78上的三维力传感器780，通过三维力传感器780安装在安装座78上的支撑座77，安装在支撑座77上的球托座76，安装在球托座76上的锁紧环72，可在锁紧位置与释放位置间转动地套设在锁紧环72外的拨环74，固设在拨环74外用于拨动拨环74在锁紧位置与释放位置间转动地拨动手柄75、压盖在锁紧环72上的盖板71及卡压件73。盖板71通过固定螺栓与支撑座76固定连接。

锁紧环72设有三个沿其径向布置的通孔720，该通孔720构成卡压件73沿锁紧环72径向往复移动的导孔，在卡压件73上设有沿其长度方向布置的限位滑槽，即该限位滑槽沿锁紧环72的径向布置；在卡压件73外套设有一压簧，该压簧的一端抵靠在锁紧环上，另一端抵靠在卡压件73的轴肩上，其弹性恢复力迫使卡压件73朝远离支撑球头56的方向移动。

拨环74的内环面包括大径环面部741及小径环面部742及连接二者平滑过渡面743，且卡压件73的外端面为曲率半径小于小径环面部742的半径，以便于其在压缩弹簧的弹性恢复力作用下而抵靠锁紧环74的内环面并沿该内环面滑动。

在安装过程中，支撑球头56的球头端穿过锁紧环72内环圈后，其下端面座托在球托座76的内环圈端面上，该内环圈端面构成本实施例中的球头面。

在使用过程中，通过拨动手轮75将锁紧环74拨动至锁紧位置，此时，其三个小径环面部742分别对准三个卡压件73的外端面并对卡压件73形成挤压至其内端面730挤压支撑球头56的上表面560，从而与球头面一起形成上下抱紧支撑球头，从而对支撑球头56进行锁紧；内端面730为与支撑球头的上表面560相配合的球冠状挤压面。在本实施例中，支撑球头56的半径与卡压件的长度之和小于等于大径环面部74的半径，即通过拨动手轮75将锁紧环74拨动至释放位置，此时，其三个大径环面部741分别对准三个卡压件73的外端面，由于卡压件73的外端面失去挤压约束而在压簧的弹性恢复力作用下而向外移动至对支撑球头56的抱紧直至支撑球头56可从锁紧环72的内环中拔出。

参见图4，在使用过程中，通过在壁板上对应位置安装沿其航向布置的壁板保形架6，壁板保形架6包括架本体60及固设在架本体60上的壁板连接件61，架本体60邻近壁板连接件61的侧面为与壁板表面相适配的流线型面，从而在加强壁板的刚度的同时，不会对壁板的形状造成变形而产生装配应力。

架本体60背离壁板10的侧旁焊接有安装支座62，支撑球头56的上端固定在该安装支座62上，在使用过程中，可通过三维力传感器780检测出壁板与翼盒骨架间的压紧力。

使用上述调姿定位系统对机翼壁板进行调姿定位，与采用行车进行吊装的现有技术相比，其具有下述优点：

1)数字化调姿定位装置采用立式布局，壁板通过保形架上的支撑球头与数控定位器之间构成球铰连接，通过8个三坐标数控定位器输出端位置三维位移，能够实对现壁板六自由度的调姿和定位；

2)壁板处在调姿定位设备和翼盒骨架之间，能够根据壁板拼接站位所测得的支撑球头位置配置各数控定位器和滑台支柱的位置，并通过壁板吊具将壁板吊装入位；

3)能够实现壁板的自动调姿，根据壁板拼接站位所测得的壁板各测量点的测量数据和壁板的当前位姿，以翼盒骨架为基准进行自动化壁板位姿调整，或根据用户指定位置和姿态进行自动化壁板位姿调整；

4)能够实现人工调整壁板位姿，根据用户输入的操作指令和数据，通过各数控定位器和移动平台的协同运动，实现壁板位姿调整；

5)能够通过数控定位器、支撑球头和保形架将壁板压向翼盒骨架，能够实现壁板姿态的保持，并利用数控定位器内设置的三维力传感器实时检测压紧力；

6)综合数控定位器的协同运动和滑台支柱的前后运动，能够实现壁板与翼盒骨架的分离、避让机床制孔加工空间。

本发明能够实现飞机机翼壁板的数字化调姿定位，有效地提高壁板调姿定位的精度和效率，能够满足设计对壁板调姿定位和重复定位的要求。

Claims (9)

1.一种大型飞机机翼壁板的数控调姿定位装置，其特征在于：

所述数控调姿定位装置包括底座，通过导轨滑块机构可滑动地安装在所述底座上的滑台支柱，输出端相平行布置地安装在所述滑台支柱上的一台以上的三坐标数控定位器；

所述输出端上固设有用于与设于所述壁板上的支撑球头构成球头铰接机构的球头锁紧器；

所述球头锁紧器包括球托座、锁紧环、卡压件及拨环，所述支撑球头穿过所述锁紧环后座托于所述球托座的球托面上；所述锁紧环上设有供所述卡压件沿所述锁紧环的径向往复移动的导孔；所述拨环可在锁紧位置与释放位置间转动地套设在所述锁紧环外，其内环面包括大径环面部与小径环面部；

所述拨环转至所述释放位置时，所述卡压件的外端面对准所述大径环面部，所述支撑球头的半径与所述卡压件的长度之和小于等于所述大径环面部的半径；所述拨环转至所述锁紧位置时，所述小径环面部挤压所述卡压件至其内端面与所述球托面上下抱紧所述支撑球头。

2.根据权利要求1所述的数控调姿定位装置，其特征在于：

所述卡压件上设有沿所述锁紧环的径向布置的限位滑槽，一限位销钉的一端穿过所述限位滑槽后固定在所述锁紧环上；

所述卡压件与所述锁紧环间设有复位弹簧，所述复位弹簧的弹性恢复力迫使所述卡压件远离所述支撑球头。

3.根据权利要求1所述的数控调姿定位装置，其特征在于：

所述大径环面部与所述小径环面部间由平滑过渡面部连接；

所述卡压件的外端面为曲率半径小于所述小径环面部的半径的弧形面，内端面为与所述支撑球头的上表面相配合的球冠状挤压面。

4.根据权利要求1所述的数控调姿定位装置，其特征在于：

所述球头锁紧器包括用于检测所述支撑球头受力的三维力传感器，所述三维力传感器向控制器输出检测信号。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的数控调姿定位装置，其特征在于：

所述三坐标数控定位器包括安装座、X向滑座、Y向滑座、滑枕箱及Z向滑枕，所述安装座与所述滑台支柱固定连接；

所述X向滑座受致动器驱动地可沿固设在所述安装座上的X向直线导轨滑动；所述Y向滑座受致动器驱动地可沿固设在所述X向滑座上的Y向直线导轨滑动；所述滑枕箱固设在所述Y向滑座上，所述Z向滑枕受致动器驱动地相对所述滑枕箱沿Z向滑动；

所述球头锁紧器固设在所述Z向滑枕的端部上。

6.根据权利要求5所述的数控调姿定位装置，其特征在于：

所述X向滑座与所述安装座间设有向控制器输出检测信号的X向位移检测传感器；所述Y向滑座与所述X向滑座间设有向控制器输出检测信号的Y向位移检测传感器；所述Z向滑枕与所述滑枕箱间设有向所述控制器输出检测信号的Z向位移检测传感器。

7.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的数控调姿定位装置，其特征在于：

所述壁板上安装有壁板保形架，所述支撑球头固设在所述壁板保形架上。

8.一种大型飞机机翼壁板的调姿定位系统，包括若干台沿所述壁板的展向间隔排列且受控制器控制而协同动作地对壁板进行复位的调姿定位装置，其特征在于：

所述调姿定位装置为权利要求1至7任一项权利要求所述的数控调姿定位装置。

9.根据权利要求8所述的调姿定位系统，其特征在于：

位于所述壁板的翼根部及主体部处的数控调姿定位装置上的三坐标数控定位器的数量为两个，位于所述壁板的翼梢部处的数控调姿定位装置上三坐标数控定位器的数量为一个。