CN114104323B - 一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置及调姿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置及调姿方法。该装置包含一组相互对称的多轴调姿单元、水平轴机构、控制系统。该方法通过飞机壁板工装对飞机壁板进行定位及夹紧，协同控制一组相互对称的多轴调姿单元的各部件运动，对飞机壁板工装进行大角度旋转及快速精确调姿、定位，控制一组相互对称的多轴调姿单元在水平轴机构上的距离，以便适应不同尺寸的飞机壁板工装，最终实现适用于多种不同尺寸飞机壁板的大角度旋转及快速调姿定位。

Description

一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置及调姿方法

技术领域

本申请涉及飞机壁板装配技术领域，具体是一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置及使用方法。

背景技术

飞机在制造的过程中存在很多由蒙皮、长桁、肋、框等零件组成的飞机壁板部件需要装配，该飞机壁板装配的过程中常常先制孔、再通过铆钉铆接将各个零件精确有序的连接成一个质量合格的部件。目前国内，在飞机壁板装配制造时，先对每一个飞机壁板制造一个对应的装配工装，装配工装对各个零件进行定位、固定、夹紧，再通过人工或机器设备对飞机壁板进行制孔、铆接。但由于飞机壁板尺寸大、具有一定的曲率，导致人工或机器设备制孔、铆接时仅可高效的完成壁板中部区域的制孔、铆接工作，对于其边沿区域、曲率半径小的区域存在人工或机器设备无法到达或工作效率低的问题，在实际工作过程中，常常需要对飞机壁板更换装配工装进行二次装夹定位后由机器设备制孔、铆接，或设置架外站位，完全由人工进行剩余区域的制孔、铆接工作，严重影响了飞机壁板装配制造的工作效率。为了提高飞机壁板装配制造的工作效率，需对飞机壁板进行大角度的旋转及精确位姿调整，使飞机壁板的边沿区域、曲率半径小的区域变换至机器设备的工作可达区域范围内，通过机器设备高效、高质量的完成飞机壁板装配制造工作。针对飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置及使用方法研究较少，层次较低，更不存在应用实例，严重迟滞了飞机壁板柔性、高效、高质量装配制造的进程。因此，为了满足生产需要，亟待研究一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置及使用方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置及调姿方法。

一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置，包括一组相互对称的多轴调姿单元、水平轴机构、控制系统，水平轴机构沿X方向固定于地面上，一组相互对称的多轴调姿单元分别相对安装于水平轴机构的上表面，其均可分别在水平轴机构上沿X向移动，以适应不同尺寸的飞机壁板工装,飞机壁板工装安装于一组相互对称的多轴调姿单元之间，通过控制系统控制一组相互对称的多轴调姿单元协同运动，带动飞机壁板工装及其上飞机壁板大角度旋转并可沿空间六自由度姿态调整，实现飞机壁板的大角度旋转及快速调姿、定位。

水平轴机构包括垫板、水平导轨、齿条，垫板固定于地面上，两组水平导轨分别沿X方向相互平行的安装于垫板上表面，两组齿条平行于导轨，分别齿面向外的安装于两导轨外侧的垫板上。

多轴调姿单元包括气动导轨锁、水平驱动装置、基座、上部Z向运动组件、上部Y向运动组件、上部X向运动组件、下部Z向运动组件、下部Y向运动组件、下部X向运动组件、两组相同的球窝组件、驱动装置，基座为方形框架结构，其固定于水平轴机构的水平导轨滑块的上表面，水平驱动装置安装在基座的侧面，且与水平轴机构的齿条啮合，在水平驱动装置的带动下，基座可沿水平导轨移动，气动导轨锁固定于基座底部下表面，且与水平轴机构的水平导轨配合，其可与导轨锁紧实现基座的固定；上部Z向运动组件安装于基座内部，其运动方向为竖直方向，上部Y向运动组件固定于上部Z向运动组件上表面，其运动方向为水平方向，上部X向运动组件固定于上部Y向运动组件上表面，其运动方向分别垂直于上部Z向运动组件、上部Y向运动组件的运动方向，一组球窝组件安装于上部X向运动组件的上表面，在驱动装置的带动下，该球窝组件可沿X、Y、Z三个方向进行精确移动；下部Z向运动组件安装于基座外侧面，其运动方向为竖直方向，下部Y向运动组件固定于下部Z向运动组件侧面，其运动方向与上部Y向运动组件运动方向一致，下部X向运动组件固定于下部Y向运动组件上表面，其运动方向与上部X向运动组件运动方向一致，一组球窝组件安装于下部X向运动组件的上表面，在驱动装置的带动下，该球窝组件可沿X、Y、Z三个方向进行精确移动。

球窝组件包括底部固定板、力传感器、转接板、球窝块、导向块、锁紧气缸、楔形块、滑槽块、锁紧块、弹簧，底部固定板安装于上部X向运动组件或下部X向运动组件上表面，力传感器固定于底部固定板上表面中部，球窝块通过转接板与力传感器上表面连接，球窝块为一侧面中心设有带圆孔面球窝的方形块，导向块固定于球窝块带球窝的侧面，其外侧面中部开有半径与球窝一致的圆孔，圆孔端部设有锥形导向斜面，内侧面开有贯穿的矩形滑槽，两组锁紧气缸分别安装于球窝块前后两侧面，两个楔形块安装于两气缸推杆上，两个滑槽块安装于球窝块和导向块的前后两侧面，滑槽块为矩形块，中部设有与楔形块相匹配的滑槽，在锁紧气缸的带动下，楔形块可沿滑槽块上的滑槽移动，两个锁紧块分别安装于导向块内侧面的矩形滑槽中，锁紧块为矩形块，一端设有与楔形块上楔形面相配合的斜面，另一端设有与球窝块上球窝半径一致的球面，两侧面设有凸台，四组弹簧分别安装于两个锁紧块的两侧，并与导向块连接。

使用该调姿装置进行调姿的方法，包括以下步骤：

1包括一个飞机壁板工装，该工装包括球头、框架、定位夹紧组件，框架为矩形桁架结构，其两端分别沿水平方向设有两组支臂，每组支臂的端面分别沿水平方向安装有一处球头，该球头可与球窝组件中球窝块上的球窝精密配合，定位夹紧组件安装于框架表面，用于定位、固定飞机壁板。

2将一组相互对称的多轴调姿单元在水平轴机构上分别移动至合适位置，锁紧多轴调姿单元上的气动导轨锁，使一组相互对称的多轴调姿单元与水平轴机构相互固定；

3将多轴调姿单元上的上部Z向运动组件、上部Y向运动组件、上部X向运动组件、下部Z向运动组件、下部Y向运动组件、下部X向运动组件移动至零位，通过激光跟踪仪测量标定各运动组件与球窝组件的相对位姿关系；

4将安装有壁板的飞机壁板工装吊至两个多轴调姿单元中间附近位置，并使飞机壁板工装两端的球头大致处于水平状态；

5通过控制系统控制驱动装置运动，带动两个多轴调姿单元上的上部Z向运动组件、上部Y向运动组件、上部X向运动组件、下部Z向运动组件、下部Y向运动组件、下部X向运动组件移动，将各多轴调姿单元上的球窝组件与飞机壁板工装两端的球头相配合，即球头导向进入球窝组件中球窝块的球窝中，驱动球窝组件中的锁紧气缸运动，带动锁紧块移动对球头进行锁紧，使球头处于防逃逸状态；

6通过激光跟踪仪测量飞机壁板工装上飞机壁板的当前空间位置、姿态；

7在控制系统中输入该飞机壁板的理论位置、姿态数据，由控制系统控制两个多轴调姿单元上的上部Z向运动组件、上部Y向运动组件、上部X向运动组件、下部Z向运动组件、下部Y向运动组件、下部X向运动组件协同运动，带动飞机壁板工装上飞机壁板进行大角度旋转及精确调姿定位至理论位姿；

8装配、加工工作全部完成后，将飞机壁板工装及飞机壁板恢复至初始上架的位置及姿态，厂房吊车吊住飞机壁板工装及飞机壁板后，控制系统控制球窝组件中的锁紧气缸运动，带动锁紧块移动解除对球头的锁紧，驱动两个多轴调姿单元上的上部X向运动组件、下部X向运动组件分别向球窝远离球头的方向运动，使球窝组件与飞机壁板工装上的球头快速安全脱离。

9根据飞机壁板具体尺寸，更换合适的飞机壁板工装，重复1-7步，实现飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置可适用于不同的飞机壁板。

有益效果：本发明提供一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置及使用方法。该方法通过飞机壁板工装对飞机壁板进行定位及夹紧，协同控制一组相互对称的多轴调姿单元的各部件运动，对飞机壁板工装进行大角度旋转及快速精确调姿、定位，控制一组相互对称的多轴调姿单元在水平轴机构上的距离，以便适应不同尺寸的飞机壁板工装，最终实现适用于多种不同尺寸飞机壁板的大角度旋转及快速调姿定位。该装置形式简单，操作安全可靠，具有较高的柔性，可增加飞机壁板装配加工的可达区域，减少飞机壁板装配加工的站位变换，大幅度提高飞机壁板装配制造的工作效率及工作质量，降低生产制造成本，对飞机壁板装配制造具有积极意义。可直接推广到其它行业相似零件装配制造领域应用。

以下结合实施例附图对本申请做进一步详细描述：

附图说明

图1一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置结构示意图

图2水平轴机构结构示意图

图3多轴调姿单元结构示意图

图4球窝组件结构示意图

图5无导向块的球窝组件结构示意图

图6飞机壁板工装结构示意图

图7球窝块结构示意图

图中编号说明：1水平轴机构、2多轴调姿单元、3飞机壁板工装、4飞机壁板、5垫板、6水平导轨、7齿条、8气动导轨锁、9水平驱动装置、10基座、11上部Z向运动组件、12上部Y向运动组件、13上部X向运动组件、14下部Z向运动组件、15下部Y向运动组件、16下部X向运动组件、17球窝组件、18驱动装置、19底部固定板、20力传感器、21转接板、22球窝块、23导向块、24锁紧气缸、25滑槽块、26楔形块、27锁紧块、28弹簧、29球头、30框架、31定位夹紧组件。

具体实施方式

参见图1-7所示,一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置，其结构包含一组相互对称的多轴调姿单元2、水平轴机构1、控制系统，水平轴机构1沿X方向固定于地面上，一组相互对称的多轴调姿单元2分别相对安装于水平轴机构1的上表面，其均可分别在水平轴机构1上沿X向移动，以适应不同尺寸的飞机壁板工装3，飞机壁板工装3安装于一组相互对称的多轴调姿单元2之间，通过控制系统控制一组相互对称的多轴调姿单元2协同运动，带动飞机壁板工装3及飞机壁板4大角度旋转及沿空间六自由度姿态调整，实现飞机壁板4的大角度旋转及快速调姿、定位。

水平轴机构1包括垫板5、水平导轨6、齿条7，垫板5固定于地面上，两组水平导轨6分别沿X方向相互平行的安装于垫板5上表面，两组齿条7平行于导轨，分别齿面向外的安装于两导轨外侧的垫板5上。

多轴调姿单元2包括气动导轨锁8、水平驱动装置189、基座10、上部Z向运动组件11、上部Y向运动组件12、上部X向运动组件13、下部Z向运动组件14、下部Y向运动组件15、下部X向运动组件16、两组相同的球窝组件17、驱动装置18，基座10为方形框架30结构，其固定于水平轴机构1的水平导轨6滑块的上表面，水平驱动装置189安装在基座10的侧面，且与水平轴机构1的齿条7啮合，在水平驱动装置189的带动下，基座10可沿水平导轨6移动，气动导轨锁8固定于基座10底部下表面，且与水平轴机构1的水平导轨6配合，其可与导轨锁紧实现基座10的固定；上部Z向运动组件11安装于基座10内部，其运动方向为竖直方向，上部Y向运动组件12固定于上部Z向运动组件11上表面，其运动方向为水平方向，上部X向运动组件13固定于上部Y向运动组件12上表面，其运动方向分别垂直于上部Z向运动组件11、上部Y向运动组件12的运动方向，一组球窝组件17安装于上部X向运动组件13的上表面，在驱动装置18的带动下，该球窝组件17可沿X、Y、Z三个方向进行精确移动；下部Z向运动组件14安装于基座10外侧面，其运动方向为竖直方向，下部Y向运动组件15固定于下部Z向运动组件14侧面，其运动方向与上部Y向运动组件12运动方向一致，下部X向运动组件16固定于下部Y向运动组件15上表面，其运动方向与上部X向运动组件13运动方向一致，一组球窝组件17安装于下部X向运动组件16的上表面，在驱动装置18的带动下，该球窝组件17可沿X、Y、Z三个方向进行精确移动。

球窝组件17包括底部固定板19、力传感器20、转接板21、球窝块22、导向块23、锁紧气缸24、楔形块26、滑槽块25、锁紧块27、弹簧28，底部固定板19安装于上部X向运动组件13或下部X向运动组件16上表面，力传感器20固定于底部固定板19上表面中部，球窝块22通过转接板21与力传感器20上表面连接，球窝块22为一侧面中心设有带圆孔面球窝的方形块，导向块23固定于球窝块22带球窝的侧面，其外侧面中部开有半径与球窝一致的圆孔，圆孔端部设有锥形导向斜面，内侧面开有贯穿的矩形滑槽，两组锁紧气缸24分别安装于球窝块22前后两侧面，两个楔形块26安装于两气缸推杆上，两个滑槽块25安装于球窝块22和导向块23的前后两侧面，滑槽块25为矩形块，中部设有与楔形块26相匹配的滑槽，在锁紧气缸24的带动下，楔形块26可沿滑槽块25上的滑槽移动，两个锁紧块27分别安装于导向块23内侧面的矩形滑槽中，锁紧块27为矩形块，一端设有与楔形块26上楔形面相配合的斜面，另一端设有与球窝块22上球窝半径一致的球面，两侧面设有凸台，四组弹簧28分别安装于两个锁紧块27的两侧，并与导向块23连接。

使用调姿装置进行调姿，包括以下步骤：

1使用一个飞机壁板工装，该飞机壁板工装3包括球头29、框架30、定位夹紧组件31，框架30为矩形桁架结构，其两端分别沿水平方向设有两组支臂，每组支臂的端面分别沿水平方向安装有一处球头29，该球头29可与球窝组件17中球窝块22上的球窝精密配合，定位夹紧组件31安装于框架30表面，用于定位、固定飞机壁板4。

2将一组相互对称的多轴调姿单元2在水平轴机构1上分别移动至合适位置，锁紧多轴调姿单元2上的气动导轨锁8，使一组相互对称的多轴调姿单元2与水平轴机构1相互固定；

3将多轴调姿单元2上的上部Z向运动组件11、上部Y向运动组件12、上部X向运动组件13、下部Z向运动组件14、下部Y向运动组件15、下部X向运动组件16移动至零位，通过激光跟踪仪测量标定各运动组件与球窝组件17的相对位姿关系；

4将安装有飞机壁板4的飞机壁板工装3吊至两个多轴调姿单元2中间附近位置，并使飞机壁板工装3两端的球头29大致处于水平状态；

5通过控制系统控制驱动装置18运动，带动两个多轴调姿单元2上的上部Z向运动组件11、上部Y向运动组件12、上部X向运动组件13、下部Z向运动组件14、下部Y向运动组件15、下部X向运动组件16移动，将各多轴调姿单元2上的球窝组件17与飞机壁板工装3两端的球头29相配合，即球头29导向进入球窝组件17中球窝块22的球窝中，驱动球窝组件17中的锁紧气缸24运动，带动锁紧块27移动对球头29进行锁紧，使球头29处于防逃逸状态；

6通过激光跟踪仪测量飞机壁板工装3上飞机壁板4的当前空间位置、姿态；

7在控制系统中输入该飞机壁板的理论位置、姿态数据，由控制系统控制两个多轴调姿单元2上的上部Z向运动组件11、上部Y向运动组件12、上部X向运动组件13、下部Z向运动组件14、下部Y向运动组件15、下部X向运动组件16协同运动，带动飞机壁板工装3上飞机壁板4进行大角度旋转及精确调姿定位至理论位姿；

8装配、加工工作全部完成后，将飞机壁板工装3及飞机壁板4恢复至初始上架的位置及姿态，厂房吊车吊住飞机壁板工装3及飞机壁板4后，控制系统控制球窝组件17中的锁紧气缸24运动，带动锁紧块27移动解除对球头29的锁紧，驱动两个多轴调姿单元2上的上部X向运动组件13、下部X向运动组件16分别向球窝远离球头29的方向运动，使球窝组件17与飞机壁板工装3上的球头29快速安全脱离。

9根据飞机壁板4具体尺寸，更换合适的飞机壁板工装3，重复2-8步，实现飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置可适用于不同的飞机壁板4。

Claims (3)

1.一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置，其特征在于包含一组相互对称的多轴调姿单元、水平轴机构、控制系统，水平轴机构沿X方向固定于地面上，一组相互对称的多轴调姿单元分别相对安装于水平轴机构的上表面，其均可分别在水平轴机构上沿X向移动，以适应不同尺寸的飞机壁板工装,飞机壁板工装安装于一组相互对称的多轴调姿单元之间，通过控制系统控制一组相互对称的多轴调姿单元协同运动，带动飞机壁板工装及其上飞机壁板大角度旋转并可沿空间六自由度姿态调整，实现飞机壁板的大角度旋转及快速调姿、定位，所述的水平轴机构包括垫板、水平导轨、齿条，垫板固定于地面上，两组水平导轨分别沿X方向相互平行的安装于垫板上表面，两组齿条平行于导轨，分别齿面向外的安装于两导轨外侧的垫板上，所述的多轴调姿单元包括气动导轨锁、水平驱动装置、基座、上部Z向运动组件、上部Y向运动组件、上部X向运动组件、下部Z向运动组件、下部Y向运动组件、下部X向运动组件、两组相同的球窝组件、驱动装置，基座为方形框架结构，其固定于水平轴机构的水平导轨滑块的上表面，水平驱动装置安装在基座的侧面，且与水平轴机构的齿条啮合，在水平驱动装置的带动下，基座可沿水平导轨移动，气动导轨锁固定于基座底部下表面，且与水平轴机构的水平导轨配合，其可与导轨锁紧实现基座的固定；上部Z向运动组件安装于基座内部，其运动方向为竖直方向，上部Y向运动组件固定于上部Z向运动组件上表面，其运动方向为水平方向，上部X向运动组件固定于上部Y向运动组件上表面，其运动方向分别垂直于上部Z向运动组件、上部Y向运动组件的运动方向，一组球窝组件安装于上部X向运动组件的上表面，在驱动装置的带动下，该球窝组件可沿X、Y、Z三个方向进行精确移动；下部Z向运动组件安装于基座外侧面，其运动方向为竖直方向，下部Y向运动组件固定于下部Z向运动组件侧面，其运动方向与上部Y向运动组件运动方向一致，下部X向运动组件固定于下部Y向运动组件上表面，其运动方向与上部X向运动组件运动方向一致，一组球窝组件安装于下部X向运动组件的上表面，在驱动装置的带动下，该球窝组件可沿X、Y、Z三个方向进行精确移动。

2.根据权利要求1所述的一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置，其特征在于所述的球窝组件包括底部固定板、力传感器、转接板、球窝块、导向块、锁紧气缸、楔形块、滑槽块、锁紧块、弹簧，底部固定板安装于上部X向运动组件或下部X向运动组件上表面，力传感器固定于底部固定板上表面中部，球窝块通过转接板与力传感器上表面连接，球窝块为一侧面中心设有带圆孔面球窝的方形块，导向块固定于球窝块带球窝的侧面，其外侧面中部开有半径与球窝一致的圆孔，圆孔端部设有锥形导向斜面，内侧面开有贯穿的矩形滑槽，两组锁紧气缸分别安装于球窝块前后两侧面，两个楔形块安装于两气缸推杆上，两个滑槽块安装于球窝块和导向块的前后两侧面，滑槽块为矩形块，中部设有与楔形块相匹配的滑槽，在锁紧气缸的带动下，楔形块可沿滑槽块上的滑槽移动，两个锁紧块分别安装于导向块内侧面的矩形滑槽中，锁紧块为矩形块，一端设有与楔形块上楔形面相配合的斜面，另一端设有与球窝块上球窝半径一致的球面，两侧面设有凸台，四组弹簧分别安装于两个锁紧块的两侧，并与导向块连接。

3.使用权利要求1所述的一种飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置进行调姿的方法，包括以下步骤：

3-1包括一个飞机壁板工装，飞机壁板工装包括球头、框架、定位夹紧组件，框架为矩形桁架结构，其两端分别沿水平方向设有两组支臂，每组支臂的端面分别沿水平方向安装有一处球头，该球头可与球窝组件中球窝块上的球窝精密配合，定位夹紧组件安装于框架表面，用于定位、固定飞机壁板；

3-2将一组相互对称的多轴调姿单元在水平轴机构上分别移动至合适位置，锁紧多轴调姿单元上的气动导轨锁，使一组相互对称的多轴调姿单元与水平轴机构相互固定；

3-3将多轴调姿单元上的上部Z向运动组件、上部Y向运动组件、上部X向运动组件、下部Z向运动组件、下部Y向运动组件、下部X向运动组件移动至零位，通过激光跟踪仪测量标定各运动组件与球窝组件的相对位姿关系；

3-4将安装有壁板的飞机壁板工装吊至两个多轴调姿单元中间附近位置，并使飞机壁板工装两端的球头大致处于水平状态；

3-5通过控制系统控制驱动装置运动，带动两个多轴调姿单元上的上部Z向运动组件、上部Y向运动组件、上部X向运动组件、下部Z向运动组件、下部Y向运动组件、下部X向运动组件移动，将各多轴调姿单元上的球窝组件与飞机壁板工装两端的球头相配合，即球头导向进入球窝组件中球窝块的球窝中，驱动球窝组件中的锁紧气缸运动，带动锁紧块移动对球头进行锁紧，使球头处于防逃逸状态；

3-6通过激光跟踪仪测量飞机壁板工装上飞机壁板的当前空间位置、姿态；

3-7在控制系统中输入该飞机壁板的理论位置、姿态数据，由控制系统控制两个多轴调姿单元上的上部Z向运动组件、上部Y向运动组件、上部X向运动组件、下部Z向运动组件、下部Y向运动组件、下部X向运动组件协同运动，带动飞机壁板工装上飞机壁板进行大角度旋转及精确调姿定位至理论位姿；

3-8装配、加工工作全部完成后，将飞机壁板工装及飞机壁板恢复至初始上架的位置及姿态，厂房吊车吊住飞机壁板工装及飞机壁板后，控制系统控制球窝组件中的锁紧气缸运动，带动锁紧块移动解除对球头的锁紧，驱动两个多轴调姿单元上的上部X向运动组件、下部X向运动组件分别向球窝远离球头的方向运动，使球窝组件与飞机壁板工装上的球头快速安全脱离；

3-9根据飞机壁板具体尺寸，更换合适的飞机壁板工装，重复2-8步，实现飞机壁板大角度旋转柔性调姿装置可适用于不同的飞机壁板。

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