摘要：在航空工業中柔性夾具是飛機裝配技術的一個重要研究方向。基于盒式連接和六足定位技術，本文提出并設計了一種在翼盒裝配中應用的柔性水平式裝配單元的實現方法，采用CATIA 軟件建立了縮微型柔裝配夾具（工裝）的三維模型，對主要部件進行了強度分析，采用ADAMS 進行了夾具工作過程仿真，分析了其在安裝和使用過程中需要做的測量驗證工作，初步驗證了翼盒水平裝配柔性夾具設計方案的可行性，為真實尺寸的夾具設計和驗證提供了參考。
關 鍵 詞：翼盒；柔性夾具；水平裝配；盒式連接
引言
在航空產品的制造中，飛機裝配是將零件（組件、部件）按照設計和技術要求進行組合、連接，形成高一級的裝配件或整機的過程。飛機裝配由于產品尺寸大、形狀復雜、零件以及連接件數量多，其勞動量占飛機制造總勞動量的一半左右甚至更多，因此歐美發達國家對飛機裝配技術十分關注，并投入巨資進行研發。
目前，國內外蓬勃發展的柔性裝配技術是一種能適應快速研制和生產及低成本制造要求、設備和工裝模塊化可重組的先進裝配技術。它與數字化技術、信息技術相結合，形成了自動化裝配技術的一個新領域。
1 翼盒裝配工藝
1.1 飛機翼盒裝配簡介
在機翼結構中，翼肋中段與翼梁、蒙皮構成的部分稱作翼盒。翼盒是機翼的主要承重結構。翼盒不僅是保持飛機飛行的主要機翼結構，也承擔著飛機油箱的工作。每架飛機擁有兩個機翼翼盒，分別裝配在左翼和右翼。翼盒承擔著飛機起飛、巡航和著陸過程中大部分的重量和壓力。飛機機翼還支撐著飛機的動力裝置和主起落裝置。
傳統的飛機翼盒裝配采用垂直裝配，即用型架將飛機的前梁固定地吊在鉛垂平面內，將翼肋垂直于前梁安裝好，再安裝翼盒的后梁，最后安裝蒙皮，如圖1 所示。
傳統的垂直裝配需要將翼梁吊在空中，需要的空間高度很大。對于大型飛機，例如空客A380，裝配型架要高達數十，占用空間太大。
垂直的機翼沒有處于工作狀態，對它的各項參數不好測量和評價。例如，垂直裝配時，前翼梁和后翼梁空間高度相差達十幾米甚至幾十米，會有一定的溫差，而溫度的差異會使零件產生不同的變形，給裝配帶來精度誤差。
采用水平裝配方法，就是將翼盒以水平方式放置于夾具之上進行裝配操作，這樣可以解決上述問題。而水平裝配技術要解決的是柔性設計以及如何進行裝配操作的問題。
2 翼盒水平裝配柔性夾具設計
2.1 基于盒式連接技術的柔性型架
盒式連接，如圖2所示，是一系列的標準梁和連接件組合成的聯合裝置和框架。裝置中的連接部分，沒有焊接或其他永久性連接，而是采用了螺栓連接的摩擦接合。盒式連接概念的好處在于，它是由鋼或碳纖維制成的標準模塊化組件構成。系統的模塊化能夠適合不同尺寸的裝配。另一個優點是，它不需要像傳統裝置一樣精確配置，因為整個裝置可以隨時進行調整。基于盒式連接技術建立的主型架如圖3所示。
槽的深度設計為10mm。兩邊板的受力分析與中間板類似，尺寸同中間板一致，只有一面開槽，槽的深度為10mm。
2.2 基于六足定位的柔性固持裝置
在型架與飛機翼盒之前的柔性固持部分，采用六足定位裝置滿足其柔性需求。六足定位裝置如圖4所示。
2.3 水平柔性裝配的輔助設施
在豎直裝配過程中，裝配的操作主要是在側面進行。而對與水平裝配，由于翼盒的水平放置，裝配的操作需要在翼盒的上方進行。這樣就需要另外建立一個帶有升降平臺的型架，將機器人至于待裝配的翼盒上方，對翼盒進行裝配過程中的各種操作。此外，還要有一個型架用于固定工業相機等測量裝置，在型架組裝及翼盒裝配過程中進行必要的測量工作.
由主型架、六足定位裝置以及機器人定位機構和測量裝置形成的完整柔性夾具如圖5所示。
3.1 部件應力分析
主型架需要承擔500Kg的重量，材料為牌號Q255的碳素結構鋼。由于在裝配過程中，各個梁承重并不平均，而且裝配操作可能有輕微的沖擊，故假設橫梁承受600kg的重量。橫梁模型兩端固定，在形心位置施加向下的集中載荷5886N，利用CATIA有限元分析模塊對橫梁分析，如圖6所示。計算結果最大應力8.05MPa，最大變形0.044mm。
對盒式連接的側板進行有限元分析，側板的四個螺孔位置固定，在與橫梁接觸的一面上施加10906N的集中載荷。最大應力為53.5MPa。最大位移為0.0158mm，如圖8所示。
經過分析，各部件所承受的最大應力均未超過材料允許的盈利范圍，而由應變產生的位移，最終可以通過六足定位裝置進行調節，使其并不影響裝配精度。
運動仿真能夠簡單展示柔性夾具的工作過程，是整個夾具驗證工作的一個重要環節。由于CATIA自帶數字樣機模塊仿真功能有限，本文采用接口軟件simdesigner將CATIA中的裝配模型導入ADAMS，最終仿真實現是基于CATIA+SimDesigner+ADAMS的。圖9-12 為主要仿真結果，其中圖9 是初始位置，圖10 是機械手夾持一根翼肋，將它安裝在翼梁上正確的位置，圖11 是機械手完成工作，被頂部機器人型架帶回到初始位置，圖12 是測量型架上安裝的照相機開始動作，將翼肋與壁板裝配間隙情況予以測量。
仿真結果結果表明，該工裝夾具能夠達到了預期的工作過程。
對水平裝配柔性夾具的測量工作，根據其特點，在安裝過程中和翼盒的裝配過程中，有一些特別的測量工作。在安裝過程中，不僅要使用激光跟蹤儀對型架梁的位置進行測量，還要對盒式連接的連接部分位置進行測量輔助的調節工作，使其裝配位置到達公差允許的范圍之內。對于需要裝配的翼盒組件位置，也需要不斷測量，并調節六足定位裝置，確定翼盒達到準確的裝配位置。在工作過程中，由于夾具系統的柔性，對于型架及裝夾部分可能發生的變形、偏斜、移位等問題，以及受環境因素變化影響產生的位置變動問題，都要進行實時測量，隨時調整柔性裝夾部分以滿足裝配公差要求。
4 結論與展望
柔性夾具技術是飛機裝配過程的一個重要研究方向，而翼盒水平裝配方式以其高精度和便捷操作的優點，有著良好的發展前景。本文進行了一種面向飛機翼盒水平裝配的縮微型柔性夾具方案研究與設計驗證研究。今后的研究重點是，翼盒水平裝配柔性夾具的實證應用，以及如何通過軟件實現柔性夾具的模塊化設計與控制，以達到提高效率和節約成本的目的。
參考文獻References
[1] 郭恩明.國外飛機柔性裝配技術[M].航空制造技術，2005(9)，28-32.
[2] 范玉青.現代飛機制造技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.
[3] Alison millar, Henrik Kihlman. Reconfigurable Flexible Tooling for Aerospace Wing Assembly[J]. SAE international, 2009.
[4] 鄒冀華,劉志存,范玉青.大型飛機部件數字化對接裝配技術研究.計算機集成制造系統.2007(7),1367-1372
[5] 丘宏俊.基于知識的飛機裝配工藝設計關鍵技術研究
[D]. 西北工業大學，2006.
關 鍵 詞：翼盒；柔性夾具；水平裝配；盒式連接
引言
在航空產品的制造中，飛機裝配是將零件（組件、部件）按照設計和技術要求進行組合、連接，形成高一級的裝配件或整機的過程。飛機裝配由于產品尺寸大、形狀復雜、零件以及連接件數量多，其勞動量占飛機制造總勞動量的一半左右甚至更多，因此歐美發達國家對飛機裝配技術十分關注，并投入巨資進行研發。
目前，國內外蓬勃發展的柔性裝配技術是一種能適應快速研制和生產及低成本制造要求、設備和工裝模塊化可重組的先進裝配技術。它與數字化技術、信息技術相結合，形成了自動化裝配技術的一個新領域。
1 翼盒裝配工藝
1.1 飛機翼盒裝配簡介
在機翼結構中，翼肋中段與翼梁、蒙皮構成的部分稱作翼盒。翼盒是機翼的主要承重結構。翼盒不僅是保持飛機飛行的主要機翼結構，也承擔著飛機油箱的工作。每架飛機擁有兩個機翼翼盒，分別裝配在左翼和右翼。翼盒承擔著飛機起飛、巡航和著陸過程中大部分的重量和壓力。飛機機翼還支撐著飛機的動力裝置和主起落裝置。
傳統的飛機翼盒裝配采用垂直裝配，即用型架將飛機的前梁固定地吊在鉛垂平面內，將翼肋垂直于前梁安裝好，再安裝翼盒的后梁，最后安裝蒙皮，如圖1 所示。
圖1 翼盒垂直裝配
傳統的垂直裝配需要將翼梁吊在空中，需要的空間高度很大。對于大型飛機，例如空客A380，裝配型架要高達數十，占用空間太大。
垂直的機翼沒有處于工作狀態，對它的各項參數不好測量和評價。例如，垂直裝配時，前翼梁和后翼梁空間高度相差達十幾米甚至幾十米，會有一定的溫差，而溫度的差異會使零件產生不同的變形，給裝配帶來精度誤差。
采用水平裝配方法，就是將翼盒以水平方式放置于夾具之上進行裝配操作，這樣可以解決上述問題。而水平裝配技術要解決的是柔性設計以及如何進行裝配操作的問題。
2 翼盒水平裝配柔性夾具設計
2.1 基于盒式連接技術的柔性型架
盒式連接，如圖2所示，是一系列的標準梁和連接件組合成的聯合裝置和框架。裝置中的連接部分，沒有焊接或其他永久性連接，而是采用了螺栓連接的摩擦接合。盒式連接概念的好處在于，它是由鋼或碳纖維制成的標準模塊化組件構成。系統的模塊化能夠適合不同尺寸的裝配。另一個優點是，它不需要像傳統裝置一樣精確配置，因為整個裝置可以隨時進行調整。基于盒式連接技術建立的主型架如圖3所示。
槽的深度設計為10mm。兩邊板的受力分析與中間板類似，尺寸同中間板一致，只有一面開槽，槽的深度為10mm。
2.2 基于六足定位的柔性固持裝置
在型架與飛機翼盒之前的柔性固持部分，采用六足定位裝置滿足其柔性需求。六足定位裝置如圖4所示。
圖4 六足定位裝置
2.3 水平柔性裝配的輔助設施
在豎直裝配過程中，裝配的操作主要是在側面進行。而對與水平裝配，由于翼盒的水平放置，裝配的操作需要在翼盒的上方進行。這樣就需要另外建立一個帶有升降平臺的型架，將機器人至于待裝配的翼盒上方，對翼盒進行裝配過程中的各種操作。此外，還要有一個型架用于固定工業相機等測量裝置，在型架組裝及翼盒裝配過程中進行必要的測量工作.
由主型架、六足定位裝置以及機器人定位機構和測量裝置形成的完整柔性夾具如圖5所示。
圖5 整體夾具的構成
3.1 部件應力分析
主型架需要承擔500Kg的重量，材料為牌號Q255的碳素結構鋼。由于在裝配過程中，各個梁承重并不平均，而且裝配操作可能有輕微的沖擊，故假設橫梁承受600kg的重量。橫梁模型兩端固定，在形心位置施加向下的集中載荷5886N，利用CATIA有限元分析模塊對橫梁分析，如圖6所示。計算結果最大應力8.05MPa，最大變形0.044mm。
圖6 橫梁的有限元分析結果
對盒式連接的側板進行有限元分析，側板的四個螺孔位置固定，在與橫梁接觸的一面上施加10906N的集中載荷。最大應力為53.5MPa。最大位移為0.0158mm，如圖8所示。
經過分析，各部件所承受的最大應力均未超過材料允許的盈利范圍，而由應變產生的位移，最終可以通過六足定位裝置進行調節，使其并不影響裝配精度。
運動仿真能夠簡單展示柔性夾具的工作過程，是整個夾具驗證工作的一個重要環節。由于CATIA自帶數字樣機模塊仿真功能有限，本文采用接口軟件simdesigner將CATIA中的裝配模型導入ADAMS，最終仿真實現是基于CATIA+SimDesigner+ADAMS的。圖9-12 為主要仿真結果，其中圖9 是初始位置，圖10 是機械手夾持一根翼肋，將它安裝在翼梁上正確的位置，圖11 是機械手完成工作，被頂部機器人型架帶回到初始位置，圖12 是測量型架上安裝的照相機開始動作，將翼肋與壁板裝配間隙情況予以測量。
仿真結果結果表明，該工裝夾具能夠達到了預期的工作過程。
圖9 初始位置
對水平裝配柔性夾具的測量工作，根據其特點，在安裝過程中和翼盒的裝配過程中，有一些特別的測量工作。在安裝過程中，不僅要使用激光跟蹤儀對型架梁的位置進行測量，還要對盒式連接的連接部分位置進行測量輔助的調節工作，使其裝配位置到達公差允許的范圍之內。對于需要裝配的翼盒組件位置，也需要不斷測量，并調節六足定位裝置，確定翼盒達到準確的裝配位置。在工作過程中，由于夾具系統的柔性，對于型架及裝夾部分可能發生的變形、偏斜、移位等問題，以及受環境因素變化影響產生的位置變動問題，都要進行實時測量，隨時調整柔性裝夾部分以滿足裝配公差要求。
4 結論與展望
柔性夾具技術是飛機裝配過程的一個重要研究方向，而翼盒水平裝配方式以其高精度和便捷操作的優點，有著良好的發展前景。本文進行了一種面向飛機翼盒水平裝配的縮微型柔性夾具方案研究與設計驗證研究。今后的研究重點是，翼盒水平裝配柔性夾具的實證應用，以及如何通過軟件實現柔性夾具的模塊化設計與控制，以達到提高效率和節約成本的目的。
參考文獻References
[1] 郭恩明.國外飛機柔性裝配技術[M].航空制造技術，2005(9)，28-32.
[2] 范玉青.現代飛機制造技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.
[3] Alison millar, Henrik Kihlman. Reconfigurable Flexible Tooling for Aerospace Wing Assembly[J]. SAE international, 2009.
[4] 鄒冀華,劉志存,范玉青.大型飛機部件數字化對接裝配技術研究.計算機集成制造系統.2007(7),1367-1372
[5] 丘宏俊.基于知識的飛機裝配工藝設計關鍵技術研究
[D]. 西北工業大學，2006.
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