柔性定位系统在飞机装配工装中的关键技术研究

柔性定位系统在飞机装配工装中的关键技术研究

刘瑄璞

中航西安飞机工业集团股份有限公司  陕西西安  710089

摘 要：本文以面向飞机零件的柔性定位系统要求为研究对象，以其核心的零件插件为研究对象，采用自动控制技术、精密机械加工技术以及基于激光追踪的 OTS组装技术，通过机械系统、控制系统分析与加工调试等手段，形成一套能自动调整其位置姿态的灵活定位系统，从而达到提高零件加工精度的目的，为柔性工装的开发奠定技术基础。

关键词：柔性定位系统；自动控制；激光跟踪仪；装配工装

   随着航空工业数字化和自动化技术的大规模普及和航空工业对高品质、大批量生产的要求越来越高，传统机械式工装主要应用于飞机零件的定位、支承、压紧和保形等方面，其能确保零件间的相对位置关系。传统的机械模具是由机械零部件组装而成，采用手工的方式来完成，具有一定的特殊性和局限性。本项目针对航空工业中各种类型的柔性模具，研究其结构系统与关键构件，研究其模块化设计方法，并将其应用到航空装备模具中，可显著提高航空装备的装配精度，为我国航空制造业的高质量发展提供技术支持。

1.总方案设计

1.1技术条件

新型适用于飞机壁面型制品的定位，能够从“点”向“面”对多个工件进行定位。它的定位部件在0-150毫米范围内移动，系统的重复定位精度要达到0.025毫米，位置精度要达到0.05毫米。

1.2机械结构

该工装机械结构主要由机架、柔性夹板等部件构成（见图1）。在确定产品型号的基础上，选择了符合飞机工作状况的垂直构架，车架由方形钢板焊接而成，既能满足结构要求，又能满足刚度要求；柔性卡板单元（见图2）是一种包括打球头、伺服马达、电动液压缸等弹性元件本体，可编程控制器，人机界面等控制装置。选择5个灵活的单体，组成“一”字形的组合。在该柔性胞体的末端装有一滚动头。本模具选择两套灵活的卡板为单位，在制品的主要部位进行定位，从而完成了从“点”向“面”的定位。

1.3控制系统

（1）电气结构

电气结构该控制系统包括人机对话装置（HMI）、可编程控制器（PLC）以及伺服电动机。系统采用 DOP系列7英寸触摸屏作为人机界面，采用台达10 MC多轴联动控制系统， ASDA-A2系列伺服控制器，实现了多轴联动控制。为了提高系统的测量精度，采用了高精度的液压油缸，采用了高精度的绝对编码器作为伺服电机。

（2）控制方案

第一，采用人机结合10 MC多轴联动控制器，准确地控制并检测每一台电动机的位置。第二，通过对各个伺服马达的工作参数进行动态优化，使得每台伺服马达的控制与工作参数相匹配，使得每台伺服马达的工作特性都能保持一致。第三，采用编程方法，对每一台电动机进行单向运动的精密定位，并对多台电动机进行多轴的精密同步定位。第四，通过人机交互接口，对各个电动机伺服马达的工作状况及位置进行实时显示，并将控制命令通过人机接口传送给各个电动机的伺服马达进行操作控制。

（3）功能实现

功能实现采用伺服油缸带动挠性元件本体，以达到精密的位置控制。利用 PLC对多个液压缸的多轴或单轴运动进行控制，使得板卡能够适应飞行器的具体形状，从而达到各种产品轮廓的目的。在飞行器产品外形变小、插件表面“多肉”，或者产品外形变大、板件表面“缺肉”等情况下，利用人机交互接口，将油缸的位置参数进行重构，实现新的外形轮廓，达到定位要求。工艺静态仿真分析利用 CATIA软件对弹性元件进行了运动学参数的计算。利用 CATIA软件，对每一个球面进行加工，得到各球面与零点之间的位移，并在人机界面中进行输入，从而实现对各球面的运动轨迹的控制。现有的轮廓生成方法仅考虑了单一的参数，且仅对球心包络进行了求解。

2.制造调装

2.1精加工分析

本模具的主要部件有：电缸固定架，定位座，产品连接角座，连接板等。在生产上，主要困难在于对电动式缸体的定位架进行加工。为了保证测量精度，必须对定位座形变及连接表面的平整度进行控制。因此，以厚角钢为主体，以厚钢板料为加劲肋，两端为连接板，对其进行了定位座焊。焊接完成后，首先对焊缝进行热处理消除应力，然后利用数控机床对接头表面的大余量进行铣削；在充分释放工艺应力后，利用大直径导磨机对接头表面进行精磨；最后，确保两个直角表面的平整度、垂直度，以及两个更长的连接面之间的平行度，由此间接地确保了球头的位置在一条直线上。

2.2基于激光跟踪仪OTS装配

OTS装配工艺是一种以激光跟踪器为基础，通过 CATIA软件进行三维模拟，实现了对工件的直接、快速、准确地装配。在装配前，必须保证工件按照图上的尺寸进行加工，并搭建测量系统，利用激光标靶对被测元件进行测量，观测理论数值与测量结果之间的误差，实现对被测元件的定位。（1）装配部件。将各个部件预先组装好，包括车架、软夹板单元、控制柜、人机交互接口等部件。（2）制备激光跟踪器。以机架上的 TB点和 ERS点为基础，搭建测试系统，根据 SA软件的模板，对被测元素（如定位座的各个

安装面等）进行选取，设定误差和目标球退量，进行调试。（3）开放装配。根据预定的装配容差，通过“SA”软件的“测量窗”，对零件进行调整，使其达到预定的安装位置。

2.3 电气调试

（1）赋予/取消赋予。在启动电动机时，先按一下“轴使能”键，确认电动机的启动状态显示为绿灯。当油缸动作完成后，按“去使能”键，即可移除所有马达。（2）绝对定域。确认马达在“使能”模式下，设定油缸的绝对目标位，然后按“运行”键，油缸移动到指定的位置，就会自动停车。（3）位置关系。确认马达在“使能”模式下，设定油缸增量位置，选择“正向运行”或者“负向运行”键，油缸在达到设定的行程后，就会自动停车。在递增操作方式下，每个液压缸的预定位移增量不得大于剩余冲程，超出冲程则会引发硬极限报警。（4）点击调整。为了便于油缸的位置调整，还设有点动调整按键，按对应的按键，可使马达向前或向后移动0.1毫米、0.5毫米、1毫米、5毫米等。（5）信号监测.为了便于操作者及维修人员对系统进行控制，并对其进行反馈，还设计了一幅信号监测屏，点击进入即可对各个信号点的状态进行实时显示。

结束语：

综上所述，本文以柔性定位系统为研究对象，设计、制作一种从“点”至“面”的灵活定位工装及灵活的定位系统，并给出了一种激光追踪式 OTS的装配方案。经实际生产检验，结果表明，所设计的测量装置是正确可靠的，其测量精度也能达到设计的要求。

参考文献

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