机翼壁板数控调姿定位器模块化设计技术研究

机翼壁板数控调姿定位器模块化设计技术研究

何斌   郝勇智

中航西安飞机工业集团股份有限公司   陕西省西安市   710089

摘要：

根据飞机机翼壁板的装配工艺流程，分析了机翼壁板数控调姿定位器的功能需求，进行了数控定位器的功能模块划分，研究了各个功能模块之间在结构分离面处的安装定位形式与连接方式，通过不同功能模块间的组合获得所需的机翼壁板数控调姿定位器，实现了数控调姿定位器的模块化设计，对基于模块化可重构理念的飞机装配工艺装备的设计具有参考意义。

关键词：机翼壁板，数控调姿定位器，模块化，结构分离面

0.引言

飞机外翼壁板是机翼部件的重要组成部分，分为上壁板和下壁板，用于构成外翼翼盒的上、下翼面，机翼壁板的装配精度直接影响着飞机外翼气动外形的准确性，在卧式装配环境下，外翼翼盒的装配放置状态与飞机飞行姿态保持一致，即上翼面向上、下翼面向下、翼肋腹板面近似垂直于地面。机翼壁板上架装配前，首先与壁板保形装置相连，再由多个数控调姿定位器对壁板保形装置进行支撑并通过协同联动调姿将壁板姿态调整至理论装配位置。通过模块化设计，可实现不同支撑位置数控调姿定位器同一功能模块的标准化和统一化，同一功能模块之间具有完全互换性，便于现场安装调试，同时提高了数控调姿定位器各功能模块零部件的设计与制造效率。

1.功能需求描述

机翼壁板属于薄壁类弱刚性零件，在装配过程中，为防止壁板扭曲损坏，需配合使用壁板保形装置加强机翼壁板自身的刚性以保证装配精度，壁板保形装置主要由框体、定位卡板、真空吸盘和球头组成，其中，定位卡板和真空吸盘分别用于机翼壁板在保形装置上的定位与夹紧，球头则用于保形装置与数控调姿定位器之间的连接。

机翼壁板与保形装置安装完毕后转运至数控调姿定位器上，保形装置通过底部的球头与数控调姿定位器的球窝相配合组成球铰连接，由多台数控调姿定位器的协调联动对机翼壁板进行平移、俯仰、偏转等操作，并对平移距离、俯仰及偏转角度进行精确测控实现机翼壁板空间姿态的精确调整，最终保证机翼壁板到达理论装配姿态。为满足上述机翼壁板的调姿需求，单台数控调姿定位器应具备以下各项功能：

（1）能够承受保形装置和壁板总重在球头处所产生的载荷；

（2）具有沿X/Y/Z的三向移动功能，且各向移动行程的大小应满足机翼壁板的上、下架及装配调姿需求；

（3）配备全闭环伺服控制系统，对各向移动距离和机翼壁板空间位姿状态进行实时监测和反馈；

（4）同一装配站位下的数控调姿定位器应能同时实现对机翼上、下壁板的调姿操作，即单台数控调姿定位器具有两套互不干涉、可独立运行的三向运动机构和球头锁紧机构，分别用于操纵上壁板保形装置和下壁板保形装置。

2.功能模块划分

按照数控调姿定位器各组成部分的用途，将单台数控调姿定位器拆解为不同的功能模块单元，这些功能模块单元包括：X向运动模块、Y向运动模块、Z向运动模块、球窝接收模块。X/Y/Z向运动模块均采用全闭环主动控制，传动形式为高精度直线导轨+精密滚珠丝杠，驱动元件为伺服电机+减速机，同时，配备光栅尺直接对运动部件的最终执行位置进行检测，实现数控调姿定位器的高精度定位和重复定位。球头锁紧模块为数控定位器的末端执行元件，通过球窝支撑球头并由锁紧机构自动抱紧球头，保证二者不发生脱离，通过力值反馈系统对球头沿X/Y/Z三向的受力状态进行实时监测和反馈。各功能模块的组成要素及可实现的功能如表1所示。

3.总体集成设计

飞机外翼翼盒的装配要素主要包括前梁、后梁、肋、上壁板、下壁板。首先，将前梁、后梁和肋装配形成翼盒骨架，再依次安装上、下壁板形成完整的翼盒装配体。其中，机翼上壁板及其保形装置采用吊装方式从翼盒骨架正上方上架，由上壁板数控调姿定位器沿Z向运动承接保形装置后对上壁板进行空间位姿的调整。下壁板及其保形装置则通过AGV运送至翼盒骨架正下方，由下壁板数控调姿定位器沿Y向和Z向运动承接保形装置后对下壁板进行调姿定位。由机翼壁板装配流程可知，上壁板数控调姿定位器的Z向运动模块需兼具上壁板的上、下架及调姿功能，下壁板数控调姿定位器的Z向和Y向运动模块需兼具下壁板的上、下架及调姿功能，因此，上述三个运动模块设计为大行程结构，其余运动模块仅需满足壁板在相应方向的调姿需求，设计为小行程结构。

为了节省装配空间，通过对上、下壁板保形装置支撑球头位置的合理布置，将上壁板数控调姿定位器的三向运动功能模块与下壁板数控调姿定位器的三向运动功能模块集成于一体，即一台数控定位器上配备两套完整的、彼此独立的三向运动功能模块，从而实现单台数控定位器同时具有上壁板和下壁板的调姿定位功能。单台数控定位器的总体集成结构及各功能模块如图1所示，各功能模块均带有对接分离面，不同模块之间进行组合安装时通过二者对接分离面处的导向键和螺栓实现快速定位与连接。

图1 模块化数控定位器

4.结论

本文针对翼盒装配过程中机翼上、下壁板的装配流程及调姿定位需求，研究了机翼壁板数控调姿定位器的模块化设计技术，根据数控定位器所需具备的功能划分出带有对接分离面的各个功能模块，包括X/Y/Z三向运动模块和球窝接收模块，通过各功能模块之间的组合与集成得到具备完整的调姿定位功能的数控定位器，实现了数控调姿定位器的模块化设计。

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