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简析数字化柔性装配的关键技术

2014年02月17日 16:33中国机床商务网点击:4881

  【中国机床商务网】导读:数字化柔性装配是建立在计算机数字信息处理平台上的融合飞机的全数字量协调体系,应用计算机信息技术.数字控制技术,采用各种数控装配工具,实现自动化夹持、制孔、铆接和无缝校准对接,完成组件、部件和机身的装配连接等的综合性系统工程。
  

  柔性装配技术能适应飞机部件品种规格、批量、装配工艺、场地和时间的变化要求,在有限的场地内快速完成装配任务,达到优质、高效、低成本、节省时间。先进的飞机柔性装配技术是保证飞机部件和飞机整体性能的关键技术之一。飞机装配有如下特点。
  
  (1)大量薄壁板零件存在弹性变形,但还要保证飞机严格的气动外形;
  
  (2)结构复杂、零件和连接件数量巨大;
  
  (3)需用特殊的工艺装备来保证装配的准确度;
  
  (4)技术涵盖面宽,需要管理的信息量大。
  
  飞机的数字化柔性装配是一项系统工程,其数字技术贯穿于飞机装配的全过程,计算机信息技术占有很重要的地位。数字化柔性装配技术的应用是当前国内外飞机制造业数字化制造的大趋势,不仅能够克服传统飞机制造(模线_样板法)模拟量协调体系下装配工装应用单一、制造周期长、制造费用高、协调需要大量实物工装等缺点,而且,通过与自动化制孔设备、数控钻铆机或自动铆接设备和工业机器人等自动化设备的集成,可以组成数字化柔性装配系统。
  
  飞机的装配一般分为4个阶段:装配设计、装配准备、装配进行、装配测试,各个阶段有相应的关键技术来支撑,确保整个飞机装配的高效和高质量。
  
  1、飞机装配工艺技术
  
  飞机装配工艺技术是研究飞机装配的基本结构的技术,如机翼、蒙皮壁板和机身等,对几种装配构建模式进行分析,如蒙皮封装、长桁类零件、隔板悬挂导轨流水线、气动工具、可重构模块工装、模块化子装配系统和直接作用机翼箱体等。该研究提出了几何特征分类法,具体有外形控制、轮廓控制、方向控制、避让控制、定位控制等。总结了3种关键特征:
  
  •产品关键特征(PKCs)
  
  产品的几何特性和材料属性,此特征极大地影响产品的性能、功能和装配成形。
  
  •装配关键特征(AKCs)
  
  产品、工具、夹具装配阶段的特征,此特征极大地影响下一个装配过程的产品关键特征的实现。
  
  •制造关键特征(MKCs)
  
  制造过程参数或工件工装特性,此特征极大地影响零件特性层面的产品或装配过程关键特征的实现。
  
  2、柔性装配工装技术
  
  飞机在进行装配前必须进行部件的固定,以保持良好的飞机动力学外形,这一切要靠工装来实现,所以工装技术是飞机装配技术的基础。按装配工装的结构和性能可分为:常规工装、模块工装、柔性工装、CNC控制工装。
  
  多点成形技术是柔性工装设计的基础,其基本思想是采用离散的点来拟合飞机装配部件的三维型面,即以点代面。采用柔性工装,可以使飞机装配型架制造周期大大缩短,并可取代大部分固定装配型架。利用它的可重构性,一套柔性工装可以装配多种飞机零件。
  
  固定飞机薄壁板蒙皮一般采用2种工装形式,一种是X、F平面固定点阵式静态工装,另一种是行列可移动式动态工装。两者的基本元件是长度可调节的支撑夹持单元,其高度位置采用数控伺服进行控制,最终使工装系统呈工件理论外形分布。
  
  柔性工装系统由许多高度可调节的支撑单元组成,其定位支撑体可以安装不同的操作头,以满足不同的部件固定要求。为了可靠支撑夹持飞机的装配部件,夹持力必须是可调的,其夹持状态的打开、关闭必须通过计算机的程序控制,以适应不同的飞机壁板类装配件。
  
  3、激光跟踪测量技术
  
  在飞机装配的准备阶段,装配部件和装配工装系统的位置测量的准确性直接影响飞机装配的成败。飞机的装配部件尺寸大,结构复杂,不易采用三维位置测量。激光跟踪测量系统是解决这一难题的最好手段。它具有测量精度高、测量尺寸大、安装操作方便、可移动等优点,可广泛应用干飞机的装配工作中。
  
  激光跟踪定位测量系统可以通过以太网与系统计算机相连,由激光跟踪定位系统测量装夹后的装配部件的一些基准点,获得的测量数据经过处理单元处理后,直接反馈到系统计算机,计算机再对实际装配位置与精确数学模型的位置进行比较,获得部件装配位置的修正值。这样就可以将部件数学模型与其实际装配位置统一起来,确定装配参考坐标系。
  
  4、计算机数字控制技术
  
  计算机数字控制技术是飞机实现数字化柔性装配的基础,它将完成飞机装配过程中所需各种运动部件的精确定位和制孔、铆接,实现工装系统对飞机装配部件的可靠固定,保证飞机装配外形与数字化样机的一致性。柔性装配系统包括面向装配的设计系统、工艺数据准备系统、人机界面、轴和逻辑控制、三维激光测量、制孔铆接单元、移动定位平台、紧固件送料单元和柔性工装系统等。
  
  飞机柔性装配的电气控制是一种典型的网络化数字控制系统,采用了TCP/IP工业以太网和现场总线技术。飞机柔性装配电气控制系统的上层有面向装配的飞机设计系统和装配工艺数据准备系统。下层有移动定位平台、工装系统、制孔铆接单元等。移动定位平台本身是一个五坐标伺服控制装置,而柔性工装系统采用了更多的位置伺服轴,少则几十根,多则上百根。这种系统是信息技术.驱动技术、自动化技术、逻辑控制.过程控制的融合体。
  
  5、机器人全闭环定位技术
  
  在飞机装配中引人机器人可以提高装配系统的灵活性和可达性,配合各种终端执行器可以实现各种不同的装配作业,如自动化钻孔和铆接。但由于机器人的定位属于半闭环控制,定位精度不高,不适应飞机装配中高精度制孔。近年来,由于采用了嵌人式控制方法,三维激光跟踪仪可以通过计算机和机器人集成起来,实时快速监视机器人的空间位置方向,确定机器人的三维绝对位置,达到机器人全闭环控制的效果。这样就大幅度提高了机器人的定位精度,其全工作空间精度可达到0.05mm,完全能胜任飞机的.
  
  6、移动定位平台技术
  
  移动定位平台用于安放制孔铆接单元,实现制孔铆接单元的位置和沿蒙皮法线方向的定位,解决大尺寸空间的精确定位,应具有良好的刚度。在满足系统功能的前提下,尽可能考虑装配部件的尺寸对系统结构性能的影响。定位平台一般需要5个自由度以上。
  
  7、装配仿真控制技术
  
  飞机柔性装配的过程复杂,有工装、制孔、铆接、送料等装置的参与,大部分的装配路径复杂,装配面不开敞,所以在飞机部件正式装配之前,必须对飞机装配的全过程进行必要的仿真和校验,以检查自动化装配过程的准确度和可靠性,保证装配的万无一失。装配仿真系统应具有如下功能:
  
  (1)设备对象特征建模;
  
  (2)运动轨迹建模;
  
  (3)数控程序后置处理;
  
  (4)动态三维仿真;
  
  (5)碰撞干涉检查。
  
  一般,仿真系统输入的数据包括飞机构件三维数学模型、柔性工装模型、装配工艺参数、装配特征树等数据。
  
  经过该仿真系统处理,将产生装配全过程的三维动态仿真,柔性工装支撑夹持单元的种类、布局及它们的调节位置高度数据,生成装配过程控制程序,显示装配工装系统的生成时间\飞机部件的装配时间以及装配操作性、安全性的检查评估报告。装配仿真控制技术是飞机柔性装配系统的数字化支撑平台技术,可保证装配系统的高柔性、高可靠性、高效率等性能的最大限度的发挥。
  
  
(来源:北京航空制造工程研究所 )

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