CN102765489B - 机身壁板对合柔性定位方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机身壁板对合柔性定位方法及其装置，利用机身壁板对合柔性定位方法及工装，摆脱了大量专用卡板的使用，具有良好的柔性，定位器夹紧机构能吸附在壁板定位支点表面，实现机身壁板的六自由度、多姿态调整；分布于一、二、三层工作台的激光跟踪仪实时反馈装配信息，大大提高装配精度；采用吸附式定位机构固定机身壁板，装卸简单，减少了手工操作，提高了装配效率；本发明还有良好的通用性，能够适应不同尺寸的机身壁板结构的对合过程，满足多种机型机身壁板的对合需求。

Description

机身壁板对合柔性定位方法及其装置

技术领域

本发明属于飞机组件数字化柔性装配技术领域，涉及一种机身壁板对合的定位方法及设备，用于机身壁板对合过程中各部分壁板的夹持、调姿、定位。

背景技术

随着数字化技术在飞机制造过程中越来越广泛的应用，现代飞机制造企业对飞机装配技术提出了高质量、高效率、高柔性及低成本等要求，飞机装配过程的柔性化成为当前国内外飞机装配领域发展的大趋势。

飞机机身壁板类组件具有结构尺寸大、刚度低、制造和装配精度要求高等特点。目前，在壁板类组件的装配过程中，仍大量采用刚性型架结构，这种工作方法要求大量的专用工装，定位工装数量大、通用性差，只能应用于特定机型的机身壁板对合，定位过程受人为因素的影响大，制造周期长、生产成本高，不能适应现代飞机制造业低成本、高质量、快响应的要求。壁板类组件的柔性工装在实际工程应用当中还不是十分广泛，并且存在一些局限性。专利CN10486143A发明了一种面向飞机壁板类零件装配的柔性数字化型架装置，该装置由型架骨架和十六个移动调形单元组成，通过移动卡板装配点位置，结合可更换的卡板，可以实现在飞机装配中一个型架用于多种壁板类零件的装配；该专利仅仅是针对单一壁板类零件，并未涉及机身整体多个壁板对合的定位与调姿，并且没有摆脱专用卡板的限制，装配不同壁板仍需要不同卡板，柔性有限。专利CN101486144A发明了一种适应不同结构部件装配的柔性工装，通过定位销及卡板将装配部件固定在拼接式装配型架上，利用驱动回转机构转动装配型架，当装配型架转动到正确位置时气动夹紧机构对型架进行夹紧、定位，随后进行下一步操作；该专利提供的装置具有良好的柔性，然而不适用于机身壁板的定位与调姿，并且没有定位精度反馈装置，不易实现高精度定位。

发明内容

飞机机身是由若干块壁板拼接对合而成的典型筒形结构，为了克服现有壁板对合技术工装数量大、柔性化程度低、通用性较差、制造周期长、生产成本高等不足，本发明以六块壁板机身对合为例，提供一种机身壁板对合的柔性化定位方法，对机身壁板对合过程中的各部分壁板实现多自由度姿态调整和定位，支持机身壁板的精确对合，保证机身壁板的高精度、柔性化定位需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)机身下壁板入位与调姿。用吊索将下壁板运送至保型装置上，将下壁板连同保型装置运送至对合装配工作台预定位置。用四点支撑方法对下壁板实现6自由度位姿调整。定位调姿过程中利用非接触式传感器测量下壁板关键特征点坐标，与理论坐标对比，基于空间坐标转换算法生成调姿与定位方案，通过调整定位单元进行位姿调整。重复执行以上步骤，直至下壁板关键特征点坐标与理论坐标的偏差在公差允许范围内。

(2)机身左下、右下壁板调姿定位。由吊索装置将左下、右下壁板分别运送至机身框架两侧下方，各自实际装配位置附近，将左下、右下壁板安置在位姿调整部件之上，通过位姿调整部件推送至实际装配位置，此过程用6个关键点支撑壁板进行位姿调整，通过传感器反馈反复校正定位精度。

(3)安装中机身地板。

(4)安装内卡板保型架。将内卡板保型架安装在地板上。内卡板外形与壁板内形相配合，并配有长桁配孔，利用连接角片实现壁板与卡板、卡板与地板的连接和定位。

(5)机身左上、右上壁板调姿定位。由吊索装置将左上、右上壁板分别运送至机身框架两侧上方，各自实际装配位置附近，将左上、右上壁板安置在位姿调整部件之上，通过位姿调整部件推送至实际装配位置，此过程用4个关键点支撑壁板进行位姿调整，通过传感器反馈反复校正定位精度。

(6)机身上壁板调姿定位。上壁板入架安排在最后进行，由吊索装置将上壁板吊装至机身正上方实际装配位置附近，并置于位姿调整部件上，随后下放至实际装配位置，此过程用2个关键点支撑壁板进行位姿调姿，通过传感器反馈反复校正定位精度。

(7)装配工序完成后，将相应定位器从壁板定位点上移除，机身出站，整个过程结束。

为了实现上述方法，本发明还提供一种机身壁板对合柔性定位调姿工装，包括保型运输车，下壁板夹具系统，左下、右下壁板夹具系统，内卡板保型架，左上、右上壁板夹具系统，上壁板夹具系统，装配测量系统和可移动工作型架。根据飞机机身结构特点，对各部分壁板定位的设备采用沿机身航向对称的布局方式。以机身航向正方向为X轴，垂直地面向上方向为Z轴，Y轴由X轴和Z轴根据笛卡尔坐标系确定。

所述保型运输车是用以运送下壁板到指定位置并保证下壁板外形准确性的设备，共有两台，可以沿分布于机身正下方的X向导轨运动，包括保型卡板、卡板支架、支座、手轮、车体底座、X向导轨。将下壁板置于保型卡板上，运输车沿X向导轨运动至机身框架正下方，旋转手轮调姿壁板离地高度，将下壁板固定在下壁板夹具系统上，运输车退出。

所述下壁板夹具系统是实现下壁板定位、调姿并将下壁板准确送至实际装配位置的设备，包括4个位姿调整单元，位于机身两侧地面预定位置上，每侧2个，每个单元的主要部件有工艺球头、带有球窝的pogo柱、上底座、X向导轨、下底座、驱动电机、Y向导轨。所述位姿调姿单元是用以所述工艺球头为Φ40的球与下壁板定位点相连，该定位点在机身壁板装配设计时已有所考虑。所述球窝为球面凹槽工艺接头，球面直径为Φ40。工艺球头配合pogo柱端部球面凹槽形成球头-球窝结构的球面运动副。

所述左下、右下壁板夹具系统是实现左下、右下壁板定位、调姿并将壁板准确送至实际装配位置的设备，包括4个位姿调整单元，位于机身两侧的地面预定位置上，每侧2个，每个单元的主要部件有三个吸盘式pogo柱、pogo柱底座、上底座、下底座、驱动电机、Y向导轨。所述吸盘在定位过程中吸附在壁板定位点上，使壁板与定位单元牢固连接，直至装配工序完成。

所述内卡板保型架是用以为左上壁板、右上壁板和上壁板提供支撑和保型功能的设备，主要部件有卡板基体、长桁连接角片、地板连接角片、长桁配孔。在下壁板、左下壁板和右下壁板完成定位且地板安装完成之后，进行内卡板保型架的安装。

所述左上、右上壁板夹具系统是实现左上、右是壁板定位、调姿并将壁板准确送至实际装配位置的设备，包括4个位姿调整单元，位于机身两侧的第二层工作台预定位置上，每侧2个，每个单元的主要部件有Z向立柱、承臂块、横臂、真空吸盘、X向导轨、下底座、Y向导轨、支架。所述横臂为承力结构，壁板通过端部安装的真空吸盘吊挂与其上。所述承臂块为可以完成横臂沿Y向微调的结构块。

所述上壁板夹具系统是实现上壁板定位、调姿并将壁板准确送至实际装配位置的设备，包括4个位姿调整单元，位于机身两侧第三层工作台预定位置上，每侧2各，每个单元的主要部件有端盖、Z向立柱、大滑块、横臂、工艺球头、X向导轨、Y向导轨、上底座、下底座、驱动电机。

所述装配测量系统是进行壁板位置测量，并补偿位移偏差的设备，包括6各测量单元，分布于两侧工作台的第一、二、三层，每层1个，每个单元包括激光跟踪仪、底座和Y向导轨，具有Y、Z两个方向的自由度。由激光跟踪仪测量壁板关键特征点坐标，与理论坐标对比，基于空间坐标转换算法生成调姿与定位方案，通过调整定位单元进行位资调整。

所述工作型架共有三层，能实现x、y两个方向上的运动，每层分布对应于机身壁板的位姿调整单元或激光跟踪仪。

本发明的有益效果是：利用机身壁板对合柔性定位方法及工装，摆脱了大量专用卡板的使用，具有良好的柔性，定位器夹紧机构能吸附在壁板定位支点表面，实现机身壁板的六自由度、多姿态调整；分布于一、二、三层工作台的激光跟踪仪实时反馈装配信息，大大提高装配精度；采用吸附式定位机构固定机身壁板，装卸简单，减少了手工操作，提高了装配效率；本发明还有良好的通用性，能够适应不同尺寸的机身壁板结构的对合过程，满足多种机型机身壁板的对合需求。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是机身壁板对合柔性定位系统总体布局示意图（右半侧）；

图2是机身壁板对合柔性定位系统正视图（右半侧）；

图3是下壁板保型运输车结构示意图；

图4是下壁板定位器结构示意图；

图5是左下壁板和右下壁板定位器结构示意图；

图6是内卡板定位器结构示意图；

图7是左上壁板和右上壁板定位器结构示意图；

图8是上壁板定位器结构示意图；

图9是装配测量系统。

图中标号名称，1-下壁板保型运输车；2-下壁板夹具系统；3-左下、右下壁板夹具系统；4-内卡板保型架；5-左上、右上壁板夹具系统；6-上壁板夹具系统；7-装配测量系统；8-工作型架；9-卡板；10-卡板支架；11-支座；12-手轮；13-底座；14-X向导轨；15-Y向导轨；16-工艺球头；17-pogo柱；18-上底座；19-下底座；20-驱动电机；21-pogo柱底座；22-真空吸盘；23-长桁连接角片；24-卡板基体；25-长桁配孔；26-地板连接角片；27-横臂；28-承臂块；29-Z向立柱；30-支架；31-大滑块；32-端盖；33-激光跟踪仪。

具体实施方式

方法实施例：

(1)机身下壁板入位与调姿。下壁板从组件装配型架取下之后，利用起吊装置将机身下壁板置于保型运输车上，使下壁板外型与保型卡板内型面紧密贴合，沿X向将下壁板运送至移动工作台的相关站位上，利用驱动手轮调整外型卡板的Z向高度，为下壁板定位器的引入做准备。下壁板进入装配工作台站位后，驱动4个下壁板定位器的上底座和下底座，分别对定位器进行Y向和X向调整，驱动各定位器的伸缩柱调整Z向高度，使球头夹紧机构与下壁板的工艺定位支点对合，实现下壁板的四点柔性定位。当4个定位器与工艺定位支点对合后，采用四点支撑原理，对下壁板进行多自由度调姿。

(2)中机身左下、右下壁板入位与定位调姿。利用吊装设备将左下、右下壁板分别吊装至各自定位器的上方，由驱动下底座、驱动齿轮和POGO柱调整4个左下、右下壁板定位器上3个POGO柱的X向、Y向和Z向位置，使各自6个POGO柱的真空吸盘与左下、右下壁板的工艺定位支点对合，实现左下、右下壁板与下壁板的对合定位过程。

(3)中机身整段安装地板。在下壁板和左下、右下壁板对合完成后安装地板，为内卡板保型架提供支撑。

(4)安装内卡板保型架。机身下壁板、左下壁板、右下壁板定位完成后，利用连接角片在地板上安装好内卡板保型架，为左上、右上、上壁板提供支撑和定位功能。

(5)中机身左上、右上壁板入位与定位调姿。利用吊装装置将左上、右上壁板分别吊装至移动工作台的第二层，利用各自的2个定位器，通过支架和下底座调整X方向和Y向运动，利用立柱调整吸盘的Z向位置，使各自的4个真空吸盘与左上、右上壁板的工艺定位支点对合，实现左上壁板与左下壁板的对合定位、右上壁板与右下壁板的对合定位。

(6)中机身上壁板入位与定位调姿。由吊装装置将上壁板吊至机身框架正上方，利用4个上壁板定位器，驱动下托板和上托板分别进行X向和Y向运动，驱动大滑块沿Z向调整定位器吸附夹头的Z向高度，使4个吸附夹头与上壁板的工艺定位支点对合，利用4点定位方法对上壁板实现调姿与定位，完成上壁板与左上壁板、右上壁板的对合过程。

(7)装配完成后，按次序移去上壁板定位器，左上、右上壁板定位器，左下、右

下壁板定位器和下壁板定位器，中机身出站，整个过程结束。

装置实施例：本发明包括保型运输车1，下壁板夹具系统2，左下、右下壁板夹具系统3，左上、右上壁板夹具系统4，上壁板夹具系统5，内卡板保型架6和装配测量系统7，可移动工作型架8。

如图3所示，所述保型运输车是用以运送下壁板到指定位置并保证下壁板外形准确性的设备，包括保型卡板9、卡板支架10、支座11、手轮12、车体底座13、X向导轨14。将下壁板置于保型卡板9上，运输车沿X向导轨14运动至机身框架正下方，旋转手轮12调姿壁板离地高度，将下壁板固定在下壁板夹具系统上，运输车退出。

如图4所示，所述下壁板夹具系统是实现下壁板定位、调姿并将下壁板准确送至实际装配位置的设备，包括四个位姿调整单元，每个单元的主要部件有工艺球头16、带有球窝的pogo柱17、上底座18、X向导轨14、下底座19、驱动电机20、Y向导轨15。所述工艺球头16为Φ40的球与下壁板定位点相连，该定位点在机身壁板装配设计时已有所考虑。所述球窝为球面凹槽工艺接头，球面直径为Φ40。工艺球头配合pogo柱端部球面凹槽形成球头-球窝结构的球面运动副。

如图5所示，所述左下、右下壁板夹具系统是实现左下、右下壁板定位、调姿并将壁板准确送至实际装配位置的设备，包括四个位姿调整单元，每个单元的主要部件有三个吸盘式pogo柱17、pogo柱底座21、上底座18、下底座19、驱动电机20、Y向导轨15。所述吸盘在定位过程中吸附在壁板定位点上，使壁板与定位单元牢固连接，直至装配工序完成。

如图6所示，所述内卡板保型架是用以为左上壁板、右上壁板和上壁板提供支撑和保型功能的设备，主要部件有卡板基体23、长桁连接角片24、长桁配孔25、地板连接角片26。在下壁板、左下壁板和右下壁板完成定位且地板安装完成之后，进行内卡板保型架的安装。

如图7所示，所述左上、右上壁板夹具系统是实现左上、右是壁板定位、调姿并将壁板准确送至实际装配位置的设备，包括四个位姿调整单元，每个单元的主要部件有真空吸盘22、横臂27、承臂块28、Z向立柱29、X向导轨14、Y向导轨15、下底座19、支架30。所述横臂27为承力结构，壁板通过端部安装的真空吸盘22吊挂于其上。所述承臂块28为可以完成横臂27沿Y向微调的结构块。

如图8所示，所述上壁板夹具系统是实现上壁板定位、调姿并将壁板准确送至实际装配位置的设备，包括四个位姿调整单元，每个单元的主要部件有端盖32、Z向立柱29、大滑块31、横臂27、工艺球头16、X向导轨14、Y向导轨15、上底座18、下底座19、驱动电机20。

如图9所示，所述装配测量系统是进行壁板位置测量，并补偿位移偏差的设备，由激光跟踪仪32、底座13和Y向导轨15组成，具有Y、Z两个方向的自由度。分布于工作台的第一、二、三层，由激光跟踪仪32测量壁板关键特征点坐标，与理论坐标对比，基于空间坐标转换算法生成调姿与定位方案，通过调整定位单元进行位资调整。

如图1所示，所述工作型架共有三层，能实现x、y两个方向上的运动，每层分布对应于机身壁板的位姿调整单元或激光跟踪仪。

Claims (2)

1.一种机身壁板对合柔性定位方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)用吊索将下壁板运送至保型装置上，将下壁板连同保型装置运送至对合装配工作台预定位置，用四点支撑方法对下壁板实现6自由度位姿调整，定位调姿过程中利用非接触式传感器测量下壁板关键特征点坐标，与理论坐标对比，基于空间坐标转换算法生成调姿与定位方案，通过调整定位单元进行位姿调整，重复执行以上步骤，直至下壁板关键特征点坐标与理论坐标的偏差在公差允许范围内；

(2)由吊索装置将左下、右下壁板分别运送至机身框架两侧下方，各自实际装配位置附近，将左下、右下壁板安置在位姿调整部件之上，通过位姿调整部件推送至实际装配位置，此过程用6个关键点支撑壁板进行位姿调整，通过传感器反馈反复校正定位精度；

(3)安装中机身地板；

(4)将内卡板保型架安装在地板上；内卡板外形与壁板内形相配合，并配有长桁配孔，利用连接角片实现壁板与卡板、卡板与地板的连接和定位；

(5)由吊索装置将左上、右上壁板分别运送至机身框架两侧上方，各自实际装配位置附近，将左上、右上壁板安置在位姿调整部件之上，通过位姿调整部件推送至实际装配位置，此过程用4个关键点支撑壁板进行位姿调整，通过传感器反馈反复校正定位精度；

(6)由吊索装置将上壁板吊装至机身正上方实际装配位置附近，并置于位姿调整部件上，随后下放至实际装配位置，此过程用2个关键点支撑壁板进行位姿调姿，通过传感器反馈反复校正定位精度；

(7)装配工序完成后，将相应定位器从壁板定位点上移除，机身出站，整个过程结束。

2.一种实现权利要求1所述机身壁板对合柔性定位方法的装置，包括保型运输车、下壁板夹具系统、左下、右下壁板夹具系统、内卡板保型架、左上、右上壁板夹具系统、上壁板夹具系统、装配测量系统和可移动工作型架，其特征在于：

以机身航向正方向为X轴，垂直地面向上方向为Z轴，Y轴由X轴和Z轴根据笛卡尔坐标系确定；

所述保型运输车是用以运送下壁板到指定位置并保证下壁板外形准确性的设备，共有两台，可以沿分布于机身正下方的X向导轨运动，包括保型卡板、卡板支架、支座、手轮、车体底座、X向导轨；将下壁板置于保型卡板上，运输车沿X向导轨运动至机身框架正下方，旋转手轮调姿壁板离地高度，将下壁板固定在下壁板夹具系统上，运输车退出；

所述下壁板夹具系统是实现下壁板定位、调姿并将下壁板准确送至实际装配位置的设备，包括4个位姿调整单元，位于机身两侧地面预定位置上，每侧2个，每个单元包括工艺球头、带有球窝的pogo柱、上底座、X向导轨、下底座、驱动电机、Y向导轨；所述工艺球头与下壁板定位点相连，所述球窝为球面凹槽工艺接头，工艺球头配合pogo柱端部球面凹槽形成球头-球窝结构的球面运动副；

所述左下、右下壁板夹具系统是实现左下、右下壁板定位、调姿并将壁板准确送至实际装配位置的设备，包括4个位姿调整单元，位于机身两侧的地面预定位置上，每侧2个，每个单元包括三个吸盘式pogo柱、pogo柱底座、上底座、下底座、驱动电机、Y向导轨；所述吸盘式pogo柱的吸盘在定位过程中吸附在壁板定位点上，使壁板与定位单元牢固连接，直至装配工序完成；

所述内卡板保型架是用以为左上壁板、右上壁板和上壁板提供支撑和保型功能的设备，主要部件有卡板基体、长桁连接角片、地板连接角片、长桁配孔；在下壁板、左下壁板和右下壁板完成定位且地板安装完成之后，进行内卡板保型架的安装；

所述左上、右上壁板夹具系统是实现左上、右是壁板定位、调姿并将壁板准确送至实际装配位置的设备，包括4个位姿调整单元，位于机身两侧的第二层工作台预定位置上，每侧2个，每个单元的主要部件有Z向立柱、承臂块、横臂、真空吸盘、X向导轨、下底座、Y向导轨、支架；所述横臂为承力结构，壁板通过端部安装的真空吸盘吊挂与其上；所述承臂块为可以完成横臂沿Y向微调的结构块；

所述上壁板夹具系统是实现上壁板定位、调姿并将壁板准确送至实际装配位置的设备，包括4个位姿调整单元，位于机身两侧第三层工作台预定位置上，每侧2个，每个单元的主要部件有端盖、Z向立柱、大滑块、横臂、工艺球头、X向导轨、Y向导轨、上底座、下底座、驱动电机；

所述装配测量系统是进行壁板位置测量，并补偿位移偏差的设备，包括6个测量单元，分布于两侧工作台的第一、二、三层，每层1个，每个单元包括激光跟踪仪、底座和Y向导轨，具有Y、Z两个方向的自由度；由激光跟踪仪测量壁板关键特征点坐标，与理论坐标对比，基于空间坐标转换算法生成调姿与定位方案，通过调整定位单元进行位资调整；

所述工作型架共有三层，能实现x、y两个方向上的运动，每层分布对应于机身壁板的位姿调整单元或激光跟踪仪。

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