整機(jī)全姿態(tài)自動變位柔性翻轉(zhuǎn)工裝研究

王振文 ，樊 迪 ，趙 榮 ，郭龍江

（1. 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610091；2. 四川省航空智能制造裝備工程技術(shù)研究中心，成都 610091）

隨著航空制造過程中整機(jī)、飛機(jī)大部件裝配技術(shù)要求的提升，在現(xiàn)階段的裝配過程中，需對機(jī)體執(zhí)行360°的精確變位以滿足操作工人完成架下補(bǔ)鉚、涂膠等裝配工作的需要[1–2]。因此，翻轉(zhuǎn)工裝的柔性自動變位技術(shù)在航空制造、裝配、維修過程中，具有十分重要的應(yīng)用價值和實際意義。

傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)工裝具有較強(qiáng)的針對性和專用性，針對不同的翻轉(zhuǎn)部件需要設(shè)計和生產(chǎn)不同的專用翻轉(zhuǎn)設(shè)備，在資源方面形成了巨大的浪費，與柔性制造理念相悖，適用面窄且靈活性較差[3–5]。另一方面，傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)工裝由于結(jié)構(gòu)局限性，其整體翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差、自動化程度和到位精度低，無法適用于高精度和高穩(wěn)定性要求的自動化裝配生產(chǎn)線。

因此，通過分析某新型飛機(jī)的裝配需求，針對自動化裝配過程中飛機(jī)機(jī)身尺寸及重量大、翻轉(zhuǎn)及到位精度要求高、機(jī)身外表面全方位可達(dá)等技術(shù)要求，研制了一套能夠滿足整機(jī)全姿態(tài)自動變位的龍門式柔性翻轉(zhuǎn)工裝。該柔性翻轉(zhuǎn)工裝解決了飛機(jī)裝配中對機(jī)身變位高精度、高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、全方位開敞性的關(guān)鍵技術(shù)要求，提高了生產(chǎn)效率，其控制系統(tǒng)增強(qiáng)了工裝安全性及自動化程度。工裝對飛機(jī)大部件或整機(jī)翻轉(zhuǎn)的兼容性良好，具備良好的工裝柔性設(shè)計理念[6–8]，可拓展應(yīng)用于其他機(jī)型。

1 技術(shù)目標(biāo)及方案設(shè)計

1.1 技術(shù)目標(biāo)及關(guān)鍵問題

某型飛機(jī)裝配過程中，機(jī)身需進(jìn)行360°的高精度、可靠變位，確保機(jī)身在全姿態(tài)的穩(wěn)定可靠性和安全性，以適應(yīng)機(jī)器人的操作。由于整機(jī)尺寸較大,重量較重，所需翻轉(zhuǎn)工裝應(yīng)當(dāng)為大尺寸、重載、高精度、高強(qiáng)度的全姿態(tài)變位系統(tǒng)。

針對上述需求特征，對所需設(shè)計與制造的柔性翻轉(zhuǎn)工裝提出總體技術(shù)目標(biāo)如下。

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)全姿態(tài)下的自動翻轉(zhuǎn)與自動定位。通過控制系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)飛機(jī)翻轉(zhuǎn)的自動變位，滿足飛機(jī)0～360°內(nèi)任意角度下的旋轉(zhuǎn)到位。

（2）翻轉(zhuǎn)工裝能夠達(dá)到50min/r 的旋轉(zhuǎn)速度，±3′的角度到位精度以及0.8mm 弧長的滾環(huán)同步旋轉(zhuǎn)誤差。

（3）實現(xiàn)可適應(yīng)多種尺寸相近的機(jī)型產(chǎn)品的柔性翻轉(zhuǎn)工裝。

通過對技術(shù)目標(biāo)分析，結(jié)合工裝實際應(yīng)用需求，歸納得出以下3 點關(guān)鍵性技術(shù)問題及解決方案。

（1）考慮到需翻轉(zhuǎn)產(chǎn)品的重量、尺寸較大，且需要適配多種機(jī)型，因此，在結(jié)構(gòu)形式上需進(jìn)行全新設(shè)計，滿足大負(fù)載下工裝的剛性要求及靈活適配性。

（2）由于工裝需配合機(jī)器人工作，產(chǎn)品需沿一定方向移動且到位精度要求高，所以摒棄傳統(tǒng)的萬向輪移動方式，工裝安裝于直線導(dǎo)軌，滿足精度要求。

（3）為保證在翻轉(zhuǎn)過程中滾環(huán)對產(chǎn)品不產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)力矩，兩個滾環(huán)在轉(zhuǎn)動時要求高度同步，為此選擇伺服電機(jī)驅(qū)動滾環(huán)轉(zhuǎn)動，并由一臺可編程邏輯控制器PLC對伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

基于以上技術(shù)目標(biāo)及關(guān)鍵問題分析，設(shè)計翻轉(zhuǎn)工裝如圖1所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)工裝工作狀態(tài)示意圖Fig.1 Working state diagram of turnover tooling

1.2 方案設(shè)計

翻轉(zhuǎn)工裝設(shè)計方案分為結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)兩部分。

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

（1）采用獨立雙龍門架結(jié)構(gòu)形式，簡化產(chǎn)品上、下架操作過程，提高使用安全性，實現(xiàn)大尺寸、大重量的整機(jī)安裝。

（2）利用龍門架內(nèi)的滾環(huán)結(jié)構(gòu)配合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對飛機(jī)的360°自動旋轉(zhuǎn)變位功能。

（3）工裝安裝于直線導(dǎo)軌，滿足移動到位精度要求。

（4）采用通用固持接頭，利用過渡工裝定位機(jī)體的裝配方式，從而對應(yīng)不同機(jī)型可采用不同的保形工裝及固持接頭，提高翻轉(zhuǎn)工裝的靈活適用性，實現(xiàn)對飛機(jī)產(chǎn)品的柔性適配。

1.2.2 控制系統(tǒng)方案

（1）設(shè)計適應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)驅(qū)動方案及控制技術(shù)。

（2）設(shè)計大扭矩翻轉(zhuǎn)的精確驅(qū)動方案及控制技術(shù)，實現(xiàn)對飛機(jī)的0～360°內(nèi)任意角度下的自動旋轉(zhuǎn)變位，可達(dá)50min/r 的旋轉(zhuǎn)速度以及±3′的角度到位精度。

（3）實現(xiàn)兩臺伺服電機(jī)同步控制技術(shù)：采用PLC 對兩臺伺服電機(jī)進(jìn)行同步控制，并且可以在轉(zhuǎn)環(huán)上面加裝傳感器，形成閉環(huán)控制。其中，控制系統(tǒng)實現(xiàn)滾環(huán)轉(zhuǎn)動角度的精確控制以及兩滾環(huán)同步旋轉(zhuǎn)誤差控制。

2 柔性翻轉(zhuǎn)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

柔性翻轉(zhuǎn)工裝結(jié)構(gòu)、裝配和應(yīng)用示意圖如圖2所示。翻轉(zhuǎn)工裝的主要構(gòu)成包括：固持接頭、大滾環(huán)、支撐滾輪、龍門構(gòu)架、底座、行走驅(qū)動系統(tǒng)、直線滑軌、齒輪、減速機(jī)、電機(jī)、上支座、下支座、過渡工裝和飛機(jī)假件。

圖2 翻轉(zhuǎn)工裝示意圖Fig.2 Diagram of turnover tooling

2.2 設(shè)計方法

工裝通過兩個大滾環(huán)，利用支撐小滾輪實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)件在龍門構(gòu)架上的轉(zhuǎn)動。通過電機(jī)、減速機(jī)、帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，利用齒輪與大滾環(huán)外環(huán)上的外齒嚙合實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，可按工況需要進(jìn)行角度變位。

2.2.1 機(jī)身固持機(jī)構(gòu)

飛機(jī)機(jī)身外表面不允許與工裝接觸，只能利用機(jī)身兩側(cè)各兩個光孔定位。由于產(chǎn)品光孔的結(jié)構(gòu)是盲孔，對機(jī)身的固定存在一定的技術(shù)難度。為了便于機(jī)身周轉(zhuǎn)、運輸，采用通用固持接頭，利用過渡工裝定位機(jī)體的裝配方式。過渡工裝的內(nèi)側(cè)支撐軸插入機(jī)身，過渡工裝的外側(cè)固持軸通過固持接頭固定，可實現(xiàn)機(jī)身在大滾環(huán)上的定位緊固（圖3）。

圖3 飛機(jī)固持結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of aircraft fixing structure

2.2.2 大滾環(huán)及龍門架

大滾環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。大滾環(huán)外V 形滑道與V 形平底滑道配合使用，4 組支撐滾輪在V 形滑道內(nèi)滾動可保證大滾輪的安裝定位精度，4 組支撐滾輪接觸V形平底滑道柱面可承受大滾輪的側(cè)向載荷，保證翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的正常工作。支撐滾輪按圖5所示布置在龍門構(gòu)架的4 個角上，用于支撐固定大滾環(huán)。支撐滾輪的安裝可通過調(diào)整下部的調(diào)整機(jī)構(gòu)來調(diào)整大滾輪的實際安裝位置，并保證兩大滾輪的同軸度要求，具備良好的工藝性。

圖4 大滾環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of large rolling ring

圖5 支撐滾輪裝配示意圖Fig.5 Assembly diagram of support roller

2.2.3 平移系統(tǒng)

如圖2（c）所示，龍門構(gòu)架利用直線滑軌實現(xiàn)龍門構(gòu)架在底座上的滑動。通過行走驅(qū)動系統(tǒng)推動龍門構(gòu)架，實現(xiàn)龍門構(gòu)架在底座上的水平移動，可按工況需要進(jìn)行距離變位。平移系統(tǒng)布置于地面下，飛機(jī)上架后用蓋板填平地坑，可保證操作工人進(jìn)行飛機(jī)裝配過程的安全性和舒適性。

3 柔性翻轉(zhuǎn)工裝控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由控制器、PLC、傳感器、顯示屏、操作面板、驅(qū)動器、電機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。該系統(tǒng)設(shè)置了多重安全保護(hù)措施。

圖6 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Hardware structure of control system

（1）設(shè)備具有同步保護(hù)功能[9–10]。通過兩滾輪同步旋轉(zhuǎn)檢測裝置，采用兩編碼器檢測角度差，差值超設(shè)定值時系統(tǒng)停機(jī)報警，確保不會對產(chǎn)品造成損害。

（2）設(shè)置報警過載輸出電流。設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)過載保護(hù)，在電機(jī)過載時能實現(xiàn)自動停機(jī)。

（3）設(shè)備設(shè)置有聲光報警裝置。在設(shè)備故障狀態(tài)下聲光報警，并可手動解除。

（4）設(shè)備具有供氣壓力檢測功能。當(dāng)供氣壓力低于設(shè)備預(yù)設(shè)工作壓力值時，設(shè)備不能啟動，執(zhí)行停機(jī)保護(hù)。

（5）氣動抱緊裝置。裝置裝有接近開關(guān)檢測裝置狀態(tài)，當(dāng)抱緊裝置異常時系統(tǒng)不能啟動或者執(zhí)行停機(jī)保護(hù)。

（6）系統(tǒng)設(shè)置了操作權(quán)限，部分功能只有高級權(quán)限的人員才能操作。

3.2 系統(tǒng)工作流程

控制系統(tǒng)工作流程如圖7所示，在手動或自動運行前首先檢測各傳感器狀態(tài)，一切狀態(tài)正常后系統(tǒng)發(fā)出指令大滾輪開始同步運轉(zhuǎn)。在運行過程中一旦傳感器檢測到有異常情況，系統(tǒng)立即停機(jī)并報警。滾環(huán)運動到位后，抱緊裝置抱緊。

圖7 控制系統(tǒng)工作流程圖Fig.7 Flow chart of control system

4 工裝應(yīng)用驗證

新型龍門式柔性翻轉(zhuǎn)工裝實物如圖8所示。以某型號飛機(jī)為應(yīng)用驗證對象，目前，該翻轉(zhuǎn)工裝已成功實現(xiàn)對飛機(jī)整機(jī)的自動旋轉(zhuǎn)變位并滿足相關(guān)功能指標(biāo)，可順利配合完成飛機(jī)補(bǔ)鉚、涂膠、裝配等工作，已交付并投入生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。

圖8 翻轉(zhuǎn)工裝應(yīng)用場景圖Fig.8 Application scenarios of turnover tooling

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)工裝在飛機(jī)整機(jī)翻轉(zhuǎn)過程中適用范圍局限、穩(wěn)定性差以及到位精度低的問題，結(jié)合實際需求分析，設(shè)計并制造了一種新型龍門式柔性翻轉(zhuǎn)工裝。其優(yōu)勢與創(chuàng)新點如下：

（1）工裝采用雙龍門架結(jié)構(gòu)形式，利用新型滾環(huán)結(jié)構(gòu)和V 形支撐滾輪實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)設(shè)備的360°轉(zhuǎn)動功能，結(jié)構(gòu)新穎，保證翻轉(zhuǎn)工裝在整機(jī)負(fù)荷下的剛性要求，實現(xiàn)了大尺寸、大重量的整機(jī)安裝；

（2）底座采用直線導(dǎo)軌實現(xiàn)龍門架獨立平移，滿足工裝對移動到位精度的要求；

（3）采用通用固持接頭，利用過渡工裝定位機(jī)體的裝配方式對不同機(jī)型采用不同的保形工裝及固持接頭，實現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)工裝的柔性設(shè)計與制造理念，提高了翻轉(zhuǎn)工裝的靈活通用性；

（4）利用自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)高精度自動旋轉(zhuǎn)變位，并具備多重安全防護(hù)措施，提高了設(shè)備應(yīng)用安全性。

實際應(yīng)用表明，該翻轉(zhuǎn)工裝可成功實現(xiàn)整機(jī)全姿態(tài)自動變位，具有良好的穩(wěn)定性、精度及安全性，能可靠實現(xiàn)飛機(jī)整機(jī)及大部件的翻轉(zhuǎn)，提高了飛機(jī)裝配及維修效率，對航空裝備制造自動化具有一定的理論和實踐意義，并為航空工業(yè)新機(jī)研制及柔性工裝設(shè)計領(lǐng)域提供了寶貴經(jīng)驗。