王望1，张誉2，郑植元1，陈虹1，丰泽华1
1.中航飞机股份有限公司制造工程部，西安 710089 2.空装驻西安地区第一军事代表室，西安 710089
摘要：阐述了柔性装配技术的涵盖面和发展现状，以某型机的副翼为研宄对象，对其柔性化定位、装夹技术进行了分析探讨，确定了数字化柔性装配工装的结构形式，研究了副翼数字化装配工艺过程及机器人制孔工艺方案，最后对副翼的关键特征进行数字化测量，得到了合格的副翼产品，实现了副翼的柔性化装配及装配过程的全数字量传递。
关键词：柔性装配；柔性工装；复合材料；机器人制孔；激光测量
The research on Digital Flexible Assembly Technology of Ailerons
WANG wang，ZHENG zhiyuan，CHEN hong，FENG zehua
（AVIC AIRCRAFT Co.,Ltd , Xi`an，710089，China）
[Abstract] In this paper, the coverage and development of flexible assembly technology were described. Based on the flexible positioning and clamping technology of a certain aircraft Ailerons, the structural form of digital flexible assembly equipment were determined. As well as, the research of assembly process and robotic drilling process were mainly used in practical assembly. Finally, A qualified ailerons was obtained by digital measurement of the key features. From these studies it can be concluded that the flexible assembly process of the ailerons were realized.
Keywords: flexible assembly; flexible equipment; composite materials; robotic drilling; laser measurement
[收稿日期：2020-07-28
作者简介: 王望（1991-），女，硕士研究生，工程师，主要研究方向：飞机数字化装配制造技术，E-mail：519473156@qq.com
]
飞机产品尺寸大、形状复杂、零件及连接件数量多，其装配工作量约占整个飞机制造劳动量的50%以上[1-3]。装配作为飞机制造的一个重要环节，一直是航空企业的关注焦点，随着飞机性能要求的提高，交付周期的缩短，更新换代越来越频繁，传统的装配生产方式很难满足研制成本、效率及质量等方面的要求，飞机的装配技术已成为制约我国飞机快速研制的巨大障碍[3-4]。在经历了手工装配、半自动化装配、自动化装配之后，飞机的数字化柔性装配已成为当前国内外飞机制造业数字化制造的大趋势[4-5]。
与国外相比，国内在柔性装配技术领域起步较晚、基础薄弱[6-7]，近几年才开始在航空制造业上少量应用，国内外飞机制造技术的发展都表明，柔性装配可以有效的缩短生产准备周期、降低制造成本、提高产品质量[2，8-9]。柔性装配技术的涵盖面非常广泛，包括柔性装配工装、装配（工艺）设计、柔性制孔、虚拟装配、数字化检测等技术领域[10]，其中柔性制孔技术包括自动化制孔、便携式柔性制孔、机器人制孔技术三类[11]。
本文以某型机的副翼为研宄对象，对其柔性化定位、装夹技术进行了分析探讨，确定了数字化柔性装配工装的结构形式，研究了副翼数字化柔性装配工艺流程，及机器人制孔工艺方案，最后对副翼的关键特征进行了数字化测量，以检验柔性装配下副翼产品的质量。
1 某型机副翼结构特点分析
复合材料因其具有轻量化、高强度、优异的抗疲劳性能和抗腐蚀性、可设计性等特点，在现代飞机结构大量应用[12]。某型飞机副翼如图1所示，其结构主要由上蒙皮、下蒙皮、梁、接头、肋和前缘隔板组成，其中上、下蒙皮、梁、肋和前缘隔板均采用了复合材料成型；接头为铝合金机加成型。
该副翼结构共有4个铝合金接头，分别为悬挂接头和悬挂操纵耦合接头；梁在悬挂操纵耦合接头处分为内段梁和外段梁两部分；前缘隔板、肋与梁及接头连接，上述骨架连接构成副翼的主承力构件，蒙皮则构成副翼的气动外形的主要结构件。
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副翼的装配特点如下
（1）副翼装配过程先形成骨架组件和壁板组件，再以蒙皮外形为定位基准，安装壁板组件，骨架装配的关键在于接头和梁的定位。
（2）壁板组件以蒙皮外表面为装配基准，安装肋与长桁零件，其关键在于副翼蒙皮的定位。
（3）零件的定位方式主要采用装配工装定位、工艺孔定位、基准件定位。
（4）副翼壁板组件装配定位基准与设计基准、零件加工制造基准、定位基准统一，并在二次定位时也使用同一定位基准。
（5）在副翼骨架和蒙皮之间留有补偿。
（6）连接以铆接为主，胶接、螺栓连接为辅。
2 副翼数字化柔性工装设计
根据副翼产品的结构特点和精度要求，对各零件定位、装夹方式进行了分析探讨，进而确定副翼的装配工装结构。
2.1 副翼零组件定位方式
（1）以蒙皮外形为基准，与长桁、肋共胶结形成壁板组件；壁板组件在铣切外形时使用多点阵真空吸盘式柔性工装定位，通过计算机辅助控制调整工装的形状，使装配基准与设计基准统一，保证工装的形状与数字模型高度匹配。
（2）骨架是副翼的主承力结构，通过工装结合零件定位孔定位，接头利用其结构交点孔，外段梁、肋利用工艺孔或系统通过孔，内段梁则利用系统通过孔及梁外形面与工装配合定位，前缘隔板通过梁内形及轴线挡件定位。
（3）装配时，壁板组件则采用外形基准面和耳片工艺孔进行定位。
2.2 副翼数字化柔性工装原理
副翼数字化柔性工装的关键在于工装具有快速重构调整的能力，具体通过模块化结构单元的重构和调整来实现，这种柔性可重构功能，实现了飞机装配中工装和零件“一对多”的模式；柔性工装基于数字量传递，实现了工装的数字化定位，而工装柔性定位的关键在于定位器可以适应产品结构，可进行多个自由度的调整，方便调节、控制，以适应孔位、孔径及基准面的变化，并有专门的锁紧装置。副翼的定位器采用滑动装置与合适的定位件连接形成，定位器的差别在于定位件不同，从而适应不同的定位方式，根如图2所示。
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2.3 副翼数字化柔性装配工装
副翼柔性工装是在传统工装的结构基础上，融合柔性工装技术的思想设计完成的[13]，结构主要由框架和模块化的定位器组成，据副翼结构特征在框架上配置与之对应的定位器，并通过调整定位器的自由度，形成副翼装配的柔性工装，具体如3图所示。
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3 副翼装配工艺设计
副翼部件装配过程先将若干零件装配成组合件，形成骨架组件和壁板组件，再以骨架组件外形为基准，安装壁板组件，从而形成副翼。分析飞机副翼的装配工艺流程，将副翼零件分为骨架组件和壁板组件两类，副翼装配流程如下图所示。
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3.1 壁板装配
副翼蒙皮与肋、长桁均为复合材料，以蒙皮外形为基准，采用共胶结的方式与肋、长桁形成壁板组件；对其外形进行铣切，铣切外形时使用多点阵真空吸盘式柔性工装定位，通过计算机辅助控制调整工装的形状，保证工装的形状与蒙皮外形数模高度匹配，定位后对壁板组件外形进行铣切，并铣出两个耳片孔。
3.2 骨架装配
根据工装理论数模，将工装定位器调整至理论位置，再利用激光测量仪测量对各定位器进行检查，确保工装精度，满足误差要求后，锁死工装定位器的位置；骨架是副翼的主承力结构，通过柔性工装结合零件定位孔定位，接头利用其结构交点孔，梁、肋利用工艺孔和系统通过孔与柔性工装上的定位接头配合定位、支撑和夹紧；前缘隔板通过梁内形及柔性工装上的轴线挡件定位器定位。
3.3 副翼装配
为避免副翼壁板在刚性工装的定位下，不能自由移动，造成局部过载，结构变形的问题。副翼上、下壁板通过耳片孔定位，并采用定位卡板对壁板外形进行定位压紧，每个卡板上设置有4个定位压紧器，且定位器上可以测量压力值，保证定位可靠，装配应力符合设计要求。
3.4 装配协调路线与误差传递
（1）接头、梁、加强肋和前缘隔板均采用工装定位器定位连接，形成骨架部件，此时误差由内向外传递；
（2）蒙皮在铺贴制造、共固化成形、铣切外形时均以蒙皮外形为基准，这与设计基准统一，此时误差由外向内传递；
（3）副翼装配时，壁板组件是通过预先设计好的工艺耳片在工装上完成定位，再以蒙皮外形为基准进行装配，这就使得装配误差由外向内传递；此时的误差不仅有前面传递过来的误差，还有零件本身的定位与制造误差，这些误差都通过垫片进行补偿，最终完成装配误差的消除。
4 副翼机器人制孔技术研究
副翼结构大量采用复合材料，在副翼装配的过程中，复合材料需要与同类材料或铝合金材料进行制孔连接，与金属材料相比，制孔一直是复合材料的薄弱环节，而采用机器人制孔可以解决手工制孔时质量不稳定等技术难题[14-15]，保障了复材孔的精度和质量，其机器人制孔工艺设计过程包括以下几点。
（1）孔位信息获取：副翼的机器人制孔以MBD数据为输入，提取副翼产品数模中孔的点位信息，结合CATIA的二次开发，将数模中的点位信息转化为自动制孔信息，主要包括：孔位、法矢、制孔深度、标准件信息等，为机器人自动制孔提供信息来源。
（2）机器人制孔路径规划原则：从翼根到翼梢，从前梁到后梁；先制数量最多的孔，再制次多的，依次减少。
（3）预紧孔选择：蒙皮制孔前需要首先将蒙皮在装配的部件上夹紧，以便满足制孔过程的稳定性要求，因此在副翼壁板与骨架的连接孔中设计预紧孔，在机器人制孔前，制出所有预紧孔，预紧孔孔径比实际孔径小，并在该小孔处安装临时紧固钉。
为避免二次定位带来的误差，取消副翼预紧孔装配后的出架[16]，在拆除多余定位器及单侧卡板后，将副翼及工装一起运送到机器人制孔站位，在该站位对副翼骨架与壁板进行自动制孔。
（4）制孔与连接：工装上设置有找正点，在自动制孔时，保证机器人不与其他部位发生干涉。按照规划的路径进行自动制孔，完成后手动安装终孔临时紧固钉，机器人自动制出所有预紧孔的终孔，完成单面后，旋转工装，重复制下壁板的孔。对完成制孔的副翼进行零组件进行连接，形成副翼部件。
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5 飞机副翼数字化测量
对于副翼零件，其关键特征是保证各个零件上的定位孔、定位面、工艺孔等的位置度，这些通过工装定位器来保证，而工装定位器通过激光跟踪仪进行测量调整，保证定位器的准确度；对于副翼部件，其关键特征是要保证副翼的气动表面外形，以及接头交点处互换协调的准确性，如保证接头交点孔的位置度和同轴度。
按上述数字化柔性装配方案，完成副翼的装配，并采用激光跟踪仪对副翼的关键特征进行测量，得到副翼的实际测量数值，通过计算机对这些实测数据进行处理，并与理论数据进行对比、分析，通过数字量的对比来分析副翼装配的准确度。副翼上蒙皮实测值与理论值的对比如图6所示，对副翼上、下蒙皮、接头交点孔按照交付规范测量点位分布要求进行测量，其实测值均满足设计要求。
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6 结论
（1）分析了副翼产品的结构特点和精度要求，对各零件定位、装夹方式进行了分析探讨，研究了模块化结构单元的重构和调整，确定副翼的装配工装。
（2）基于副翼柔性化工装，规划了副翼的装配协调路线与误差传递方向，建立了副翼的数字化装配工艺流程。
（3）针对复材和铝合金、复材与复材叠层形式，规划了副翼上下翼面的机器人制孔工艺方案，保障复材孔的精度和质量，提高了制孔效率。
（4）采用激光跟踪仪对副翼的关键特征进行测量，得到副翼的实际测量数值，并与理论数据进行对比、分析，最终装配完成的副翼满足设计要求，实现了副翼的柔性化装配及装配过程的全数字量传递。
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