大型复杂形面壁板柔性测控工装系统及测控方法
【专利摘要】本发明公开了一种大型复杂形面壁板柔性测控工装系统，包括被配置为限定壁板组件安装空间的型架框架组件；可旋转地安装于型架框架组件上用于安装壁板组件的壁板形面保型定位组件；水平可移动地安装于型架框架组件上的形面测量组件；与形面测量组件电气连接的装配信息集成控制系统模块。本发明还提供了采用上述系统进行壁板装配的柔性测控方法。本发明实现了定位点的柔性调整，能够适应一定尺寸范围内不同型号的机身壁板组件，不需要大型专用工装，缩短了装配周期，节约了工装成本，并且能够快速响应不同型号机身壁板的装配要求，能够显著提高装配效率。工装中动态模块的设计使得本装置同时满足了装配站位开敞性以及测量站位可见性的要求。
【专利说明】大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统及测控方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及数字化装配【技术领域】，尤其涉及ー种飞机舱段壁板基于功能尺寸的测控エ装系统及其测控方法。
【背景技术】
[0002]飞机机身外型直接影响飞机气动性能和承载能力，机体通常由各桶形舱段对接而成，装配基本单元为壁板组件，是飞机最重要的承力装置。由蒙皮、剪切角片与钣金框构成的机身壁板通过安装型架装配成形，壁板理论外形传统上采用构架样板模式进行检测和描述，即采用一対一的型架卡板，用于型架相连接的卡板端头位置固定、互換性差，一旦产品改型，型架中的骨架、卡板、定位器等辅助部分一般不可重复使用，此外，传统型架开敞性差，零件进出架干扰大，相匹配的外形測量手段由于可见性的约束，特定情况下需将测量仪器转场，严重影响精度与效率。随着现代飞机设计要求的不断提高，壁板无论从外形还是结构上都日趋复杂，制造装配难度不断増大，现有型架与检测模式难以适应现代复杂外形壁板的装配与检测要求，必须研发壁板外型数字化柔性测控系统。
[0003]当前工程应用上，壁板钻铆装配过程中存在预连接与钻铆两个装配过程，预连接过程是将长桁、剪切角片与蒙皮通过预定位销进行连接，形成初始壁板。预定位连接过程是影响壁板钻铆装配质量和装配效率的重要环节。具体实施过程需要多エ位配合，依赖经验进行エ艺调整，难度大且过程复杂，因而亟需与数字化装配所配套的测量与控制方法。
[0004]目前国内的柔性装配エ装领域主要是在传统卡板型架基础上进行了改进。如专利CNlO 1486143A公开了一种柔性装配数字化型架装置，通过编程控制电机运动以实现卡板装配点的自由调形，通过更换不同卡板，可以用于多种壁板类零件装配。然而，该装置仍要根据不同壁板零件制作相应卡板，装置的通用型不够强。专利CN201008935Y公开了ー种壁板铆接柔性装配型架，具有ー个自由柱支撑的型架框架和沿立柱面间隔排列的外形定位卡板，以及安装在外形定位卡板上的限位器，在卡板侧面间隔设置安装在吸盘托架上的真空吸盘，用于吸附壁板。该公开在更换壁板种类时需要更换外形定位卡板，当面对不同外形的壁板时，必须研制不同的装配エ装，无法利用设计端丰富的三维数模信息，造成研制成本过高与制造端数据传递的断层。专利CN201120204222.7公开了ー种壁板自动钻铆装配多点柔性定位エ装，具有若干个吸盘式POGO柱和夹持式POGO柱，由控制系统进行エ装定位点、蒙皮、长桁实际位姿的调整，实现壁板预连接定位，多点柔性定位エ装实现了定位点的柔性调整。但该公开所需投资的POGO柱及相应辅助装置成本高，控制数量众多的定位点的工作量也加大，控制程序复杂，且装配空间小；测量方案布置同样受到产品拓扑结构的约束。因此，上述改进的各种方法在壁板钻铆装配柔性化与自动化平衡兼顾方面尚不尽如人意，不能适应现代飞机制造业低成本、高质量、快响应的要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有壁板钻铆装配技术中的上述不足，提出ー种针对飞机舱段大型复杂形面壁板的柔性装配定位及測量一体的型架系统及在线测控方法。
[0006]现代飞机部件装配中大量应用了基于数字化协调技术的协调孔(通称DA孔)定位方法，机身壁板的定位点在飞机坐标系中定义。在壁板的装配エ装型架上用数字化方法确定相应定位点，用激光跟踪仪确定它们在飞机坐标系中的位置，保证多块机身壁板在机身坐标系里相互协调，使壁板能装配到机身的准确位置上。本发明基于该原理来设计适用于飞机舱段大型复杂形面壁板的柔性测控エ装系统。
[0007]根据本发明的一方面，所述大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统包括型架框架组件，其被配置为限定壁板组件安装空间；壁板形面保型定位组件，其上安装壁板组件，并可旋转地安装于所述型架框架组件上；形面测量组件，其水平可移动地安装于所述型架框架组件上；以及装配信息集成控制系统模块，其与所述形面测量组件电气连接。
[0008]优选地，所述壁板形面保型定位组件能够在水平位置和垂直位置之间旋转，其中，在水平位置，壁板组件处于预装配连接和測量状态，在垂直位置，壁板组件处于装配状态，由此构成エ装系统中的动态模块。
[0009]根据本发明的一种实施方式，所述型架框架组件包括间隔设置的一对立柱部件和设置于所述ー对立柱部件上方的上横梁部件，所述形面测量组件可移动地安装于所述上横梁部件上。
[0010]根据本发明的一种实施方式，所述形面测量组件包括沿所述上横梁部件设置的水平丝杆、沿所述水平丝杆可移动的水平移动单元，以及设置在所述水平移动单元上的激光测量单元，所述水平丝杆由水平驱动电机驱动。
[0011]优选地，所述ー对立柱部件上还分别设置有垂直丝杆和沿其可移动的垂直移动单元，所述垂直丝杆由垂直驱动电机驱动。
[0012]根据本发明的一种实施方式，所述壁板形面保型定位组件包括保型支架围框；一对围框转轴，每个围框转轴将所述保型支架围框连接于ー个所述立柱部件；多个可调换形面卡板，其可拆卸地连接至所述保型支架围框，并沿所述保型支架围框的相对两个侧边框间隔布置；以及多个吸盘定位単元，其沿每个所述可调换形面卡板间隔布置。
[0013]进ー步地，每个所述可调换形面卡板可通过形面卡板支承部件连接至所述保型支架围框，所述保型支架围框在相对两个侧边框上设置有卡板支承部件定位导轨，其上设有多个用于通过紧固部件将所述形面卡板支承部件固定的定位孔。
[0014]进ー步地，所述吸盘定位単元包括球面基座、安装于所述球面基座上的柔性负压吸盘、以及设置于所述柔性负压吸盘内的球形定位器。
[0015]根据本发明的另一方面。提供了一种采用上述大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统进行壁板装配的柔性测控方法，包括:
[0016]a)在软件环境下根据壁板组件定位特征点建立三维模型；
[0017]b)将壁板形面保型定位组件旋转固定至水平位置，根据需装配的壁板组件形面特征由形面测量组件确定可调换形面卡板的正确位姿；
[0018]c)将壁板组件上架，完成壁板组件中各零件的预装配定位和夹持；
[0019]d)将壁板组件的定位特征点測量信息传输到装配信息集成控制系统模块，通过定位偏差源诊断，生成调姿方案来调整预装配定位点；
[0020]e)将壁板形面保型定位组件旋转固定至垂直位置，完成壁板组件的装配；[0021]f)将壁板形面保型定位组件旋转固定至水平位置，由形面測量组件获取形面测控点数据，评价装配后外形质量；
[0022]g)将装配后的壁板组件下架。
[0023]有利地，在步骤c)之前，根据步骤a)中建立的三维模型信息，在壁板组件上预制零件定位特征协调孔。
[0024]有利地，步骤b)中所述可调换形面卡板的正确位姿通过吸盘定位単元的球形定位器来确定，形面測量组件获取球形定位器的球心实际坐标，与模型信息中的理论坐标位置对比并调整确定可调换形面卡板的正确位姿。
[0025]有利地，步骤c)中，所述壁板组件中各零件的预装配定位和夹持通过将预制的零件定位特征协调孔与球形定位器正确配合，并由吸盘定位单元对壁板组件施加负压来实现。
[0026]有利地，步骤d)中，形面測量组件测量壁板组件上预制的零件定位特征协调孔的实际坐标，对比模型信息的理论坐标，基于空间坐标转换算法生成调姿方案，通过调整球形定位器的位移实现壁板组件位姿的调整。
[0027]根据本发明的用于飞机舱段大型复杂形面壁板的柔性测控エ装系统及方法的优点与功效在于:多点柔性定位方法与エ装实现了定位点的柔性调整，能够适应一定尺寸范围内不同型号的机身壁板组件，不需要大型专用エ装，缩短了装配周期，节约了エ装成本，并且能够快速响应不同型号机身壁板的装配要求，显著提高了装配效率；通过激光测量设备控制柔性型架エ装以及所需装配零件的高精度位姿调整，能够将软件系统中的数据集传递至装配エ序，实现了所装配壁板组件的柔性定位夹持与实时测量微调，自动化程度与装配准确度较高；使用负压定位吸盘阵列实现大尺寸柔性零件多点定位与夹紧，夹持可靠便捷，且对装配过程影响小；将装配定位控制与表面形面測量集成在同一エ装中，避免了装配过程中零件移位转站，エ装中动态模块的设计使得本装置同时满足了装配站位开敞性以及测量站位可见性的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]本发明的更多特征及优点将通过下面结合附图对【具体实施方式】的进ー步详细说明来更好地理解。其中:
[0029]图1是根据本发明优选实施方式的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统的结构示意图；
[0030]图2是图1所示柔性测控エ装系统从后方看的结构示意图；
[0031]图3是图1所示柔性测控エ装系统处于预装配定位及測量状态时的结构示意图；
[0032]图4是根据本发明的吸盘定位単元的结构示意图；
[0033]图5为图4中吸盘定位单元的侧视图；以及
[0034]图6为沿图5中线A-A的截面示意图。
【具体实施方式】
[0035]以下结合具体实施例和附图对本发明作进ー步详细说明。在下面的具体描述中，方向性的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”等均參考附图中描述的方向使用，这些方向性的术语仅用于示例而非限制。
[0036]首先參见图1和图2，根据本发明一优选实施方式的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统包括由一对间隔设置的立柱部件I和设置于该对立柱部件I上方的上横梁部件2构成的型架框架组件，其为整个柔性定位及测量エ装的承重部件，并在间隔开的立柱部件I和上横梁部件2之间限定出壁板组件安装空间。用于安装壁板组件的壁板形面保型定位组件可旋转地安装于立柱部件I上，并包括大致矩形的保型支架围框3、ー对围框转轴4、多个可调换形面卡板5以及多个吸盘定位単元15。其中，每个围框转轴4将所述保型支架围框3连接于一个立柱部件1，以使其可沿两个围框转轴4形成的轴线旋转，在水平位置时为壁板组件的预装配连接与測量状态，在垂直位置时为壁板组件的钻铆状态。根据所需装配壁板外形特征配置可安装相应的可调换形面卡板，可调换形面卡板5可拆卸地连接至保型支架围框3，并沿保型支架围框3的相对两个侧边框间隔布置。如图所示的实施方式，可调换形面卡板5由形面卡板支承部件6连接至保型支架围框3，形面卡板支承部件6则通过设置在保型支架围框3的上下两个侧边框上的卡板支承部件定位导轨7及其上的多个定位孔8连接至保型支架围框3，形面卡板支承部件6与可调换形面卡板5以及卡板支承部件定位导轨7之间的连接可例如通过螺钉或销等类似部件来实现。这里还应当理解的是，多个可调换形面卡板5也可沿设置在保型支架围框3的左右两个侧边框上的相应连接结构来布置。
[0037]此外，多个吸盘定位単元15可沿每个可调换形面卡板5间隔布置，如图2所示。图4至图6示出了吸盘定位単元15的一种实施方式，其包括球面基座21、安装于球面基座21上的柔性负压吸盘20、以及设置于柔性负压吸盘20内的球形定位器19。壁板形面保型定位组件处于预装配エ况时吸盘定位単元15用于定位壁板组件中的蒙皮零件；壁板形面保型定位组件处于钻铆エ况时，用于均匀吸附夹紧所安装的壁板组件。
[0038]蒙皮零件上架预连接前会在壁板组件上预制零件定位特征协调孔，零件上架后将蒙皮零件预制定位孔与球形定位器19顶部球面配合，不管曲面上点的法向矢量方向如何，定位孔中心点与球心点始终重合，实质是将球;点移动到飞机蒙皮数模上标定的定位点。柔性负压盘20与球面基座21可通过配合的球面实现一定角度的转动，实现与壁板零件配合面的贴合。定位完成后，所有吸盘定位単元生成与装配件曲面完全符合并均匀分布的吸附点阵，从而精确和牢固地夹持壁板以便完成钻铆与測量工作。
[0039]根据本发明的柔性测控エ装系统还包括形面测量组件，其水平可移动地安装于所述型架框架组件上，装配信息集成控制系统模块(未示出)与形面测量组件电气连接。如图1所示，所述形面测量组件包括沿上横梁部件2设置的水平丝杆11、沿所述水平丝杆11可移动的水平移动单元10，以及设置在所述水平移动单元10上的激光测量単元9，其中所述水平丝杆11由水平驱动电机14a驱动。通过水平安置的水平驱动电机14a以及水平丝杆11能够实现将水平移动单元10上的激光测量単元9沿固定的型架框架组件的长度方向运动至指定位置，进而实现测量。
[0040]有利地是，本发明的柔性测控エ装系统还包括垂直安装于立柱部件I上的垂直丝杆13和沿其可移动的垂直移动单元12，所述垂直丝杆13由垂直驱动电机14b驱动，从而通过垂直丝杆13驱动垂直驱动单元12直线往复运动，实现上横梁部件2沿垂直方向的位移，方便大尺寸壁板组件(如蒙皮等)进出架。
[0041]根据本发明的柔性测控方法主要在CAD软件环境下基于多点定位原理来实现。当然，也可采用其他的软件环境而不限于在此提及的示例。飞机钣金件数字化柔性装配的主要问题是解决曲面的定位，即如何定位曲面上的点。作为飞机蒙皮的钣金件，其曲面形状复杂，多数采用Bezier曲线拟合。飞机钣金件刚性较差，采用三点定位原则无法满足装配定位要求。根据飞机制造和飞机钣金零件易变形的特点，对于飞机装配的曲面应采用多点定位。曲面上定位点为具有矢量的空间点。定位曲面的点越多，在装配时曲面越精确，但是同时控制定位点的工作量也加大，控制程序复杂，且装配空间越小。在装配型架中定位后也可以认为其为刚性体，定位点的布局为一方形矩阵，控制点阵数量为奇数，将点阵中心点设为零件坐标原点，控制时作为基准点，其余点通过与基准点的相对位置，根据曲面数模数据运动到相应位置。
[0042]因此，本发明柔性测控方法可包括以下步骤:
[0043]首先，在CAD环境下，根据设计方案所确定的零件定位特征点建立三维模型信息，在壁板组件所需装配的蒙皮、长桁、剪切角片与钣金框等零件上预制均布的零件定位特征DA孔，例如蒙皮零件上包括零件制造DA孔(未标示)、上架预制装配定位DA孔16、长桁配合定位DA孔17与剪切角片配合定位DA孔(未标示)。
[0044]然后，根据所需装配的壁板组件外形曲面，选配相应形面卡板5，通过形面卡板5上的吸盘定位単元15的球形定位器19表征保型エ装的理论位姿。将装配エ装系统中的动态模块，即壁板形面保型支架围框3绕围框转轴4旋转固定至水平位置，如图3所示，激光测量单元9获取各形面卡板5上吸盘定位単元15的球形定位器19的球心实际坐标，经与设计数模中的理论坐标位置对比，调整后确定各形面卡板5在装配エ装上的正确位姿。通过形面卡板支承部件6将各形面卡板5固定于保型支架围框3在上下侧边框对称布置的卡板支承部件定位导轨7上，固化各个形面卡板的正确位姿。
[0045]此时，将蒙皮零件22上架，使蒙皮零件22的内形面与各个形面卡板5的保型面紧密贴合，并使蒙皮零件22上的预制装配定位DA孔16与吸盘定位単元15的球形定位器19正确配合，完成蒙皮零件22的预装配定位。各个柔性负压吸盘20实施负压，完成对蒙皮零件22的夹持。
[0046]然后，将壁板组件的定位特征点測量信息传输到装配信息集成控制系统模块，由控制系统进行エ装定位点、蒙皮、长桁等实际位姿的计算并生成调姿方案，对壁板组件的位姿进行调姿，并将各组件自由度行程反馈给控制系统模块。具体来说，測量蒙皮零件22上预制的装配定位DA孔16、长桁配合定位DA孔17与剪切角片配合定位DA孔中心等关键控制特征点的实际坐标，对比模型信息获取的理论坐标，基于空间坐标转换算法生成调姿方案，通过调整负压吸盘点阵中各球形定位器19的位移，实现蒙皮零件22位姿的调整。重复本步骤，直到蒙皮零件22上的预制装配定位DA孔16的实际坐标与理论坐标的偏差在允许公差范围内。同样，将各长桁与剪切角片通过各自零件上预制的预装配定位孔与蒙皮零件上所对应的定位孔配合，完成长桁与剪切角片的预装配铆接定位。
[0047]预装配定位完成后，将保型支架围框3旋转固定至如图1所示垂直位置，预制长桁23和剪切角片(未标示)与蒙皮连接的预定位孔。然后，拆除预装配的长桁与剪切角片，对蒙皮、长桁与剪切角片上的预定位孔进行去毛刺和除屑操作，涂缝内胶，再次以配合定位DA孔将长桁与剪切角片预定位安装，逐一在预定位孔中铆接铆钉，完成铆接。重复同样过程，完成各截面钣金框与剪切角片的安装。[0048]装配完成后，可将保型支架围框3旋转恢复至水平位置，通过激光测量单元9获取装配后壁板蒙皮上形面测量控制点18的实际坐标，通过空间坐标转换算法获得壁板组件外形质量数据，包括各长桁配合处的直线度、各外形截面上測量点与理论外形的公差等，以此评价装配后壁板组件的外形质量。
[0049]最后，解除吸盘点阵中各柔性负压盘20的负压，将壁板组件从柔性定位エ装中拆卸下架，至此，完成壁板组件的钻铆装配エ序。
[0050]通过上述的描述可看出，本发明通过在壁板组件中蒙皮与剪切角片、长桁连接上设计协调孔实现自身特征数字化协调装配的基础上，在型架エ装上实现组件定位及装配与在线测量功能，在获取在线数据的基础上实现定位偏差源诊断，调整预装配定位点，进而完成壁板组件预装配定位。采用这种柔性测控エ装系统和方法，可以有效满足现代飞机制造业低成本、高质量、快响应的要求。
[0051]本发明的技术内容及技术特点已掲示如上，应当理解的是，上述实施方式存在许多修改方式，这些方式对相关领域技术人员来说是很明显的。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统，包括: 型架框架组件，其被配置为限定壁板组件安装空间； 壁板形面保型定位组件，其上安装壁板组件，并可旋转地安装于所述型架框架组件上； 形面测量组件，其水平可移动地安装于所述型架框架组件上； 装配信息集成控制系统模块，其与所述形面测量组件电气连接。
2.根据权利要求1所述的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统，其特征在于，所述壁板形面保型定位组件在水平位置和垂直位置之间旋转，其中，在水平位置，壁板组件处于预装配连接和測量状态，在垂直位置，壁板组件处于装配状态。
3.根据权利要求1所述的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统，其特征在于，所述型架框架组件包括间隔设置的一对立柱部件(I)和设置于所述ー对立柱部件(I)上方的上横梁部件(2)，所述形面测量组件可移动地安装于所述上横梁部件(2)上。
4.根据权利要求3所述的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统，其特征在干，所述形面测量组件包括沿所述上横梁部件(2)设置的水平丝杆(11)、沿所述水平丝杆(11)可移动的水平移动单元(10)，以及设置在所述水平移动单元(10)上的激光测量単元(9)，所述水平丝杆(11)由水平驱动电机(14a)驱动。
5.根据权利要求3所述 的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统，其特征在于，所述一对立柱部件(I)上还分别设置有垂直丝杆(13)和沿其可移动的垂直移动单元(12)，所述垂直丝杆(13)由垂直驱动电机(14b)驱动。
6.根据权利要求3所述的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统，其特征在于，所述壁板形面保型定位组件包括: 保型支架围框⑶； ー对围框转轴(4)，每个围框转轴(4)将所述保型支架围框(3)连接于一个所述立柱部件⑴； 多个可调换形面卡板(5)，其可拆卸地连接至所述保型支架围框(3)，并沿所述保型支架围框(3)的相对两个侧边框间隔布置； 多个吸盘定位単元(15)，其沿每个所述可调换形面卡板(5)间隔布置。
7.根据权利要求6所述的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统，其特征在干，每个所述可调换形面卡板(5)通过形面卡板支承部件(6)连接至所述保型支架围框(3)，所述保型支架围框(3)在相对两个侧边框上设置有卡板支承部件定位导轨(7)，其上设有多个用于通过紧固部件将所述形面卡板支承部件出)固定的定位孔(8)。
8.根据权利要求6所述的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统，其特征在于，所述吸盘定位単元(15)包括球面基座(21)、安装于所述球面基座(21)上的柔性负压吸盘(20)、以及设置于所述柔性负压吸盘(20)内的球形定位器(19)。
9.采用根据权利要求1至8任一所述的大型复杂形面壁板柔性测控エ装系统进行壁板装配的柔性测控方法，包括: a)在软件环境下根据壁板组件定位特征点建立三维模型； b)将壁板形面保型定位组件旋转固定至水平位置，根据需装配的壁板组件形面特征由形面测量组件确定可调换形面卡板(5)的正确位姿；c)将壁板组件上架，完成壁板组件中各零件的预装配定位和夹持； d)将壁板组件的定位特征点測量信息传输到装配信息集成控制系统模块，通过定位偏差源诊断，生成调姿方案来调整预装配定位点； e)将壁板形面保型定位组件旋转固定至垂直位置，完成壁板组件的装配； f)将壁板形面保型定位组件旋转固定至水平位置，由形面測量组件获取形面测量控制点数据，评价装配后外形质量； g)将装配后的壁板组件下架。
10.根据权利要求9所述的柔性测控方法，其特征在于，在步骤c)之前，根据步骤a)中建立的三维模型信息，在壁板组件上预制零件定位特征协调孔(16、17)。
11.根据权利要求10所述的柔性测控方法，其特征在于，步骤b)中，所述可调换形面卡 板(5)的正确位姿通过吸盘定位単元(15)的球形定位器(19)来确定，形面測量组件获取球形定位器(19)的球心实际坐标，与模型信息中的理论坐标位置对比并调整确定可调换形面卡板(5)的正确位姿。
12.根据权利要求11所述的柔性测控方法，其特征在于，步骤c)中，所述壁板组件中各零件的预装配定位和夹持通过将预制的零件定位特征协调孔(16、17)与球形定位器(19)正确配合，并由吸盘定位単元(15)对壁板组件施加负压来实现。
13.根据权利要求12所述的柔性测控方法，其特征在于，步骤d)中，形面測量组件测量壁板组件上预制的零件定位特征协调孔(16、17)的实际坐标，对比模型信息的理论坐标，基于空间坐标转换算法生成调姿方案，通过调整球形定位器(19)的位移实现壁板组件位姿的调整。
【文档编号】B25B11/02GK103447792SQ201310345064
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月8日 优先权日:2013年8月8日
【发明者】陈伟, 李明慧, 金隼, 卢鹄, 郑丞, 李苗 申请人:上海飞机制造有限公司, 上海交通大学