一种力-位协同的复合材料翼盒装配方法与流程

本发明涉及一种力-位协同的复合材料翼盒装配方法，属于飞机装配技术领域。

背景技术：

相比于传统的金属材料，先进复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优点，在飞机制造中得到了越来越广泛的应用。在飞机上采用先进复合材料可以大幅度减轻机体结构质量、增加飞机结构的整体性，减少装配工作量，提高飞机的综合性能。

尽管复合材料成型工艺技术不断发展，使复合材料结构的整体性有较大提高，但是，受复合材料本身性质以及成型工艺方法复杂性的限制，复合材料构件的制造几何精度不易控制。复合材料构件大多使用半模成型，一面与成型模具接触，称为贴膜面，另一面与真空袋接触，称为非贴膜面。其中，贴膜面成型精度较高，而非贴膜面由于树脂的流动和纤维树脂热膨胀系数的差异，成型精度较低，尺寸和形位偏差较大，其零部件的实际形状及尺寸与理论设计模型之间存在一定的制造偏差，因此，复合材料结构在装配时，配合面处会产生装配间隙，这会给装配结构带来不利影响。

复合材料翼盒包括上壁板、下壁板、前梁、后梁和翼肋，而翼肋又由左肋、中间肋和右肋构成。复合材料翼盒装配时，首先要将前、后梁和翼肋在型架上进行定位、夹紧、制孔和连接，形成翼盒骨架结构，然后再将上、下壁板上型架进行定位、夹紧、制孔和连接。传统的飞机装配使用的装配定位方法是“位置控制”，即利用安装在装配型架上的定位件对飞机构件进行定位，保证装配精度。但是这一方法也显示出一定的局限性：首先，装配型架的设计、制造、安装与调整需要较长的准备周期，需要花费大量的资金；其次，在型架上装配构件时，工序较为繁琐，需要人为调整构件位置、夹紧、制孔、去毛刺、清理、连接等，这无疑加大了工人的劳动量，不利于自动化、数字化在飞机装配中的应用。

技术实现要素：

本发明要解决技术问题是：克服传统工装中复合材料翼盒装配时产生过大的装配应力的缺点，提出一种针对飞机复合材料翼盒装配的力-位协同控制的装配方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种力-位协同的复合材料翼盒装配方法，所述复合材料翼盒通过工装进行装配，所述工装由框架以及设置在框架上的前梁定位器、后梁定位器和壁板定位器构成；所述壁板定位器包括定位底座、插入定位底座内的弹簧套筒以及固定在弹簧套筒外端面的壁板定位板，所述弹簧套筒内端面与弹簧的一端相连，所述弹簧的另一端与定位底座的内端面相连，所述弹簧套筒可以在外力作用下压缩弹簧，从而使弹簧套筒在定位底座内滑动；所述装配方法包括以下步骤：

步骤一、将后梁、前梁、左肋、中间肋和右肋组成的骨架进行临时连接从而对骨架预装配；

步骤二、对上壁板预装配，具体包括以下步骤：

步骤s201、分别在框架左侧竖梁和上侧横梁的预定位置设置壁板定位器作为壁板竖梁定位器和壁板上梁定位器，所述壁板定位器的壁板定位板端部均设有与上壁板形状相对应的侧面挡板和壁面挡板；

步骤s202、使用安装有力/扭矩传感器且末端执行器为真空吸盘的机械手吸取上壁板，所述机械手驱动上壁板以较快速度从远处移动到装配初始位置，所述装配初始位置为距离最终装配位置预定长度的位置；

步骤s203、所述机械手缓慢向左移动从而驱动上壁板靠近壁板竖梁定位器，当上壁板触碰到壁板竖梁定位器的侧面挡板时，所述力/扭矩传感器检测到装配力和扭矩的数据大于预设阈值，所述机械手停止运动；

步骤s204、所述上壁板保持竖直状态，所述机械手缓慢向上移动从而驱动上壁板靠近壁板上梁定位器；当上壁板触碰到壁板上梁定位器的侧面挡板时，所述力/扭矩传感器检测到装配力和扭矩的数据大于预设阈值，所述机械手停止运动；用夹紧钳将上壁板固定在骨架上，完成上壁板的预定位；

步骤三、对上壁板的制孔位置进行划线标记并制孔，然后将上壁板从骨架上取下；

步骤四、采用与步骤二中与上壁板预装配相同的方法对下壁板预装配，然后对下壁板的制孔位置制孔，并将下壁板从骨架上取下；

步骤五、在骨架上制孔并利用螺栓、螺母将后梁、前梁、左肋、中间肋和右肋连接在一起，然后将上、下壁板与骨架通过螺栓、螺母连接在一起。

本发明将在上、下壁板远离装配初始位置时，进行快速移动进行位置控制，在此基础上，引入了力控制技术，即在上、下壁板在移动至装配初始位置后，缓慢移动，并为了实现力控制的功能，本发明在机械手的末端执行器上安装力/扭矩传感器，利用力/扭矩传感器作为反馈装置，将力反馈信号与位置控制（或速度控制）输入信号相结合，通过相关的力/位混合算法，实现的力/位协同控制技术，从而在保证合理位置精度的基础上实现接触力/扭矩的精确控制，可以在一定范围内减少在装配过程中的工人劳动力和资金的消耗，有利于飞机装配的自动化、数字化。

本发明结合了位置控制和力控制技术，利用安装在移动装置上的传感器反馈力/扭矩的数据，驱动移动装置将上下壁板送达最佳装配位置，从而在保证装配时间最小化的同时不损伤复合材料壁板结构。

本发明通过对所述壁板定位器的改进，使上、下壁板在移动上、下壁板至壁板定位器6时，通过弹簧的缓冲作用防止上、下壁板受损，而且在弹簧的复位作用下可以使上、下壁板定位更准确。

上述技术方案的进一步改进是：还包括步骤六、通过激光跟踪仪对翼盒几何外形进行检测，检查装配完成后的翼盒精度是否满足预设的精度要求。

上述技术方案的再进一步改进是：本发明在步骤二中执行步骤s204时，采用以下方法使所述上壁板保持竖直：首先，以上壁板触碰到壁板竖梁定位器侧面挡板的接触点为旋转中心，所述机械手驱动上壁板旋转使上壁板侧面完全触碰到竖梁定位器的侧面挡板上，随即停止；然后，以上壁板下边为旋转轴，所述机械手驱动上壁板旋转使上壁板触碰到壁板上梁定位器的壁面挡板，随即停止；最后以上壁板上边为旋转轴，所述机械手驱动上壁板旋转使上壁板触碰到壁板竖梁定位器的壁面挡板，随即停止。

优选的，所述弹簧套筒的外周面上设有限位轴套。

优选的，步骤三-步骤五中，对所述上、下壁板和骨架制孔后，对孔进行去毛刺和清理残留物。

优选的，所述机械手驱动上壁板以较快速度从远处移动到装配初始位置时，通过激光跟踪仪对上壁板进行位置测量并控制机械手的运动。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例中的翼盒装配时的工装结构示意图。

图2是图1中的壁板定位器的结构示意图。

图3是装配上壁板时的示意图。

附图标记：框架1，上壁板2，下壁板3，后梁定位器4，前梁定位器5，壁板定位器6，壁板竖梁定位器61，壁板上梁定位器62，机械手7，力/扭矩传感器8，定位底座31，弹簧套筒32，弹簧33，轴套34，壁板定位板35，侧面挡板36，壁面挡板37。

具体实施方式

实施例

本实施例中所述复合材料翼盒通过工装进行装配，如图1所示，所述工装由框架1以及设置在框架1上的前梁定位器5、后梁定位器4和壁板定位器6构成，前梁定位器5、后梁定位器4的安装与设置可以参考申请号为cn2018107314031的中国专利公开的相关内容。

本实施例对现有的壁板定位器进行了改进，如图2所示，改进后的壁板定位器6包括定位底座31、插入定位底座31内的弹簧套筒32以及固定在弹簧套筒32外端面的壁板定位板35，所述弹簧套筒32内端面与弹簧33的一端相连，所述弹簧33的另一端与定位底座31的内端面相连，所述弹簧套筒32的外周面上设有限位轴套34。所述弹簧套筒32可以在外力作用下压缩弹簧33，从而使弹簧套筒32在定位底座31内滑动。通过上述改进，上、下壁板在安装时，移动上、下壁板至壁板定位器6时，通过弹簧的缓冲作用可以防止上、下壁板受损，而且在弹簧的复位作用下可以使上、下壁板定位更准确。

本实施例的力-位协同的复合材料翼盒装配方法，包括以下步骤：

步骤一、将后梁、前梁、左肋、中间肋和右肋组成的骨架进行临时连接从而对骨架预装配。骨架预装配为现有技术，可参考以下方法：以后梁腹板内表面和其左右两端的工艺孔为基准，利用后梁定位器将后梁定位，用夹紧钳将其夹紧；以前梁腹板内表面和其左右两端的工艺孔为基准，利用前梁定位器将前梁定位，用夹紧钳将其夹紧；先将左肋放在两梁之间预定装配位置，在装配结构上划线并制孔，再用相同的方法装配中间肋和右肋，利用穿心夹对两个梁和三根肋组成的骨架进行临时连接。

步骤二、对上壁板2预装配，包括以下步骤：

步骤s201、分别在框架1左侧竖梁和上侧横梁的预定位置设置壁板定位器6作为壁板竖梁定位器61和壁板上梁定位器62，即壁板竖梁定位器的定位底座与框架的左竖梁固接，所述壁板上梁定位器的定位底座与框架的上横梁固接。所述壁板定位器6的壁板定位板端部均设有与上壁板2形状相对应的侧面挡板36和壁面挡板37，如图2所示。

步骤s202、如图3所示，使用安装有力/扭矩传感器8且末端执行器为真空吸盘的机械手7吸取上壁板2，所述机械手7驱动上壁板2以较快速度从远处移动到装配初始位置，所述装配初始位置为距离最终装配位置预定长度的位置，可通过经验或计算确定得到。所述机械手7驱动上壁板2以较快速度运动时，通过激光跟踪仪对上壁板2（上壁板2上设有与激光跟踪仪配合使用的多个靶球）进行位置测量并控制机械手的运动，即通过激光跟踪仪对上壁板2进行位置控制直到达到装配初始位置。通过激光跟踪仪对上壁板2进行位置控制为现有技术，可参考相关文献。

步骤s203、所述机械手7缓慢向左移动从而驱动上壁2板靠近壁板竖梁定位器61，当上壁板2触碰到壁板竖梁定位61器的侧面挡板时，所述力/扭矩传感器8检测到装配力和扭矩的数据大于预设阈值（装配力的预设阈值通常控制在0-10n之间，扭矩的预设阈值通常为0），所述机械手7停止运动；

步骤s204、所述上壁板2保持竖直状态，所述机械手7缓慢向上移动从而驱动上壁板2靠近壁板上梁定位器62；当上壁板2触碰到壁板上梁定位器62的侧面挡板时，所述力/扭矩传感器8检测到装配力和扭矩的数据大于预设阈值（预设阈值的取值范围同步骤s203），所述机械手7停止运动；用夹紧钳将上壁板2固定在骨架上，完成上壁板2的预定位。

步骤三、对上壁板2的制孔位置进行划线标记并制孔，然后将上壁板2从骨架上取下。

步骤四、采用与步骤二中上壁板2预装配相同的方法对下壁板3预装配，然后对下壁板3的制孔位置进行划线标记并制孔，并将下壁板3从骨架上取下。

步骤五、在骨架上制孔并利用螺栓、螺母将后梁、前梁、左肋、中间肋和右肋连接在一起，然后将上、下壁板与骨架通过螺栓、螺母连接在一起。

步骤三到步骤五均为现有技术，不再赘述。步骤三至步骤五中，对所述上、下壁板2、3和骨架制孔后，需要对孔进行去毛刺和清理残留物。

本实施例还可以作以下改进：

1）还包括步骤六、通过激光跟踪仪对装配完成后的翼盒几何外形进行检测，检查装配完成后的翼盒精度是否满足预设的精度要求。

2）在步骤二中执行步骤s204时，上壁板2为规则形状时，比较容易保持竖直状态。但当上壁板2为不规则开关时，采用以下方法使所述上壁板2保持竖直：首先，以上壁板2触碰到壁板竖梁定位器61侧面挡板的接触点为旋转中心，所述机械手驱动上壁板2旋转使上壁板2侧面完全触碰到竖梁定位器61的侧面挡板上36，随即停止；然后，以上壁板2下边为旋转轴，所述机械手驱动上壁板2旋转使上壁板2触碰到壁板上梁定位器62的壁面挡板37，随即停止；最后以上壁板2上边为旋转轴，所述机械手驱动上壁板2旋转使上壁板触碰到壁板竖梁定位器61的壁面挡板37，随即停止。壁板上梁定位器62和壁板竖梁定位器61均处于预设位置，通过以上旋转调整，可以保证上壁板2保持为预设的竖直状态，从而满足翼盒装配的需要，提高翼盒精度。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。