壁板自动钻铆装配多点柔性定位方法及其工装

摘要

本发明公开了一种壁板自动钻铆装配多点柔性定位方法及其工装，将组成壁板的长桁和蒙皮在自动钻铆系统工装上定位，通过调整定位工装的各个自由度来调整长桁和蒙皮的位姿，然后制长桁与蒙皮连接的预定位孔；蒙皮拆卸下架，对蒙皮和长桁上的预定位孔进行去毛刺和除屑操作，涂长桁与蒙皮间的缝内胶；重新将蒙皮定位，在预定位孔处安装预定位钉；逐一拆除预定位钉的同时逐一在预定位孔中铆接铆钉后将壁板在多点柔性定位工装中拆卸下架。本发明实现了定位点的柔性调整，不需要专用工装，缩短了装配周期短，节约了工装成本，并且能够快速响应不同型号壁板的装配要求，能够显著提高装配效率，具有较高的自动化程度和装配准确度。

说明书

技术领域

本发明属于飞机壁板自动钻铆装配技术领域，涉及一种飞机壁板自动钻铆装配的 定位方法及工装。

背景技术

壁板自动钻铆装配技术是最先进的装配连接技术之一，具有钻铆质量好、生产效 率高、劳动条件好等特点，在壁板的钻铆装配中得到广泛应用。在飞机壁板钻铆装配 过程中，常常存在预连接与钻铆两个装配过程。其中预连接过程主要是在预定位工装 上，将长桁与蒙皮通过预定位钉进行连接，形成初始壁板。由于飞机壁板形状多样， 结构复杂，因此在实际生产过程中，每种壁板都要求对应形式的预定位工装，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，柔性化和自动化是壁板自 动钻铆装配的发展趋势。

在当前工程应用上，壁板预定位的解决方案是针对每一种壁板设计一套专用预定 位工装，较常见的形式是立柱式，靠专用卡板及夹持器分别对蒙皮和长桁进行定位、 夹持，完成壁板的预定位；这种传统的预定位工装导致装配工作量大、生成成本高、 生成周期长、装配精度不稳定，不能适应现代飞机制造业低成本、高质量、快响应的 要求。在传统预定位方案的基础上，专利CN10486143A发明了一种柔性装配数字化型 架装置，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，实现在飞机装配中一个型架用于多种壁板类零件的装配模式；该专利并 不是针对自动钻铆定位设计的，没有涉及蒙皮和长桁的定位与夹持，并且柔性有限， 没有摆脱专用卡板的限制。专利CN101817146A发明了一种分离式全自动钻铆托架系 统，由X、Y、Z、A、B、C六个坐标轴的共同运动来实现零件定位和法向调整；该专 利只是处理了自动钻铆托架的调姿问题，并没有涉及托架上的蒙皮和长桁的定位、夹 紧装置。专利CN201008935Y发明了一种壁板铆接柔性装配型架，具有一个由立柱支 撑的型架框架和沿立柱侧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；该发明 在更换壁板种类时需要更换外形定位卡板，吸盘的轴向位置需要手动的螺母装置调节， 并且没有涉及预定位中长桁的定位和夹紧。因此，上述改进的方法也没有彻底摆脱专 用卡板，壁板钻铆预定位的柔性化和自动化尚不尽如人意，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

为了克服现有技术没有彻底摆脱专用卡板的不足，本发明提供一种壁板自动钻铆 装配多点柔性定位方法，面向托架式自动钻铆系统，具有异步调姿的七组托板模块， 通过依附于托板模块的可调边界定位块及点阵式pogo柱定位并夹紧蒙皮、长桁，满足 飞机壁板自动钻铆装配的柔性化和自动化要求，提高装配质量和装配效率。

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)在CAD环境下，读入壁板三维模型信息和自动钻铆系统模型信息，将壁板模 型在自动钻铆系统模型上定位，测量每个工装定位点各个自由度的理论行程 以表征工装定位点的理论位姿；对每根长桁，根据长桁长度均布若干预定位 孔，由预定位孔的位置选取若干个关键特征点分别表征其位姿，获取关键特 征点的理论坐标。对于蒙皮，根据长桁预定位孔的位置布置预定位孔，由预 定位孔的预选位置选取若干个关键特征点分别表征其位姿，获取关键特征点 的理论坐标。

(2)根据工装定位点各个自由度的实际行程，对比工装定位点各个自由度的理论 行程，调整定位工装的各个自由度。

(3)将长桁和蒙皮依次在定位工装定位并夹紧，测量长桁和蒙皮的关键特征点的 实际坐标，对比理论坐标，基于空间坐标转换算法生成调姿方案，通过调整 工装定位点各自由度调整长桁和蒙皮的位姿。重复本步骤，直到长桁和蒙皮 的关键特征点实际坐标与理论坐标的偏差在允许公差范围内。

(4)制长桁与蒙皮连接的预定位孔。

(5)蒙皮拆卸下架，对蒙皮和长桁上的预定位孔进行去毛刺和除屑操作，涂长桁 与蒙皮间的缝内胶。

(6)重新将蒙皮在定位工装中定位，在长桁与蒙皮的预定位孔处安装预定位钉。

(7)逐一拆除预定位钉的同时逐一在预定位孔中铆接铆钉，直到所有预定位孔全 部铆上铆钉。

(8)将壁板在多点柔性定位工装中拆卸下架。

至此，壁板预装配完成，准备进入钻铆装配工序。

为实现上述目的，本发明还提供一种壁板自动钻铆装配多点柔性定位工装，包括 围框、端部托板模块、中部托板模块和尾部托板模块四个模块，蒙皮、长桁的关键特 征点信息传输到集成控制系统，由集成控制系统进行工装定位点、蒙皮、长桁实际位 姿的计算并生成调姿方案输出给电机，电机驱动围框、端部托板模块、中部托板模块 和尾部托板模块调姿，并将每个模块的各自由度行程反馈给集成控制系统。

所述围框为矩形围框，外侧安装在自动钻铆系统上，是整个柔性定位工装的承重 部件。

所述端部托板模块包括导轨基座、端面定位器、导轨、滑块、连接件、套筒、筒 芯和托板，所述导轨基座是一个矩形平板，其外侧固定在围框内侧，其内侧垂直于托 板方向固定有两条并行的导轨，所述托板截面呈倒T字型，两端连接有圆柱形筒芯， 所述筒芯插在有圆柱形盲孔的套筒中，套筒另一端通过连接件连接滑块，滑块能够沿 导轨滑动，筒芯在套筒中的伸缩配合端部托板两端沿导轨的异步运动使端部托板与中 部托板的夹角在±10°范围内的摆动，若干个端面定位器均匀排布在托板上缘的一侧， 所述端面定位器由直线驱动单元实现沿托板的自由度调整，pogo柱安装在直线驱动单 元的滑块上，端面夹持机构安装在pogo柱顶部，所述端面夹持机构由固定的圆柱形挡 块和铰接的夹头组成，用于壁板端面的定位和夹紧。

所述中部托板模块共有五组相同的沿围框长度方向均布的中部托板，每组中部托 板包括导轨基座、导轨、滑块、端面定位器、吸盘式pogo柱和夹持式pogo柱，所述 导轨基座内侧固定在围框内侧，其外侧垂直于托板方向固定有两条并行的导轨，所述 托板截面呈倒T字型，两端通过连接件直接固定在滑块上，两端的滑块同步导轨滑动， 若干个吸盘式pogo柱均匀排布在托板上缘的一侧，若干个夹持式pogo柱均匀排布在托板 上缘的另一侧，托板中间靠近托板端部布置一个端面定位器，所述夹持式pogo柱由直线驱 动单元实现沿托板的自由度调整，调整高度的pogo柱安装在直线驱动单元的滑块上， 长桁夹持机构安装在pogo柱顶部，所述长桁夹持机构由固定的圆柱形挡块和气动的移 动夹头组成，用于长桁的定位和夹紧，所述吸盘式pogo柱由直线驱动单元实现沿托板 的自由度调整，可以调整高度的pogo柱安装在直线驱动单元的滑块上，用于吸附蒙皮 的真空吸盘安装在pogo柱顶部。

所述尾部托板模块包括导轨基座、导轨、滑块、连接件、套筒、筒芯、托板、吸 盘式pogo柱和夹持式pogo柱组成，所述托板与围框的连接方式和端部托板相同，筒 芯在套筒中的伸缩配合端部托板两端沿导轨的异步运动使端部托板与中部托板的夹角 在±10°范围内的摆动，若干个吸盘式pogo柱均匀排布在托板上缘的一侧，若干个夹持 式pogo柱均匀排布在托板上缘的另一侧。

本发明的有益效果是：壁板自动钻铆装配多点柔性定位方法及工装，实现了定位 点的柔性调整，能够适应一定尺寸范围内的所有型号的壁板，不需要专用工装，缩短 了装配周期短，节约了工装成本，并且能够快速响应不同型号壁板的装配要求，能够 显著提高装配效率；本发明采用了集成控制系统，包括CAD系统三维信息处理、蒙皮 与长桁的位置测量、工装定位点各自由度行程的反馈等功能模块，实现了蒙皮和长桁 的实时测量与微调，具有较高的自动化程度和装配准确度；使用气动定位夹紧机构和 真空吸盘对蒙皮吸附夹持，夹紧方便快捷，不易夹伤蒙皮。

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是壁板自动钻铆装配多点柔性定位工装示意图；

图2是端部托板模块示意图；

图3是端面定位器示意图；

图4是端部托板连接装置示意图；

图5是中部托板模块示意图；

图6是吸盘式pogo柱示意图；

图7是夹持式pogo柱示意图；

图8是尾部托板模块示意图；

图中标号名称，1-围框；2-端部托板模块；3-中部托板模块；4-尾部托板模块；5- 导轨基座；6-端面定位器；7-导轨；8-滑块；9-连接件；10-套筒；11-筒芯；12-托板； 13-直线驱动单元；14-pogo柱；15-端面夹持机构；16-吸盘式pogo柱；17-夹持式pogo 柱；18-真空吸盘；19-长桁夹持机构。

具体实施方式

方法实施例：

(1)在CATIA软件环境下，读入某型机翼左上壁板的三维模型信息和某型托架 式自动钻铆系统的模型信息，将壁板模型在自动钻铆系统模型上定位，测 量每个工装定位点各个自由度的理论行程，对每根长桁，根据长桁长度均 布若干预定位孔，由预定位孔的预选位置选取若干个关键特征点分别表征 其位姿，获取关键特征点的理论坐标表征长桁的理论位姿；对于蒙皮，根 据长桁预定位孔的位置布置预定位孔，由预定位孔的预选位置选取若干个 关键特征点分别表征其位姿，获取关键特征点的理论坐标表征蒙皮的理论 位姿。

(2)获得工装定位点各个自由度的实际行程，将实际坐标数据信息传递到集成 控制系统，对比工装定位点各个自由度的理论行程，生成相应数控代码， 按照中部托板模块、端部托板模块、尾部托板模块、夹持式pogo柱、吸盘 式pogo柱、端面定位器的顺序调整定位工装各模块自由度的行程，达到调 整工装定位点的目的。

(3)将长桁和蒙皮依次在多点柔性定位工装定位并夹紧，利用激光跟踪仪测量 长桁和蒙皮的关键特征点的实际坐标，将坐标信息传递到集成控制系统， 对比理论坐标，基于空间坐标转换算法生成调姿方案及相应数控代码，按 照中部托板模块、端部托板模块、尾部托板模块、夹持式pogo柱、吸盘式 pogo柱、端面定位器的顺序，调整各模块的自由度的行程，从而调整长桁 和蒙皮的位姿。重复“测量→反馈→调姿”的过程，直到每个关键特征点 的位置偏差在0.2mm内。

(4)利用钻孔设备制长桁与蒙皮连接的直径为4mm的预定位孔。

(5)吸盘式pogo柱的真空吸盘充气，蒙皮拆卸下架，对蒙皮和长桁上的预定位 孔去毛刺、除屑操作，涂长桁与蒙皮间的缝内胶。

(6)重新将蒙皮在多点柔性定位工装中定位，吸盘式pogo柱的真空吸盘对蒙皮 进行吸附夹持，在长桁与蒙皮的预定位孔处安装定位销。

(7)一边拆定位销，一边手工铆接预定位钉，直到所有预定位孔全部铆上预定 位钉。

(8)夹持式pogo柱、吸盘式pogo柱、端面定位器依次解夹，将壁板在多点柔 性定位工装中拆卸下架。

至此，壁板预装配完成，准备进入钻铆装配工序。

装置实施例：本发明包括围框(1)、端部托板模块(2)、中部托板模块(3)和尾 部托板模块(4)四个模块。

如图1所示，所述围框(1)的结构同托架式钻铆系统的围框，其形状为矩形，其 外侧通过转轴安装在自动钻铆系统上，是整个柔性定位装置的承重部件。

所述端部托板模(2)块包括导轨基座(5)、端面定位器(6)、导轨(7)、滑块(8)、 连接件(9)、套筒(10)、筒芯(11)和托板(12)，所述导轨基座(5)是一个矩形平 板，固定在围框(1)内侧，其上垂直于托板方向固定有两条并行的导轨(7)，所述托 板(12)截面呈倒“T”字型，两端连接有圆柱形筒芯(11)，有圆柱形盲孔的套筒(10) 套在筒芯(11)上，套筒(10)另一端通过连接件(9)连接滑块(8)，滑块(8)能 够沿导轨(7)滑动，筒芯(11)在套筒(10)中的伸缩配合端部托板(12)两端沿导 轨(7)的异步运动使端部托板(2)与中部托板(3)的夹角在±10°范围内的摆动， 5个端面定位器(6)均匀排布在托板(12)上缘的一侧，所述端面定位器(6)由直线驱 动单元(13)实现沿托板的自由度调整，pogo柱(14)安装在直线驱动单元(13)上， 端面夹持机构(15)安装在pogo柱(14)顶部，所述端面夹持机构(15)由固定的圆 柱形挡块和铰接的夹头组成，用于壁板端面的定位和夹紧。所述直线驱动单元是市场 有售的产品，由支撑座、导轨、丝杠、滑块组成，支撑座是长方形的盒体，导轨和丝 杠沿长度方向布置在支撑座内，滑块安装在丝杠上，由导轨导向，由丝杠驱动。

所述中部托板模块(3)共有5组相同的沿围框长度方向均布的中部托板，每组中 部托板每包括导轨基座(5)、导轨(7)、滑块(8)、端面定位器(6)、吸盘式pogo 柱(16)和夹持式pogo柱(17)，所述导轨基座(5)固定在围框(1)内侧，其上垂 直于托板方向固定有两条并行的导轨(7)，所述托板截面呈倒“T”字型，两端通过 连接件(9)直接固定在滑块(8)上，两端的滑块(8)同步导轨滑动，10个吸盘式 pogo柱(16)均匀排布在托板(12)上缘的一侧，9个夹持式pogo柱(17)均匀排布在 托板(12)上缘的另一侧，托板中间靠近托板端部布置一个端面定位器(6)，所述夹持式pogo 柱(17)由直线驱动单元(13)实现沿托板的自由度调整，调整高度的pogo柱(14) 安装在直线驱动单元(13)上，长桁夹持机构(19)安装在pogo柱(14)顶部，所述 长桁夹持机构(19)由固定的圆柱形挡块和气动的移动夹头组成，用于长桁的定位和 夹紧，所述吸盘式pogo柱(16)由直线驱动单元(13)实现沿托板的自由度调整，可 以调整高度的pogo柱(14)安装在直线驱动单元(13)上，用于吸附蒙皮的真空吸盘 安装在pogo柱(14)顶部。

所述尾部托板模块(4)包括导轨基座(5)、导轨(7)、滑块(8)、连接件(9)、 套筒(10)、筒芯(11)、托板(12)、吸盘式pogo柱(16)和夹持式pogo柱(17)组 成，所述托板(12)与围框(1)的连接方式和端部托板(2)相同，筒芯(11)在套 筒(10)中的伸缩配合端部托板两端沿导轨(7)的异步运动使所述尾部托板模块(4) 与中部托板模块(3)的夹角在±10°范围内的摆动，若干个吸盘式pogo柱(16)均 匀排布在托板上缘的一侧，若干个夹持式pogo柱(17)均匀排布在托板上缘的另一侧。