数字化协同测量在飞机弱刚性零件加工中的应用

针对飞机弱刚性蒙皮零件的高精度加工要求,通过机器人铣削系统协同标定、蒙皮边界提取与逆向建模、末端执行器定位修正等技术研究,实现飞机蒙皮、口盖、壁板类结构件边部余量检测及加工在线修正,边界测量精度0.1mm,末端执行器定位误差不大于0.2mm。经验证,本研究满足了四代机制造对数字化测量的要求,显著提高了飞机蒙皮壁板自动化铣削和数字化水平,促进了飞机制造从传统的手工装配向智能化装配模式的跨越。     

机器人自动钻铆系统集成控制技术

针对飞机自动化装配中对机器人自动钻铆系统设备的控制要求,设计一套以工业机器人为载体,基于Beckhoff控制系统的自动钻铆设备。该控制系统以现场总线的方式,将工业机器人、扩展地轨、多功能末端执行器、刀库以及其他附属设备通过Beckhoff的核心控制软件联系在一起,实现对加工现场的实时控制。并通过一系列的精度补偿措施在多个环节对误差进行修正补偿以提高精度。试验表明,该套系统可达到末端制孔定位精度±0.5mm,垂直精度±0.3°,孔径精度H8,锪窝深度精度±0.01mm。     

航空发动机高压转子模拟平衡工艺分析与控制

针对大涵道比航空发动机高压转子采用模拟平衡工艺缺少数学分析手段以及模拟转子技术指标缺少制定依据的问题,提出一种模拟平衡工艺量化分析方法。以过转子重心的静和偶不平衡矢量来表示转子不平衡状态,定义了包含质量偏差、重心位置偏差、转动惯量偏差和端跳偏差的模拟转子模型,结合模拟平衡过程和转位平衡原理,建立转子校正不平衡量和转位补偿量数学模型,以高压组合转子初始不平衡量来评估模拟平衡质量。结果表明：模拟平衡能替代组合平衡,被平衡的两个转子均具备装配互换性和装配对接角度不受限制的特点;本案例中为控制模拟平衡质量,模拟转子质量偏差应在±4%以内,重心位置偏差应在±2 mm以内,直径和极转动惯量偏差均应在±5%以内,端跳偏差应小于0.008 mm。     

大尺寸飞机翼肋点阵刚性增强装配技术研究

为了提高大尺寸飞机翼肋装配位置准确度、减小装配变形并最终满足机翼翼盒装配过程中翼肋间距偏差要求,在深入分析大尺寸翼肋装配定位要求和位置不确定性的基础上,提出了一种点阵刚性增强装配技术,结合变形分析设计了一套全新的点阵刚性增强工装,实现了大尺寸翼肋保型定位和定位器多自由度调整、减小了翼肋变形、保证了翼肋间距,对于大尺寸飞机翼肋的实际装配有一定的指导价值。     

机翼部件整体自动变位系统技术研究

现阶段,随着飞机制造装配过程的自动化建设要求,对飞机各部件的装配精度、方法、空间占用率、控制方式以及人身安全等提出了更高的要求。其中,由于装配工作需要,飞机大部件的自动变位成为亟待解决的问题之一。传统的飞机大部件变位方式与机构存在使用效率低下、占用空间大、操作困难及安全隐患等问题,已无法满足现代航空制造业的生产要求,急需改进创新。以机翼部件整体自动变位要求作为研究内容,分析机翼部件自身结构特点及变位要求,结合曲柄滑块机构原理,设计出新型自动变位机构以及运动控制系统。同时,基于有限元分析方法,使用MSC.PatranNastran工程软件对自动变位系统中主要受载结构进行刚强度校核,以满足机翼部件整体安全可靠的自动化变位要求。     

基于孔边距约束和Shepard插值的孔位修正方法

在飞机装配中制孔的位置精度直接影响飞机的最终装配质量,自动化制孔以飞机数模为基准,受装配误差影响,在机翼翼盒等封闭结构中,难以确保制孔位置与骨架沟槽关键特征的边距满足工艺要求。提出一种基于孔边距约束和Shepard插值的自动化制孔位置评价及修正方法,通过激光跟踪仪及扫描仪获取实测骨架点云数据并进行去噪和配准,将骨架理论孔位映射到点云模型获得实际制孔位置,提取骨架沟槽关键特征的边界点并构造Ferguson曲线作为边界曲线,基于此计算制孔约束区域中实际孔位的边距及孔边距偏差。针对孔边距可能超差的情况,提出一种先基于孔边距偏差修正约束孔位再利用Shepard插值法修正其余孔位的孔位修正策略,在满足孔边距要求的同时保留了原孔位的行列分布特性。运用所提出的方法对某型飞机机翼骨架进行测量和数据处理,验证了该方法的有效性。     

面向飞机自动化装配的工业机器人标定技术

将工业机器人用于飞机的自动化装配有着很高的定位精度要求,对六自由度KUKA机器人的定位精度补偿方法进行了研究,该方法通过建立机器人运动学误差模型,以Levenberg-Marquardt阻尼迭代最小二乘法求出适合机器人标定空间的各参数误差最优值并以Kuka机器人为实验平台进行试验验证。经过补偿后,标定空间内机器人的绝对定位精度得到极大改善,可以满足飞机自动化装配的精度要求。     

大飞机翼盒机器人制孔系统集成技术研究

机翼装配是飞机制造中的一个重要环节,其中翼盒装配制孔数量多、质量要求高、工作强度大,因此各种自动化制孔装备陆续登场,活跃在国内外航空制造业的舞台。由于机器人具有高度灵活性,利用机器人对机翼蒙皮壁板装配实施数字化制孔作业,成为现代飞机机翼装配的一个发展方向。本文介绍了一种基于AGV搭载机器人的可移动机翼装配数字化制孔系统,并对这种复合式机器人制孔系统集成技术进行了探索,通过机械系统集成、电控系统集成、软件控制集成实现总体系统集成,从而实现大飞机翼盒机器人制孔系统的自动化、精确化制孔作业。     

构造拓扑修形齿面的面齿轮传动主动设计

为了改善加工参数较少的面齿轮传动的啮合性能,提出了用给定的啮合性能对面齿轮和小齿轮齿面进行拓扑修形设计的方法.面齿轮用插齿法加工,面齿轮与插齿刀的转角关系由预设的传动误差确定,由此确定面齿轮的拓扑修形齿面.然后用接触路径的位置及其方向和接触椭圆的大小构造小齿轮的拓扑修形齿面,该齿面用共轭点接触法磨齿加工,建立了小齿轮拓扑修形齿面与加工参数之间的线性方程.结果表明:齿面接触分析(TCA)获得的传动误差、接触路径与预设的传动误差、接触路径相同,TCA仿真的椭圆长度与预设椭圆长度相差范围为0.175 2~1.16mm.     

关于飞机数字化装配对接技术的研究

飞机部件对接技术是把构成飞机基本结构的各个部件连接在一起,形成机身、机翼或整个飞机的过程。近年来,随着数控加工技术、激光测量技术、计算机控制技术、机器人技术、计算机网络和应用集成技术的迅猛发展,飞机装配由人工装配转化为半自动化、自动化装配。     

运载火箭铝合金叠层壁板自动化制孔工艺对钻孔毛刺影响的研究

为满足运载火箭大型舱段壁板的自动钻铆对制孔质量的要求,本文对典型铝合金叠层进行了自动化制孔试验,采用正交试验分析了主轴转速、进给量和刀具锋角三种制孔参数对出孔毛刺高度的影响,同时进行了不同压紧力作用下制孔试验,研究了压紧力对叠层层间毛刺高度的影响规律。试验表明,在适当的钻削参数下可实现运载火箭铝合金叠层壁板的高质量制孔,叠层制孔层间毛刺可控制在0.045mm左右,出口毛刺高度﹤0.127mm。     

钛合金螺旋铣孔孔径偏差研究

螺旋铣孔是航空航天领域新出现的制孔技术,其切削过程中会产生径向切削力,从而引起刀具变形并造成孔径偏差。针对该问题开展了钛合金螺旋铣孔孔径偏差试验,分析了包括进给方向在内的不同加工参数对孔径偏差的影响规律;基于螺旋铣孔运动学原理对不同进给方向下的材料去除过程和径向切削力方向进行了研究,分析了不同进给方向下的孔径偏差变化规律及形成原因,并设计切削力试验进行了验证;通过分析不同加工参数下的未变形切屑形状及径向切削力变化情况,研究了各加工参数对孔径变化趋势的影响规律。研究结果表明,当进给方向为顺时针时,刀具受背离孔心的径向切削力的作用向孔径外侧发生挠曲变形,导致所加工孔径大于理论孔径;当进给方向为逆时针时则相反。进给速度和导程的增加将加剧孔径偏差,切削速度的增加则会减弱孔径偏差。     

KFRP复合材料螺旋铣削工艺制孔质量

文摘凯夫拉纤维增强复合材料(KFRP)在钻削过程中会产生严重的分层、起毛等缺陷,难以满足装配工序的要求。本文将螺旋铣削工艺运用于KFRP复合材料制孔,进行了偏心距、主轴转速和刀具类型的单因素试验,以分层因子、起毛面积和孔径偏差表征KFRP复合材料螺旋铣削的制孔质量,深入研究不同工况下的缺陷抑制机理和制孔质量。结果表明,偏心距、主轴转速和刀具结构对制孔质量均有显著影响,采用波形四刃铣刀在偏心距0.5 mm和主轴转速4 000 r/min工况下的制孔质量最好,分层因子和孔径偏差分别为1.27和1.2%,起毛面积比二刃铣刀下降了13.7%。     

飞机自动化装配设备有效工时分析

为提高飞机自动化装配设备的产能分析及预测准确度,提出了一种基于动态混合威布尔分布模型的飞机自动化装配设备有效工时解算方法。根据飞机装配过程特性,建立自动化装配设备可用度的动态混合三参数威布尔模型;分析了自动化装配设备各类子系统对设备总体可用度的影响度,计算了子系统可用度的动态权重;对设备可用度的混合威布尔模型进行了参数估计,求解设备可用度后计算设备的有效工时。以某型飞机机翼壁板装配站内的自动钻铆设备为实例,验证了方法的有效性。     

Trajectory Planning Algorithm Based on Quaternion for 6-DOF Aircraft Wing Automatic Position and Pose Adjustment Method

 A 6-degree of freedom (6-DOF) aircraft wing position and pose automatic adjustment method is presented to improve ARJ21 wing-fuselage connection precision and efficiency. Wing position and pose are adjusted by three pillars which are driven by six high-precision servo motors. During the adjustment process, wing is tracked and positioned by laser tracker. Wing initial posi-tion and pose are calibrated by using the measurement coordinates of assembly reference points. Wing target position and pose are calculated according to wing initial, fuselage position and pose, and relative position and pose requirements between wing and fuselage for the connection. Combining Newton-Euler method with quaternion position and pose analyzing method, the inverse kinematics of servo motors, together with the adjustment system dynamics is obtained. Wing quintic polynomial trajec-tory planning algorithm based on quaternion is proposed; the initial, target position and pose need to be solved and the inter-mediate moving path is uncertain. Simulation results show that the adjustment method has good dynamic characteristics and satisfies engineering requirements. Preliminary engineering application indicates that ARJ21 wing adjustment efficiency and precision are improved by using the proposed method.     

Numerical simulation of aerodynamic interaction for a tilt rotor aircraft in helicopter mode

A rotor CFD solver is developed for simulating the aerodynamic interaction phenomenon among rotor, wing and fuselage of a tilt rotor aircraft in its helicopter mode. The unsteady Navier–Stokes equations are discretized in inertial frame and embedded grid system is adopted for describing the relative motion among blades and nacelle/wing/fuselage. A combination of multi-layer embedded grid and ‘‘extended hole fringe" technique is complemented in original grid system to tackle grid assembly difficulties arising from the narrow space among different aerodynamic components, and to improve the interpolation precision by decreasing the cell volume discrepancy among different grid blocks. An overall donor cell searching and automatic hole cutting technique is used for grid assembly, and the solution processes are speeded up by introduction of Open MP parallel method. Based on this solver, flow fields and aerodynamics of a tilt rotor aircraft in hover are simulated with several rotor collective angles, and the corresponding states of an isolated rotor and rotor/wing/fuselage model are also computed to obtain reference solution.Aerodynamic interference influences among the rotor and wing/fuselage/nacelle are analyzed,and some meaningful conclusions are drawn.     

基于华中数控系统的复合加工机床控制系统

为了提高机身大部件在装配过程中钻孔铆接的效率,并满足高精度制孔要求,设计了由五轴机床和末端执行器组成的自动化协同钻铆控制方案。机床本体及高精度转台采用华中数控系统控制,末端执行器采用倍福PLC程序控制。在明确钻铆需求后设计了基于工业网络的硬件组态和基于多软件平台的软件组态,并利用Microsoft Visual Studio开发平台编写了上位机集成控制软件。控制系统分别采用Ethernet和Ether CAT工业以太网实现上位机控制系统和华中数控系统、倍福PLC控制程序的通信连接。在集成控制软件中通过套接字进行以太网通信接口开发,并在复合加工机床上进行试验验证。该控制系统具有稳定性好、集成度高、响应快、效率高的特点,能够满足钻铆需求。     

大型复合材料构件连接装配二次损伤及抑制策略

在分析复合材料构件成型和制孔过程中产生缺陷的基础上,从构件成型质量、连接孔加工质量和连接孔配合质量3个方面研究了影响装配应力分布的主要因素及其影响规律。研究发现,装配间隙为1.0mm时,连接区最大应力可达537MPa;垂直度误差为1°时,连接区最大应力超过300MPa;连接孔同轴度误差为0.03mm时,连接区最大应力可达443MPa。装配应力过大引起材料内部成型缺陷和制孔损伤的进一步扩展,形成二次损伤,严重影响装配质量。通过合理设计结构和铺层、优化成型工艺和制孔参数,可以减少初始损伤;采用自动化装配技术、优化工装结构、合理安排装配工序和应用填隙补偿工艺降低装配应力,进而有效抑制二次损伤的诱发与扩展,为实现大型复合材料承力构件的高质量精准连接装配提供理论方法和技术支持。