形要求嚴格及精度要求高等特點，必須使用大量的工藝裝配型架（簡稱工裝）來保證裝配質量[1]。壁板類組件是構成飛機氣動外形的主要結構件，具有尺寸大、剛度低、制造和裝配精度高等特點，其裝配精度直接影響后續機身、機翼部裝和總裝的裝配質量，是保證飛機裝配的基礎[2-4]。
　　
　　針對壁板類組件的裝配，國外多采用多點陣真空吸盤柔性工裝，采用“N-2-1”的定位方法，通過控制吸盤的三維移動定位，生成與壁板組件曲面*符合并且分布均勻的吸附點陣，從而可靠地定位和夾持壁板[5-9]。目前，國內在實際生產中仍然大量使用“一對一”式的傳統剛性工裝，采用卡板以內/外形定位的方式定位壁板組件，每套壁板組件對應的工裝都需單獨設計制造，工裝缺乏對壁板產品變化的快速響應能力，工裝制造成本高、準備周期長、誤差累積較大[3-4]。針對這一問題，柔性壁板裝配工裝在現實中已經得到初步應用[10-15]：王亮等[10]提出了一種卡板定位支點可重構的數控柔性多點型架的方法，通過移動卡板裝配點位置，結合可更換的卡板，實現在飛機裝配中一個型架用于多種壁板類組件的裝配模式，但其仍采用大量外形卡板的定位方式，延續的仍是傳統剛性工裝的設計思路，當產品對象更改時，更換后的卡板工作外形安裝精度難以保證，裝配準確度較低；李東升等[11]描述了一種行列吸盤式壁板裝配柔性工裝，工裝中的每個吸盤在電機控制下能夠實現空間三維的定位，構成不同外形點陣可滿足對各種外形壁板的吸附定位。雖然不再使用卡板定位，能夠滿足數字化、柔性化裝配要求，但結構過于復雜，制造安裝困難，另外，X和Z向移動通過同步帶傳動，導致外廓尺寸較大，同時同步帶齒易折斷、磨損，需經常更換。Lu[14]、陸俊百[15]等對用于飛行器薄壁件柔性工裝定位陣列優化自動生成進行研究，通過分析系統結構和運行原理，采用“N-2-1”的定位方法，解決了工裝定位曲面的快速生成和相應的優化控制等關鍵技術，已應用于大型薄壁件的加工。
　　
　　為解決當前飛機壁板類組件裝配工裝重構性弱、定位精度低、通用性差及卡板依賴性強等問題，本文根據機身壁板的結構，分析其裝配需求，采用“N-2-1”的定位方法，研制了面向機身壁板的數字化柔性裝配工裝。通過設計相關承載立柱，采用定位器夾持壁板邊界，由多個真空吸盤吸附壁板內表面，并使用PLC+IPC（可編程控制器+工業計算機）的控制系統，驅動伺服電機運動調整定位器和吸盤的定位布局，實現了機身壁板裝配的數字化和柔性化。
　　
　　機身壁板裝配需求分析
　　
　　機身壁板主要由蒙皮、長桁等弱剛性薄壁件組成，按照特定的位置關系鉚接成為一個整體結構。蒙皮作為壁板的主要構件，為剛性較差的彈性薄壁件，具有尺寸大、形狀復雜及易變形的特點，需用定位器保持其外形輪廓；長桁一般為“Z”形或“J”結構，在長桁外形面及蒙皮上取預裝配孔，按裝配孔沿蒙皮母線方向定位裝配[1-3]。結合數字化、柔性化裝配的要求，使用數字量的尺寸與形狀傳遞方式，采用鉆孔機器人完成蒙皮與長桁的制孔，實現不同曲率機身壁板對象組成零件的預裝配定位工作，以保證飛機壁板的高精度裝配要求，文中根據機身壁板結構特點，為實現不同壁板定位布局的快速轉換，滿足不同壁板的定位需求，機身壁板組件柔性裝配需求如下：
　　
　　（1）根據壁板在工裝中定位完成后，采用鉆孔機器人完成蒙皮與長桁制孔時的開敞性需求，需以蒙皮內形為裝配基準，采用內定位的裝配定位方式。
　　
　　（2）為滿足壁板在工裝上定位的穩定性，采用“N-2-1”的定位方法（壁板內表面由多個蒙皮內形定位點進行定位，壁板下側水平邊界由兩個定位點進行定位，壁板豎直邊界由一個定位點進行定位），在三維模型中均勻劃分壁板定位區域并在壁板范圍內均勻布置壁板定位點，布置定位點過程中必須使其避開長桁及蒙皮內表面存在臺階的區域，從而保證每個定位點均可對壁板進行穩定的定位。
　　
　　（3）為實現對不同蒙皮內形的定位點進行定位，結合真空吸盤吸附的穩定性[5-9]，采用真空吸盤對蒙皮內形進行定位。
　　
　　（4）針對不同曲率的機身壁板的裝配要求，需配以不同角度的吸盤安裝板，以保證真空吸盤的吸附夾持效果。
　　
　　（5）為了實現不同尺寸的壁板組件的柔性定位要求，壁板組件承載立柱各運動方向的定位夾持單元須可以沿水平與豎直方向獨立運動；同時每個可移動的蒙皮內形定位夾持單元能夠獨立伸出移動，以保證工裝能夠滿足不同弦高的機身壁板裝配要求。
　　
　　工裝機械結構設計
　　
　　1工裝工作原理
　　
　　根據機身壁板結構特點，結合壁板組件裝配需求，融合模塊化設計思想[16]，設計以蒙皮內表面為裝配基準的數字化柔性裝配工裝，如圖1所示。工裝主要包括基座模塊、立柱模塊、蒙皮邊界定位夾緊模塊、蒙皮表面定位夾緊模塊。工裝采用“N-2-1”原則定位壁板，即壁板內表面由多個蒙皮內形定位點進行定位，壁板下側水平邊界由兩個定位點進行定位，壁板豎直邊界由一個定位點進行定位。通過數字伺服控制系統調整定位器的布局，形成不同的吸附點陣可以滿足不同壁板的裝配要求，實現工裝“一架多用”的功能。

　　
　　2工裝結構設計
　　
　　基座為多點可調支撐底座，由12個均勻分布的調平螺栓支撐，能夠有效應對地基變化對工裝的影響。基座上方安裝兩個承載立柱，1#立柱在X方向上固定不動，2#立柱在伺服電機驅動下可沿X方向移動。立柱左側安裝蒙皮表面定位夾緊模塊，立柱前端面安裝蒙皮水平邊界定位夾緊模塊，2#立柱右側安裝蒙皮豎直邊界定位夾緊模塊，如圖2所示。

　　
　　蒙皮表面定位夾緊模塊由真空吸盤、吸盤安裝板、定位柱、Y向驅動單元和Z向驅動單元組成。吸盤安裝板上安裝兩個真空吸盤（可進行周向±15°角度補償），為保證吸盤的吸附夾持效果，可根據壁板的曲率選擇不同角度（0°和15°）的安裝板進行安裝，定位柱通過自身螺紋安裝于吸盤安裝板中部。吸盤在電缸的驅動下可在Y向移動，電缸安裝在可上下運動的托板上，在伺服電機驅動下可在Z向移動。選擇不同的吸盤安裝板能實現±30°的角度偏轉可滿足不同曲率的壁板的裝配要求，調整吸盤在Y向的位置可適應不同弦高的壁板裝配要求。
　　
　　蒙皮水平邊界定位夾緊模塊由蒙皮夾緊裝置和Z向驅動單元組成。蒙皮夾緊裝置主要包括固定夾頭、移動夾頭、蒙皮擋塊和連接板等，固定夾頭、移動夾頭和蒙皮擋塊通過連接板組合在一起。蒙皮擋塊起定位作用，通過固定夾頭和移動夾頭的相對移動夾緊蒙皮，其中移動夾頭的運動由氣缸帶動。蒙皮夾緊裝置安裝于Z向集成模塊上，在伺服電機驅動下可在Z向移動。蒙皮夾緊裝置在Z向的運動能滿足不同寬度的壁板的裝配要求。
　　
　　蒙皮豎直邊界定位模塊由滑動螺釘、安裝板和連接座組成，主要用來定位蒙皮在X向的位置。滑動螺釘上安裝蒙皮擋塊，調節螺釘在安裝板水平導槽中的位置來適應不同曲率的蒙皮，安裝板通過連接座固定在在2#立柱右側面。在X向有效行程范圍內，改變2#立柱在X向的位置，可滿足一定長度范圍內壁板組件的穩定性與柔性裝配。
　　
　　3裝配誤差分析
　　
　　在實現壁板組件的柔性裝配過程中，為保證裝配準確度，要控制的誤差環節主要包括以下方面。
　　
　　（1）工裝定位誤差。
　　
　　工裝的定位誤差是指立柱定位單元的定位執行末端從設定的原點位置出發，沿3個相互垂直的方向運動到理論空間位置后，定位器上定位基準的實際空間位置與理論位置的偏差。在定位單元運行調試過程中，定位單元不承受外部載荷，但其運行工況、制造精度、安裝精度、幾何精度、測量精度與控制系統精度等因素均對定位有影響，其中，定位單元運動部件的幾何精度所產生的定位誤差是影響定位執行末端定位誤差的zui主要因素[17]，主要包括各運動方向的滾珠絲杠傳動系統的軸向定位誤差與其導程誤差、導軌導向傳動系統的安裝定向誤差對定位基準點產生的定位誤差。根據此3類誤差源建立柔性工裝立柱定位單元單軸運動的定位誤差模型，并根據可疊加性原理對綜合定位誤差進行綜合計算。經誤差補償后，立柱定位單元模塊的定位精度方可滿足工程中對飛機部件的定位精度要求。
　　
　　（2）零件制造誤差。
　　
　　零件制造誤差是裝配誤差中的重要成分，其取決于形成零件zui后形狀和尺寸的尺寸傳遞過程中的各個環節，即裝配協調路線。在數字化裝配環境下，整個尺寸與形狀傳遞過程以飛機產品設計數學模型為依據，經機械加工工藝設計及后置處理后，將產品的幾何形狀與容差信息通過數字量形式存在的NC加工指令直接傳遞給數控加工設備，形成物化的零件，經數字測量設備檢測合格后，即可進行產品的裝配工作。
　　
　　（3）產品在工裝中的協調誤差。
　　
　　在飛機壁板類組件的裝配過程中，會受到夾持力、鉆孔力、連接力、回彈力等的作用，由于本身剛性不足，在外力作用下會產生一定的變形，當外力釋放后，又會產生一定的變形回彈量，各種外力產生的變形量在裝配過程中相互影響，將引起裝配不協調、裝配超差等問題。同時，定位誤差在裝配過程中影響各裝配環節，導致誤差進一步放大。因此，針對壁板類組件的裝配，需要詳細分析其定位過程與實際裝配工況，采用合理有效的方法得到個階段的定位誤差，獲取其裝配變形誤差，建立正確的耦合算法，綜合這兩類誤差之間的影響關系，進而獲取zui終的裝配誤差。
　　
　　工裝控制系統設計
　　
　　柔性工裝的自動重構主要依賴控制系統，它將完成壁板裝配過程中所需各種運動定位器的定位，實現工裝對壁板的可靠固定，保證機身壁板外形與數字化樣機的一致性[18-20]。
　　
　　1硬件系統設計
　　
　　壁板裝配工裝的控制是一種典型的以位置控制為目的的數字化控制系統，涉及到機、電、氣等多種系統的集成控制[21]。工裝包括12個定位調整單元，由21個伺服電機驅動控制，屬多軸運動控制。
　　
　　工裝控制系統運行時，上位機將驅動程序發送給控制器，控制器通過現場總線將信息傳送給各驅動器，驅動器驅動電機完成運動指令。電機編碼器實時監測運動狀態，將位移、轉速等數據發送回驅動器，構成半閉環控制系統。同時，借助數字化測量設備（激光跟蹤儀）實時測量工裝上定位基準點的位置信息，將實測數據與理論數據進行對比，如果不在誤差允許范圍內需進行運動補償。所有基準點完成定位后即可將蒙皮夾緊，進行制孔鉚接等操作。
　　
　　2軟件系統設計
　　
　　控制系統軟件包括兩部分：底層軟件（運動控制）和上層軟件（人機交互）。文中主要說明上層人機交互軟件，包括系統初始化模塊、用戶管理模塊、工藝控制模塊、運動控制模塊、氣動控制模塊。
　　
　　系統初始化模塊為用戶登錄及軟件啟動時的參數初始化；用戶管理模塊是用來對用戶信息進行管理；工藝控制模塊是工裝控制系統的軟件柔性化的體現，即通過運行不同的工藝，完成不同壁板的定位，工藝編輯是對工藝內容進行編輯，工藝運行是使工裝各運動軸按照預設的工藝順序執行；運動控制模塊是手動操作部分，包括設置電機的參數（速度、加速度、位置等）及單軸動作（定零、回零、暫停/繼續等）；氣動控制模塊是在各基準點準確定位后，完成蒙皮的夾緊動作。軟件界面如圖3所示。

　　
　　機身壁板組件裝配定位方法
　　
　　根據設計的機身壁板工裝機械結構和控制系統，為實現壁板組件的柔性定位，所采用的技術方案如下：
　　
　　（1）根據工裝和壁板三維模型及其結構和尺寸，結合裝配工藝，規劃各定位點運動路徑，并使定位點在壁板范圍內均勻分布。
　　
　　（2）在三維CAD裝配環境中，設定工裝裝配基準坐標系，根據工藝順序進行裝配仿真并檢查是否有干涉，對干涉部分進行檢查修改，通過裝配仿真獲得各定位點在裝配基準坐標系中的坐標。
　　
　　（3）對上述獲取的定位點坐標進行轉換，生成工裝各運動軸可用的數控代碼，利用控制系統使工裝各定位點按照工藝順序運動到理論位置。
　　
　　（4）測量各定位點在工裝坐標系中的實際位置，得到實際坐標與理論坐標的誤差值，把此誤差值反饋到控制計算機，計算生成坐標補償量，再利用控制系統對定位點進行移動補償，以保證各定位點的位置偏差在允許誤差范圍內。
　　
　　（5）先把機身壁板落放在下側水平邊界定位點上以保證壁板豎直方向上的定位，水平移動壁板直至與豎直邊界定位點接觸以保證壁板水平方向的定位，把壁板內表面靠近已生成的與蒙皮曲面*符合的真空吸盤吸附點陣，通氣后完成蒙皮的吸附工作，并對壁板邊界用夾緊裝置進行夾持，完成對壁板內形的完整定位。
　　
　　（6）采用鉆孔機器人完成蒙皮與長桁的制孔工作。
　　
　　結論
　　
　　本文針對傳統壁板裝配方法，借鑒國外多點陣真空吸附柔性工裝，根據機身壁板的結構，采用“N-2-1”定位原則，設計機身壁板數字化柔性裝配工裝，通過控制系統調整吸盤及夾緊裝置的位置以滿足不同種類壁板的裝配要求，其安裝現場如圖4所示。其應用可以減少剛性型架、縮短研制周期、通過數字量的協調傳遞提高裝配質量和生產效率，具有推廣價值。