基于并联构型的飞机装配调姿定位机构精度研究

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1、基于并联构型的飞机装配调姿定位机构精度研究冰王伟1，张春亮2，白新宇2。T,力-T--3(1．海军驻沈阳地区航空军事代表室，沈阳110850；2．中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司，沈阳110850；3．南京航空航天大学机电学院。南京210016)【摘要】针对飞机装配中机身壁板等组件调姿定位问题，本文首先提出了一种基于3．UPS并联构型的飞机装配调姿定位机构，该机构可以实现飞机组件装配的6自由度调姿与定位。同时，为提高飞机组件装配精度，分析了各运动副铰链间的误差间隙对飞机装配调姿定位机构姿态的影响，并据此建立了3-UPS并联机构的有效杆长模型

2、。进一步地，基于并联机构位置正解得到了飞机装配调姿定位机构的定位精度模型。最后，通过MATLAB仿真分析了间隙的存在对机构运动精度的影响，为基于3-UPS并联机构在调姿定位中的控制补偿提供了理论基础。关键词：飞机装配；3-UPS并联机构；有效杆长模型；运动学正解；定位精度DoI：10．16080／j．issnl671-833x．2017．112．060王伟工程师。研究方向为飞机制造装配技术。飞机结构零件数量巨大、内部结构紧凑、协调关系复杂，其中装配工作总量占整个飞机制造总劳动量+基金项目：辽宁省自然科学基金航空联合开放基金f2014028030

3、)。60航空制造技术·2017年第1／2期的40％～50％川。传统装配方式存在装配效率低、装配周期长和柔性较差等缺点【2】。目前国内外广泛采用数字化、高精度装配系统对大部件进行姿态调整及定位13-'4]。为实现飞机装配时精确调姿和定位，Naing等口l研制了一套自动化装配系统，该系统主要包括三坐标数控定位器、测量设备和控制系统。柯映林等眄1基于机身装配过程中支撑稳定性和工装可通过性的分析，提出了一种四点支撑的位姿调姿机构，该机构具有6个自由度。邱宝贵等【”针对飞机机身装配的调姿与对接，研制了基于三坐标数控定位器的并联调整机构，并对系统性能进行了

4、测试验证。上述基于三坐标数控定位器的装配调姿系统，主要应用于机身与机翼，机身各段之间的对接，并且三坐标数控定位器一般只垂直安装，不能满足中机身侧壁板的调姿与定位。并联机构具有精度高、刚度大、惯性小、承载能力强、速度高和易于控制等特点，因此在飞机装配中得到了广泛的应用[8-910Kihlman【101提出基于改进Stewart并联机构的飞机装配低成本柔性工装，并在“神经元”无人机机身组装和机翼定位中进行了应用，显著提高了装配效率。郑联语等【111提出并设计了一种基于六足并联机构定位的柔性夹具，在外部测量设备辅助下实现了高精度装配定位。基于并联构型

5、的飞机装配调姿系统，具有可重构、柔性好等优点，但受限于机械零件加工与装配精度，调姿过程中存在定位、角度等误差。通常调姿精度是影响飞机装配质量的重要因素。并联机构中存在杆件、铰链制造和装配等误差，使得并联机构实际结构参数与理想结构参数之间出现误差。Chebbi等[12l提出了一套含间隙并联机构误差建模方法，以提NEwv删吲NT新视点高3一UPU并联机构工作空间中的定位精度。王庚祥等”31基于连续接触模型并以4一SPS／CU并联机构为对象，建立球面副间隙数学模型，分析了关节间隙对该机构运动特性的影响。郭惠昕等”41同时考虑杆长误差和运动副间隙建立了

6、有效杆长模型，在此基础上提出了一种平面连杆机构的稳健设计方法，有效提高了机构设计质量。上述文献研究成果都考虑了间隙存在对并联机构的精度影响，但目前尚未见到考虑运动副间隙和杆长误差的基于并联机构的飞机装配工装系统相关精度分析。本文针对基于数控定位器的传统飞机装配系统不便应用于机身壁板等组件装配的问题，提出一种基于3一UPS并联构型的飞机装配系统。该机构可以通过不同安装布置形式，实现飞机部件6自由度的调姿与定位。高精度飞机装配要求，通过分析各运动副铰链间误差间隙对并联机构定位姿态的影响，建立了机构的有效杆长模型。基于有效杆长模型，推导出机构的运动学

7、正解，得到包含运动副铰链间隙的真实位置和姿态。通过MATLAB仿真分析了间隙存在对动平台运动精度的影响，为进一步的控制补偿提供理论基础。定位调姿机构原理为实现机身壁板6自由度调姿定位功能，采用3一UPS并联构型的机构来实现某型飞机壁板的装配定位工作。3一UPS并联机构主要由定平台444，、动平台B，口步，以及连接动定平台之间的三条相同的支链组成(图1)。每条支链由一个虎克铰∥，一个移动副P以及一个球铰副5组成，其中定平台A。44，、动平台B。日猡，的外接圆半径分别为月。和月日，Z，(i=l，2，3)为A，、曰，两点间的距离。针对并联机构工装的结

8、构特点和飞机壁板的装配工艺，并联机构各(h)3D模型图13一UPS并联机构简图及三维数模Fig．1Draftand3Dmodelof3-UPSpara