【内容摘要】本文简要阐述了飞机垂尾盒段总装型架的设计过程，并对其中的电气控制系统、传动系统设计作详细描述。
【关键词】垂尾盒段、工装设计、机电一体化
1 引言
随着复合材料被大量应用到飞机产品中，以及飞机装配自动化程度的不断提高，原有的盒类产品装配方案和装配工装已经不能满足新机的研制和生产需求，必须重新设计出能够对复材蒙皮精确定位，具备一定自动化功能的盒类产品装配工装，从而满足技术发展的需求，实现高效、精确地对飞机盒类产品的装配。
2 正文
一、产品简介
垂尾盒段主要由壁板、长桁、前后梁、肋以及一些接头组成，主体材料为复材。产品总长3200mm，总高1500mm，外形曲率变化平缓。
二、工装用途
用于飞机垂尾盒段的总装，实现垂尾各个组件的定位与制孔连接。
三、产品装配要求
1.左、右壁板的搬运和定位使用整体吸盘式工装，主框架固定，两边框架可移动。
2.壁板定位装置上设置吸盘，用于固定壁板及外形的调整，吸盘数量、吸力必须保证壁板运输定位安全可靠。
3.壁板定位工装卡板上设置用于壁板外形检测的装置。
4.垂平尾对接接头定位器采用标工协调。
四、机械结构设计
结合对其它公司平尾总装型架的技术调研，以及国内外类似工装的设计经验，垂尾盒段总装型架在设计过程中主要考虑了下列问题：
1.产品的放置状态
产品在型架中的放置状态应使工人在最有利的工作姿态下进行工作，并且还应考虑节省占地面积。结合产品的结构特点和装配工作，确定该产品在型架中的放置状态为：采用立放，前缘向上，后梁平面处于水平；后梁平面距离平台1200mm。
2.设计基准的选择
型架的设计基准，涉及产品的放置状态和型架的制造与安装，直接关系到产品的制造准确度和协调性，它包括型架的安装坐标系和重要构件的尺寸标注基准。因此必须正确选择型架设计基准。
根据产品在型架上的放置状态，并考虑到型架的设计基准应与产品基准一致，因此选取垂尾后梁平面、弦平面和肋平面作为该型架的设计基准，这三个平面也相互垂直。这样选取可以避免基准转换时繁杂的计算，消除制造时由于基准转换而引起的误差积累。
3.框架的设计
框架是定位、安装产品定位器、压紧器的基础，其结构与产品有着密切的关系。为了保证装配产品的准确度，框架必须具有足够的刚性、良好的制造工艺性和使用时具有良好的通路。根据产品的结构特点，该型架选用整体框架式结构。两侧框架可以移动，底部平台上设置导轨，移动框架由电机驱动沿导轨移动，与主框架对接采用杯锥定位。
4.前后梁组件定位器的设计
(1)梁的定位以梁腹板面上的两个Ф5.2定位孔为基准，设置两个定位器，其中一个定位器选圆孔，另一个选长圆孔。另外，设置三组梁托件，保证梁的定位精确可靠。
(2)加载接头的定位以交点孔为基准设置交点定位器，采用叉耳配合，一侧贴合，另一侧留间隙，使用螺纹定位销定位夹紧。
5.根部夹具定位器的设计
根部夹具的定位以零件上两个Ф10孔作为定位孔，设置定位器。
6.壁板定位器的设计
(1)以壁板尖部的一个工艺耳片孔设置定位器，同时，在壁板下沿设壁板托件，其中两个托件与壁板下沿等距3mm，安装时通过加垫调整补偿，另外三个托件可上下调节，起到辅助支撑的作用。
(2)当壁板通过工艺耳片孔定位到移动框架上后，外形卡板和真空吸盘用来固定并保持壁板外形，卡板与壁板之间留有5mm等距间隙，在安装过程中，数字测量仪沿着卡板上的滑槽移动就可以控制及检测壁板的外形。终测量是在移动框架没有任何装配外力下完成的。
(3)真空吸盘：真空吸盘单元由吸盘、旋转接头、定位叉子、销轴、安装支座、挡圈、弹簧、螺母、平垫圈、直管接头、外接抽真空回路等组成。多组真空吸盘形成点阵蒙皮理论外形，真空吸盘单元通过螺母调节吸盘前后位置，通过旋转接头实现吸盘绕销轴的转动。
7.垂平尾对接接头定位器的设计
垂平尾对接接头定位器采用平垂尾对接交点反量规协调安装。定位产品时，以四个交点孔为基准，两侧插等厚垫片；产品下架时，定位器沿滑轨退出来，留出下架空间。
五、传动系统的设计
1.传动机构的设计
结合实际要求及现有条件，在平台两侧各设一套传动机构。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从左到右起，电机为整个系统提供动力；减速机为了降低电机的转速（调速）；联轴器连接减速机与连接轴；连接角座是将传动机构和移动框架连接起来，驱动框架沿导轨移动；滚珠丝杠为运动提供行程；支撑座起到支撑滚珠丝杠的作用。
2.伺服电机选型
传动系统运动为直线运动，计算过程如下：
推动力f=μmg=0.1X2000X10=2000 N
μ 为综合摩擦系数，一般情况取0.1，m为运动部分重量，为2000kg
丝杠运动速度v=S/t=1.8/60=0.03 m/s
S为丝杠的行程，约为1.8m；t为丝杠的运动时间，约为60s
电机的负载功率P= fv/η=2000X0.03/0.7=85.7W
η为总体传动效率 ，取η为0.7
考虑到安装精度，加速转矩及其它综合因素，取安全系数n=2～3，那么选择电机功率至少为0.26KW
综合电机功率、电机尺寸及转矩要求等因素，最后电机的选型为：
西门子伺服电机 1FK7060-2AF71-1RH1
3.减速机选型
选择的电机的运行速度是1200r/min,也就是20r/s
丝杠行程约为1.8m，时间约为60s（可调整），丝杠的导程为10mm,
那么丝杠的转速约为：1.8/(60X0.01)=3 r/s
故减速比A=20/3=6.7。
取减速比为整数10，从而丝杠运行时间增加，运行较平稳。
经过资料查询，选择与电机匹配性较好的西门子减速机，型号为：
西门子减速机 AB060-010-S1-P1。
4.零点定位系统
零点定位系统实现了定位和锁紧一步之内同时完成，在确保重复定位精度的同时，将夹具的装、卸时间缩到最短。系统锁紧靠机械锁紧，采用气动解锁，重复定位精度高。锁紧过程需要短暂提供较小的气动压力，以达到标定的下拉力。气动模块有两处管路连接，一处用于解锁，一处用于锁紧。
六、电气控制系统的设计
垂尾盒段总装型架控制系统采用德国SIEMENS公司的SINAMICS S120驱动系统，配置CU320-2 DP控制单元和功率模块,采用数字量系统接口DRIVE-CLiQ，并使用人机界面HMI管控系统。
该制系统提供运动控制模块，安全保护模块，网络通讯模块。具有以下特点：
1.垂尾盒段总装实现全数字化控制。
2.高精度伺服控制，实现工装精确定位。
3.多种状态检测与安全防护功能，保证产品和工作人员安全。
电气控制系统的硬件配置及功能如下：
1.伺服驱动器SINAMICS S120驱动伺服电机运动，完成工装的精确定位。
2.手持遥控器。能够输入指令，可进行自动、手动操作。
3.I/O模块ET 200M。分布式I/O，用于插销紧固部位检测开关、防撞开关等信号的输入并通过PLC进行控制。
3 结语
本工装是在传统工装设计的基础上增加了机电一体化工装研制的理念，利用全新的数字化控制技术，融合了传动系统、电气系统方面的知识。在设计过程中，通过不断地调研和咨询，取得了实质性地突破和进展。
本工装实现了以下几个关键技术：(1)压力可控的真空吸附技术；(2)自动对接与零点定位系统技术；(3)数字测量检验技术。
近几年来，虽然在工装设计和制造方面取得了不少进步，但是我们应当努力学习、吸收国内外一些先进的工装设计理念与技术，大胆探索，努力创新，提高自身的工装设计能力。
论文作者:祝忠杰
论文发表刊物:《科学与技术》2020年1期
论文发表时间:2020/4/29
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