飞机导管定位焊夹具模块化可重构设计技术研究

飞机导管定位焊夹具模块化可重构设计技术研究

吴峰  南晓莹

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市710089

   摘要:本文介绍了飞机导管数字化制造技术的应用现状，分析了国内导管制造技术在新机研制过程中常见的技术问题，提出用三维模型代替实样作为导管数控弯曲与检验、组合夹具设计与制造的依据。实现导管快速工艺分析、组合夹具快速设计，淘汰了取样环节，缩短飞机研制周期，实现导管快速、敏捷制造，在AR 21等新机研制过程中得到成功应用。基于此，本文主要探讨了飞机导管定位焊夹具模块化可重构设计技术研究。

关键词:逆向建模、模块化、夹具快速设计、敏捷制造

1引言

航空导管通常由支管、管接头、法兰盘等零组件焊接而成，为了保证焊接导管中各组件之间的相对位置关系，每项飞机导管焊接导管需要配置一套专用焊接夹具。但专用焊接夹具的设计、制造周期长、成本高，特别是在新机研制阶段， 导管的空间走向处于反复叠代、不断优化的过程中，飞机导管种类繁多，工程更改频繁，采用专用焊接夹具生产焊接导管的工艺方法已经无法满足现代飞机在研制阶段短周期、低成本、高精度的制造需求。利用模块化设计理念，研制一种模块化可重构导管焊接夹具代替传统的焊接夹具，来实现飞机导管焊接夹具的快速低成本设计制造。

2技术背景

随着CAD技术的发展，日前可以在CAD系统中依据实际情况建立出所有飞机导管的实体数模。所以急需一种通用的能根据三维数模进行现场组合夹具拼装的柔性焊接工装，既能在组装过程中保证拼装元件可以快速、准确的安装到位，又能满足不同结构、直径、走向的各种类型导管的焊接。要实现复杂导管焊接夹具的数字化、模块化、可重构等设计需求，首先需要解决导管制造依据的问题。只有用数字里的复杂导管型代替传统的导管实样，才能淘汰以模拟里为依据的工装设计制造环节，缩短飞机研制周期，全面实现导管快速、敏捷制造。因此需要以三维激光扫描成形技术、CATIA逆向三维建模技术[2]为基础，开发模块化资源库、焊接夹具智能设计系统、基于数字里的组合夹具快速制造和检测满足现代飞机快速研制的要求。

目前国内外技术人员已经完成了参数化建模技术、知识推理与重用技术的应用研究方面做了一些有益探索，实现了导管焊接夹具的的快速、模块化设计制造检测技术研究已成解决此类问题的必由之路。

3技术方案

2.1导管实样的三维扫描和逆向建模

通常导管扫描点云数据会存在着一定的间隙或者夹角，半管与半管之间也会存在着一定的错位现象，为了保证模型和实物的一致性，需要对扫描模型进行二次优化处理。以扫描模型为设计依据的定位焊夹具数字化建模，以导管扫描模型为设计依据，建立工装设计数字化模摸型，实现焊接工装的全流程数字里传递。

2.2导管焊接工装模块化设计技术[1]

对焊接导管的典型产品要素进行归类总结，并对现有工装零组件形式进行分族分类，设计元件之间组合接口形式统一、连接螺累栓及限位销形式和规格统一，能够快速组装、通用性强、互换性好、低成本的定位、支承零组件，工装的标准化程度达到85%以上，最终实现模块件的标准化设计/制造。

2.3可重构焊接夹具快速设计

根据焊接导管的产品特点，对典型夹具方案的结构形式、约束方式进行分类并归纳其结构形式， 梳理典型焊接夹具装配要素，按不同的使用功能、定位方式、 安装要求进行分类统计，确定标准元件建模方式、建模基准、建模要求。通过在CATIA平台上开发三维模型参数化建模系统，将标准元件及非标准元件(如导管端头定位器)纳入知识库，开形彩成参数化建模，最终实现工装模型的快速构建。

2.4焊接夹具模块件敏捷制造

通过模块化零组件的种类及数里，进而来实现批里生产、减少专用元件加工，优化模块件加工及制造流程，并通过快速检测和数字化调装等手段实现焊接夹具的快速制造，解决制造周期长、成本高，检测合格率低下的问题，最终达到制造周期缩短60%,制造成本大大降低。

4技术途径

4.1夹具工装结构设计

焊接平台包含基础板、衬套、四个支腿、四个吊环、四个地脚。所述基础板由5块钢板对接拼焊而成，焊接后打磨焊缝，平台表面进行渗氮处理，防止焊渣损伤工作面。所述基础板横纵方向间距50mm,设有安装孔，每两组安装孔之间刻画分区线，基础板横向上下两端刻有1~39的数字，纵向左右两端刻有A-S的字母，每个安装孔对应一个字母与数字组合的坐标区，便于拼装元件的快速安装。所述衬套安装在基础板安装孔内，每两个安装孔之间孔距偏差保持在0.02mm以内，衬套用于保证 孔距偏差所述四个支腿规格相同，与基础板螺接，由方管型材及钢板焊接而成，底部安装有轮子，可满足平台移动需求。所述吊环安装在四个支腿上用于焊接工装的起吊·所述四个地安装在支腿旁边，用于保证平台的平稳性。

4.2模块件设计

接头定位器:包含轴和可换式定位销，可换式定位销可依据不同的导管接头形状加工成不同的规格，并通过螺钉与轴固定连接，满足不同导管接头的定位需求。

支臂套筒:为T型结构，上端为套筒，可套装在接头定位器的轴上，下端为宽30f7矩形板，与连接件滑槽配合连接，拒形板的一侧刻有刻度尺，用于调整支臂套筒的位置。←

连接件:均为型角座，L型角座的竖直端为横纵交错等宽30H7的滑槽， 与不同拼装元件的矩形板配合使用，配有螺栓孔用于螺钉固定；L角座的水平端与焊接平台贴合，利用快速定位锁紧轴锁紧连接，基孔系连接件水平端为两个间距50mm的定位孔，纵向槽系连接件水平端为沿纵向的腰型槽，横向槽系连接件水平端为沿横向的腰型槽，角度连接件水平端为一个圆孔和-个扇形槽: 角度连接件可绕圆孔分别向左右两侧旋转45，型角座的水平端定位孔、腰型槽、扇形槽均与焊接平台安装孔配盒使用。

导管定位器:分为单层v型块和双层v型块，区别为v型块上端设有单层或双层的v型块，v型块上端为v型槽，用于支撑导管外径，可满足不同直径的导管定位·V型块下端为宽30f7矩形板，矩形板用于与连接件的滑槽配合使用， 矩形板的中间开有腰型槽，用于螺栓压紧，矩形板的一侧刻有刻度尺，用于调整V型块的位置。

快速定位锁紧轴:为标准型锁紧元件，通过拧紧螺钉挤压内部中间球，推动中间球挤压3个锁紧球，达到快速锁紧的目的，快速定位锁紧轴外径为精度轴可以满足快速定位的目的。

压管组件:包含转接板、连接杆、薄螺母、支撑杆、长支臂套筒、压紧果钉、V型压块、快速定位锁紧轴·转接板包含一个安装孔，一个沉头孔，快速定位锁紧轴通过安装孔接转接板快速连接到焊接平台上。连接杆内孔为螺纹孔，连接杆下方通过沉头螺钉与转接板连接，连接杆上方与支撑杆连接，通过薄螺母锁紧。

5结束语

针对导管焊接传统制造方法存在的问题，在导管数字化模型和导管取样并存的基础上，以三维激光扫描成形技术[3]、CATIA 逆向三维建模技术、模块化设计技术为手段，建立三维的工装平台、定位器、连接件、辅助功能件知识资源库， 实现焊接夹具模块化快速设计、模块化夹具快速制造和检测的全流程数字化传递， 从而达到缩短新机研制周期、降低研制成本、提高产品质里。

参考文献

[1]马强，王仲奇.飞机制造工艺装备模块化设计方法的研究[J].现代制造工程。 2007(01)

[2]刘玉松李丽娟，王志海，孙佳慧基于catia的汽车手柄逆向设计及优化[J]. 长春理工大学学报(自然科学版).2012(01)

[3]许智钦；闫明；张宝峰；王宇华；郑义忠；叶声华逆向工程技术三维激光扫描测[J]天津大学学报Journal of Tianjin University,2001年03期