垂尾后梁组件装配夹具的设计.docx

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垂尾后梁组件装配夹具的设计

垂尾后梁组件装配夹具的设计

摘要

型架是飞机装配中，对零、组件进行定位夹紧的一类大型的夹具，其设计制造周期和质量直接影响到飞机研制的周期和质量。

型架的刚性和稳定性是保证飞机装配准确度和协调准确度的重要指标，其设计与制造一直是飞机产品研制的瓶颈问题。

本文着重介绍的是使用CATIAV5软件进行某型飞机垂尾后梁组件型架的设计。

针对垂尾后梁的结构及特点，进行工艺分析及研究，制定工艺方案，设计装配型架，并且拟定装配工艺规程等。

工装上详细阐述了定位器定位产品零、组件的定位方式以及如何用工具球完成整个型架的安装过程；根据型架结构的特点，确定了型架设计的总体方向，拟采用“先整体后局部”的设计思想；同时还介绍了，运用CATIAV5软件的实体成型、装配约束、及三维实体转化成二维工程图等功能进行装配型架设计的全部过程；根据型架工作要求，制定合理的装配工艺规程及协调路线；最后论证了经济技术的可行性。

关键词：

CATIA；型架；装配；三维实体建模；工具球

резюме

Типкадрасборкисамолетов,правонуляпозиционированиякомпонентовклассебольшихзажимаконструкцияприспособленияипроизводственныйциклиегонепосредственноевлияниенакачествосамолетовциклразвитияикачества.Типжесткостьрамыистабильностьгарантированаточностьсборкисамолетовикоординацииважнымпоказателемточностиегодизайнесамолетаиразвитиепроизводствапродукциибылаузкимместомпроблемы.ЭтастатьяпосвященаиспользованиюCATIAV5программныекомпонентыобратносамолетхвостомсистемепокоядизайна.ДляструктурыихарактеристикхвостаЛян,анализпроцессаинаучныхисследований,разработатьтехнологическиерешенияразработанысборкиджиг,иподготовитьпроцесссборки,правилаипроцедуры.Инструментразработаннулялокаторпозиционированиепродукции,позиционированияикомпоненты,какиспользоватьинструмент,чтобызавершитьвесьшар-кадрпроцессаустановки;Внемтакжепредставлены,используяпрограммноеобеспечениеCATIAV5лицформирования,сборочныезависимостиитрехмерныеобъектывдвумерныхчертежейидругихфункцийдлясборки-каркаснойконструкциивсегопроцесса;Взависимостиоттипаработтребованиямкадра,установитьразумныепроцедурыикоординациимаршрутовпроцесссборки,и,наконецутверждает,чтоэкономическаяитехническаяцелесообразность.

Ключевыеслова:

CATIA;кадра;собраний;мерногомоделирования;Шаровая

1引言

飞机的装配和安装在飞机的制造中占有很重要的地位。

在一般的机械制造中，装配和安装的工作量占产品的20%左右，而在飞机制造中，装配和安装的工作量占飞机的制造重量的50%-60%左右。

原因有两点，首先飞机结构复杂，零件与连接件数量较大。

其次装配与安装的机械化程度比较低，手工劳动占很大比例，技术难度大。

因此，提高飞机的装配与安装的技术水平在飞机制造中有着重要意义[1]。

在一般的机械制造中，由于绝大部分零件是刚度较大的机械加工件，所以机械制造中的准确度主要取决于零件的准确度，在装配时，零件之间定位主要依靠他们之间的配合表面，一般不需要使用装配夹具。

而在飞机制造中，由于大部分飞机结构零件是钣金件，这些零件形状复杂并且寸大，刚度小容易变形。

飞机制造的准确度很大程度上取决于装配和安装的准确度。

在装配时，必须使用复杂的装配型架来保证装配的准确度。

进入二十一世纪后，计算机水平得到了突飞猛进的发展，计算机在人们的生活中所占有的地位也越来越高，应用也越来越广，随之而来的一系列应用软件也应之出现，他们使得人们的工作进行的更便利。

合理的装配型架可以节省装配的劳动量并且还能提高劳动效率，可传统的型架设计需要实际建造，设计型架调整、准备周期长，预先工作量大。

而使用CATIAV5软件中的三维实体建模功能，实现了以数字量传递的协调方法来进行工装制造，节省了大量的移形用工装（包括标准工装和过渡模型）、部分生产用工装和检验工装，减少了大量的形状尺寸和尺寸传递的中间环节，最重要的是能够运用CATIAV5对建立的实体模型进行预装配，能够在电脑虚拟的情况下发生干涉，并且随时可以改动调整，还可以使用仿真功能形象的观察设计型架的虚拟装配过程。

整个设计过程完全可以在电脑的虚拟状态下完成，不需要工人的实际的劳动和设计型架的模型建造，从而节省了大量的人力和物力，并且缩短了飞机装配工作的准备周期。

2垂尾后梁的结构及工艺性分析

2.1产品的结构分析

垂尾后梁组件是垂尾乃至全机的一个重要组件。

因为后梁组件直接与平尾转轴相连接。

并且平尾转轴控制着整个飞机的平衡，而后梁缘条是一类支撑整个后梁组件的重要零件。

垂尾后梁为飞机垂尾的一部分其根本作用是加强垂尾的强度和保持飞机平衡。

某机垂尾后梁示意如图2.1所示，其制造使用的材料大部分是刚度较差的薄壁材料。

垂尾后梁工件由缘条、连接件、垫板等零件组成，其材料为7075-0包铝，全部均为钣金零件。

因此在设计型架时必须考虑有一定的支撑装置、紧固装置用以拖住和固定腹板，以免引起装配时因为受力不均匀导致变形和窜动。

图2.1垂尾后梁结构示意图

本垂尾后梁上面的零件基本都是简单的钣金件，形状也相对比较规则，这样就减轻了夹具的设计负担，使工艺装备数量大大减少，从而降低生产制造成本，并且充分提高了生产效率。

2.2产品的工艺性分析

产品工艺性是指在保证产品质量的前提下，在产品的生产制造过程中能够采用最合理、最经济的工艺方法，从而达到最高生产指标的那些构造属性。

为了便于飞机生产获得最佳的经济效益、降低生产成本、缩短生产的制造周期、节约所用原材料、提高劳动生产效率、改善工人工作条件等，必须对产品工艺性进行审查。

工艺性审查是设计工作的重要组成部分之一，是设计工作不可省略的程序。

垂尾后梁的工件均为钣金零件，其制造材料选用的是在飞机制造过程中最常用的包铝，因其可塑性强、加工成型过程相对比较容易的特点，所以在装配过程中要保证受力合理，不能使其发生变形。

在工件的设计过程中已经确定了合理的工艺分离面及其容差的选择和分配，这为工件的装配过程确定了基础。

3装配型架的设计

3.1装配型架设计的前期准备

3.1.1型架的功用及特点

1.保证产品的准确度及互换性。

即保证进入装配的零件、组合件、板件或段件在装配时定位准确，保持其正确的形状和一定的工艺性，以便进行连接，在装配过程中限制其连接变形，使连接装配后的产品符合图纸技术条件的要求，即满足准确度要求及互换协调的要求[1]。

2.改造劳动条件，提高装配工作生产率，降低成本。

由于飞机形状复杂，刚度又小，在飞机装配工作中采用型架，就更能发挥夹具定位夹紧迅速可靠的效果。

通过装配型架将工件安放在适当的工作位置；提高工作效率[1]。

3.1.2装配型架的构造

1．骨架：

它是型架的机体，用以固定和支撑定位件、夹紧件等其他元件，保持各元件的空间位置的准确度机器稳定性。

2.定位件：

它是型架的主要工作元件，用以保证工件在装配过程中具有准确的位置。

定位件应准确可靠、相互协调和使用方便。

3.夹紧件：

它是使工件牢靠地固定在定位件上的加力元件。

夹紧件应迅速可靠、使用方便，不致损伤工件表面。

夹紧件一般是与定位件配合使用，称为定位夹紧件。

4辅助设备：

包括工作踏板、工作梯、托架、工作台、起重吊挂、地面运输车及照明、压缩空气管路等。

辅助设备也是使工作方便、安全、减轻劳动强度、提高生产率所必不可少的型架组成部分。

3.1.3装配工艺过程的设计原则及技术要求

装配工艺装备的设计质量，同其他的生产工艺装备一样是以产品质量、工作效率、操作安全和成本作为衡量标准，并以此作为设计工作所遵循的基本原则。

所以，装配工艺装备设计的基本原则及技术条件要求应包括以下几方面：

1.使用性

（1）满足装配工艺要求；

（2）定位合理，夹紧可靠；

（3）工作开敞，操作条件好；

（4）定位件及夹紧件的操作简单，活动构件应便于开启和工作位置的恢复；

（5）产品的出架和出架方式合理。

2.协调性

（1）定位系统的设计应保证工艺装备之间的协调性，并合理确定其制造协调方法；

（2）要从结构设计上考虑到在工艺装备的制造上（指工艺性）能更好的达到工艺装备之间的协调性；

（3）对于加入尺寸控制环节（即数字传递环节）的定位件，必须确定合理的定位或转换基准，以减少安装误差。

3.稳定性

（1）刚度合理，重要构件应消除应力；

（2）活动定位件的使用位置较稳定；

（3）根据产品的尺寸大小和精度要求情况，在工装结构设计上应有消除或减少温度因素对协调影响的相应措施；

（4）工艺装备在地坪上安放，应优先采用“三点”支撑或“多点支可调”支撑，以消除地基下沉对型架准确度的影响或便于恢复型架的总体精度。

本毕业设计舱门支架组件属于较轻的尺寸也不是很大的零件，故支撑底座不用承受较大的压力，故设计成四点可调支撑，从而保证了型架的精度。

4.经济性分析

（1）在满足使用要求的前提下，工艺装备的结构造价应较低；

（2）在工艺结构装备上应考虑到产品改形对其提出的改造可行性；

（3）工艺装备的选择及其结构设计，必须处理好新机研制、试制和批量生产三者的关系；

（4）便于工装的故障维修；

（5）类似产品的工艺装备结构，必须尽量同一化（只结构相似和元件相似或相同），以利于工艺装备的制造；

（6）选择合理的制造公差，并具有良好的制造工艺性；

（7）合理的利用原材料，优先选用库存材料；尽量次用标准件，优先采用储备的标准件。

5.安全性

（1）在产品的定位和夹紧的过程中，应有必要的保护措施，以防产品在出架时不致因摆动而被碰伤；

（2）大型活动构件应有配重和省力装置，操作者的活动区域内，工艺装备零件不得有锐角和锐边，这样可保证工人安全；

（3）较重的可卸构件，应设置起吊装置和存放支撑；承力较大的构件，必须经过强度校核。

6.先进性

注意采用先进性结构和工艺方法，以提高工艺装备的使用性和降低工艺装备的制造费用。

3.1.4型架设计的两种思想

型架设计的两种设计思想，实际上也是两种工艺方法，它直接影响到型架的结构。

这两种思想如下：

（1）待装零、部件，以采用“定位件定位”为主进行（但也利用产品零Φ的装配方法即属于这种工艺方法。

该方法的设计特点是：

1）所有定位件都固定在型架上，所以，型架结构复杂，工作开敞性较差。

2）所有定位件的位置，都是在型架安装过程中通过一定的协调保证手段来确定的，这给型架的安装工作带来复杂性。

（2）采用“孔系”定位和利用产品零件互定性进行装配。

“内容位”即属于这种制造方法。

按这种工艺方法设计的型架，结构简单，工作开敞。

其设计特点为：

1）参加在装配的产品基准构件，如框、隔板、腹板和纵向基准构件等，按型架上的定位件定位，其余组件则以这些基准件定位；

2）大量采用孔和预装件定位的方法，例如垂尾后梁组件的腹板在型架上按其工艺孔或定位面定位，而角材的位置则由腹板、、缘条的具体位置来确定；

3）采用安装夹具配合部件的架内装配工作。

为此，须在工艺组件上提供必要的定位基准——位置准确的螺栓孔或铆钉孔等，这些的孔是按照保证孔位的协调性和零、组件准确位置的工装上钻模钻制的。

3.1.5协调路线

协调准确度是指两个相配合的零件、组合件或部件之间配合部分的实际形状和尺寸相符合的程度，这种符合的程度越高，则协调准确度越高，即协调误差越小。

保证协调准确度的方法基本有三种：

（1）按独立制造原则进行协调

（2）按相互联系原则进行协调

（3）按相互修配原则进行协调

从零件加工到部件装配经过许多生产环节，每个环节都会产生制造误差。

为了保证制造准确度和协调准确度，必需保证所使用的大量工艺装备本身的制造准确度和相关的工艺装备之间的协调准确度。

为此，在飞机制造中，工艺装备的制造应该遵循一定的协调路线[1]。

设计协调路线时，保证飞机零件、组合件、段件和部件的互换性，和保证它们主要的几何参数，如外形、接头和分离面的互换性。

此外，还要保证基准零件或组合件的准确度要求。

垂尾后梁组件协调路线见附录I。

3.1.6装配工艺规程

部件装配工艺规程包括装配各阶段的内容、装配基准、定位方法、装配用的主要工艺装备设备和检验方法，以及主要零、组件等供应状态和各装配阶段的交付状态等，所制定的装配各阶段的工作。

主要包括以下几点：

（1）装配工艺过程的结构可行性

（2）装配准确度

（3）装配过程的工艺可行性

（4）装配过程的经济性

3.2装配型架设计说明

型架设计的三个阶段和主要内容：

在熟悉型架设计的依据后，开始着手型架的设计，一般把设计工作分为三个阶段：

（1）草图设计或型架设计方案的拟定

（2）绘制工作总图

（3）绘制零件图

草图设计或拟订型架设计方案应该确定的主要内容有：

1．型架设计基准的选择。

2．装配对象在型架中的放置状态。

3．选择工件的定位基准，确定主要定位件的形式及布置，尺寸公差的选择。

4．工件的出架方式。

5．型架的安装方法。

6．型架结构形式的确定。

7．骨架刚度的验算。

8．型架支承与地基估算。

9．考虑温度对型架准确度的影响

3.3型架设计方案的论证

3.3.1方案的提出

根据对型架结构的分析，型架骨架结构大体可分为以下四类：

（1）、框架式；

（2）、组合式；

（3）、分散式；

（4）、整体底座式。

Ø整体底座式骨架：

如图3.1所示，采用多点可调支撑在地面上，对车间地基要求不高，但多内定为机身的装配型架，所以整体式骨架不适用于垂尾后梁的型架。

图3.1整体底座式骨架结构示意图

Ø分散式骨架：

如图3.2所示，其特点是型架不设整体的骨架，优点在于简化了型架结构，大大的节省了制造材料，但是主要适用于大尺寸的装配型架，例如相对比较复杂的机身组装。

垂尾后梁不属于大尺寸的工件，其型架也不需要这样复杂的骨架，所以分散式骨架不适合。

图3.2分散式式骨架结构示意图

Ø框架式骨架：

如图3.3所示，框架式的主要特点有：

1）、适用尺寸不是太大的型架骨架（考虑到方便运输）；

2）、梁式的结构多用于卡板定位的型架及转动夹具；

3）、该骨架为不规则结构，可以根据型架结构布局而开放性设计。

图3.3框架式骨架结构示意图

这种骨架的主要优点就是在于取消了整体的骨架，节省了材料，与组合式型架比，约可节省一半比例的金属。

而且型架结构简化，相对比较开敞，有利于型架内的装配工作的进行。

3.3.2方案的确定

根据垂尾后梁的尺寸及其结构的类型，前两种形式的骨架均不适合作为安装垂尾后梁组件的装配型架骨架。

从经济性方面来说，若采用整体底座式和分散式骨架来作为垂尾后梁的装配型架，这些骨架的制造需要依据垂尾中梁的尺寸做相对应的改动。

但是对于垂尾后梁这种尺寸不是很大的部件，随着产品的不断更新、修改以及新机型的生产，安装骨架所使用的许多板材就不再对新一轮装配夹具的制造具有互换的作用，造成板材的大量浪费，增加了机型改造的经济负担，这样就不符合装配型架设计优化设计的理念。

综合比较上述三种方案，从使用性、协调性、工艺性、经济性等角度出发，经比较选择了开敞性好、占地面积较小，容易操作、经济性好的方案三。

该骨架采用槽钢焊接而成，由于工件装配是平放的且装配过程中不需要旋转，所以设计为不可旋转式。

这样节省成本，提高生产效率和产品质量，从而也大大缩短了产品的生产周期。

3.4型架设计说明

3.4.1型架基准的选择

（1）选择型架设计基准的原则

1）同产品或相邻部件的装配型架的设计基准尽量一致，目的是减少尺寸的换算工作和计算误差；

2）装配型架的设计基准应尽量同制造基准一致，以便制造和检验；

3）应简化装配型架在制造过程中的测量工作量或减少测量环节中积累的误差；

4）型架设计基准的选择，应与其安装方法相适应。

（2）垂尾后梁装配型架设计基准的确定

垂尾后梁的三维数模如图所示，由于其产品的设计基准为工件的对称中心轴线，所以遵循上述原则，垂尾后梁的装配型架设计基准就确定为对称中心轴线。

3.4.2装配对象在型架中的放置状态

工件在型架中的放置状态应使工人在最有利的工作姿态下工作，即应使工人的大部分操作是在站立姿态下，工作高度在1.1～1.4m范围内。

此外，还应考虑节省车间面积。

通常情况下，主要有以下几种：

（1）卧放，主要用于机身、发动机段舱类部件的装配；

（2）侧放，主要多用于机翼、尾翼装配型架、半间型架以及大型隔框型架等。

便于铆接工作。

（3）竖放，主要用于横截面较大而长度较短的环状段件，便于在四周进行装配工作。

（4）平放，主要用于铆接工作少并考虑便于产品零件的安放或必须平放进行钻孔工作等。

（5）转动，具有好的操作条件，有利于提高工作效率，多用于某些框、肋夹具、口盖夹具和翼面前缘夹具等[1]。

综上所述，垂尾后梁组件在型架中的放置状态选择平放，这样与该工件在飞

机垂尾中的放置状态相一致，这样放置可以使定位件布置方便。

使得对腹板的紧固件布局合理，方便装配工作。

装配工作内容是：

首先将工装托板准确安装固定在型架上，然后将定位夹紧件固定在梁腹板外表面的工装托板上，之后进行装配所需的工作。

3.4.3工件的出架方式

工件在装配型架上完成装配后的出架方式是型架结构设计的重点，与型架的结构设计有很密切的关系。

出架方式选择合理，可以简化型架结构，使产品出架安全，不会损伤工件，还可节省厂房面积，简化搬运设备[1]。

对于较小的工件，出架时比较简单，只要打开相应的定位夹紧件即可取出。

大尺寸部件的出架方式主要有三种：

从型架上方吊出；从型架纵向取出；从型架侧向取出。

对于垂尾后梁组件这样的产品，我采用上出架的出架方式，影响产品出架的定位器和压紧器设计均为可拆卸结构，在产品出架时将影响产品出架的定位夹紧件拆除。

3.4.4型架的安装方法

装配型架的安装方法大体有5种：

1.用通用测量工具按装型架；

2.用标准样件安装型架；

3.用型架装配机安装型架；

4.用光学仪器安装型架；

5.用激光跟踪仪安装型架。

结合垂尾后梁组件产品的结构特点，我选择用激光跟踪仪来安装型架。

激光跟踪仪目标检测公差为0.12mm，用激光跟踪仪安装型架时，主要是以激光跟踪仪建立的光学视线作为安装型架的基准，具体来说就是利用工具球的X、Y、Z三坐标的信息反馈来进行定位、安装。

用激光跟踪仪（工具球）安装型架的优点有：

1、它是以光学视线为基准，因而消除了大尺寸机械测量中各种因素所引起的误差，提高了型架安装的准确度。

2、其使用比较灵活，可以在装配车间装配现场安装各种型架，包括大型分散式型架。

3、它轻巧、价格低，可以多配备几套，同时可以安装几台型架，从而缩短生产准备周期。

4、型架安装好以后，把光学站的杯形座保留下来，便于型架的定期检修。

3.4.5型架结构形式的确定

装配型架由骨架、定位件、夹紧件和辅助设备等几部分组成。

型架结构形式大体有：

框架式，组合式，分散式，整体底座[1]。

根据垂尾后梁组件的尺寸大小，形状和放置状态等的特点结合工厂的实际情况，垂尾后梁组件装配夹具型架结构形式选用框架式，因为该框架式结构采用方钢焊接而成，制造周期短，型架重量轻，且成本低，适用于垂尾后梁组件这种框类工件的型架装配。

3.4.6骨架刚度的验算

影响型架定位准确度的主要因素之一就是型架刚度。

为了保证型架具有足够的刚度，又有过于笨重，就需要对型架进行刚度计算或估算。

通常情况下将受弯曲的梁假设为双简支梁。

为简化计算过程和使刚度偏于更可靠些，一般将受弯曲的梁假设为双简梁，其挠度由公式：

q----均布载荷（kN/m）；

P----集中载荷（kN）；

E----材料的弹性系数（GPa）,对称钢材为206GPa；

J----梁剖面的轴惯性矩，EJ抗弯刚度，它的含义是产生单位位移所需的载荷；

----集中载荷的位置系数；

----考虑到假设条件与实际不符合的折减系数；

对于焊接的整体骨架可取

构架在自重作用下的中点挠度为：

因为一般机身型架、板件型架弯曲挠度f不超过0.2mm,此型架为垂尾后梁组件装配夹具，属于机身型架的一部分。

所以由以上计算得到的结果，完全符合刚度要求。

3.4.7不同材料在不同温度下形成的尺寸误差

飞机机体结构中大多数零件是用铝合金制成的，而飞机装配型架则主要是用钢及铸铁制成的。

铝的膨胀系数d铝=23.5*10-6,而钢的膨胀系数d钢=11.5*10-6,二者有相当大的差别。

设有名义尺寸L0=1m的一根铝棒和一根钢棒，在温度为t1℃时两者的长度是精确相等的。

当然温度变化到t2℃时，二者长度差为△L，则

△L=L0（t2-t1）（d铝-d钢）=L0*△t*△d

=1*10*（23.5*10-6-11.5*10-6）=0.12mm

在工艺过程中，一个名义尺寸经过多次不同材料的工夹具或量具的传递后，会因温度的不同而造成误差。

这个误差可称之为尺寸的热膨胀协调误差。

这个误差除与原始尺寸或名义尺寸L0有关外，还取决于△t△α之和，即当△t与△α同时不为零时，△L就存在。

如标准工艺装备与型架之间，型架与产品之间，或不同材料的工艺装备与产品之间等都有这种误差存在，都需要考虑热膨胀对尺寸协调和互换的影响。

3.4.8地坪的热膨胀系数及其对型架准确度的影响

在实际生产中，各工艺装备之间，工艺装备与产品之间，都经常出现比按上述公式计算结果大得多的误差。

而且经多次返修后仍继续出现严重的不协调现象。

经实测与试验研究，发现厂房混凝土地坪显著的影响着工艺装备结构尺寸的变化。

温度变化时，厂房混凝土地坪的伸缩很小，与钢、铝的热膨胀系数相差较大。

地坪的热膨胀系数为：

α地=0.46*10-6=0.5*10-6在估算时可以认为α地=0。

因此，只对不与地坪相固定整体式型架，其α型才能取得制造材料的热膨胀系数，一般即等于A--。

而对于与地坪固