CC BY
89
УДК 621.71; 658.27; 658.52.011.56
ЛАБОРАТОРНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАМИ СБОРОЧНОЙ ОСНАСТКИ
К.А.Однокурцев1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрен проект лаборатории, создаваемой на базе НИ ИрГТУ для отработки автоматизированного управления функциональными элементами сборочной оснастки в авиастроении. Предложены методы решения задач координатного позиционирования и автоматизированного управления в процессе безэталонного монтажа сборочной оснастки, сборки и стыковки узлов и агрегатов планера самолёта. Разработана конструкция лабораторного стенда и схема его функционирования. Описано техническое оснащение лаборатории: автоматизированные приводы и система автоматизированного измерения пространственных координат точек (лазерный трекер). Ил. 10. Табл. 1. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: самолётостроение; сборка; сборочное приспособление; автоматизация; позиционирование; базирование при сборке.
LABORATORY TECHNICAL EQUIPMENT FOR AUTOMATED CONTROL OF THE ASSEMBLY TOOLING
COMPONENTS
K.A. Odnokurtsev
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article examines a design of the laboratory, being created on the base of NR ISTU for working-off the automated control of functional elements of assembly tooling in aircraft construction. It proposes methods for solving the problems of coordinate positioning and automated control during the standardless mounting of assembly equipment, assembly and jointing of airframe components and units. The design of the laboratory test bench and its operation circuitry are developed. The article describes the technical equipment of the laboratory: automated drives and the system of automated measuring of the spatial coordinates of points (laser tracker). 10 figures. 1 table. 3 sources.
Key words: aircraft construction; assembly; assembly fixture; automation; positioning; stationing in assembly.
В современных условиях рынка от российской авиапромышленности требуется постоянное повышение конкурентоспособности выпускаемых летательных аппаратов (ЛА). Одним из основных способов повышения конкурентоспособности отечественных ЛА является внедрение современных средств автоматизации на различных этапах производственного цикла: при выполнении технологической подготовки производства (ТПП) и собственно технологических процессов (ТП). Внедрение средств автоматизации позволяет сократить длительность цикла производства, снизить трудоёмкость ТПП и ТП, обеспечить стабильность параметров качества изделий. При этом особое внимание следует уделять ТПП и ТП сборки ЛА и монтажа сборочной оснастки, поскольку они отличаются низким уровнем автоматизации при значительной трудоёмкости и длительности цикла производства [1 - 3].
На Иркутском авиационном заводе - филиале ОАО «Корпорация «Иркут» в настоящее время выполняется подготовка производства самолёта МС-21. В связи с высокими требованиями к качеству самолёта и необходимостью обеспечения его конкурентоспособности выполняется разработка систем и средств автоматизации технологической подготовки сборочного
производства и ТП сборки и стыковки узлов и агрегатов МС-21. Одним из направлений работы является разработка системы автоматизированного управления функциональными элементами сборочной оснастки при монтаже и выполнении сборочно-стыковочных работ. Для отработки алгоритмов управления элементами сборочной оснастки при их монтаже и выполнении сборки и стыковки изделий авиационной техники (АТ) создаётся лаборатория высокоточной сборки и монтажа конструкций и сооружений на базе НИ ИрГТУ.
Лаборатория сборки и монтажа конструкций и сооружений предназначена для апробации различных алгоритмов автоматизированного управления элементами сборочной оснастки при выполнении следующих видов работ:
а) базирования изделий АТ по базирующим и фиксирующим элементам (БФЭ) различной конструкции (жёстким, дискретным, регулируемым и др.);
б) позиционирования элементов сборочной оснастки при выполнении её безэталонного монтажа на основании данных электронного макета (ЭМ);
в) позиционирования изделий АТ при выполнении сборочно-стыковочных работ по координатам базовых точек (по принципу бесстапельной сборки);
i-
Однокурцев Константин Андреевич, старший преподаватель кафедры самолётостроения и эксплуатации авиационной техники, кандидат технических наук, тел.: 89149248566, e-mail: only_const@mail.ru
Odnokurtsev Konstantin, Senior Lecturer of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, Candidate of technical sciences, tel.: 89149248566, e-mail: only_const@mail.ru
г) перемещения элементов сборочной оснастки в процессе сборочно-стыковочных работ с использованием различных средств механизации.
Средства технического оснащения лаборатории имеют переналаживаемую модульную конструкцию, чтобы обеспечивать широкие функциональные возможности и допускать последующее расширение материальной базы лаборатории под новые задачи. В состав технического оснащения входят лабораторный стенд, средства позиционирования и механизации сборочной оснастки и средства измерения пространственных координат (рис. 1).
Лабораторный стенд предназначен для имитации сборочной оснастки, используемой в авиастроении. Он включает несущий каркас, на котором размещаются установочные, базирующие и фиксирующие эле-
менты сборочной оснастки. Лабораторный стенд содержит три рабочих поста: узловой сборки, агрегатной сборки и стыковки агрегатов. Схема функционирования постов лабораторного стенда приведена на рис. 2.
Для решения задач базирования деталей и сборочных единиц (СЕ) при сборке изделий АТ в лабораторном стенде предназначены рабочие посты узловой и агрегатной сборки. Модульная конструкция лабораторного стенда позволяет отрабатывать различные схемы базирования с применением БФЭ различной конструкции. В частности, предлагается использовать следующие виды БФЭ:
а) БФЭ традиционной конструкции;
б) переналаживаемые БФЭ;
в) БФЭ для координатного базирования.
БФЭ традиционной конструкции (а) представляют
передача управляющих сигналов -> измерение пространственных координат
Рис. 1. Схема функционирования технического оснащения лаборатории
Рис. 2. Схема функционирования рабочих постов лабораторного стенда
собой плиты, ложементы, рубильники, фиксированные упоры, фиксаторы координатно-фиксирующих отверстий (КФО) и др. Они могут применяться как для базирования деталей изделий АТ в процессе узловой сборки, так и для базирования СЕ (узлов и панелей ЛА) в процессе агрегатной сборки.
Переналаживаемый БФЭ (б) представляет собой механическую систему, в которой рабочий орган (конструктивный элемент - носитель технологической базы) имеет одну или несколько степеней подвижности относительно основания в процессе переналадки БФЭ и жёстко фиксируется в заданном положении для выполнения сборки изделия АТ. Переналаживаемый БФЭ может быть выполнен как в виде одиночного элемента (отдельный упор), так и в виде системы упоров, размещённой на общем основании (ложемент или рубильник с переналаживаемым контуром). Переналаживаемые БФЭ, как и БФЭ традиционной конструкции, могут применяться для базирования изделий АТ в процессе узловой и агрегатной сборки.
БФЭ для координатного базирования (в) представляет собой механическую систему для установки и фиксации изделия АТ в сборочном положении по координатам заданных точек, являющихся измерительными базами (базовых точек). Физические носители базовых точек могут располагаться как на элементах конструкции БФЭ, так и непосредственно на устанавливаемом изделии. БФЭ для координатного базирования в лабораторном стенде будет иметь вид переносной рамы с размещёнными на ней БФЭ традиционной или переналаживаемой конструкции (рис.
3). Переносная рама устанавливается на каркас сборочной оснастки по причальным элементам, обеспечивающим возможность её позиционирования в некотором диапазоне. На этапе узловой сборки детали СЕ устанавливаются по БФЭ, расположенным на переносной раме, традиционным способом. Готовая СЕ устанавливается в приспособление для агрегатной сборки вместе с переносной рамой по соответствующим причальным элементам. При этом выполняется позиционирование рамы по координатам заданных базовых точек, что обеспечивает заданную точность сборки изделия АТ.
Задача позиционирования БФЭ сборочной оснастки решается на постах узловой и агрегатной сборки. Позиционирование изделий АТ осуществляется на постах агрегатной сборки и стыковки агрегатов. Координатное позиционирование выполняется для обеспечения заданной точности расположения БФЭ или изделия АТ в пространстве сборочного приспособления (СП). Решение задач позиционирования требуется при выполнении следующих процессов:
а) безэталонный монтаж БФЭ сборочной оснастки (на постах узловой и агрегатной сборки);
б) координатная (бесстапельная) сборка изделий АТ (на постах узловой и агрегатной сборки с использованием БФЭ для координатного базирования);
в) стыковка агрегатов изделий АТ (на посту стыковки агрегатов).
Способ позиционирования выбирается в зависимости от конструкции устанавливаемого БФЭ (таблица).
Рис. 3. Переносная рама с ложементами для координатного базирования изделий АТ
Способы позиционирования изделий
№ п/п Способ позиционирования Объект позиционирования Устройство позиционирования
1 Прямое Малогабаритные достаточно жёсткие БФЭ Одно устройство позиционирования (манипулятор), от 1 до 6 степеней подвижности
2 Многоточечное (прямое, обратное или комбинированное) Крупногабаритные жёсткие или маложёсткие БФЭ и изделия АТ Три и более устройства позиционирования, 3 степени подвижности и посадочное место с шаровой опорой у каждого
3 По установочной плоскости Любые достаточно жёсткие БФЭ и изделия АТ Двухмодульное устройство позиционирования: модуль установки плоскости позиционирования и модуль позиционирования на установочной плоскости
Задача прямого позиционирования решается на постах узловой и агрегатной сборки в процессе безэталонного монтажа сборочной оснастки (а). Объектами позиционирования являются малогабаритные достаточно жёсткие БФЭ (упоры, фиксаторы КФО) и вспомогательные элементы навески крупногабаритных БФЭ (вилки, проушины, кронштейны, причальные элементы). Для позиционирования могут использоваться различные устройства. При опытной отработке методов позиционирования в первом приближении применяется позиционер на ручном управлении, разработанный в Иркутском государственном техническом университете и изготовленный на Иркутском авиационном заводе - филиале ОАО «Корпорация «Иркут» (рис. 4). Он имеет шесть степеней подвижности (три линейных и три угловых) и ручное управление с помощью винтовых пар.
в процессе бесстапельной сборки изделий АТ.
Задача многоточечного позиционирования решается прямым, обратным или комбинированным способом на посту стыковки агрегатов ЛА (рис. 6). В качестве объекта позиционирования в условиях лаборатории выступает агрегат, имитирующий отсек или агрегат планера самолёта. Ввиду ограниченных размеров помещения лаборатории часть элементов конструкции ЛА заменена более компактными элементами лабораторного стенда с сохранением состава конструкторских баз самолёта, а стыкуемый агрегат имеет уменьшенную длину (около 500 мм).
При опытной отработке методов позиционирования при стыковке агрегатов в первом приближении применяются не менее трёх одноточечных модулей позиционирования на ручном управлении, разработанных в Иркутском государственном техническом
Рис. 4. Опытный 6-координатный позиционер на ручном управлении: 1 - основание; 2 - монтажная площадка; 3 - штурвал (перемещение по вертикальной оси У); 4 - управляющий винт (перемещение по горизонтальной оси X); 5 - управляющий винт (перемещение по вертикальной оси 1); 6 - управляющий винт (поворот вокруг оси У); 7 - управляющий винт (наклон относительно оси X); 8 - управляющий винт (наклон относительно оси 1)
При дальнейшей отработке методов прямого позиционирования планируется использование манипуляторов различной компоновки на базе автоматизированных приводов. Для этого заказаны линейные приводы кареточного типа (рис. 5,а), обеспечивающие точность линейного позиционирования до 0,01 мм, и фланцевые редукторы (рис. 5,б) с точностью углового позиционирования до 0,01°, оснащённые шаговыми электродвигателями. Эти приводы планируется применять и при выполнении координатного базирования
университете и изготовленных на Иркутском авиационном заводе - филиале ОАО «Корпорация «Иркут» (рис. 7). Каждый модуль имеет три линейных степени подвижности, шаровую опору для установки объекта позиционирования и ручное управление с помощью винтовых пар. При дальнейшей отработке методов стыковки агрегатов планируется использование 3-координатных одноточечных манипуляторов на базе автоматизированных приводов позиционирования кареточного типа, рассмотренных выше (см. рис. 5,а).
а)
б)
Рис. 5. Автоматизированные приводы позиционирования: а - линейный привод кареточного типа;
б - фланцевый редуктор
Рис. 6. Посты агрегатной сборки и стыковки агрегатов: 1 - стапель агрегатной сборки; 2 - неподвижный стыкуемый агрегат (передняя обшивка не показана); 3 - стыковочный комплекс; 4 - подвижный стыкуемый
агрегат
Рис. 7. Модуль одноточечного позиционирования с шаровой опорой
Задача позиционирования по установочной плоскости решается на посту стыковки агрегатов ЛА. Объектом позиционирования выступает стыкуемый агрегат, а в качестве устройства позиционирования используется стыковочный модуль (рис. 8). Он включает в себя рельсовые направляющие - носители установочной плоскости (рис. 8, поз. 1) и перемещающуюся по ним платформу (рис. 8, поз. 2) с позиционирующим устройством. Каждая из рельсовых направляющих установлена на двух опорах (рис. 8, поз. 3) с возможностью регулировки её положения домкратными болтами. Платформа перемещается по рельсовым направляющим на каретках под действием линейного актуатора штокового типа (рис. 8, поз. 4), обеспечивающего точность позиционирования до 0,02 мм. На платформе устанавливается устройство позиционирования (рис. 8, поз. 5), обеспечивающее системе недостающие степени подвижности (например, устройство многоточечного позиционирования), либо работающее автономно (без регулировки рельсовых направляющих) для отработки соответствующих методов позиционирования.
Высокая точность, независимо от способа позиционирования, обеспечивается применением инструментальных средств измерения пространственных координат точек. Для этого был приобретён лазерный трекер API Tracker3 (рис. 9,а). Он позволяет измерять фактические координаты точек материальных объектов с высокой точностью (до 0,025 мм на 5 м дистанции измерения). Для измерения используются отражатели различных видов: сферические отражатели типа SMR диаметром 0,5 и 1,5 дюйма (12,7 и 38,1 мм соответственно, рис. 9,б), активный датчик SmartTrack (рис. 9,в). Последний позволяет измерять не только координаты X, Y, Z точки оптического центра отражателя, но и углы поворота его основания, определяя все шесть пространственных координат связанного с ним объекта. Применение внешнего средства измере-
ния координат позволяет сократить длину измерительной размерной цепи и уменьшить накапливание погрешности измерения, что существенно повышает точность координатного позиционирования.
Кроме приводов позиционирования, лабораторный стенд оснащается автоматизированными приводами механизации сборочной оснастки. Они предназначены для перемещения БФЭ и элементов каркаса сборочной оснастки в процессе сборочных и стыковочных работ и должны применяться на постах узловой и агрегатной сборки и стыковки агрегатов. В качестве приводов механизации заказаны линейные акту-аторы штокового типа (ход 400 мм, динамическая нагрузка до 1 кН, статическая нагрузка до 3700 Н) (рис. 10). Различные кинематические схемы перемещения элементов сборочной оснастки реализуются с помощью вспомогательных элементов механизации: рычагов, тяг, шарниров, элементов навески и др. Управление приводами механизации осуществляется с помощью упоров, индуктивных датчиков положения и концевых выключателей.
Разработка конструкции всех средств технического оснащения лаборатории выполнена в CAD-системе NX 7.5. Схема функционирования лабораторного стенда разработана в Иркутском государственном техническом университете, конструкция спроектирована на Иркутском авиационном заводе - филиале ОАО «НПК «Иркут». В ближайшее время на ИАЗ запланировано изготовление элементов лабораторного стенда, их поставка в НИ ИрГТУ и монтаж всего оборудования в помещении лаборатории.
Создание и оснащение лаборатории сборочно-монтажных работ позволит выполнять экспериментальную отработку алгоритмов управления элементами сборочной оснастки, технологий безэталонного монтажа сборочной оснастки, координатного базирования, бесстапельной сборки и стыковки изделий АТ
Рис. 8. Конструкция стыковочного модуля: 1 - рельсовые направляющие; 2 - подвижная платформа; 3 - опоры с домкратными болтами; 4 - линейный актуатор; 5 - модули одноточечного позиционирования
а)
б)
в)
Рис. 9. Лазерный трекер API Tracker3 и отражатели разных видов: а - лазерный трекер; б - сферические отражатели типа SMR; в - активный 6-координатный датчик SmartTrack
Рис. 10. Линейный актуатор штокового типа
лабораторных условиях на базе НИ ИрГТУ. Лабораторное оборудование будет использовано для выполнения научных исследований, проведения учебных лабораторных занятий студентов и повышения квалификации сотрудников авиастроительных предприятий и вузов.
Перечисленные технологии базирования, позиционирования и автоматизированного управления могут быть реализованы не только в лаборатории сборочно -монтажных работ, но и в условиях промышленного производства самолёта МС-21 и других изделий АТ. Применение новых технологий в производстве ЛА и подготовка кадров высокой квалификации позволят повысить конкурентоспособность промышленных предприятий авиастроительной отрасли. Использование лаборатории при отработке соответствующих тех-
нологий и алгоритмов управления исключит необходимость изъятия технологического оборудования из производственного цикла и сократит риски производственных потерь.
Данная работа выполняется в рамках договора №334/10 от 06.10.2010 г. на проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ между ГОУ ВПО НИ ИрГТУ и ОАО «Корпорация «Иркут» на тему «Разработка и внедрение высокоэффективных технологий проектирования, конструкторской и технологической подготовки и изготовления самолета МС-21». Договор заключен в рамках работы по постановлению Правительства Российской Федерации от 09.04.2010 г. №218.
Библиографический список
1. Бабушкин А.А., Бабушкин А.И., Сироджа И.Б. Концепция знаниеориентированной методологии принятия решений при автоматизации проектирования сборочных приспособлений в самолётостроении // Открытые информационные и компьютерные технологии. 2009. Вып. 42. С. 58-81.
2. Воронько В.В. Основные направления и тенденции развития зарубежных технологий сборки авиационных конструкций // Открытые информационные и компьютерные технологии. 2010. Вып. 45. С. 87-97.
3. Современные технологии / А.И.Пекарш, Ю.М.Тарасов, А.Г.Кривов и др. М.: Аграф-пресс, 2006. 304 с.
