栗增杰1，宜亚丽1，姬亚萌1，戴勇波2
（1.燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004；2.北京星航机电装备有限公司，北京 100074）
摘 要：针对舱体对接装配内应力对筒体类产品装配性能的影响，提出柔性自适应装配，引入柔性支撑平台，进行柔性支撑单元设计。柔性支撑平台能够降低装配支撑的刚性，增加装配自适应性及精度补偿功能。柔性支撑单元阈值可调，柔性支撑平台可根据其受力情况改变装配支撑刚性。通过实验对柔性支撑单元阈值标定，并对其性能进行验证，结果表明：柔性支撑单元性能稳定，能够在可控范围内降低装配支撑的刚性，可用于柔性自适应装配中，实现调姿补偿功能。
关键词：对接装配；装配内应力；柔性支撑；调姿补偿；阈值
舱体对接装配属筒套类高精度装配，是装备制造的重要环节，装配内应力影响装配后产品的整体性能[1]。传统的借助吊具手工装配[2]，虽然可以有效减小装配内应力，但效率低、劳动强度大。在自动化对接装配中[3-4]，由于舱体加工误差和调姿定位装置精度等原因[5]，舱体位姿误差产生装配内应力[6]。
为减小装配内应力，AIT公司设计的飞机装配系统中，采用前机身和后机身由3定位器支撑，中机身4定位器支撑的方法[7]，西班牙SERRAL公司采用机身测量入位方法[8]，文献[9]提出了基于激光跟踪仪测量的工艺球头入位方法，文献[10]提出三坐标定位器的部件刚度配置方法。自动化对接装配过程中舱体位姿无法精确调整，为减小装配内应力，降低装配支撑刚性的工艺方案提出对舱体位精度补偿的要求。
基于柔性自适应装配原理，设计柔性支撑单元，构建柔性支撑平台，对接过程不需要对舱体位姿严格测量和定位，仿人工对接的柔性和灵活性，在可控范围内降低装配支撑的刚性，释放部分自由度，增强自适应性以及增加自动补偿功能，有效地减小装配内应力。
某型舱体自动对接装配系统，如图1所示。其对接装配过程为：对接舱体Ⅱ固定在对接工作台上，对接舱体Ⅰ固定在六自由度调姿平台上，由中央控制台控制，通过激光跟踪仪和反馈测量软件实现舱段空间坐标的测量，通过六自由度调姿平台实现位姿调整，完成舱段的对接。
图1 某型舱体自动对接装配系统示意图
Fig.1 The Schematic Diagram of Automatic Docking Assembly System of a Certain Type of Cabin
由于舱体加工误差及对接装置如激光跟踪仪、六自由度调姿平台等精度原因，对接舱体Ⅰ很难精确达到预定位姿，虽能勉强装配，但存在装配内应力。
为了有效地减小装配内应力，改进自动对接装配系统，设计柔性支撑平台，如图2所示。
柔性支撑平台位于对接舱体Ⅰ和六自由度调姿平台之间，下平台固定，上平台浮动。
图2 柔性支撑平台
Fig.2 The Flexible Support Platform
根据舱体重量设定柔性支撑单元阈值，使舱体处于浮动状态，自动对接装配完成后，如果存在位姿误差，只需人工轻轻推压或轻微摆动舱体，舱体根据装配接触力修正自身位姿和运动，实现无应力装配。
3.1 主要技术要求
柔性支撑平台：
柔性支撑单元搭建的柔性支撑平台运动灵活，能够有效地减小装配内应力。
柔性支撑单元：
（1）工作力调节范围为：（100～2000）N；（2）整体尺寸：高度不大于100mm，直径不大于80mm。
3.2 设计原理
柔性支撑单元作用是对上平台的支撑和根据外力被动调节刚性。通过调节其阈值，设定工作力，当外力小于设定力时，机构为刚性，不可以调节；当外力大于设定力时，机构为柔性，可根据外力进行伸缩及转动的调节。
3.3 柔性支撑单元设计
根据柔性支撑平台的工作需求，基于设计原理，将柔性支撑单元设计为内含移动副和球面副及阈值可调的结构，如图3所示。
图3 柔性支撑单元
Fig.3 The Flexible Support Unit
球头轴、球头套安装在由底座、压盖中构成球窝结构，形成球面副；摩擦套通过热装配在球头轴上可在球头套中移动，形成移动副；旋转套与球头套前端为螺纹联接，后端为圆锥过盈联接，拧紧旋转套改变过盈联接过盈量，摩擦套与球头套正压力改变，从而改变摩擦力，达到阈值调节的目的；固定套、圆柱销、限位螺钉等构成单元的固定限位机构，可实现柔性支撑位置的限制和复位；指示螺钉用于指示旋转套的旋进刻度。六个柔性支撑单元分别通过螺钉固定在上平台和下平台之间，构成柔性支撑平台。
4.1 样件制作
考虑材料类型、承载能力、接触面大小、接触面粗糙度、环境温度、湿度等影响因素，选定柔性支撑单元材料，如表1所示。
表1 柔性支撑单元各部件材料
Tab.1 Part Material of Flexible Support Unit
名称 基座 压盖 球头轴 球头套 旋转套材料 20Cr13 20Cr13 20Cr13 20Cr13 20Cr13名称 固定套 摩擦套 限位螺钉材料 20Cr13 QAL10-4-4 20Cr13
柔性支撑单元主要材料为20Cr13，20Cr13为马氏体不锈钢，其主要性能类似于1Cr13，由于碳含量较高，其强度、硬度高于1Cr13，而韧性和耐腐蚀性略低。主要用于制造承受高应力负荷的零件，如轴和轴套、汽轮机叶片、热油泵、叶轮、水压机阀片等。摩擦套采用QAL10-4-4，QAL10-4-4具有高强度，高温力学性能良好，良好的减摩性，抗蚀性良好，制作高强度耐磨零件和高温条件下工件，如轴衬、轴套、法兰盘、齿轮及其他重要耐蚀耐磨零件。
图4 实验样件图
Fig.4 The Experimental Prototy
根据柔性支撑单元结构设计和材料选择，通过机械加工制造柔性支撑单元样件，柔性支撑单元最大外径为40mm，最短行程时高度为70mm，最长行程时高度为85mm，如图4所示。
4.2 实验方案
为标定柔性支撑单元阈值，模拟实际调姿补偿受力运动，验证其工作性能，利用柔性支撑单元样件，设计实验，如图5所示。
调研舱段调姿实际工况，柔性支撑单元拉压运动过程相似，且受压运动较多，因此将两个样件分别固定在电子万能试验机上做单独受压实验。设置电子万能试验机拉压速度为10mm/min，保持匀速，受压行程15mm，调节旋转套刻度，改变阈值，依次试验，得出载荷—位移曲线，记录受压情况，并对实验结果进行分析。
图5 受压实验
Fig.5 The Pressure Test
4.3 实验数据与分析
电子万能试验机匀速下压，压力平均值与旋转套刻度关系，如表2所示。
表2 柔性支撑单元受压实验数据
Tab.2 Pressure Test Data of Flexible Support Unit
刻度（°） 30 45 60 75 90 105 120 1#压力（N） 486 736 953 1243 1502 1804 2083 2#压力（N） 513 778 1069 1321 1603 1865 2149
实验件受压状态下载荷随位移的变化而变化，两次实验90°时载荷—位移曲线，如图6所示。
图6 实验件受压状态下载荷—位移曲线
Fig.6 The Load Displacement Curve of the Experimental Prototy Under Pressure State
（1）载荷—位移曲线中，随位移的增大载荷上下波动，由于加工误差导致摩擦套表面不平整，从而正压力随位移上下波动，导致载荷随位移上下波动。
（2）由载荷—位移曲线可以看出柔性支撑单元工作性能较稳定，当电子万能试验机施加的力小于柔性支撑单元阈值时，机构为刚性，不产生位移；当电子万能试验机施加的力大于其阈值时，机构为柔性，在位移为零时载荷有突变，产生位移。
（3）柔性支撑单元实验件在旋转套刻度为120°时工作力为2149N，因此，能够满足最大工作力调节要求。
（1）基于柔性自适应装配，引入柔性支撑平台，柔性支撑平台可根据装配接触力修正自身位姿和运动，实现调姿补偿功能，提高装配效率；
（2）根据技术要求和设计原理，对柔性支撑单元进行设计，并进行材料选择与分析，加工制造柔性支撑单元样件；
（3）通过实验对柔性支撑单元阈值标定，并验证其性能，结果表明：柔性支撑单元工作性能稳定，能够满足工作要求，可用于柔性自适应装配中，减小自身装配内应力，完成对接装配。
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Design of a New Type of Flexible Support Unit
LI Zeng-jie1，YI Ya-li1，JI Ya-meng1，DAI Yong-bo2
（1.College of Mechanical Engineering，Yanshan University，Hebei Qinhuangdao 066004，China；2.Beijing Xinghang Mechanical and Electrical Equipment Co.，Ltd，Beijing 100074，China）
Abstract：In view of the influences of internal stress on the cylinder products performance in the docking assembly，the adaptive principle of flexible assembly was presented and flexible supporting platform was introduced.The flexible support unit was designed.The flexible support platform can reduce the rigidity of the assembly support and increase the adaptability and precision compensation function of the assembly.The threshold value of flexible support unit can be adjusted.According to the force，the flexible support platform can change the assembly support rigidity.The threshold value of the flexible support unit was calibrated by correlation experiment，and its performance was verified.The results show that flexible support unit performance is stable.The flexible support unit can reduce the rigidity of the assembly support in the controllable range.The flexible support unit can be used in the system of flexible assembly to realize the function of adjusting system pose.
Key Words：Docking Assembly；Assembly Internal Stress；Flexible Support；Pose Adjustment Compensation；Threshold Value
中图分类号：TH16；TH136
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）12-0049-03
来稿日期：2017-06-20
基金项目：国家自然科学基金面上项目（51275437）
作者简介：栗增杰，（1987-），男，河北邯郸人，硕士研究生，主要研究方向：柔性装配自动化技术与精密传动理论研究；宜亚丽，（1976-），女，山西永济人，博士研究生，副教授，主要研究方向：精密传动理论研究与系统动力学
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