支架床身（X 方向）
出模块、CANOpen 模块组成。5 个梁上的硬件配置相同，耦合器 模块与控制柜内耦合器模块扩展端子连接，实现高速通讯。数字
图 1 机械结构图
量输入、输出模块功能与控制柜内的模块功能相同。CANOpen
No.8
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机械设计与制造
Aug.2012
模块具有强大的协议执行能力，与带有该总线协议接口的伺服电 找；各轴传动比例校正；真空系统的通电测试、抽真空与释放测
辆的平顺性，可为电控空气悬架系统的进一步研究提供理论依据。
橡胶工业，2006（11）：40-43.
参考文献
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［1］张广世，沈钢.带有连接管路的空气弹簧动力学模型［J］.铁道学报，
［J］.客车技术与研究，2004，6（26）：10-12.
横梁 5
CANOpen
…
图 2 系统硬件结构框图
PC 机采用研华一体化工作站 AWS-8248，该工作站适于在
恶劣的工业环境中应用。一体化工作站是系统的控制核心，是柔
性工装人机界面程序软件的运行平台。
主控 PLC 模块组主要负责系统的整体控制，包括逻辑控制
和伺服电机的控制。及其对移动横梁运动限位、零位输入、真空吸
中图分类号：TH16；TH122 文献标识码：A
1 引言
固定工装在飞机生产制造业大量应用，现有固定工装存在 品种多，数量大，协调关系复杂，生产准备周期长，精度质量差等 重大瓶颈等问题，严重影响了我国各种新机型的生产制造周期及 其产品的质量[1]。随着数字化技术在飞机制造过程中越来越广泛 的应用，柔性工装技术得到了广泛发展。柔性工装可以克服固定 工装的大多缺点，大幅度提高装配生产率，研制可以适合多个不 同型号零件的柔性工装势在必行[2]。 ＊来稿日期：2011-10-16
在研究空气弹簧结构参数和受力关系的基础上，建立空气悬 架车辆的柔性双质量振动模型，应用鲁棒控制策略对空气悬架系统 进行阻尼匹配，经过仿真计算，结果表明，匹配后悬架可明显提高车
2006，44（8）：1-6. ［4］刘增华，李芾，傅茂海.铁道车辆空气弹簧系统最优控制策略及方法研
究［J］.铁道学报，2006，28（1）：26-30. ［5］王进，林达文，彭立群.轨道车辆用空气弹簧的刚度特性试验［J］.世界
盘控制阀的开关、声光报警数字量输入等信号的采集与控制。模
可调立柱（Z 方向）
块组采用德国倍福公司的系列模块，该模块组包括 PLC 模块，数
真空吸盘
字量输入模块，数字量输出模块，耦合器模块等。PLC 模块 CX1020 为高速处理模块，运行速度快并稳定可靠。数字量输入模
块用于从现场级获得二进制控制信号，并把数据以电隔离的信号
第8期
李文强等：飞机蒙皮吸盘式柔性工装系统研究
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测量、裁边、钻孔、铣切操作时的支撑与定位。
2 吸盘式柔性工装原理及关键技术
4 控制系统结构设计
系统能够在 X、Y、Z 三个方向进行调整，且各个移动横梁之
Hale Waihona Puke 吸盘式柔性工装由多点阵真空吸盘组成，吸盘在控制程序 间分布较远，电机数量、接近开关数量较多，考虑到整个系统的稳
控制下进行三维移动定位，生成与蒙皮组件曲面完全符合且分布 均匀的吸附点阵，从而精确可靠地定位和夹持蒙皮[3]。当产品外形 发生变化时，吸附点阵布局自动进行数字调整，可以适应不同的 蒙皮组件外形。并以真空吸附装置有效吸附蒙皮，形成柔性夹持 工装定位。
柔性工装系统是一个复杂系统，存在一些关键技术： （1）柔性工装是由多点阵运动构成，大多采用可调整的移动 机构运动形成三维运动，控制移动机构的运动需要大量的电机， 如何保证多轴运动控制及其调形过程之间立柱之间运动路径不 干涉。 （2）柔性工装根据数模自动排布立柱完成所需形状，将零件 放置在该工装上，具有三维几何形状的零件需要真空吸盘进行固 定。真空吸盘如何随不同产品外形进行多角度调整使吸盘上面和 蒙皮曲面相切，及其吸盘能否对产品进行有效吸附，抵御数控机 床的高速铣切运动。
【摘 要】针对我国飞机生产制造业传统模式中一种零件一套专用工装的问题，采用数字化柔性 工装技术的方法，研制了一套柔性工装系统，替代了多个固定工装。对应用于飞机蒙皮等零件的柔性工 装系统进行研究，该系统通过电机带动立柱阵列进行三维运动控制，利用可调立柱阵列对蒙皮进行定 位，采用真空吸盘对蒙皮进行吸附夹紧，最终实现了飞机蒙皮零件的重建、定位和吸附夹紧。最后用激 光跟踪仪对柔性工装系统的运行精度进行检测，结果表明 X、Y、Z 三个方向的定位精度均在±0.1mm 以 内、重复定位精度均在±0.05mm 以内。
形式传输到更高层的自动化单元处理。数字量输出模块用于将数
字量输出以电隔离的信号形式将自动化控制层传输过来的二进
移动横梁（Y 方向）
制控制信号传到设备层的执行机构。耦合器模块是将来自以太网 的传递报文转换为总线信号，与下面的以太网接口与网络相连。
移动横梁上的分站模块组由耦合器模块、数字量输入、数字量输
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文章编号：1001-3997（2012）08-0156-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
飞机蒙皮吸盘式柔性工装系统研究
第8期 2012 年 8 月
李文强 1 李 贺 1 段 磊 1 刘纯国 2 隋 阵 2 （1 中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110850）（2 吉林大学 辊锻研究所，长春 130022）
现阶段柔性工装技术在飞机制造行业应用前景广阔，如结 构件切削，钣金件蒙皮切边，切割复材构件，飞机装配等领域。目 前国内柔性工装依赖于国外技术，进口价格较高。针对上述问题， 在研究国外柔性工装技术基础上，结合我国飞机蒙皮和壁板类零 组件的加工工艺特点，开发了国内首创具有自主知识产权的吸盘 式柔性夹持工装系统，可以摆脱对国外技术依赖，填补了技术空 白。该柔性工装系统能够进行方便的调整，以适应不同的零组件 柔性夹持固定。可在应用于飞机制造行业中蒙皮、壁板类零组件
PC 机 CATIA & 界面 程序
以太网 主控站 CX1020+底座 IO
横梁 1 横梁 2
CANOpen
…
CANOpen
…
……
调形机构、线性滑轨组成，其 Y 向移动由伺服电机和减速器驱 动，传动方式为齿轮齿条，Z 向移动由伺服电机驱动，可调立柱可 在 Y、Z 方向运动调整立柱的空间位置。通过调整移动横梁、立柱 即可实现该工装在三维空间上的移动。真空吸附系统包括真空 泵、管路及真空吸盘等部件，真空泵用于产生真空的动力装置，所 设计的真空吸盘安装在可调立柱上，并可以在±45°空间上摆动， 可随产品外形进行多角度调整，解决了吸盘上面和蒙皮曲面相切 问题。并通过足够的真空吸附力，使蒙皮在铣切过程之中保持零 件稳定，解决抵御数控机床的高速铣切运动的问题。
司集全数字交流驱动器和交流永磁伺服电机与一体的集成式伺 ADSOCX 控件进行交互访问，解决了数据传递问题，使整个系统
定可靠性和结构简单。故系统采用基于 EtherCAT 与 CAN 总线网 络技术结合的分布式控制方案，EtherCAT 总线具有高达 100Mb/s 的带宽，是速度比较快的总线，CAN 总线协议废除了传统的站地 址编码，而代之以对通信数据块进行编码。理论上可对 127 个节 点进行连接[4]。利用分布式控制方式，可对现场的大量数据进行采 集、处理和大量电机轴运动控制。控制方案具有可扩展功能，通过 该总线连接方式解决了大量电机运动控制问题。系统的被控对象 由 80 台交流伺服电机、用于限位、零位检测及防撞保护的 168 个 接近开关，真空系统以及其它配套保护及控制元件组成。系统需 对上述器件进行整体检测和控制，满足设计要求。
4.1 硬件结构
控制系统硬件选型的原则是确保设备的稳定、可靠和长寿 命运行，确保执行机构具有快速的响应，并且具有友好的人机交 互界面[5]。硬件框图，如图 2 所示。主要由 PC 机、主控站 PLC 模块 组和 5 个分布于移动横梁上的分站模块组、80 台伺服电机及相 应的电源及保护电路等组成。由 PC 机通过总线网络对所有电机 进行位置、速度等控制，从而实现立柱的 X、Y、Z 向数控调整。
关键词：数字化；柔性工装；定位；吸附夹紧 【Abstract】Concerning the problems of one set of special tools for one type component in domestic traditional aircraft manufacturing, a flexible tooling system is developed by adopting digital flexible tooling technology to replace many fixed tools.The flexible tools for aircraft skin are studied, which 3D motion could be controlled through column array driven by motor and the skin could be positioned through ad － justable column array.After that the skin is sucked and clamped by vacuum chuck, in this case the recon－ struct，position and clamp for the aircraft skin is realized.Finally Laser Tracker is applied to inspect the running accuracy of the flexible tool system.The result of experiment indicates that the position accuracy of the system in X，Y，Z axis is ±0.1mm and the repetitive positioning accuracy is within ±0.05mm. Key Words：Digital；Flexible Tools；Locate；Clamp