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【内容摘要】结合新机研制需要，分析了飞机机翼下架及翻转的难点，简述了一种机翼翻转设备的研制思路，并阐述了通过理论计算、三维数字化动态模拟，解决新机研制中机翼下架与翻转的技术难点。该翻转设备经现场使用，安全、可靠、翻转平稳。
关键词： 下架及翻转 空间分析 动态仿真
前言
飞机部件外廓尺寸大、形状复杂、零件及连接件数量多，制造难度大。其中机翼是尺寸最大、结构最复杂的部件之一，是飞机研制中制造难度最大的部件。一般在总装对接之前需要对每段部件进行位置和姿态的调整（简称调姿），使对接的两端不仅位置到位，而且姿态对齐。机翼装配采用垂直装配方式，即用型架将飞机机翼固定在铅垂平面内，而与中央翼对接时为水平状态。因此，机翼下架时必须将其由垂直状态翻转至水平状态。
国产机型的机翼下架与翻转设备传统方案是将机翼从型架中吊出后，通過调整手动葫芦起重链、使产品慢慢翻转为水平状态;或通过与固定在地面上的两个液压支柱顶部铰链连接。这些翻转设备技术落后，操作人员劳动强度大，生产效率低，机翼在翻转时存在死点，晃动较大，机翼翻转过程中存在很大的安全隐患。同时，机翼翻转过程中巨大的晃动也会影响机翼的精度。因此，飞机机翼下架与翻转设备传统方案不适合外形尺寸更大，重量更重的飞机的机翼的下架与翻转。
本文改变了飞机机翼下架与翻转设备传统方案，设计了内侧、外侧起吊翻转单元，翻转单元的核心部件为升降机。该方案利用双吊车对两套翻转单元分别起吊，保证机翼翼盒在翻转过程中重心的稳定;通过电气控制系统实现同步控制两个电机，使两套起吊翻转单元在翻转过程中为同步状态，完成对飞机外翼翼盒的夹持、固定及同步翻转，提高了工作效率和产品质量。
1 技术原理
一种机翼下架与翻转设备采用双平面连杆运动机构实现机翼翻转，如图1所示。其中左右两侧各代表一个翻转单元，分别吊挂。杆1表示起吊连接梁，杆 2表示固定机翼的夹持部件，转动副3表示电机驱动的升降机，可带动杆4移动。在机翼下架时，机翼在装配型架上呈垂直状态。将杆2与机翼连接后，杆4从转动副3的左面逐渐向右下移动，使机翼趋于水平状态。在翻转时，设备与机翼的合成重心处于不断变化，采用双点吊挂，只要合成重心在两个吊点之间就可保证重心稳定，通过控制两个翻转单元同步电机同步驱动，以达到两个翻转单元同步状态，保证机翼在翻转过程中不会发生扭曲型变。
2研制要求和目标
机翼在型架上完成装配后需要将其下架并翻转。具体目标如下：
1） 该吊挂应易于上架便于安装;
2） 出架时应避免与型架的碰撞干涉;
3） 将机翼吊至半空中时，由立放状态（机翼基准平面竖直）翻转至平放状态（机翼基准平面水平）。
3详细设计
一种机翼下架与翻转设备由内侧起吊翻转单元、外侧起吊翻转单元和电气控制系统组成。内侧、外侧起吊翻转单元结构形式相似，均由吊车连接梁、机翼夹持部件、传动机构及工艺接头构成;同时，两套翻转单元又相互独立，分别在不同的位置对机翼进行夹持和固定。在结构上，内外侧起吊同步翻转单元的传动机构的转轴（A轴）、丝杠推力作用点（B轴）、翻转轴（O轴）必须分别同轴，并且三轴与机翼基准平面平行。这样在结构上就可以确保两套传动机构在翻转过程中的同步性。
机翼下架与翻转设备采用双吊车起吊，起吊点分别设置在机翼的A肋和B肋处。两吊车分别与内外侧起吊同步翻转单元的起吊环连接。单吊车起吊需要提前确定机翼与下架与翻转设备的合成重心，确保吊点在重心的正上方。采用双吊车起吊不需要调整重心，翼展方向的重心只要在两吊钩之间即可，在机翼厚度方向上可以通过吊车连接梁上起吊环螺栓连接孔位置的改变来调整重心。这使得机翼起吊和吊运平稳、安全可靠，可防止机翼的倾斜、滑落。
3.1吊车连接梁
吊车连接梁为一倒立的L形，由竖杆部分和横杆部分焊接而成。其竖杆底部通过两个销轴与传动机构框架铰接。一个轴为可拆卸，平常放置在存放架时，拆卸下来，吊车连接梁与传动机构框架可绕另一轴旋转折叠，以节省存放空间。
3.2传动机构框架
传动机构框架中部是一个方形框架，通过A轴与传动机构铰接，上部与吊车连接梁的两个销轴铰接，下部与机翼夹持部件通过O轴铰接。
3.3机翼夹持部件
机翼夹持部件主要用来固定和夹持机翼，夹持部件是一个长方形半围框的背后是一个耳座。耳座与机翼夹持部件通过O轴铰接。半围框的两开口端通过接头连接座与上翼面数控接头连接，从而形成对机翼的牢靠夹持。
3.4翻转机构
翻转机构由减速电机、伞齿轮减速器、弹性联轴器、升降机等组成。翻转机构布置如图2所示。由电机驱动升降机，升降机推动夹持机翼的围框翻转。翻转角度和速度由行程开关和光感应器控制，由同步器保证两套机构翻转角度同步。整个翻转过程由电气自动控制，实现翻转到位后，自动停止。
图2 翻转机构
4详细计算，确定关键数据。
4.1翻转中心位置的确定
在图纸设计前，由设计、校对等多人反复计算后，确定翻转机构的翻转中心位置，特别是确定翻转中心（O轴）、机翼与两围框的合成重心（C）与升降机推力作用点（B轴）的位置关系，如图7所示。这三者之间的位置关系决定吊挂在起吊的状态下，翻转机构能否将机翼由立放状态翻转至平放状态，以及升降机推力 大小是否变化平稳。
4.2传动机构的受力分析及计算
1） A肋和B肋围框分别承担的负载，如图3所示
因为
解方程组得 、
所以5肋吊挂受力最大，所以仅对5肋吊挂进行校核。 2） 升降机推力FAB的计算
机翼处于立放状态时，如图4所示。
Fabx247=450F2
Fab=450X798.4/247
Fab=1455Kg
翻转中心O与机翼重心C处于处于同一水平面时，如图5所示。
机翼处于平放状态时，如图6所示。
经过计算，可知在翻转中心O与机翼重心C处于处于同一水平面时，升降机的推力FAB最大，FAB=1634㎏f
5主要成品的选用
5.1升降机的选用
1） 升降机的最大推力FAB=1634㎏f，但考虑到要做1.5倍翻转模拟载荷试验，FABmax=2451㎏f
2） 升降機丝杠行程的确定（围框翻转角度的确定）
设起吊时，机翼、围框、吊车连接梁与传动机构的合成重心为C。起吊时起吊点与C在一条竖直线上。
翻转过程中，合成重心C是不断变化，但起吊点与合成重心C始终保持在一条竖直线上，当机翼翻转至水平状态时，如图7所示。即可求出升降机的行程L=560㎜。
升降机选用E1804-0600-B，
额定载荷50KN即5T，
每转行程v=1.5mm，
满载扭矩56Nm，
摩擦角
丝杠扭矩M=0.5S螺距 Fab tg
=0.5x40x2746x9.8x tg5.71
=54Nm
已知：升降机的效率：η1=0.181;
减速箱的效率：η2=0.9;
联轴器的效率：η3=0.7;
所以该设备的综合效率：
所以丝杠每分钟直线速度vL=（n电机v）/i减速机v=249x1.5/1.5=249mm
该吊挂翻转一次丝杠行程约L丝杠=560mm
所以翻转一次用时t=L丝杠/vL=560/249=2.25min
电机功率校核 根据公式
=54x249/（9550x0.114）
=1.41KW
电机R37DT90L4发车电压 交流380V 1.5KW 输出转速249转/min。
所以，电机，升降机，减速机满足设计要求。
6载荷模拟试验
6.1机翼模拟件
机翼模拟件主要用来为机翼下架与翻转设备作载荷翻转模拟试验。机翼模拟件由模拟件本体和配重组成。模拟件本体用方管按照某机翼的大概轮廓焊接而成，重量、重心与某机翼完全相同，而配重是由52个铅饼组成，配重重量为一种机翼的0.5倍。配重可对称布置在模拟件本体重心的两侧。
6.2试验步骤
载荷及翻转模拟试验用于验证一种机翼下架与翻转设备的翻转功能和承载能力。
1） 外侧起吊同步翻转单元做空载（F=0）翻转模拟试验;
2） 内侧起吊同步翻转单元做空载（F=0）翻转模拟试验;
3） 将内侧起吊同步翻转单元和外侧起吊同步翻转单元起吊，并做空载（F=0）同步翻转模拟试验;
4） 将机翼模拟件与机翼下架与翻转设备进行连接，并做同步翻转模拟试验（F=Q，Q=1100Kg）;
5） 加载0.2Q的配重，使总载荷F=1.2Q，做载荷翻转模拟试验（F=1.2Q，Q=1320Kg）;
6） 再加载0.3Q的配重，使总载荷F=1.5Q，做载荷翻转模拟试验（F=1.5Q，Q=1650Kg）。
结束语
综上所述，机翼翻转设备由电机通过减速器带动升降机实现机翼空中翻转，改变传统的干线机、ARJ21机翼在地面翻转的模式，确保机翼吊运和翻转过程的稳定性、安全性，改变传统机型的手动操作模式，实现电气自动化控制，提高飞机大部件吊运、翻转过程的自动化程度，以适应批量生产。此项技术的成功研制，使我公司地面设备在设计和制造技术方面达到国内先进水平，缩短与国际飞机制造先进技术的差距。同时为我公司的重点型号研制作出了突出贡献。
参考文献：
[1] 范玉青. 飞机数字化装配技术综述——飞机制造的一次革命性变革[J]. 航空制造技术，2006，（10）：42-48.
[2] 李学志，李若松，方戈亮，CATIA实用教程，北京：清华大学出版社，2016
[3] 部冀华，刘志纯，范玉青. 大型飞行器舱段数字化装配方法[J]. 制造业自动化，2007， 9（1）： 1-4.
[4] 薄超. 谈现代飞机制造的装配工艺翻转吊挂[J]. 科技资讯，2012，24：109.
关键词： 下架及翻转 空间分析 动态仿真
前言
飞机部件外廓尺寸大、形状复杂、零件及连接件数量多，制造难度大。其中机翼是尺寸最大、结构最复杂的部件之一，是飞机研制中制造难度最大的部件。一般在总装对接之前需要对每段部件进行位置和姿态的调整（简称调姿），使对接的两端不仅位置到位，而且姿态对齐。机翼装配采用垂直装配方式，即用型架将飞机机翼固定在铅垂平面内，而与中央翼对接时为水平状态。因此，机翼下架时必须将其由垂直状态翻转至水平状态。
国产机型的机翼下架与翻转设备传统方案是将机翼从型架中吊出后，通過调整手动葫芦起重链、使产品慢慢翻转为水平状态;或通过与固定在地面上的两个液压支柱顶部铰链连接。这些翻转设备技术落后，操作人员劳动强度大，生产效率低，机翼在翻转时存在死点，晃动较大，机翼翻转过程中存在很大的安全隐患。同时，机翼翻转过程中巨大的晃动也会影响机翼的精度。因此，飞机机翼下架与翻转设备传统方案不适合外形尺寸更大，重量更重的飞机的机翼的下架与翻转。
本文改变了飞机机翼下架与翻转设备传统方案，设计了内侧、外侧起吊翻转单元，翻转单元的核心部件为升降机。该方案利用双吊车对两套翻转单元分别起吊，保证机翼翼盒在翻转过程中重心的稳定;通过电气控制系统实现同步控制两个电机，使两套起吊翻转单元在翻转过程中为同步状态，完成对飞机外翼翼盒的夹持、固定及同步翻转，提高了工作效率和产品质量。
1 技术原理
一种机翼下架与翻转设备采用双平面连杆运动机构实现机翼翻转，如图1所示。其中左右两侧各代表一个翻转单元，分别吊挂。杆1表示起吊连接梁，杆 2表示固定机翼的夹持部件，转动副3表示电机驱动的升降机，可带动杆4移动。在机翼下架时，机翼在装配型架上呈垂直状态。将杆2与机翼连接后，杆4从转动副3的左面逐渐向右下移动，使机翼趋于水平状态。在翻转时，设备与机翼的合成重心处于不断变化，采用双点吊挂，只要合成重心在两个吊点之间就可保证重心稳定，通过控制两个翻转单元同步电机同步驱动，以达到两个翻转单元同步状态，保证机翼在翻转过程中不会发生扭曲型变。
2研制要求和目标
机翼在型架上完成装配后需要将其下架并翻转。具体目标如下：
1） 该吊挂应易于上架便于安装;
2） 出架时应避免与型架的碰撞干涉;
3） 将机翼吊至半空中时，由立放状态（机翼基准平面竖直）翻转至平放状态（机翼基准平面水平）。
3详细设计
一种机翼下架与翻转设备由内侧起吊翻转单元、外侧起吊翻转单元和电气控制系统组成。内侧、外侧起吊翻转单元结构形式相似，均由吊车连接梁、机翼夹持部件、传动机构及工艺接头构成;同时，两套翻转单元又相互独立，分别在不同的位置对机翼进行夹持和固定。在结构上，内外侧起吊同步翻转单元的传动机构的转轴（A轴）、丝杠推力作用点（B轴）、翻转轴（O轴）必须分别同轴，并且三轴与机翼基准平面平行。这样在结构上就可以确保两套传动机构在翻转过程中的同步性。
机翼下架与翻转设备采用双吊车起吊，起吊点分别设置在机翼的A肋和B肋处。两吊车分别与内外侧起吊同步翻转单元的起吊环连接。单吊车起吊需要提前确定机翼与下架与翻转设备的合成重心，确保吊点在重心的正上方。采用双吊车起吊不需要调整重心，翼展方向的重心只要在两吊钩之间即可，在机翼厚度方向上可以通过吊车连接梁上起吊环螺栓连接孔位置的改变来调整重心。这使得机翼起吊和吊运平稳、安全可靠，可防止机翼的倾斜、滑落。
3.1吊车连接梁
吊车连接梁为一倒立的L形，由竖杆部分和横杆部分焊接而成。其竖杆底部通过两个销轴与传动机构框架铰接。一个轴为可拆卸，平常放置在存放架时，拆卸下来，吊车连接梁与传动机构框架可绕另一轴旋转折叠，以节省存放空间。
3.2传动机构框架
传动机构框架中部是一个方形框架，通过A轴与传动机构铰接，上部与吊车连接梁的两个销轴铰接，下部与机翼夹持部件通过O轴铰接。
3.3机翼夹持部件
机翼夹持部件主要用来固定和夹持机翼，夹持部件是一个长方形半围框的背后是一个耳座。耳座与机翼夹持部件通过O轴铰接。半围框的两开口端通过接头连接座与上翼面数控接头连接，从而形成对机翼的牢靠夹持。
3.4翻转机构
翻转机构由减速电机、伞齿轮减速器、弹性联轴器、升降机等组成。翻转机构布置如图2所示。由电机驱动升降机，升降机推动夹持机翼的围框翻转。翻转角度和速度由行程开关和光感应器控制，由同步器保证两套机构翻转角度同步。整个翻转过程由电气自动控制，实现翻转到位后，自动停止。
图2 翻转机构
4详细计算，确定关键数据。
4.1翻转中心位置的确定
在图纸设计前，由设计、校对等多人反复计算后，确定翻转机构的翻转中心位置，特别是确定翻转中心（O轴）、机翼与两围框的合成重心（C）与升降机推力作用点（B轴）的位置关系，如图7所示。这三者之间的位置关系决定吊挂在起吊的状态下，翻转机构能否将机翼由立放状态翻转至平放状态，以及升降机推力 大小是否变化平稳。
4.2传动机构的受力分析及计算
1） A肋和B肋围框分别承担的负载，如图3所示
因为
解方程组得 、
所以5肋吊挂受力最大，所以仅对5肋吊挂进行校核。 2） 升降机推力FAB的计算
机翼处于立放状态时，如图4所示。
Fabx247=450F2
Fab=450X798.4/247
Fab=1455Kg
翻转中心O与机翼重心C处于处于同一水平面时，如图5所示。
机翼处于平放状态时，如图6所示。
经过计算，可知在翻转中心O与机翼重心C处于处于同一水平面时，升降机的推力FAB最大，FAB=1634㎏f
5主要成品的选用
5.1升降机的选用
1） 升降机的最大推力FAB=1634㎏f，但考虑到要做1.5倍翻转模拟载荷试验，FABmax=2451㎏f
2） 升降機丝杠行程的确定（围框翻转角度的确定）
设起吊时，机翼、围框、吊车连接梁与传动机构的合成重心为C。起吊时起吊点与C在一条竖直线上。
翻转过程中，合成重心C是不断变化，但起吊点与合成重心C始终保持在一条竖直线上，当机翼翻转至水平状态时，如图7所示。即可求出升降机的行程L=560㎜。
升降机选用E1804-0600-B，
额定载荷50KN即5T，
每转行程v=1.5mm，
满载扭矩56Nm，
摩擦角
丝杠扭矩M=0.5S螺距 Fab tg
=0.5x40x2746x9.8x tg5.71
=54Nm
已知：升降机的效率：η1=0.181;
减速箱的效率：η2=0.9;
联轴器的效率：η3=0.7;
所以该设备的综合效率：
所以丝杠每分钟直线速度vL=（n电机v）/i减速机v=249x1.5/1.5=249mm
该吊挂翻转一次丝杠行程约L丝杠=560mm
所以翻转一次用时t=L丝杠/vL=560/249=2.25min
电机功率校核 根据公式
=54x249/（9550x0.114）
=1.41KW
电机R37DT90L4发车电压 交流380V 1.5KW 输出转速249转/min。
所以，电机，升降机，减速机满足设计要求。
6载荷模拟试验
6.1机翼模拟件
机翼模拟件主要用来为机翼下架与翻转设备作载荷翻转模拟试验。机翼模拟件由模拟件本体和配重组成。模拟件本体用方管按照某机翼的大概轮廓焊接而成，重量、重心与某机翼完全相同，而配重是由52个铅饼组成，配重重量为一种机翼的0.5倍。配重可对称布置在模拟件本体重心的两侧。
6.2试验步骤
载荷及翻转模拟试验用于验证一种机翼下架与翻转设备的翻转功能和承载能力。
1） 外侧起吊同步翻转单元做空载（F=0）翻转模拟试验;
2） 内侧起吊同步翻转单元做空载（F=0）翻转模拟试验;
3） 将内侧起吊同步翻转单元和外侧起吊同步翻转单元起吊，并做空载（F=0）同步翻转模拟试验;
4） 将机翼模拟件与机翼下架与翻转设备进行连接，并做同步翻转模拟试验（F=Q，Q=1100Kg）;
5） 加载0.2Q的配重，使总载荷F=1.2Q，做载荷翻转模拟试验（F=1.2Q，Q=1320Kg）;
6） 再加载0.3Q的配重，使总载荷F=1.5Q，做载荷翻转模拟试验（F=1.5Q，Q=1650Kg）。
结束语
综上所述，机翼翻转设备由电机通过减速器带动升降机实现机翼空中翻转，改变传统的干线机、ARJ21机翼在地面翻转的模式，确保机翼吊运和翻转过程的稳定性、安全性，改变传统机型的手动操作模式，实现电气自动化控制，提高飞机大部件吊运、翻转过程的自动化程度，以适应批量生产。此项技术的成功研制，使我公司地面设备在设计和制造技术方面达到国内先进水平，缩短与国际飞机制造先进技术的差距。同时为我公司的重点型号研制作出了突出贡献。
参考文献：
[1] 范玉青. 飞机数字化装配技术综述——飞机制造的一次革命性变革[J]. 航空制造技术，2006，（10）：42-48.
[2] 李学志，李若松，方戈亮，CATIA实用教程，北京：清华大学出版社，2016
[3] 部冀华，刘志纯，范玉青. 大型飞行器舱段数字化装配方法[J]. 制造业自动化，2007， 9（1）： 1-4.
[4] 薄超. 谈现代飞机制造的装配工艺翻转吊挂[J]. 科技资讯，2012，24：109.