柔性自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)在飛機(jī)部件制造中的應(yīng)用

范 斌，牛潤軍

（中航工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，陜西 城固 723213）

透過國外先進(jìn)主機(jī)制造商的技術(shù)發(fā)展歷程來看，飛機(jī)組、部件的鉚接技術(shù)，經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的手工鉚接技術(shù)，到半自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)、再到自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的發(fā)展過程。自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)相比手工鉚接技術(shù)，雖已提高鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，在一定程度上提高了裝配效率，但由于采用的數(shù)控托架無法滿足當(dāng)今飛機(jī)快速研制、生產(chǎn)及低成本制造的柔性制造需求，現(xiàn)已全面轉(zhuǎn)向柔性自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)方向發(fā)展。

柔性自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)，是一種航空制造領(lǐng)域應(yīng)自動(dòng)化裝配需要而發(fā)展起來的、具有柔性和模塊化、可快速重組特性的先進(jìn)制造技術(shù)，是能夠支持多個(gè)項(xiàng)目或工藝流程的高柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，是以最少的地面、工裝和設(shè)備投入，作出更優(yōu)成本效益的解決方案。

1 柔性自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)介

主要是由自動(dòng)鉆鉚機(jī)、柔性工裝、數(shù)字化定位和檢測(cè)系統(tǒng)、物料傳送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成（見圖1）。

圖1 柔性自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 自動(dòng)鉆鉚機(jī)

是一種可以自動(dòng)完成夾緊、鉆孔、鍃窩及鉚接等工序，集電氣、液壓、氣動(dòng)、自動(dòng)控制為一體的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備。自動(dòng)鉆鉚機(jī)主要分為C 框型鉆鉚機(jī)、D 型鉆鉚機(jī)、龍門鉆鉚機(jī)、輕型機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚機(jī)四種。由于龍門鉆鉚機(jī)避免了以往在C 框型和D 型自動(dòng)鉆鉚機(jī)所采用的大型塔架和旋轉(zhuǎn)工作框，使整個(gè)定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度更快，因此已逐漸成為未來主流的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備之一。國外鉚接裝配技術(shù)幾十年的應(yīng)用證明，采用自動(dòng)鉆鉚機(jī)，是改善飛機(jī)性能的重要工藝措施之一。

1.2 柔性工裝

是指可適用于不同形狀、不同尺寸組件或部件的裝配，且基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系可快速重組的模塊化、自動(dòng)化并保證裝配準(zhǔn)確度的裝配工裝系統(tǒng)。柔性工裝系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，考慮了裝配對(duì)象固有特點(diǎn)，依靠控制系統(tǒng)與數(shù)字化定位和測(cè)量系統(tǒng)等完成對(duì)裝配定位、夾緊等的控制過程。

柔性工裝技術(shù)在國外飛機(jī)的各級(jí)裝配中，均已得到廣泛的應(yīng)用，縮短了產(chǎn)品研制周期，降低了制造成本。現(xiàn)已發(fā)展起來的柔性工裝技術(shù)主要有：用于壁板類組件裝配的多點(diǎn)陣成形真空吸盤式柔性裝配工裝，用于機(jī)翼翼梁和機(jī)翼壁板裝配的行列式高速柱柔性裝配工裝，用于機(jī)身部件裝配的分散式機(jī)身柔性裝配工裝，以及用于大部件對(duì)接的自動(dòng)化對(duì)接平臺(tái)等。

1.3 數(shù)字化定位和測(cè)量系統(tǒng)

是一種在自動(dòng)鉆鉚過程中，采用恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量技術(shù)，得到目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并將其與理論位置的偏差反饋到控制系統(tǒng)，進(jìn)行對(duì)產(chǎn)品定位夾緊裝置、托架位置、鉆鉚執(zhí)行器位置、工件位置的數(shù)字化定位校正，并對(duì)全程加工過程進(jìn)行測(cè)量跟蹤的定位和測(cè)量系統(tǒng)。數(shù)字化定位和測(cè)量系統(tǒng)包括IGPS系統(tǒng)、激光跟蹤儀系統(tǒng)、照相測(cè)量系統(tǒng)等幾種測(cè)量設(shè)備、數(shù)據(jù)處理單元等。

1.4 物料傳送系統(tǒng)

是一種具有多種緊固件智能化選擇和輸送的系統(tǒng)，在夾持產(chǎn)品時(shí)，可根據(jù)測(cè)量出的產(chǎn)品厚度選擇適當(dāng)?shù)木o固件規(guī)格，并輸送到末端執(zhí)行器上。

1.5 控制系統(tǒng)

是指在鉆鉚機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、柔性工裝控制系統(tǒng)、數(shù)字化定位和測(cè)量系統(tǒng)等各系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上進(jìn)行集成，通過在各系統(tǒng)之間的通訊或觸發(fā)，對(duì)整個(gè)鉆鉚過程進(jìn)行管理和控制，實(shí)現(xiàn)流程控制的準(zhǔn)確化、自動(dòng)化、清晰化。

2 主流柔性自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)

以自動(dòng)鉆鉚機(jī)與柔性工裝構(gòu)成為主的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，和以輕型機(jī)器人配合多功能鉆鉚末端執(zhí)行器構(gòu)成為主的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，是當(dāng)今兩大主流柔性自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)。

2.1 以自動(dòng)鉆鉚機(jī)與柔性裝配工裝結(jié)合的系統(tǒng)

在機(jī)身機(jī)翼壁板、翼梁等組合件中，由于其可自動(dòng)化安裝緊固件的比重大、結(jié)構(gòu)開敞易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此采用自動(dòng)鉆鉚機(jī)與柔性裝配工裝結(jié)合的柔性自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。其核心是采用了適用于機(jī)身壁板類組件裝配的多點(diǎn)陣成形真空吸盤式柔性裝配工裝，或者采用了適用于機(jī)翼翼梁和機(jī)翼壁板裝配的行列式高速柱柔性裝配工裝。

以廣泛應(yīng)用于波音公司的機(jī)身壁板類組件裝配的柔性自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)為例，其采用了多點(diǎn)陣成形真空吸盤式柔性裝配工裝。該系統(tǒng)以工裝或產(chǎn)品精加工的定位信息作為定位基準(zhǔn)，工藝設(shè)計(jì)人員根據(jù)壁板組件的類型、長度以及剛度，確定壁板保型夾持的真空吸盤數(shù)量和分布，以絲杠及導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)真空吸盤，使其可成組移動(dòng)到指定位置，其定位精度可達(dá)0.127 mm（0.005英寸）。當(dāng)更換不同的組件產(chǎn)生外形變化時(shí)，通過控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整真空吸盤，適應(yīng)不同的裝配組件外形。當(dāng)自動(dòng)鉆鉚機(jī)在一個(gè)工位上進(jìn)行鉆鉚時(shí)，前后工位可同時(shí)進(jìn)行其他產(chǎn)品的準(zhǔn)備工作或者補(bǔ)充工作，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速定位，縮短產(chǎn)品從地面到地面的加工時(shí)間。

2.2 以輕型機(jī)器人配合多功能鉆鉚末端執(zhí)行器構(gòu)成的系統(tǒng)

為適應(yīng)不同的工作環(huán)境要求，在機(jī)身、機(jī)翼壁板與骨架的鉚接中，雖然可自動(dòng)化安裝緊固件的比重較大，但在裝配時(shí)僅一面開敞，采用傳統(tǒng)自動(dòng)鉆鉚機(jī)的難度較高，因此，依托機(jī)身部件裝配的分散式機(jī)身柔性裝配工裝或者用于大部件對(duì)接的自動(dòng)化對(duì)接平臺(tái)，又逐漸發(fā)展出以輕型機(jī)器人配合多功能鉆鉚末端執(zhí)行器及位姿定位系統(tǒng)構(gòu)成的柔性自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)。

以寶捷公司研發(fā)的一種新型機(jī)器人裝配單元為例（見圖2），用于歐洲直升機(jī)公司的貨艙門內(nèi)部鉚接結(jié)構(gòu)的鉚釘安裝，定位精度達(dá)到±0.3 mm。通過機(jī)器人視覺系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品的定位信息進(jìn)行測(cè)量，如零時(shí)鉚釘/孔/邊緣等，將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由機(jī)器人驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器來補(bǔ)償實(shí)際產(chǎn)品的位置和姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)精確定位后，末端執(zhí)行器完成鉆鉚作業(yè)，并對(duì)作業(yè)過程和定位精度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和標(biāo)定，并反饋給控制系統(tǒng)。

圖2 機(jī)器人裝配單元

3 結(jié)束語

自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在國外發(fā)展極為迅速。未來的自動(dòng)鉆鉚技術(shù)，將向系統(tǒng)集成方向發(fā)展，所有的數(shù)據(jù)資源被集中共享和處理，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品、設(shè)備、工裝的自動(dòng)化調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)柔性裝配制造，為提高制造效率和充分應(yīng)用制造資源提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

我國自動(dòng)鉆鉚技術(shù)，雖然在近幾年有了一定程度的發(fā)展，但由于起步晚，與國外先進(jìn)國家仍存在較大差距。隨著我國大型飛機(jī)研制的步伐加快，急需探索出一條適應(yīng)于我國航空企業(yè)自身的工藝技術(shù)改造和革新之路，全面提高數(shù)字化裝配技術(shù)水平，滿足我國高新武器裝備的快速研制需求。

[1]郭恩明.國外飛機(jī)柔性裝配技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2005，（9）：28-32.

[2]王黎明.數(shù)字化自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2008，（11）：42-45.

[3]陳昌偉.飛機(jī)數(shù)字化柔性工裝技術(shù)研究[J].現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)，2008，（12）：21-28.