柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)在現(xiàn)代飛機(jī)裝配中的應(yīng)用研究*

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所， 北京 100024）

精益制造在現(xiàn)代飛機(jī)生產(chǎn)中已占有越來越重要的地位。精益制造就是要求大幅度降低生產(chǎn)制造成本，實(shí)現(xiàn)制造過程柔性化，同時(shí)滿足生產(chǎn)要求[1]。輕型自動(dòng)制孔系統(tǒng)用于飛機(jī)裝配的精確制孔，與大型自動(dòng)制孔設(shè)備相比，可以有效減少工件的搬運(yùn)安裝和設(shè)備占用空間，節(jié)約人力，最大限度降低飛機(jī)的制造成本，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)精益制造的重要技術(shù)途徑之一。目前，飛機(jī)裝配中應(yīng)用較多的輕型自動(dòng)制孔系統(tǒng)以柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)、爬行機(jī)器人制孔系統(tǒng)為代表。其中，柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)憑借自主移動(dòng)、便攜性強(qiáng)、操作靈活、模塊化、成本低的特點(diǎn)在飛機(jī)裝配領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，受到了國(guó)內(nèi)外飛機(jī)制造商的重視。

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

1 國(guó)外應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

圖1 柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)原型機(jī)Fig.1 Prototype of flex track drilling system

基于柔性導(dǎo)軌的制孔系統(tǒng)概念，最早由波音公司于2000年前后提出。隨著這一概念的提出，波音公司率先研發(fā)了世界首套柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)原型機(jī)，如圖1所示。該系統(tǒng)導(dǎo)軌跨距203.2mm，能夠沿著垂直于導(dǎo)軌的橫向（Y向）移動(dòng)101.6mm，通過加工在導(dǎo)軌上的齒形槽實(shí)現(xiàn)沿導(dǎo)軌這一長(zhǎng)軸方向的驅(qū)動(dòng)，完成制孔[2]。

此后，波音公司以其為載體，進(jìn)行了大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，為后續(xù)系列產(chǎn)品的研制奠定了理論基礎(chǔ)。本質(zhì)上說，柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)主要適用于機(jī)身段對(duì)接區(qū)制孔，機(jī)翼蒙皮和翼梁、肋的制孔。相較于傳統(tǒng)制孔方式，柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的效益十分顯著，如圖2所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，波音777飛機(jī)應(yīng)用柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)后，生產(chǎn)速度提升了80%～90%，質(zhì)量提高了80%～90%，安全改進(jìn)了40%～60%。

目前，國(guó)外從事柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)開發(fā)的廠商已有多家，比較著名的除 EI（Electroimpact）外，還有 AIT（Advanced Integration Technology）以及 WCI（West Coast Industries）等公司。上述公司均相繼推出了多種形式的柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)，以滿足飛機(jī)不同部件區(qū)域的制孔需求。按照柔性導(dǎo)軌的配置不同，這些系統(tǒng)大致可以分為雙軌式（DRFT）、寬軌式（WCFT）、偏置軌式（OFT）和高扭矩式（HTFT）。下面以EI公司的產(chǎn)品為代表，對(duì)上述類型系統(tǒng)進(jìn)行介紹與分析。

其中，雙軌式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)是基礎(chǔ)型產(chǎn)品，主要用于機(jī)翼蒙皮和翼梁、蒙皮和桁條的制孔，如圖3所示。該系統(tǒng)工作范圍一般為 50.8mm×1828.8mm，定位精度±0.254mm，主軸轉(zhuǎn)速 3000～6000r/min，配備HSK32C型刀柄，可以快速人工換刀。通過橫向（Y向）移動(dòng)，加之配置用以校正法向的B軸（轉(zhuǎn)角范圍 -5°～ 5°），系統(tǒng)一次鋪設(shè)能夠完成連接蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的2列平行孔的加工。

制孔能力方面，針對(duì)鈦材料，制孔直徑可達(dá)8mm；針對(duì)復(fù)合材料或鋁材，制孔直徑可達(dá)11mm。

寬軌式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)最初研制于2005年，是通過大跨距的導(dǎo)軌，包絡(luò)更大范圍的制孔區(qū)域，以減少系統(tǒng)的安裝次數(shù)，提升制孔效率，特別適用于多列孔的機(jī)身段接合區(qū)制孔，如圖4所示。該系統(tǒng)橫向（Y向）行程可達(dá)508mm，配以每段1828.8mm長(zhǎng)的可延伸導(dǎo)軌（X向），能夠保證在一次鋪設(shè)安裝的情況下，就擁有很大的作業(yè)范圍。但鑒于導(dǎo)軌跨距較大，系統(tǒng)采用A軸擺角進(jìn)行法向校準(zhǔn)，這一點(diǎn)與雙軌式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)略有不同。

偏置式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)主要是為了滿足工件邊緣區(qū)制孔的需求，應(yīng)用范圍包括機(jī)翼邊緣、肋、機(jī)身框和艙門附近。面對(duì)上述范圍，一般雙軌式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)受到結(jié)構(gòu)限制根本無法進(jìn)行鋪設(shè)，而如圖5所示的偏置式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)，因其結(jié)構(gòu)的特殊性，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)軌內(nèi)101.6mm，導(dǎo)軌外101.6mm的區(qū)域制孔。同時(shí)，為了克服因懸臂結(jié)構(gòu)造成的不對(duì)稱引起的法向誤差，系統(tǒng)采用與寬軌式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)相似的A軸擺角用以校正法向精度。

圖2 柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)在波音777機(jī)身上的應(yīng)用Fig.2 Flex track drilling system on Boeing 777 fuselage

圖3 雙軌式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)Fig.3 Double row flex track drilling system

圖4 寬軌式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)Fig.4 Wide carriage flex track drilling system

圖5 偏置式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)Fig.5 Offset flex track drilling system

高扭矩式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)相較于上述其他柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了制孔能力，可用于新型波音787等飛機(jī)的大孔徑制孔，如圖6所示。該系統(tǒng)主軸最大夾持刀柄HSK40C，主軸缸徑90mm，實(shí)際輸出扭矩比制孔所需扭矩大近2倍，針對(duì)復(fù)合材料的制孔直徑可達(dá)16mm。

總之，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用到各大飛機(jī)制造商的大部件裝配制孔中，如空客A350機(jī)翼，通用G650機(jī)翼，F(xiàn)-22主翼盒，F(xiàn)-15機(jī)身等。

與此同時(shí)，國(guó)外廠商和研究機(jī)構(gòu)還在不斷強(qiáng)化對(duì)柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的理論技術(shù)研究，并形成了一系列成果。其中，Thompson等人提出的柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)在機(jī)身、機(jī)翼和艙門等不同加工部件上具有多種變換形式[2]；Theodore等人提出的一種針對(duì)柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的新型嚙合傳動(dòng)方式和導(dǎo)軌拼接時(shí)可采用的高精度連鎖方法[3]；Malcomb針對(duì)柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)在復(fù)雜曲面的位置控制方法的研究[4]，都具有很大的研究?jī)r(jià)值。

圖6 高扭矩式柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)Fig.6 High torque flex track drilling system

2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠對(duì)柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的應(yīng)用并不廣泛。目前，僅上海商飛公司引進(jìn)一套由EI公司生產(chǎn)的柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)，且還處于試生產(chǎn)階段，并未真正投入使用。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)于柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的相關(guān)研制工作也起步較晚，仍以原型機(jī)為主，并未實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，但已經(jīng)取得了較大進(jìn)展。

其中，北京航空制造工程研究所于2009年研制出國(guó)內(nèi)首套柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)具有X、Y、Z和A四坐標(biāo)數(shù)控加工能力,適用于機(jī)身區(qū)段的對(duì)接區(qū)制孔。

試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠基本適應(yīng)飛機(jī)裝配中包括鋁合金（AL），復(fù)合材料（C）等的單一和疊層結(jié)構(gòu)材料制孔，制孔直徑可達(dá)4mm～10mm，孔位精度0.5mm，孔徑精度H9，但由于種種原因，并未投入實(shí)際生產(chǎn)，還在進(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證[5-6]。

此外，上海交通大學(xué)也是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)研制的單位。從控制系統(tǒng)出發(fā)，開發(fā)了一套針對(duì)柔性軌道自動(dòng)制孔系統(tǒng)的專用數(shù)控系統(tǒng)，如圖8所示。該系統(tǒng)以PMAC運(yùn)動(dòng)控制器為核心，結(jié)合上位機(jī)、執(zhí)行元件、檢測(cè)元件等構(gòu)建。內(nèi)部軟件提供人機(jī)交互平臺(tái)，以便于操作[7]。整套數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)效果良好，能夠滿足柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)多軸伺服控制，多傳感器信號(hào)采集和數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的需要。

近年來，國(guó)內(nèi)其他科研院所和企業(yè)也陸續(xù)開展柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的研制。如大連四達(dá)高技術(shù)發(fā)展有限公司開發(fā)了一套虛擬五軸爬行機(jī)器人制孔系統(tǒng)（即柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)）也正在進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其他單位的相關(guān)成果目前還未見報(bào)道。

理論技術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也取得了一些成果。如上海交通大學(xué)針對(duì)柔性導(dǎo)軌自身特性，提出了以導(dǎo)軌極限彎曲半徑為目標(biāo)、彈性和局部剛性為約束、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量的設(shè)計(jì)優(yōu)化模型[8]，該模型對(duì)柔性導(dǎo)軌的研制具有很大的參考價(jià)值；沈陽(yáng)航空航天大學(xué)提出用于柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)離線編程與仿真系統(tǒng)的特征建模、路徑規(guī)劃、工件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等方法[9]。但總的來說，仍有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有待突破。

圖7 國(guó)內(nèi)首套柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)Fig.7 The first domestic flex track drilling system

圖8 上海交大研制的柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)Fig.8 Flex track drilling system made by shanghai jiao tong university

柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)組成及其關(guān)鍵技術(shù)

柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)作為一種用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等大型部件裝配制孔的自動(dòng)化設(shè)備，以其采用柔性的導(dǎo)軌而得名。它是借助導(dǎo)軌上的真空吸盤直接吸附在工件表面并沿著表面進(jìn)行自動(dòng)制孔作業(yè)，導(dǎo)軌各段之間可以通過互鎖拼接的方式延長(zhǎng)來適應(yīng)不同范圍的加工需求。因此，柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)突破了以往工件在機(jī)床上進(jìn)行定位的加工方法，是一種先進(jìn)的現(xiàn)代加工理念。

1 系統(tǒng)組成

柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)主要由柔性導(dǎo)軌、移動(dòng)制孔單元和控制系統(tǒng)3大部分組成，各部分的詳細(xì)構(gòu)成如圖9所示。

柔性導(dǎo)軌主要包括真空發(fā)生系統(tǒng)、真空吸盤、柔性鋼帶及其他附屬裝置。它通過自身的變形沿著曲率吸附在工件表面，為制孔系統(tǒng)提供基礎(chǔ)，并起到承載和導(dǎo)向作用。

移動(dòng)制孔單元由可移動(dòng)框架、主軸、照相、壓腳等多個(gè)子單元模塊集成，各子單元模塊都具有獨(dú)特的功能，保證能夠進(jìn)行法向調(diào)整、照相測(cè)量、壓緊、鉆孔和锪窩等。

控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括PC機(jī)、數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等；軟件包括上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件和離線編程與仿真軟件。其中，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)和工藝參數(shù)設(shè)置，運(yùn)動(dòng)控制和加工過程控制；下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)各軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)；離線編程與仿真軟件建立三維運(yùn)動(dòng)模型、檢測(cè)碰撞及修正制孔坐標(biāo)等[10]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)是集機(jī)械、電氣、軟件于一體的復(fù)雜多功能系統(tǒng)，其內(nèi)涉及材料、力學(xué)、金屬切削等多門學(xué)科。因此，柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)能夠在飛機(jī)裝配中得到應(yīng)用與發(fā)展，需要重點(diǎn)突破以下關(guān)鍵技術(shù)：

圖9 柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)組成Fig.9 Composition of flex track drilling systems

（1）柔性導(dǎo)軌吸附可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。柔性導(dǎo)軌是柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)就是通過它與工件連接固定在一起。因此，柔性導(dǎo)軌的性能直接決定了系統(tǒng)對(duì)不同曲率表面的適應(yīng)性和障礙的通過性。針對(duì)柔性導(dǎo)軌吸附可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，主要包括以下兩個(gè)方面：

一是軌道結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)在機(jī)身等部件作業(yè)時(shí)，隨著作業(yè)位置的不同，系統(tǒng)呈現(xiàn)出不同的工作姿態(tài)，如圖10所示。不同工作姿態(tài)，軌道所受載荷具有不確定、反復(fù)的特點(diǎn)，需要在考慮軌道所受載荷狀態(tài)的前提下，利用最優(yōu)化理論，以最大彎曲半徑為目標(biāo)，結(jié)合軌道的材料屬性（如變形、回彈量等）、結(jié)構(gòu)形式、對(duì)軌道的寬度、厚度、長(zhǎng)度等尺寸元素進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化，從而達(dá)到軌道剛度、強(qiáng)度和柔度的最佳匹配。

二是多狀態(tài)真空度設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，如圖11所示，包括多工作姿態(tài)真空度設(shè)計(jì)、真空發(fā)生檢測(cè)與反饋技術(shù)、氣路控制邏輯與布局優(yōu)化技術(shù)3大方面。

多工作姿態(tài)下真空度設(shè)計(jì)技術(shù)是以工件的材料、表面質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，結(jié)合真空吸力與壓腳力、制孔力的耦合關(guān)系，完成包括吸盤形狀、吸盤結(jié)構(gòu)、吸附面積等設(shè)計(jì)。

圖10 柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的多種工作姿態(tài)Fig.10 Postures of flex track drilling systems

圖11 真空技術(shù)框架Fig.11 Frame diagram of vacuum technology

真空發(fā)生檢測(cè)與反饋技術(shù)主要是創(chuàng)建基于壓力開關(guān)的真空度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障排除方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)真空氣路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。一旦個(gè)別吸盤發(fā)生泄露，系統(tǒng)可以在不影響其他吸盤真空度的情況下，通過安全閥關(guān)閉泄露吸盤的氣路并報(bào)警指示，從而繼續(xù)維持整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。

氣路控制邏輯與布局優(yōu)化技術(shù)主要是簡(jiǎn)化控制流程，降低操作難度，減少管路數(shù)量，營(yíng)造良好的人機(jī)交互環(huán)境。

（2）制孔單元小型化、輕量化和多功能化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。制孔單元作為柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的核心部件，是在柔性導(dǎo)軌的引導(dǎo)下不斷適應(yīng)表面的曲率變化來進(jìn)行作業(yè)的，其在不同位置作業(yè)時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的受力狀態(tài)發(fā)生很大變化，影響制孔精度。因此，其結(jié)構(gòu)形式直接影響了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量縮小制孔單元的體積、減輕制孔單元的質(zhì)量，最大限度地降低對(duì)系統(tǒng)的影響。

同時(shí)，伴隨著現(xiàn)代飛機(jī)裝配對(duì)設(shè)備的多功能需求日益強(qiáng)烈，制孔單元應(yīng)在現(xiàn)有制孔（锪窩）功能的基礎(chǔ)上，開發(fā)面向送釘、涂膠、鉚接等的新型多功能制孔單元，以適應(yīng)未來飛機(jī)裝配中的不同任務(wù)。目前，國(guó)外已經(jīng)開展具備鉆鉚的新型多功能制孔單元研制，EI公司針對(duì)柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)研制的新型多功能制孔單元，可以實(shí)現(xiàn)制孔（锪窩）、孔檢測(cè)和緊固件安裝等[11]。

（3）離線編程與仿真技術(shù)。離線編程與仿真技術(shù)已在數(shù)控機(jī)床和航空制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)大大提高了設(shè)備的作業(yè)效率，真正實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM 一體化。鑒于柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的作業(yè)方式區(qū)別于一般加工設(shè)備，它是將自身定位于工件，通過犧牲整體精度，保證局部精度的方式進(jìn)行加工。因此，研究適用于柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的離線編程與仿真技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加工路徑的快速規(guī)劃、進(jìn)行加工過程的實(shí)時(shí)仿真和干涉檢測(cè)、開發(fā)后置算法、生成離線代碼，最終完成運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)具有重要意義。

（4）基于柔性導(dǎo)軌系統(tǒng)的制孔（鉚接）工藝技術(shù)。一直以來，國(guó)內(nèi)普遍存在著“重設(shè)備，輕工藝”的現(xiàn)象。實(shí)際上，一臺(tái)設(shè)備的好壞除了與自身硬件品質(zhì)有關(guān)，還與配套的工藝密不可分。成熟合理的工藝技術(shù)是保證設(shè)備成功應(yīng)用的關(guān)鍵。柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)作為一款新型設(shè)備，不同于一般的傳統(tǒng)設(shè)備，需要在理論研究的基礎(chǔ)上，通過大量試驗(yàn)進(jìn)行探索，以構(gòu)建工件信息（包括疊層數(shù)、疊層材料、疊層厚度等）、系統(tǒng)參數(shù)（包括制孔方式、壓腳力、主軸進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速等）、刀具形式（包括材料、直徑、涂層）與制孔質(zhì)量（包括孔徑、孔表面粗糙度、出口毛刺等）的關(guān)聯(lián)模型，開發(fā)出相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖12所示，為系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中的工藝決策提供依據(jù)。

圖12 工藝數(shù)據(jù)庫(kù)框架Fig.12 Frame diagram of process database

結(jié)束語

柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)作為當(dāng)前航空制造業(yè)的技術(shù)熱點(diǎn)和前沿性領(lǐng)域，符合現(xiàn)代飛機(jī)精益制造的需求，是航空專用設(shè)備向輕型化、柔性化、模塊化方向發(fā)展的典型代表。隨著各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，勢(shì)必會(huì)具有更廣闊的市場(chǎng)前景。我們應(yīng)抓住這一轉(zhuǎn)變機(jī)遇，結(jié)合國(guó)內(nèi)C919、ARJ21等型號(hào)需求，積極開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，縮短與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，甚至搶占技術(shù)制高點(diǎn)，使我國(guó)能夠在未來的航空制造業(yè)領(lǐng)域擁有一席之地。

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