飛機焊接導管數字化制造技術研究

韓志仁 ，呂彥盈 ，劉寶明 ，李光俊

（1. 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學航空宇航工程學部，沈陽 110136；3.中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，成都 610092）

航空導管結構復雜，形式多樣，在燃油、氧氣、液壓、環(huán)境控制等飛機系統(tǒng)中起著壓力傳遞、燃油輸送、保護電纜的作用[1]。航空導管是飛機上關鍵的組成部件之一，在飛機系統(tǒng)中的地位舉足輕重，但是其組成相對簡單，航空導管主要由單一導管、焊接導管和組合導管3大部分組成[2]。單管整體成形能保證單管具有很高的強度和韌性，其成形方法有兩種：手工加工和數控彎管機，通常采用數控彎管機，其自動化程度高，能保證單管達到很高的制造精度。焊接導管包括標準半管和非標準半管，主要采用焊接的方法成形。組合導管主要是通過導管接頭、法蘭等將導管和導管連接在一起，其成形方法主要是組裝焊接。因此，航空導管又可分為焊接類導管和非焊接類導管兩大類。

1 國內外技術現狀

最近幾年，通過數控彎管機、激光矢量測量機等設備[3]，基本實現了無擴口、有擴口、柔性連接等非焊接類的導管數字化制造。然而，焊接類航空導管的制造工藝仍采用傳統(tǒng)的取實樣模式，在飛機上取樣，制成樣管。這種方法過程反復、尺寸精度差、效率低，無法滿足導管數字化制造的需求[4]。

目前，國外通過在CATIA中對導管接頭、法蘭、支管等建立三維模型，對導管進行虛擬焊接和裝配，已廣泛將 CAD/CAM 一體化制造技術應用于航空導管的生產制造過程，并開始逐漸地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的取實樣制造導管模式，大大提高了導管生產制造的效率[5-6]。針對目前國內航空飛機焊接類導管的生產現狀，對組合焊接導管數字化裝配關鍵技術進行了闡述。從數字化裝配工裝設計到制造，再到自動焊接，對飛機焊接導管的裝配過程進行了一系列系統(tǒng)的論述。以導管數模為依據，通過焊接導管工裝設計、工裝制造和自動焊接技術，實現焊接導管的數字化制造。

2 焊接導管數字化裝配關鍵技術

焊接導管數字化制造依據是導管數模，通過焊接方法將單管、標準半管、非標準半管、管接頭等裝配在一起，焊接前利用工裝使單管、標準半管、非標準半管、管接頭保持正確的相對位置并通過夾緊器進行固定。傳統(tǒng)的導管焊接工裝利用樣管進行焊機工裝的裝配制造，焊接采用人工焊接方式。由于焊接導管數字化制造采用導管數模作為依據，焊接導管數字化制造中單管、標準半管、非標準半管、管接頭的定位件和夾緊件等的安裝方式發(fā)生了變化，主要體現在焊接工裝的設計、制造方面，同時采用數控自動焊接設備進行焊接。因此，導管裝配焊接導管從工裝設計、制造到焊接均不同于傳統(tǒng)以模擬量為依據的制造方法，其關鍵技術包括工裝設計技術、工裝制造技術和自動焊接技術等。

2.1 焊接導管裝配工裝設計技術

焊接導管數字化制造中，工裝設計采用數字化設計方法，建立焊接工裝的數學模型，同時在工裝數字化設計中考慮后續(xù)的數字化制造的工藝和方法，在結構形式、定位方法等方面考慮制造工藝的可行性。導管焊接工裝裝配過程中可以采用孔定位方法或激光跟蹤儀測量定位方法，由于導管焊接工裝的定位和夾緊件尺寸小，不適合工具球的安裝和激光跟蹤儀的測量，建議盡量避免采用激光跟蹤儀定位的方法?？锥ㄎ坏姆椒ㄍ耆梢詽M足焊接導管裝配的精度要求，焊接工裝的定位件采用數控加工的方法，保證基準和定位面的正確的相對位置關系[7]。

圖1 多孔基準板Fig.1 Worktable regarding hole as a datum

為了保證導管焊接工裝規(guī)范性和降低成本，焊接工裝采用多孔基礎板作為基礎部件（圖1），將焊接導管的定位件、夾緊件連接在一起，通過孔的精確定位，保證焊接導管工裝的各個零件之間的正確位置，同時通過基準孔將導管焊接工裝的坐標系與焊機的坐標系擬合在一起，保證自動焊接的軌跡正確性。

2.2 焊接導管裝配工裝制造技術

焊接導管工裝設計采用了標準的基礎板，基礎板的孔用于保證零件的準確位置。對于批量生產的導管，設計一套專用的焊接定位件可使導管制造的效率高，一致性好[8]。在制造時采用數控加工方法對定位件進行制造，保證定位件定位部分與定位孔的相對位置關系，定位件與基礎板通過兩個孔進行定位，以便保證制造的工裝符合數模要求。具體連接定位關系如圖2所示。

圖2 焊接導管工裝連接定位關系Fig.2 Connection and orientation relationship of welding tube tooling

2.3 導管自動焊接技術

導管組裝焊接采用熔焊方法，焊接設備可以采用工業(yè)機器人作為主體，完成焊接動作（圖3）。首先通過焊接工裝的基準將焊機和工裝坐標系統(tǒng)一，以便按數模進行焊接編程。導管的自動焊接難度大，主要因為焊縫為空間曲線，因此，焊接過程中需要解決坐標系擬合、焊縫跟蹤和修正、焊接參數選擇、焊條進給控制等問題。

2.3.1 坐標系擬合

自動焊機通過組合焊接導管的數模進行焊接編程，所以需要實現焊機坐標系和工裝數模坐標系的擬合[9]。坐標系的擬合包括坐標系的平移和旋轉，焊機坐標系先通過旋轉得到中間過渡坐標系，再將中間過渡坐標系通過平移得到工裝數模坐標系，這樣就實現了從焊機坐標系到工裝數模坐標系之間的復合變換，如圖4所示。

圖3 采用工業(yè)機器人對導管進行自動焊接Fig.3 Automatic welding on the tube by industrial robot

圖4 坐標變換Fig.4 Coordinate transformation

焊機坐標系通過旋轉變換得到中間過渡坐標系，使得中間過渡坐標系和工裝數模坐標系的坐標軸方向一致且相互平行。假設一點P在焊機坐標系{R}下的坐標為RP=（xRzRzR）T，在中間過渡坐標系{A}下的坐標為AP=（xAzAzA）T，焊機坐標系繞中間過渡坐標系的z、y、x軸分別旋轉α、β、γ角，由于每次旋轉都是相對于固定的參考系（即中間過渡坐標系）進行的，則從焊機坐標系到中間過渡坐標系的齊次旋轉變換為：

此時經過旋轉變換得到的中間過渡坐標系，和工裝數模坐標系的坐標軸方向一致且相互平行，但坐標原點不重合，需要對中間過渡坐標系{A}通過平移變換，得到工裝數模坐標系{U}。則齊次方程平移變換關系為：

式中a、b、c表示點P從中間過渡坐標系{A}到工裝數模坐標系{U}的偏移量。所以其復合轉換矩陣為：

2.3.2 焊縫跟蹤和修正

焊縫位置在數模中已經給出，根據焊縫位置的空間軌跡進行數控編程，由于零件制造誤差、安裝對合誤差等原因，造成理論焊縫與實物焊縫出現微小偏差，需要采用焊縫位置自動識別的視覺系統(tǒng)進行修正。該系統(tǒng)包括工業(yè)攝像模塊、圖像處理模塊、自動糾偏調節(jié)模塊、可視化操作界面、高性能計算機處理單元及軟件，實現焊縫自動識別。通過識別的焊縫空間曲線與理論焊縫進行對比，計算補償量，修正焊接軌跡，驅動工業(yè)機器人按修正的焊接軌跡運動，構成完整的自動焊縫糾偏焊接系統(tǒng)[11]。

2.3.3 焊接參數選擇

在飛機導管焊接過程中，使用的材料主要是鋁合金、鈦合金等。導管焊接需要根據導管的壁厚、材料、焊機性能等選擇焊接參數（表1[12]），除了選擇適合的填充材料、焊接電流、電弧電壓、焊接速度外，對于自動焊接，焊條進給速度需要給定，保證焊條端部和導管之間保持合理的間隙，使焊接質量穩(wěn)定可靠。

2.3.4 焊條進給控制

由于焊接電流和焊條直徑不同，那么焊條的進給速度也有很大的變化。當進給速度較小時，使得焊條的融化過程不連續(xù)，形成不規(guī)則的焊縫；當進給速度過大時，焊條有可能來不及融化，從而直接影響焊接過程。由此可以看出，導管焊接過程中，焊條的進給速度和焊接速度的配合在一定程度上和焊縫的成型有很大的關系。在給定焊接速度情況下可以理論上計算焊條的進給速度，將該參數作為焊接的初始依據，在進行導管初步焊接試驗后可以進行微調。

3 結束語

在飛機數字化制造的大環(huán)境下，導管數字化制造勢在必行，目前單管已經基本實現數控彎管，組合焊接管在數字化制造方面進展緩慢。本文闡述了焊接導管數字化制造的體系，對關鍵問題進行了論述，在焊接導管數字化制造方面具有一定的指導意義。實現焊接導管的數字化制造，不僅縮短導管工裝設計周期，提高了導管的生產效率，使導管制造擺脫實樣的牽制，而且保證飛機導管質量的穩(wěn)定，實現了導管的快速生產，在實際生產中具有一定的使用價值。

表1 焊接參數

參 考 文 獻

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