飛機(jī)裝配中的先進(jìn)制孔技術(shù)與裝備

李波

【摘?要】機(jī)器人制孔系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)自動(dòng)化裝配的重要設(shè)備，制孔作業(yè)前的精度標(biāo)定是保證系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)滿足生產(chǎn)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以往對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的單次制孔標(biāo)定無法全面掌握各個(gè)維度上的精度指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī);裝配;進(jìn)制孔

前言

裝配是飛機(jī)制造過程中極為重要的環(huán)節(jié)，占整個(gè)飛機(jī)制造工作量的50%以上，是保證飛機(jī)服役性能的最后環(huán)節(jié)。裝配過程中為完成零部件的連接需制備大量的連接孔，制孔質(zhì)量對(duì)連接件的疲勞壽命和整體生產(chǎn)效率具有重要影響。為進(jìn)一步提高制孔精度、降低損傷，減少由人工作業(yè)引起的不確定因素，國(guó)內(nèi)外飛機(jī)裝配中大量采用機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)。自動(dòng)制孔的精度取決于系統(tǒng)各零件的機(jī)械加工精度、裝配誤差、傳動(dòng)誤差、磨損和構(gòu)型等幾何學(xué)誤差，也受到機(jī)械臂剛度、負(fù)載變化、振動(dòng)和配套設(shè)備等非幾何學(xué)因素影響。當(dāng)前研究在工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)和對(duì)合系統(tǒng)等設(shè)備的精度標(biāo)定和補(bǔ)償?shù)确矫嫒〉昧酥T多成果，揭示了設(shè)備自身絕對(duì)精度無法滿足裝配要求情況下，如何進(jìn)行基于運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定、非參數(shù)標(biāo)定、實(shí)時(shí)反饋和粒子群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等方法的精度補(bǔ)償技術(shù)。

1自動(dòng)鉆鉚機(jī)

自動(dòng)鉆鉚機(jī)是航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展較早，應(yīng)用也更為成熟、廣泛的一類自動(dòng)化裝配系統(tǒng)。自動(dòng)鉆鉚機(jī)通常由鉆鉚主機(jī)與全自動(dòng)托架系統(tǒng)組成。根據(jù)其中的鉆鉚主機(jī)的構(gòu)型分為C型、D型、龍門型等。自動(dòng)鉆鉚機(jī)全部采用數(shù)控程序控制，通過工藝人員預(yù)先編程，自動(dòng)執(zhí)行夾緊、制孔、锪窩、送釘和鉚接等工序，全自動(dòng)托架系統(tǒng)主要用于產(chǎn)品的夾持及定位。國(guó)外先進(jìn)的自動(dòng)鉆鉚機(jī)可高效高精度地進(jìn)行制孔作業(yè)，完成鉚釘、環(huán)槽釘?shù)炔煌愋途o固的安裝，并可集成涂膠、檢測(cè)等豐富的功能。自動(dòng)鉆鉚機(jī)受限于其結(jié)構(gòu)形式，主要針對(duì)某些特定的結(jié)構(gòu)的具有較高的鉆鉚效率，主要適用于空間開敞的、結(jié)構(gòu)類型單一的、曲率變化較為平緩的壁板及翼梁等組件的裝配，并且一般都需要人工補(bǔ)鉚。

2專用自動(dòng)化制孔設(shè)備

專用自動(dòng)化制孔設(shè)備主要應(yīng)對(duì)于結(jié)構(gòu)特殊、不利于應(yīng)用傳統(tǒng)的自動(dòng)鉆鉚機(jī)的組件或部件的制孔，通常是大型專用五軸機(jī)床。這些專用的制孔機(jī)床采用龍門或立柱結(jié)構(gòu)，一般都配備自動(dòng)換刀系統(tǒng)，可能自動(dòng)完成不同規(guī)格孔的加工;同時(shí)還有集成有各種先進(jìn)數(shù)字化測(cè)量單元，進(jìn)行孔直徑、圓度、軸線角度、窩深度等尺寸偏差的在線測(cè)量;專用自動(dòng)化制孔設(shè)備還可以具有刀具監(jiān)控、切屑粉塵清除等輔助功能。專用制孔機(jī)床設(shè)備剛性好，工作效率高，可用于各種難加工材料大直徑孔的加工，通過搭載不同類型的末端執(zhí)行器，可以進(jìn)行鉆孔、鉸孔、鏜孔、螺旋銑削等多種加工工藝。這些設(shè)備均可在復(fù)合材料、鋁合金、鈦合金混合疊層結(jié)構(gòu)上制直徑1/4''～3/4''的沉頭孔，允許的夾層厚度可達(dá)4''。

3輕型柔性制孔系統(tǒng)

如果既實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效、高質(zhì)量制孔，又要充分考慮設(shè)備的柔性化、智能化以提高其適用范圍，那么對(duì)于自動(dòng)鉆鉚機(jī)或者大型自動(dòng)化制孔設(shè)備而言，其技術(shù)難度與經(jīng)濟(jì)成本將急劇上升。以柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)、爬行機(jī)器人制孔系統(tǒng)為代表的輕型柔性制孔系統(tǒng)在兼顧高柔性、低成本方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)與爬行機(jī)器人制孔系統(tǒng)是輕型柔性自動(dòng)制孔系統(tǒng)兩種代表性的技術(shù)路線。其中，柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)在加工對(duì)象上鋪放真空吸附的、可以彎曲的柔性鋼帶導(dǎo)軌，通過與導(dǎo)軌上的預(yù)先加工好的齒形槽嚙合實(shí)現(xiàn)移動(dòng)制孔單元沿導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向驅(qū)動(dòng)。由于導(dǎo)軌吸附面積大，嚙合運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)可靠性高，柔性導(dǎo)軌系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在大曲率部件外表面完成高精度高質(zhì)量的制孔作業(yè)，鈦合金材料可達(dá)8mm，復(fù)合材料或鋁合金可達(dá)到11mm。爬行機(jī)器人制孔系統(tǒng)則擺脫了導(dǎo)軌的束縛，不需要每架次產(chǎn)品都進(jìn)行導(dǎo)軌鋪放工作，進(jìn)一步提高了設(shè)備布置應(yīng)用的靈活性;通過交替運(yùn)動(dòng)的兩組真空吸盤，實(shí)現(xiàn)了在曲率平緩的機(jī)身或機(jī)翼表面自主行走，并通過設(shè)備上自帶的五坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確定位。爬行機(jī)器人還可以多臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作，同時(shí)自由分區(qū)制孔，大大提高工作效率。輕型柔性制孔系統(tǒng)均采用真空吸附在被加工對(duì)象的表面，吸附可靠性直接決定了系統(tǒng)的可達(dá)性與制孔能力。在曲率半徑小、曲率變化劇烈的飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面使用這一類設(shè)備有較大的難度?？傮w上而言，輕型柔性制孔系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用起步都比較晚，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠目前均以引進(jìn)國(guó)外成熟產(chǎn)品為主并均處于試生產(chǎn)階段，沒有真正投入批量生產(chǎn)的相關(guān)報(bào)道。國(guó)內(nèi)各高校與研究機(jī)構(gòu)也有一定的研究成果，上海交通大學(xué)、中國(guó)航空制造技術(shù)研究院均研制了原型系統(tǒng)，也都開展了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，但未有投入批量生產(chǎn)的報(bào)道。

4機(jī)器人制孔系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人典型的結(jié)構(gòu)類似人的手臂，一般有6個(gè)或6個(gè)以上關(guān)節(jié)，具有多個(gè)自由度，可以穩(wěn)定、精確、自動(dòng)地完成單調(diào)重復(fù)的作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人自身剛性與機(jī)床類設(shè)備相比相對(duì)較弱，在進(jìn)行機(jī)加工時(shí)工件對(duì)刀具的反作用力往往引起較大的振動(dòng)，加工后的幾何尺寸精度、表面質(zhì)量都難以滿足要求。隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械加工的切削力大幅下降，而激振頻率遠(yuǎn)超過工業(yè)機(jī)器人固有頻率，這使得工業(yè)機(jī)器人搭載機(jī)械加工用末端執(zhí)行器的方案走向工程實(shí)用。在飛機(jī)裝配中，工業(yè)機(jī)器人的引入大大提高了裝配系統(tǒng)的靈活性與可達(dá)性，配合多種末端執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)各種不同的加工作業(yè)，其中最典型的就是機(jī)器人制孔系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人由于系統(tǒng)靈活性好，可以適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)類型的工件，能夠極大提高制孔效率。盡管工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度無法與五坐標(biāo)機(jī)床相比，但是其重復(fù)定位精度較高，隨著誤差補(bǔ)償技術(shù)、實(shí)時(shí)仿真技術(shù)等的發(fā)展，系統(tǒng)整體精度足以滿足飛機(jī)產(chǎn)品孔位精度的要求。而且通過機(jī)器人第七軸床身或AGV平臺(tái)支承，可以在較大的范圍內(nèi)自由移動(dòng)，具有遠(yuǎn)超專用制孔機(jī)床的靈活性。

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（作者單位：中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司）