自動鉆鉚設備碰撞故障完好修復方法分析與實現(xiàn)

李 峰，何偉民，劉雄武，周廣濤，李 斌，包 婧

（1.江西洪都商用飛機股份有限公司，江西南昌 330096；2.江西洪都航空工業(yè)股份有限公司，江西南昌 330096）

0 引言

自動鉆鉚設備是某大型客機項目前機身和中后機身單壁板鉆鉚一體化作業(yè)的數(shù)字化設備，承擔該機型前機身和中后機身共計十余塊大尺寸蒙皮的制孔鉚接任務，占到單壁板蒙皮鉚接任務近90%的工作量，因設備鉚接質(zhì)量高，穩(wěn)定性、一致性及工作效率均優(yōu)于人工鉚接，顧客方已將產(chǎn)品的自動鉆鉚作業(yè)工序列為特種工藝進行管控，即在自動鉆鉚設備上生產(chǎn)裝配的產(chǎn)品制造工序未經(jīng)允許不可以人工鉚接作業(yè)，自動鉆鉚設備鉚接裝配工藝的更改優(yōu)化須得到顧客方批準。

大型客機自動鉆鉚設備是高端集成的大型數(shù)字化設備，主要用于完成蒙皮壁板的定位、夾緊、锪窩、鉆孔、注膠、送釘、鉚接、檢測等一體化作業(yè)[1]。該自動鉆鉚設備為C 形托架式結構，即飛機蒙皮壁板由工裝固定于托架圍框上，小C 框及其頂端的下鉚頭組件在圍框內(nèi)實施鉆鉚作業(yè)（圖1）。

圖1 自動鉆鉚設備鉆鉚作業(yè)場景

在作業(yè)過程中需要頻繁出框進行下鉚頭清潔、鉆鉚質(zhì)量檢查、設備調(diào)試及試板驗證等工序，完成出框的作業(yè)后再次進入圍框內(nèi)繼續(xù)鉚接作業(yè)，小C框出入托架圍框相關的作業(yè)需要人工操作設備配合自動控制功能共同完成，包括降低小C 框上的下鉚頭組件至最低位置處、機床在Y 向移動、進出過程實時工況檢查等等，容易因人為誤判、誤操作發(fā)生下鉚頭組件與托架圍框碰撞的事故。

1 碰撞發(fā)生背景

自動鉆鉚設備在進行某大型客機前機身蒙皮長桁壁板鉚接作業(yè)，在托架圍框外清理完外表面和下鉚頭殘留余膠后，小C 框再次進入托架圍框時，因未將小C 框上的下鉚頭組件下降至Z 向最低位置處，致使托架圍框與小C 框上的下鉚頭組件發(fā)生碰撞，導致自動鉆鉚設備斷電停機，控制系統(tǒng)部分功能失效，下鉚頭工作組件基座整體產(chǎn)生偏移、夾緊力氣缸套筒受力變形、Z 軸雙導軌及其導向滑塊不同程度的變形破裂、旋轉(zhuǎn)電機與夾緊力氣缸套筒剛性脫離等多處損傷故障，自動鉆鉚設備處于停滯狀態(tài)，產(chǎn)品裝配作業(yè)無法繼續(xù)進行（圖2）。

圖2 自動鉆鉚設備碰撞情景

2 問題與困難

（1）自動鉆鉚設備屬于進口高端集成設備，集計算機系統(tǒng)、自動控制及機械構造于一體，涵蓋了數(shù)控系統(tǒng)、PLC 控制、檢測識別等多門專業(yè)技術[2]。產(chǎn)品制造裝配對自動鉆鉚設備自身的穩(wěn)定性、高精度及安全性要求較為嚴苛，一旦出現(xiàn)問題，輕者是設備本身故障事故，重者會牽連出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，甚至零件報廢。設備故障未能完好修復，會為后續(xù)生產(chǎn)制造帶來極大的次生危害隱患。

（2）設備委外維修需要按照相關規(guī)章制度要求走審批流程，委外費用包含維修技術方案費、維修施工費及差旅補助費等，開銷較大。且委外人員到場后依然需要對設備功能、制造工藝、故障表征及碰撞情景等進行熟悉了解，制定維修方案并論證通過后再實施維修。由此可知，委外維修時間周期長、維修費用高，單純依靠委外維修不能滿足當前產(chǎn)品生產(chǎn)制造交付的時間節(jié)點要求。

（3）自行維修主要存在維修能力不足和損壞器件匹配不到的風險。因自動鉆鉚設備為進口復雜集成設備，涉及專業(yè)知識面廣，需要豐富的維修經(jīng)驗和精湛的維修技能。在故障診斷過程中對設備結構和控制原理需要邊摸索邊修復，設備受到強力撞擊極有可能存在隱蔽故障和受損器件，設備完好修復存在不確定風險，同時該設備組成裝配器件基本是國外進口原件，其型號標準與國產(chǎn)器件不同，損壞件難以做到同型匹配替換，設備配件需要多渠道咨詢購置，是自行維修除技術技能不足以外，又一阻擋設備完好修復的重大難題。

（4）自動鉆鉚設備自身帶有多處監(jiān)測測量系統(tǒng)，比如下鉚頭轉(zhuǎn)臺定位監(jiān)測、墩鉚力與夾緊力的大小撲捉、下鉚頭工作面的確定等等[3]，均是建立在設備自身精度良好的基礎上，若自動鉆鉚設備物理基準精度誤差過大，相當于為小C 框下鉚頭組件的平面度、垂直度、同軸度等系列參數(shù)的校準植入失準參考系，即使設備功能實現(xiàn)全面修復，通過系統(tǒng)精度和運行穩(wěn)定性的綜合檢驗評估也將是一道關卡，沒有精度和穩(wěn)定性保證的自動鉆鉚設備仍然不能投入裝配生產(chǎn)使用；

（5）自動鉆鉚設備故障是由硬性碰撞引起，設備主要故障區(qū)域處于小C 框的最上端，直接故障點位置高、設備組件自身重、設備本身結構復雜等特點，實施故障維修缺少便利的工作平臺，給設備故障的診斷和修復帶來極大不便；產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)點高度緊張且無備選的生產(chǎn)制造方式，設備自行修復難度大且有技術、能力、備件等方面潛在的不確定性，委外維修的時間成本和費用成本極高，且對現(xiàn)場維修作業(yè)需要提供腳手架、汽車吊及損壞件全部換新等高要求的維修保障條件，設備的完好修復和產(chǎn)品的按時交付均面臨著巨大風險考驗。

3 思路與方法

（1）依據(jù)故障實際狀態(tài)和不確定性風險交織的復雜情況，基于設備故障是由于硬性碰撞直接導致，可以預判自動鉆鉚設備軟件系統(tǒng)故障較少，主要故障鎖定在硬性撞擊導致的機械形變和元器件損傷，為此確立“自修為主、外協(xié)輔助”的維修原則，不對設備進行大拆大解，盡量在故障點原位就地維修，組織數(shù)控系統(tǒng)、自動控制、電子線路、電工電氣、機械維修等專業(yè)的骨干力量成立自動鉆鉚設備碰撞故障維修攻關團隊，綜合自動鉆鉚設備體積龐大，設備器件自重大，直接故障點位置高，現(xiàn)場缺少實施維修的踏梯平臺，商定了優(yōu)先實現(xiàn)設備機體的基本運動功能，再修復損壞元器件，最后整體調(diào)試設備精度的工作思路，按照從大到小、由易到難、逐項攻關的工作方法穩(wěn)步推進，同時考慮到團隊人員的專業(yè)特點和作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的制約，對維保團隊成員進行任務分工，將維修方案持續(xù)優(yōu)化、維修作業(yè)實施、維修替換零配件的購置等工作并行開展，盡最大努力縮短設備故障的維修周期，為產(chǎn)品的如期優(yōu)質(zhì)交付掙得更多生產(chǎn)裝配時間。

（2）根據(jù)自動鉆鉚設備故障的報警提示，結合現(xiàn)場查看故障狀態(tài)，將旋轉(zhuǎn)平臺光電檢測器位置還原，解決了下鉚頭組件旋轉(zhuǎn)平臺檢測位置丟失的問題，關機再上電，對系統(tǒng)進行軟硬件重新配置刷機，排除上電通信中斷故障，經(jīng)過解決更換吹屑進氣管嘴、復原位置檢測開關、調(diào)整故障器件姿態(tài)等一批小故障，控制故障修復過程如圖3 所示，消除自動鉆鉚設備全部報警，使得設備可以移動起來，將托架圍框與小C 框的下鉚頭組件分開，為自動鉆鉚設備小C 框的360°旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件，可以為設備維修按需調(diào)整位置姿態(tài)，進而可以逐項拆卸損壞零器件，深度檢查設備受損情況，以便于大型機械故障的拆裝維修作業(yè)。

圖3 控制系統(tǒng)故障修復

（3）在大型機械故障的維修作業(yè)中，夾緊力套筒修復較為復雜，套筒屬性為銅質(zhì)器件，外形為規(guī)則形圓柱筒體，上端連接下鉚頭組件旋轉(zhuǎn)平臺，下端連接滾珠絲桿滑軌，主要是完成下鉚頭組件夾緊力的傳遞功能，因夾緊力套筒受強力碰撞且銅質(zhì)偏軟的特質(zhì)，夾緊力套筒產(chǎn)生物理形變，上端與旋轉(zhuǎn)平臺連接處因受強力撞擊，固定螺栓的螺桿被硬性拔起脫離螺孔，因自動鉆鉚設備為非標定制化設備，夾緊力套筒的購置或制造均需要等待時日，為快速完成設備完好修復，采用對夾緊力套筒內(nèi)壁進行微量打磨修復，保證夾緊力套筒的結構強度和安裝貼合度，對硬性破壞的國際標準的螺桿螺孔，采取在夾緊力套筒原有基礎上按照公制螺栓規(guī)格進行定位擴孔，通過夾緊力套筒內(nèi)壁修復打磨、固定螺紋孔原位按國標擴孔、安裝平面加置墊片等方式解決了夾緊力套筒變形和英制螺栓剛性脫離以及沒有替換器件的問題。

（4）導軌及其導向滑塊是碰撞力的主要卸力位置，在碰撞過程中受損最為嚴重，導軌出現(xiàn)不同程度變形，導向滑塊發(fā)生破裂，因受空間維修作業(yè)環(huán)境的限制，導軌及其導向滑塊需要分布拆解和安裝，以確保各零件臨時有效固定以防止跌落造成二次破壞，為此借用設備自帶升降平臺通過多次調(diào)整升降梯位置以達到拆裝工位，避免了額外搭置腳手架的繁重工作量，安全系數(shù)和操作方便性具有顯著優(yōu)勢，而且節(jié)省大筆額外的費用支出，在導軌修整時，為防止導軌快速修切受熱產(chǎn)生形變帶來的精度誤差，采取氣動磨砂片微量漸進式修磨，用人員體力換取了導軌穩(wěn)定的精度，安裝過程采取從中間向兩邊多輪次漸進式固定模式，借助滾珠絲杠的上下移動保證導軌的初始位置精度，部分維修實施如圖4 所示。

圖4 自動鉆鉚設備維修

（5）精度校準測試是自動鉆鉚設備維修的重要一環(huán)，對維修人員技能要求較高，利用激光跟蹤儀建立坐標系對托架圍框和小C 框整體外形進行精度檢測[4]，檢測合格后，對小C 框整體基座、下鉚頭組件旋轉(zhuǎn)平臺、夾緊力套筒以及滑動導軌等組器件進行細微的物理調(diào)整和干涉修磨，自動鉆鉚設備下鉚頭平面度、垂直度、同軸度同時跟隨360°調(diào)試，一系列參數(shù)再次匹配優(yōu)化并平衡在允許誤差范圍內(nèi)，為節(jié)省調(diào)試時間，快速實現(xiàn)調(diào)試效果，按照先粗調(diào)后修正的方法，自制平面度調(diào)試校準塊和導軌夾具[5]，大大提高了調(diào)試的效率和調(diào)試過程的穩(wěn)定性。

4 效果驗證

設備修復完成，按照制造工藝的要求進行自動鉆鉚設備空運行、打試板驗證及產(chǎn)品生產(chǎn)作業(yè)等步驟檢驗修復效果，在設備空運行階段解決下鉚頭組件在滑塊移動時摩擦異響，打試板作業(yè)檢測了鉚接锪窩深度、釘頭高度、表面質(zhì)量，釘頭成型等情況，輔以調(diào)節(jié)自動鉆鉚系統(tǒng)參數(shù)設置進行微量修正，最后上產(chǎn)品進行生產(chǎn)作業(yè)，在產(chǎn)品作業(yè)中經(jīng)過視頻跟蹤監(jiān)測、出框檢查及產(chǎn)品鉚接質(zhì)量檢驗，自動鉆鉚系統(tǒng)鉚接質(zhì)量滿足制造裝配工藝要求，標志著自動鉆鉚設備碰撞故障完好修復完成。

5 防撞措施

自動鉆鉚設備為大型客機單壁板蒙皮裝配作業(yè)的復雜集成設備，在啟動設備、涂膠清理、維保調(diào)試、停機回位等作業(yè)時，小C 框需要頻繁進出托架圍框，為避免設備碰撞事故為生產(chǎn)交付帶來的沖擊，設備操作者應加強上崗前培訓，經(jīng)測試合格方可操作設備，在生產(chǎn)作業(yè)過程中遵守設備操作規(guī)范要求，集中精力作業(yè)生產(chǎn)，并在設備出入托架圍框和操控平臺處設置提醒警示語，將關鍵工序的規(guī)范作業(yè)養(yǎng)成職業(yè)習慣，同時在技術優(yōu)化方面開展對自動鉆鉚設備小C 框出入托架圍框進行優(yōu)化升級工作，將進出框工序與下鉚頭組件降落至Z 向最低位置處工序合并為一個工序，將工序程序固化于數(shù)控系統(tǒng)，如此只要執(zhí)行小C 框進出托架圍框任務，下鉚頭組件必然降至Z 向最低位置上，大大提高設備的安全運行效果。

6 結束語

自動鉆鉚設備碰撞故障維修屬于較為系統(tǒng)的維修工程，在整個維修過程中確立維修思路和方法，充分發(fā)揮維修人員專業(yè)優(yōu)勢，及時研究新情況、新變化。采用分工并行的作業(yè)方式，團結協(xié)作、發(fā)揮所長、集思廣益，將設備方案優(yōu)化、維修作業(yè)實施、設備損壞件匹配工作融為一體，壓縮維修周期和等待時間，充分利用自動鉆鉚設備自帶梯臺和分步作業(yè)方式，不對設備進行大拆大解，盡量在故障點原位就地維修，避免搭載腳手架和外請汽車吊的工作模式，增加維修作業(yè)的安全性，節(jié)省大量維修成本。維修過程創(chuàng)新方式方法，充分維修利舊、自制夾緊夾具、平面度檢測輔助工具，大大提高了維修效率效益，使設備快速回歸到正常生產(chǎn)制造的狀態(tài)，搶回了該塊蒙皮涂膠后鉆鉚有效期限的時間節(jié)點，避免了涂膠過期而帶來的除膠作業(yè)的勞動力耗費以及發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量的風險，也為后續(xù)產(chǎn)品的均衡化按節(jié)點優(yōu)質(zhì)交付提供了良好的設備條件，也有助于提高維修人員對自動鉆鉚設備的深度認知，便于鞏固提升自動鉆鉚設備的整體維保能力。