數(shù)字化自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用

趙 蒙

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

飛機(jī)連接的裝配質(zhì)量決定著其結(jié)構(gòu)的抗疲勞性與可靠性。隨著自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程的加快，飛機(jī)制造開始大量應(yīng)用自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，體現(xiàn)了飛機(jī)裝配的自動(dòng)化與數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)階段，我國新型飛機(jī)的研制需要全自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的支撐，需要人們不斷對(duì)其進(jìn)行研究與分析，以更好地促進(jìn)航空領(lǐng)域的發(fā)展。

1 飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)及其應(yīng)用

1.1 基于全自動(dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)

基于全自動(dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)主要包括C框與D框兩種形式，通常由全自動(dòng)托架基礎(chǔ)上的五坐標(biāo)定位系統(tǒng)和自動(dòng)鉆鉚機(jī)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，全自動(dòng)托架X、Y、Z、A、B五坐標(biāo)定位功能由X、Y、A和兩個(gè)Z軸來實(shí)現(xiàn)。典型自動(dòng)鉆鉚機(jī)由上下鉆鉚功能執(zhí)行器、C框或D框構(gòu)成，具備鉆孔、送插釘、鉚接以及端頭銑平等功能?，F(xiàn)階段，基于全自動(dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)大量應(yīng)用于波音、空客等飛機(jī)制造。我國各主機(jī)廠、研究所也對(duì)此系統(tǒng)開展了大量研究。這一系統(tǒng)擁有技術(shù)成熟、成本較低、易于實(shí)現(xiàn)大鉚接力的優(yōu)勢(shì)，但加工壁板的弧度通常不超過60°，且自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用效率較低。

1.2 龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)

龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)主要由龍門式五坐標(biāo)定位系統(tǒng)、末端執(zhí)行器以及柔性工裝構(gòu)成。由于工件擺放位置不同，它主要分為立式和臥式兩種形式。在鉆鉚過程中，這一系統(tǒng)的柔性工裝保持固定，X、Y、Z、A、B五坐標(biāo)定位主要由龍門式五坐標(biāo)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段，龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)主要適用于飛機(jī)壁板裝配，其中立式適合裝配機(jī)翼壁板，臥式適合裝配機(jī)身壁板和超級(jí)壁板。系統(tǒng)通過合理布置生產(chǎn)線，可以解決產(chǎn)品上下架時(shí)間設(shè)備閑置問題。其中，臥式能加工大弧度壁板，實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)壁板的鉆鉚，但其控制難度較大，成本高，且A角與B角的運(yùn)動(dòng)難以產(chǎn)生較大的鉚接力[1]。

圖1 基于全自動(dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)

1.3 內(nèi)外雙機(jī)器人筒段鉆鉚系統(tǒng)

在內(nèi)外雙機(jī)器人筒段鉆鉚系統(tǒng)中，有一套平行剛性支撐軌道在產(chǎn)品蒙皮外側(cè)，有一套則在產(chǎn)品內(nèi)部，且在上方分別布置鉆鉚機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)螺接功能。兩套軌道系統(tǒng)與鉆鉚機(jī)器人協(xié)同實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A、B五坐標(biāo)定位?，F(xiàn)階段，對(duì)于這一系統(tǒng)應(yīng)用較少，市場(chǎng)需求不大，主要適用于機(jī)身筒段裝配。尤其是類似波音787的復(fù)材機(jī)身，無須在半筒段裝配后進(jìn)行上下對(duì)接。內(nèi)外雙機(jī)器人筒段鉆鉚系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，且能實(shí)現(xiàn)角片等部位的自動(dòng)定位功能。但是，它與龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)一樣，控制難度較大，成本高，總體鉆鉚效率低[2]。

2 飛機(jī)制造中數(shù)字化自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 高負(fù)載高剛性大運(yùn)動(dòng)場(chǎng)定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)相較于輕型自動(dòng)化制孔系統(tǒng)而言，控制軸數(shù)不多，定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。然而，壓鉚的工作荷載在15～30 kN，使得大型結(jié)構(gòu)重量成為設(shè)計(jì)中的一大難題。飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)主要有3種典型形式：一是基于全自動(dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)；二是龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)；三是內(nèi)外雙機(jī)器人筒段鉆鉚系統(tǒng)。下面以龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)為例闡述其特殊性。這一系統(tǒng)的A角與B角運(yùn)動(dòng)通常靠旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)，而旋轉(zhuǎn)軸會(huì)承受巨大的鉚接力，使得動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)精度、靜態(tài)承載能力以及傳動(dòng)間隙處理成為重難點(diǎn)。大型龍門架在運(yùn)動(dòng)中會(huì)形成巨大慣量，而由于鉆鉚效率要求相對(duì)較高，X軸運(yùn)動(dòng)精度受大慣量大運(yùn)動(dòng)場(chǎng)影響較大。將大型定位系統(tǒng)高剛性與大慣量大運(yùn)動(dòng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的要求相互折中，需優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度[3]。因此，高負(fù)載高剛性大運(yùn)動(dòng)場(chǎng)定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)作為重要技術(shù)，需要重點(diǎn)解決3個(gè)問題：一是要通過力學(xué)分析獲得科學(xué)合理的機(jī)構(gòu)受力形式；二是要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)消隙處理并進(jìn)行靜態(tài)自鎖設(shè)計(jì)，以保障精度與穩(wěn)定性；三是通過有限元分析優(yōu)化方式，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸。

2.2 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)多軸同步運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)與內(nèi)外雙機(jī)器人筒段鉆鉚系統(tǒng)的技術(shù)要求較高，而基于全自動(dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的技術(shù)要求較低。對(duì)于不同的鉆鉚系統(tǒng)，要運(yùn)用不同的控制軸實(shí)現(xiàn)五坐標(biāo)定位。然而，因?yàn)樯舷履┒藞?zhí)行器控制連接的同軸度要求較高，所以需要多運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)要保障上下末端執(zhí)行器控制連接的同軸度，至少需要保持上下末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)X、Y、Z坐標(biāo)與A角、B角之間的協(xié)調(diào)，這對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高。因此，對(duì)于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)多軸同步運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的解決手段主要有兩種：一是在短期內(nèi)應(yīng)用國外成熟的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能精度目標(biāo)，如MPAC應(yīng)用的西門子840D；二是將自主研發(fā)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為長(zhǎng)期目標(biāo)，有效降低成本，擁有良好的定制性能，且獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[4]。

2.3 復(fù)雜鉆鉚功能末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)

3種典型的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)都要應(yīng)用末端執(zhí)行器。鑒于飛機(jī)制造中裝配連接零部件對(duì)精度的要求，研制末端執(zhí)行器的過程中存在不少難點(diǎn)。一是飛機(jī)制造中對(duì)裝配锪窩精度的要求很高，自蒙皮表面開始便對(duì)锪窩深度有嚴(yán)格要求，不能忽略制孔時(shí)蒙皮表面受壓變形因素，這也對(duì)主軸Z和蒙皮表面檢測(cè)精度提出了高要求。二是孔位檢測(cè)精度關(guān)系總體制孔坐標(biāo)系的確定和孔位精度。三是將法相檢測(cè)精度和傳感器標(biāo)定作為制孔的主要性能指標(biāo)。這兩個(gè)性能指標(biāo)決定著制孔垂直度，因此需同時(shí)考慮傳感器精度及其布置、標(biāo)定等多種因素。四是提供插入力與頂緊力，確保送釘插釘精度。五是對(duì)于鉚接力與行程的控制。復(fù)雜鉆鉚功能末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)是一項(xiàng)核心技術(shù)，集孔位檢測(cè)、制孔、送釘以及鉚接等眾多功能于一體，同時(shí)要確保承載能力與剛度，融合模塊化設(shè)計(jì)理念、機(jī)構(gòu)精巧設(shè)計(jì)、有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多種方式來設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器。上下末執(zhí)行器分別如圖2和圖3所示。

圖2 上末端執(zhí)行器

圖3 下末端執(zhí)行器

2.4 離線編程與仿真技術(shù)

相較于其他機(jī)械產(chǎn)品，飛機(jī)自動(dòng)化裝配數(shù)控程序編程最主要的特征是離線編程。飛機(jī)批量低，曲面不簡(jiǎn)單，孔位數(shù)量多，不能有效應(yīng)用于車輛等大批量自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用的示教編程，使得離線編程成為飛機(jī)自動(dòng)化裝配的核心軟件技術(shù)。這一技術(shù)主要由緊固件信息提取、數(shù)控自動(dòng)編程、刀位文件生成、離線仿真以及在線監(jiān)測(cè)等模塊構(gòu)成。相比于輕型自動(dòng)化制孔系統(tǒng)，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)更加復(fù)雜，需要進(jìn)行更細(xì)致的檢查[5]。離線編程的難點(diǎn)在于必須從產(chǎn)品數(shù)模中自動(dòng)提取出緊固件位置信息，而實(shí)現(xiàn)這一工作的前提是產(chǎn)品數(shù)模必須對(duì)緊固件信息進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范的定義。目前，我國對(duì)這項(xiàng)工作的重視程度正在逐漸加大，已形成基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)規(guī)范體系。

自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)具備高效率、高質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，使得飛機(jī)制造裝配技術(shù)朝向自動(dòng)化裝配方向發(fā)展。3種典型形式的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)擁有不同的特征與優(yōu)點(diǎn)，需要結(jié)合不同飛機(jī)產(chǎn)品的特點(diǎn)和生產(chǎn)條件來選用不同形式的系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)翼無頭鉚釘壓鉚等需要使用高壓鉚力的情況，可以使用以G86、G2000為代表的基于全自動(dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)翼裝配中涉及電磁鉚接的情況，可以應(yīng)用以E系列鉆鉚系統(tǒng)為代表的龍門立式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)身大尺寸、大弧度壁板尤其要進(jìn)行超級(jí)壁板拼接的情況，可以選擇以管理平面防護(hù)（Management Plane Access Control，MPAC）為代表的龍門臥式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)應(yīng)用過程涉及設(shè)計(jì)、制造以及工藝裝備等環(huán)節(jié)，不是對(duì)局部的技術(shù)優(yōu)化，而是對(duì)整個(gè)領(lǐng)域的改革。特別是龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)與內(nèi)外雙機(jī)器人筒段鉆鉚系統(tǒng)的應(yīng)用涉及諸多關(guān)鍵問題，需要協(xié)調(diào)發(fā)展整個(gè)設(shè)計(jì)、制造以及裝配工藝。

3 結(jié)語

不同形式的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)各有各的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，要結(jié)合具體情況合理選用。受成本與保密性等要求的影響，我國需要自主研發(fā)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)。這需要不斷研究關(guān)鍵技術(shù)，提高飛機(jī)制造裝配的自動(dòng)化能力，使我國擁有自主研發(fā)的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)。