柔性自動化鉆鉚系統(tǒng)在飛機部件制造中的應用

范 斌，牛潤軍

（中航工業(yè)陜西飛機工業(yè)（集團）有限公司，陜西 城固 723213）

透過國外先進主機制造商的技術(shù)發(fā)展歷程來看，飛機組、部件的鉚接技術(shù)，經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的手工鉚接技術(shù)，到半自動鉆鉚系統(tǒng)、再到自動鉆鉚系統(tǒng)的發(fā)展過程。自動鉆鉚系統(tǒng)相比手工鉚接技術(shù)，雖已提高鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，在一定程度上提高了裝配效率，但由于采用的數(shù)控托架無法滿足當今飛機快速研制、生產(chǎn)及低成本制造的柔性制造需求，現(xiàn)已全面轉(zhuǎn)向柔性自動化鉆鉚系統(tǒng)方向發(fā)展。

柔性自動化鉆鉚系統(tǒng)，是一種航空制造領域應自動化裝配需要而發(fā)展起來的、具有柔性和模塊化、可快速重組特性的先進制造技術(shù)，是能夠支持多個項目或工藝流程的高柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，是以最少的地面、工裝和設備投入，作出更優(yōu)成本效益的解決方案。

1 柔性自動化鉆鉚系統(tǒng)的構(gòu)成簡介

主要是由自動鉆鉚機、柔性工裝、數(shù)字化定位和檢測系統(tǒng)、物料傳送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成（見圖1）。

圖1 柔性自動化鉆鉚系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 自動鉆鉚機

是一種可以自動完成夾緊、鉆孔、鍃窩及鉚接等工序，集電氣、液壓、氣動、自動控制為一體的自動鉆鉚設備。自動鉆鉚機主要分為C 框型鉆鉚機、D 型鉆鉚機、龍門鉆鉚機、輕型機器人自動鉆鉚機四種。由于龍門鉆鉚機避免了以往在C 框型和D 型自動鉆鉚機所采用的大型塔架和旋轉(zhuǎn)工作框，使整個定位系統(tǒng)的運動速度更快，因此已逐漸成為未來主流的自動鉆鉚設備之一。國外鉚接裝配技術(shù)幾十年的應用證明，采用自動鉆鉚機，是改善飛機性能的重要工藝措施之一。

1.2 柔性工裝

是指可適用于不同形狀、不同尺寸組件或部件的裝配，且基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系可快速重組的模塊化、自動化并保證裝配準確度的裝配工裝系統(tǒng)。柔性工裝系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的運動方式，考慮了裝配對象固有特點，依靠控制系統(tǒng)與數(shù)字化定位和測量系統(tǒng)等完成對裝配定位、夾緊等的控制過程。

柔性工裝技術(shù)在國外飛機的各級裝配中，均已得到廣泛的應用，縮短了產(chǎn)品研制周期，降低了制造成本。現(xiàn)已發(fā)展起來的柔性工裝技術(shù)主要有：用于壁板類組件裝配的多點陣成形真空吸盤式柔性裝配工裝，用于機翼翼梁和機翼壁板裝配的行列式高速柱柔性裝配工裝，用于機身部件裝配的分散式機身柔性裝配工裝，以及用于大部件對接的自動化對接平臺等。

1.3 數(shù)字化定位和測量系統(tǒng)

是一種在自動鉆鉚過程中，采用恰當?shù)臏y量技術(shù)，得到目標點的測量數(shù)據(jù)，并將其與理論位置的偏差反饋到控制系統(tǒng)，進行對產(chǎn)品定位夾緊裝置、托架位置、鉆鉚執(zhí)行器位置、工件位置的數(shù)字化定位校正，并對全程加工過程進行測量跟蹤的定位和測量系統(tǒng)。數(shù)字化定位和測量系統(tǒng)包括IGPS系統(tǒng)、激光跟蹤儀系統(tǒng)、照相測量系統(tǒng)等幾種測量設備、數(shù)據(jù)處理單元等。

1.4 物料傳送系統(tǒng)

是一種具有多種緊固件智能化選擇和輸送的系統(tǒng)，在夾持產(chǎn)品時，可根據(jù)測量出的產(chǎn)品厚度選擇適當?shù)木o固件規(guī)格，并輸送到末端執(zhí)行器上。

1.5 控制系統(tǒng)

是指在鉆鉚機控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)、柔性工裝控制系統(tǒng)、數(shù)字化定位和測量系統(tǒng)等各系統(tǒng)開發(fā)的基礎上進行集成，通過在各系統(tǒng)之間的通訊或觸發(fā)，對整個鉆鉚過程進行管理和控制，實現(xiàn)流程控制的準確化、自動化、清晰化。

2 主流柔性自動化鉆鉚系統(tǒng)

以自動鉆鉚機與柔性工裝構(gòu)成為主的自動鉆鉚系統(tǒng)，和以輕型機器人配合多功能鉆鉚末端執(zhí)行器構(gòu)成為主的自動鉆鉚系統(tǒng)，是當今兩大主流柔性自動化鉆鉚系統(tǒng)。

2.1 以自動鉆鉚機與柔性裝配工裝結(jié)合的系統(tǒng)

在機身機翼壁板、翼梁等組合件中，由于其可自動化安裝緊固件的比重大、結(jié)構(gòu)開敞易實現(xiàn)自動化，因此采用自動鉆鉚機與柔性裝配工裝結(jié)合的柔性自動鉆鉚系統(tǒng)。其核心是采用了適用于機身壁板類組件裝配的多點陣成形真空吸盤式柔性裝配工裝，或者采用了適用于機翼翼梁和機翼壁板裝配的行列式高速柱柔性裝配工裝。

以廣泛應用于波音公司的機身壁板類組件裝配的柔性自動化鉆鉚系統(tǒng)為例，其采用了多點陣成形真空吸盤式柔性裝配工裝。該系統(tǒng)以工裝或產(chǎn)品精加工的定位信息作為定位基準，工藝設計人員根據(jù)壁板組件的類型、長度以及剛度，確定壁板保型夾持的真空吸盤數(shù)量和分布，以絲杠及導軌驅(qū)動真空吸盤，使其可成組移動到指定位置，其定位精度可達0.127 mm（0.005英寸）。當更換不同的組件產(chǎn)生外形變化時，通過控制系統(tǒng)自動調(diào)整真空吸盤，適應不同的裝配組件外形。當自動鉆鉚機在一個工位上進行鉆鉚時，前后工位可同時進行其他產(chǎn)品的準備工作或者補充工作，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的快速定位，縮短產(chǎn)品從地面到地面的加工時間。

2.2 以輕型機器人配合多功能鉆鉚末端執(zhí)行器構(gòu)成的系統(tǒng)

為適應不同的工作環(huán)境要求，在機身、機翼壁板與骨架的鉚接中，雖然可自動化安裝緊固件的比重較大，但在裝配時僅一面開敞，采用傳統(tǒng)自動鉆鉚機的難度較高，因此，依托機身部件裝配的分散式機身柔性裝配工裝或者用于大部件對接的自動化對接平臺，又逐漸發(fā)展出以輕型機器人配合多功能鉆鉚末端執(zhí)行器及位姿定位系統(tǒng)構(gòu)成的柔性自動化鉆鉚系統(tǒng)。

以寶捷公司研發(fā)的一種新型機器人裝配單元為例（見圖2），用于歐洲直升機公司的貨艙門內(nèi)部鉚接結(jié)構(gòu)的鉚釘安裝，定位精度達到±0.3 mm。通過機器人視覺系統(tǒng)，對產(chǎn)品的定位信息進行測量，如零時鉚釘/孔/邊緣等，將測量結(jié)果進行坐標轉(zhuǎn)換，由機器人驅(qū)動末端執(zhí)行器來補償實際產(chǎn)品的位置和姿態(tài)，以實現(xiàn)精確定位后，末端執(zhí)行器完成鉆鉚作業(yè)，并對作業(yè)過程和定位精度進行實時檢測和標定，并反饋給控制系統(tǒng)。

圖2 機器人裝配單元

3 結(jié)束語

自動鉆鉚技術(shù)在國外發(fā)展極為迅速。未來的自動鉆鉚技術(shù)，將向系統(tǒng)集成方向發(fā)展，所有的數(shù)據(jù)資源被集中共享和處理，實現(xiàn)不同產(chǎn)品、設備、工裝的自動化調(diào)度，從而實現(xiàn)柔性裝配制造，為提高制造效率和充分應用制造資源提供基礎平臺。

我國自動鉆鉚技術(shù)，雖然在近幾年有了一定程度的發(fā)展，但由于起步晚，與國外先進國家仍存在較大差距。隨著我國大型飛機研制的步伐加快，急需探索出一條適應于我國航空企業(yè)自身的工藝技術(shù)改造和革新之路，全面提高數(shù)字化裝配技術(shù)水平，滿足我國高新武器裝備的快速研制需求。

[1]郭恩明.國外飛機柔性裝配技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2005，（9）：28-32.

[2]王黎明.數(shù)字化自動鉆鉚技術(shù)在飛機制造中的應用[J].航空制造技術(shù)，2008，（11）：42-45.

[3]陳昌偉.飛機數(shù)字化柔性工裝技術(shù)研究[J].現(xiàn)代設計與先進制造技術(shù)，2008，（12）：21-28.