基于PLC 控制的大型壓鉚機設計及應用

鐘李欣，閆喜強，郭 峰，楊寶華，龍志華

（航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西西安 710089）

0 引言

目前飛機制造過程中，鉚接主要采用壓鉚法，具有品質穩定，表面品質好，效率高的優點，主要用于肋、框、梁、壁板等開敞性好的組合件之間的鉚接。各航空企業完成鉚接工作的方式主要為：人工錘鉚、壓鉚設備、自動鉆鉚設備。人工錘鉚工具簡單，操縱方便，對于結構不開敞的零組件也可使用，但鉚接質量差，工作強度高，效率低；自動鉆鉚設備鉚接質量好，效率較低，但具有專用性，需與專用工裝配合使用，成本高，主要用于機翼壁板裝配鉚接工作。壓鉚設備即壓鉚機，壓鉚力較大，可一次壓鉚多個鉚釘，鉚接效率高，鉚接質量穩定，具有較強的通用性，尤其適合肋、框、梁、壁板等開敞性好的組合件之間的鉚接，在各航空企業仍被大量使用。各航空制造企業使用的壓鉚機多為氣動動力源或液壓動力源的壓鉚機，且大多數使用年限已久，設備老化，性能參數下降，維護困難，無法滿足生產需要，且市面上沒有一款合適的替代設備，因此需要研究一種基于PLC 控制的大型壓鉚機替代原有設備，以滿足生產需要[5-8]。

1 壓鉚設備壓鉚工藝流程

壓鉚設備即壓鉚機是通過上、下鉚模擠壓鉚釘形成墩頭，從上、下鉚模接觸鉚釘到鉚釘墩頭成形，上、下鉚模撤離為止，整個過程可大致分為4 個階段，如圖1 所示。

第一階段：鉚釘及待鉚零件準備階段。將需鉚接的兩零件預連接，并在相應準確位置制孔，在孔中放入合適規格的鉚釘，將整個工件放置在壓鉚機的托架組件上，鉚釘釘蓋朝上，移動待鉚工件至鉚接區域，使得工件的本次鉚接部位處于壓鉚機上、下鉚模鉚接區域范圍內。

第二階段：鉚釘變形墩粗階段。壓鉚機上鉚模向下移動，接觸鉚釘釘蓋后停止運動，起到頂緊鉚釘的作用。壓鉚機下鉚模向上運動，接觸鉚釘后繼續向上移動擠壓鉚釘，鉚釘發生變形墩粗，釘桿逐漸與孔壁接觸，填滿釘孔后，釘桿材料向軸向流動。

第三階段：鉚釘墩頭成形階段。壓鉚機下鉚模繼續向上運動擠壓鉚釘，鉚釘被墩粗，釘桿材料開始接觸待鉚工件表面，墩頭開始形成。當墩頭尺寸達到目標尺寸后，下鉚模停止運動。

第四階段：上、下鉚模撤離階段。壓鉚機上、下鉚模同時分別向上、下撤離，脫離待鉚工件，完成一次壓鉚流程[9-10]。

圖1 壓鉚的4 個階段[10]

2 大型壓鉚機的主要技術參數

為使新設計的大型壓鉚機能夠代替原有老舊壓鉚機，主要技術參數需不低于原有壓鉚機，具體如下：最大額定鉚接力250 kN，喉深1200 mm，壓鉚機上、下鉚模支撐面間最大距離465 mm，地平面到壓鉚機的壓鉚中部平面的高度1500 mm，托架組件高1500 mm，下鉚模總行程200 mm，低于壓鉚中部平面的行程170 mm，上鉚模總行程150 mm，高于壓鉚中部平面的行程105 mm，上、下鉚模可旋轉角度360，每分鐘可工作次數510 次，環境溫度（-1055）；單次可同時鉚接同種鋁合金鉚釘參數見表1。

表1 單次可同時鉚接同種鋁合金鉚釘參數

3 大型壓鉚機設計

該大型壓鉚機主要由托架組件和壓鉚系統組成，如圖2 所示。托架組件為桁架結構，設置有X 向導軌、Y 向導軌，待鉚工件放置于托架組件上，可沿X、Y 向移動，便于調整待鉚工件與壓鉚系統的相對位置關系。壓鉚系統主要包括機械結構和控制系統，控制系統控制機械結構有序的循環運動，實現對待鉚工件快速、精確的鉚接。

3.1 壓鉚系統機械結構設計

壓鉚系統機械結構主要由上部鉚接機構、下部鉚接機構、C形床身組成，上部鉚接機構和下部鉚接機構分別安裝于C 形床身的上部、下部，結構形式如圖3 所示。

3.1.1 上部鉚接機構設計

上部鉚接機構由上部固定座、上部支撐柱、上移動板、上鉚模座、上鉚模、限位開關，以及電機、減速機、滾珠絲杠、導軌等組成的驅動機構構成，如圖4 所示。滾珠絲杠、導軌平行豎直安裝于上部固定座上，上部支撐柱與滾珠絲杠的螺母連接，可承受壓鉚時巨大的壓鉚力；上移動板連接導軌上的滑塊和上部支撐柱，驅動機構可帶動上部支撐柱沿豎直方向運動；上鉚模座通過卡圈安裝于上部支撐柱下端，可繞上部支撐柱的軸線進行360旋轉，中部安裝有限位開關，下部開有槽型缺口，用于安裝上鉚模，上鉚模上平面與上鉚模座槽型缺口的上平面存在一定的間隙，當上鉚模向上移動至上鉚模的上平面與上鉚模座槽型缺口的上平面貼合時，限位開關觸發，可實現上部鉚接機構接觸鉚釘釘蓋后停止運動。上鉚模為長方體塊狀鉚模，可一次壓鉚多個同種規格的鉚釘。

3.1.2 下部鉚接機構設計

圖2 大型壓鉚機結構示意圖

圖3 壓鉚系統機械結構示意圖

圖4 上部鉚接機構結構示意圖

圖5 下部鉚接機構結構示意圖

下部鉚接機構由下部固定座、下部支撐柱、下移動板、下鉚模座、下鉚模、壓力傳感器、光柵尺，以及電機、減速機、滾珠絲杠、導軌等組成的驅動機構構成，如圖5 所示。滾珠絲杠、導軌平行豎直安裝于下部固定座上，下部支撐柱與滾珠絲杠的螺母連接，可承受壓鉚時巨大的壓鉚力；下移動板連接導軌上的滑塊和下部支撐柱，驅動機構帶動下部支撐柱沿豎直方向運動；下部支撐柱上部安裝有壓力傳感器，可實時監測上、下鉚模之間的壓鉚力，實現對鉚釘受力情況的監控；下鉚模座放置在壓力傳感器上，通過卡圈與下部支撐柱連接，其可繞下部支撐柱的軸線進行360旋轉，下鉚模座的上部開有槽型缺口，用于安裝下鉚模，下鉚模也同為長方體塊狀鉚模，可一次壓鉚多個同種規格的鉚釘，下鉚模上有3 個彈簧立柱，可實現將待鉚工件鉚接部位壓緊、貼合，消除待鉚工件鉚接部位的間隙。光柵尺豎直安裝于下部固定座的側面，可實時反饋下鉚模的當前位置，控制鉚釘墩頭的高度，實現精確鉚接。

3.2 壓鉚系統控制系統設計

圖6 人機交互界面

壓鉚系統控制系統主要含有伺服電機、腳踏開關組、行程開關、PLC、觸摸屏等控制元件。伺服電機控制上、下部鉚接機構在豎直方向上運動調整；行程開關分別安裝在上、下鉚模機構的豎直方向上，用于控制上、下部鉚接機構在設定的行程范圍內運動；腳踏開關組含有3 個腳踏開關，分別與控制器PLC 連接，用于控制上、下部鉚接機構的運動，實現整個壓鉚循環；PLC 是控制系統的中樞大腦，接受觸摸屏、腳踏開關、行程開關、壓力傳感器和光柵尺的輸入信號，經過程序處理后發出輸出信號去控制伺服電機來完成相應動作，同時在執行過程中輸出顯示信息，如檢測結果顯示，壓力，超程報警，人機交互界面如圖6 所示。

4 應用分析

根據詳細設計內容，制造一套大型壓鉚機，通過安裝調試完成后，其各部分性能參數滿足現場使用要求，實際應用時，壓鉚機鉚接的具體工藝流程及步驟如下：

（1）準備待鉚工件。將需鉚接的兩零件預連接，并在相應準確位置制孔，在孔中放入合適的鉚釘，將整個工件放在快速精確壓鉚裝置的托件上。

（2）移動待鉚工件至鉚接區域。將待鉚工件沿X、Y 向導軌移動，使得工件的本次鉚接部位處于壓鉚裝置上、下部鉚接機構的鉚接區域附近。

（3）上部鉚接機構向下移動接觸工件。通過控制腳踏開關A，使得壓鉚裝置的上部鉚接機構向下移動，待上鉚模接近工件上表面時，旋轉上鉚模，使上鉚模的長邊方向與鉚釘排列方向一致，便于一次壓鉚多個鉚釘，繼續控制腳踏開關A，上部鉚接機構繼續向下移動，直至上鉚模接觸工件上表面，觸發限位開關，上部鉚接機構停止運動；

（4）下部鉚接機構向上移動，實現壓鉚工作。松開腳踏開關A，控制腳踏開關B，下部鉚接機構向上移動，下鉚模上的彈簧立柱接觸工件下表面，隨著下鉚模繼續向上移動，彈簧立柱不斷被壓縮，將需鉚接的兩零件逐漸壓緊，消除間隙，在該過程中控制系統實時獲取壓力傳感器的壓力值，當下鉚模上表面與鉚釘下表面接觸式，壓力傳感器的壓力值超過閥值，控制系統讀取此刻光柵尺的數值，并根據預設程序計算出下鉚模的終點位置；下鉚模繼續向上移動，對鉚釘進行壓鉚，移動至終點位置停止運動。

（5）上、下鉚模與工件表面脫離。松開腳踏開關B，控制腳踏開關C，上、下部鉚接機構分別向上、下移動，使得上、下鉚模與工件表面脫離至合適距離，松開腳踏開關C，完成鉚接工作。

（6）重復第3、4、5 步，實現壓鉚循環。

表2 鋁合金鉚釘試片壓鉚實驗數據

在整個試片壓鉚實驗過程中，該大型壓鉚機的各個部分運行平穩順暢，無卡頓現象；大型壓鉚機壓鉚速度快，每分鐘可實現壓鉚循環68 次；鉚釘壓鉚質量好，鉚釘墩頭質量滿足使用要求；實現了一次壓鉚合格，提高了生產效率，滿足生產需要。

5 結語

研究解決飛機裝配中壓鉚設備老舊、性能降低、不足以滿足生產需要的問題，設計一種基于PLC 控制的大型壓鉚機，并進行詳細設計和應用驗證，應用結果表明：該大型壓鉚機可實現單次多個鉚釘同時鉚接，鉚釘墩頭質量滿足使用要求；壓鉚效率高，每分鐘壓鉚循環68 次。該大型壓鉚機通過壓鉚力反饋、位移補償技術，實現一次壓鉚合格，提高壓鉚機壓鉚過程的自動化程度，可以替代原有壓鉚設備，滿足生產需要，提高生產效率。