曲面自動化制孔技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

何鳳濤， 陳雪梅， 熊衍龍， 張德遠， 劉艷強， 李 軍， 馬 廣

(1.成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司， 成都 610031； 2.北京航空航天大學機械工程及自動化學院， 北京 100191)

隨著科學技術水平的快速發(fā)展，航空工業(yè)技術水平進步顯著，對飛機整體的可靠性和耐久性提出了更高的要求。在各類飛行器故障中，在部件疲勞失效中約70%左右的疲勞裂紋來自緊固件孔，統(tǒng)計學研究表明出現(xiàn)在孔邊緣破壞的故障超出了整架飛機疲勞破壞的90%[1]。由此可以看出，緊固孔的加工精度很大程度地影響了飛機的可靠性以及安全性[2]。如何在制造過程中提高緊固孔的質量、改善構件的抗疲勞性能、延長飛機壽命、提高飛機的質量是飛機制造廠商關注的重要課題[3-5]。

目前，制造廠商都在尋求采購自動化鉆削機床進行精密制孔，滿足對飛機的高性能要求[6-8]。這一方面，國外經(jīng)過半個多世紀的研究，自動化制孔技術較于中國更為成熟，并且已經(jīng)廣泛應用在飛機制造和裝配中，成為航空工業(yè)中的主流技術[9-12]。

隨著機構學、傳感技術、伺服控制以及計算機技術等的發(fā)展，針對飛機生產(chǎn)不同的需求以及應用范圍，各國的研究院所和飛行器生產(chǎn)廠家設計制造了相應的自動化機床。現(xiàn)介紹常見的自動化制孔設備的研究現(xiàn)狀，并預測未來可能的研究方向。

1 蒙皮制孔技術特點

飛機蒙皮是指包圍在飛機骨架結構外且用黏接劑或鉚釘固定于骨架上，形成飛機氣動外形的維形構件[13]。蒙皮與機身骨架形成蒙皮結構，這種結構的重量輕，卻有很好的剛度和承載力，可以承受并且傳遞大的氣動載荷[14]。常見的飛機使用的蒙皮材料主要是高性能鋁合金材料，某些軍用特殊性能飛機采用了鈦合金材料與復合材料。

蒙皮是一種具有自由曲面形狀的結構板材，也是構成飛行器外形的主要零件。蒙皮形狀復雜且容易變形，其加工質量對飛機的安全性有很大影響[15]。飛機飛行中蒙皮與氣流直接接觸，所以對其表面質量有很高的要求。一般蒙皮結構的尺寸較大，相對厚度較小，造成其剛度較差，加工時需要保證形狀準確，減小變形。隨著現(xiàn)在飛機的提速和增重，蒙皮的尺寸與厚度增加，外形的精確度要求也更高[16]。

飛機蒙皮按外形特點可以分成單曲度蒙皮、雙曲度蒙皮和復雜形狀蒙皮3種類型。單曲度蒙皮的形狀相對簡單，僅單一方向上存在曲度，多用于飛機機身剖面段和機翼上。雙曲度蒙皮指的是兩個方向上存在曲度的蒙皮，用在機身上的大多零件以及進氣道上。復雜形狀蒙皮是指那些形狀極不規(guī)則的蒙皮，包括翼尖、機頭罩等部位使用的蒙皮。

由于蒙皮結構的特殊性，增加了其加工和裝配難度。在傳統(tǒng)的人工制孔中，制孔水平受工人水平影響較大，加工出的孔質量參差不齊，無法準確保證裝配時的精度要求。需求使用自動化設備進行自動制孔與裝配可以保證蒙皮結構上孔的質量，確保裝配時的精度要求是非常關鍵的。這對于提高最終產(chǎn)品的整體穩(wěn)定性以及產(chǎn)品結構的抗疲勞性能與可靠性都十分重要[17]。

2 大型專用機床制孔

在航空蒙皮曲面自動化制孔技術中，對于一些裝配制造中大孔的加工，需要設計一些專門的大型自動化制孔設備以保證高標準的加工要求。美國波音公司的B-747、C-17等型號客機的機艙地板都使用了自動化制孔設備與工藝，相比之前人工鉆孔不僅大大縮短工藝流程時間，降低生產(chǎn)成本，而且提高了制孔的精度和質量[18]。德國寶捷公司研發(fā)的鉆鉚機與多壁板裝配機床如圖1所示[19]。

北京航空制造工程研究所開發(fā)了一款飛機翼面類部件柔性裝配五坐標自動制孔設備，該設備由五坐標移動機構和末端自動制孔設備構成，可以滿足雙曲度飛機蒙皮結構的生產(chǎn)需求[20]。這是中國首臺飛機翼面類部件柔性生產(chǎn)裝備，其末端自動鉆削工具的研制為中國其他院所及團隊的研究提供了經(jīng)驗[21]。經(jīng)過試驗驗證，此設備可以減少平尾制孔生產(chǎn)周期近一半時間。

從外形來看，大型落地式鉆削機床體積大，重量大、設備需要占用很大空間；從成本來看，落地式龍門機床大多造價高，且為專用機床，生產(chǎn)成本高；從應用效果來看，大型機床的使用較為笨重，受限于機床體積，只能用于飛機開闊外表面的制孔，對于飛機表面上的復雜曲面對機床的定位精度要求以及工裝的安裝精度都極高。此外，大型機床不適用于飛機上一些狹小空間的制孔需求，機床笨重的體積難以進入那些狹小空間，如軍用飛機的進氣道。

3 機械臂機器人制孔

機械臂式制孔設備通常包括機械適配導軌、機械臂以及末端鉆削設備等部分，可以用在航空鋁、復合材料以及鈦合金等蒙皮結構的制造裝配。

美國EI公司與波音公司合作利用KUKA KR305/2串聯(lián)機器人平臺和伺服控制多功能末端執(zhí)行器(MFEE)組合，研制了一套機械臂自動鉆削系統(tǒng)(ONCE)，該系統(tǒng)用在了波音F/A-18E/F型號客機的機翼后緣的制孔加工、孔質量檢測上[22-23]。瑞典Novator公司采用Orbital鉆頭和KUKA機器人研制出了一種多功能鉆削系統(tǒng)Orbital E-D100，用于在鈦合金與復合材料等部件的精密鉆削制孔[24-25]。波音公司澳大利亞分公司使用KUKA KR360-2機械平臺與單側制孔-修剪末端執(zhí)行器結合，研制了一種機械臂制孔系統(tǒng)(737 aileron robot cell)[26-27]。德國寶捷公司利用一種工業(yè)機械臂組合新型自動鉆削工具，設計制造了一款新型生產(chǎn)設備，這種裝備了多功能制孔工具且高精定位的制孔系統(tǒng)，可以用在飛機艙門結構的制孔加工和鉚釘安裝，如圖2(a)所示[28-29]。意大利BC公司已經(jīng)成功地為 Airbus、Boeing、EADS等知名廠家研制了多套龍門式機械臂自動化鉆鉚機床，并參與了Airbus A380和A340型客機以及Boeing B787新型客機、歐洲戰(zhàn)機機身等核心部分的制造[30-31]。美國波音公司和EOA公司合作設計了一種用于對鈦合金、航空鋁、復合材料及其疊層等蒙皮機構加工的多功能機械臂鉆削設備，能夠進行各種制孔加工工作，如圖2(b)所示[32-33]。洛克希德·馬丁公司研發(fā)的制孔設備主要用在了大型落地式龍門鉆孔機床(JGADS)中，主要對F-35型號戰(zhàn)機的碳纖維環(huán)氧復合材料制作的機翼上壁板進行制孔加工[34-35]。

圖2 工業(yè)機械臂式機器人制孔設備Fig.2 Industrial machinery arm type robot drilling equipment

落地式龍門機床機械臂機器人在體積、重量上有大幅減小，因而可以適應飛機上的一些內表面的加工操作，如軍用飛機進氣道內的制孔加工。但是機械臂多關節(jié)伸展的結構導致機器人本身的剛性差，對于新型復合材料/航空鋁組合的疊層材料或者鈦合金材料很難保證很高的加工精度與可靠性；從控制角度來看，機械臂各關節(jié)靈活程度高，自由度大，需要對加工過程中的狀態(tài)進行緊密監(jiān)控，防止機械臂撞傷加工部件，安全性較差，這也是機械臂機器人難以在飛機制孔中廣泛應用的一個重要原因。

4 柔性軌道的自動化設備制孔

在飛機制造工業(yè)中，隨著飛機制造的周期縮短，自動化制孔設備呈現(xiàn)小型、輕便精密制孔的趨勢。此外，由于當下大型飛機上復雜整體結構的采用，裝配孔精度比以往要求更精密。這些都使制孔空設備向柔性及鉆鉚裝配一體化的趨勢發(fā)展[36-37]。

作為一種小型輕便的自動化加工裝備，基于柔性導軌的自動化制孔裝備的最突出的特點就是自帶吸附機構可以附著在待加工工件上，利用柔性導軌適配部件的自由曲面，實現(xiàn)設備在附著狀態(tài)下制孔加工[38-40]。通常飛機的機身和機翼有較多緩曲面，裝備的導軌可以吸附在這些表面上供機器人在軌上行走制孔。這種加工狀態(tài)降低了工藝對導軌部件的精度要求，并可節(jié)省工裝的裝配時間，調高加工效率。目前此方案已經(jīng)用在了飛機機身、機翼的自動化加工工藝中，相較于常規(guī)的多軸機床制孔，優(yōu)點是成本低、效率高、操作便捷[41]。

目前應用柔性導軌技術比較成熟的廠商有美國Electroimpact 公司(EI)和美國Advanced Integration Technology 公司(AIT)。EI公司和Boeing公司合作開發(fā)了一款基于柔性導軌的機器人制孔設備(Flex Track)，用在了波音飛機機身筒段的自動制孔[42]。AIT公司設計的一款基于柔性導軌的爬壁制孔機器人[43]已經(jīng)在F/A-22 Wing major、F-15 Rear fuselage等生產(chǎn)實踐中得到了應用，如圖3所示。

圖3 EI柔性導軌制孔系統(tǒng)Fig.3 EI hole making system of flexible guide rail

2009年北京航空制造工程研究所設計了BAA300柔性軌道制孔機器人[44-45]，如圖4(a)所示。經(jīng)工藝實驗驗證，此制孔系統(tǒng)的定位精度可靠，所制孔質量達標，達到了實用級別。

陶永等[46]、李軍等[47]設計并研發(fā)了一種基于柔性軌道的爬壁機器人制孔平臺，如圖4(b)所示。此航空制孔機器人系統(tǒng)在進行的系列工藝實驗中表現(xiàn)良好，設計者提出了自動鉆鉚與當前機器人智能控制的實驗結合點，提升了飛機制造裝配過程中的自動制孔的一致性及表面粗糙度與法線垂直度等加工指標，但仍處于試驗階段，并未在實際應用中得到驗證。

柔性導軌制孔系統(tǒng)主要適用的加工對象是大型民用飛機機身對接段與機翼平整段的復鋁疊層小孔， 其加工質量與精度都能達到生產(chǎn)的要求。但是現(xiàn)在研制的導軌式爬壁機器人系統(tǒng)的制孔單元體積較大，所以對于空間有一定的要求；柔性導軌未成網(wǎng)絡，需要人工進行機器人的換位；加工前在飛機表面鋪設導軌，工序比較煩瑣。

5 自主移動式機器人系統(tǒng)制孔

自主移動式制孔裝備是在柔型導軌式制孔裝備之后最新發(fā)展起來的一種的小型自動化設備[48-51]。自主移動式機器人與柔性軌道機器人同屬于小型自動化加工設備，兩者都自帶吸附機構，可以將自身附著在部件表面進行行走和加工操作，這也是它們與傳統(tǒng)大型落地式數(shù)控機床最主要的區(qū)別。但兩者又有一定的不同，自主移動式制孔設備還具有特別的優(yōu)點：無需導軌，可直接吸附在部件表面并行走，設備安裝更加簡單，節(jié)省了設備使用時的準備時間；無需鋪設軌道，設備的使用靈活性更高，適應的工況更加廣泛，更加符合自動化設備輕型化、柔性化、模塊化的發(fā)展前景。

自主移動式爬壁機器人的吸附方式主要有爪式吸附、真空吸附和磁吸附3種[52-54]；行走方式包括輪式、履帶式、足式和組合式[55-58]。靈活組合不同的吸附和行走形式，各國學者研制出了適用于不同工況下的爬壁機器人。

M.Torres公司研制的自主移動式制孔裝備，包括了行走機構、制孔執(zhí)行機構、控制硬件部分和軟件系統(tǒng)，具有模塊化設計特點，方便定制化系統(tǒng)，它無需在飛機上加裝任何附加導向系統(tǒng)[59-60]。該機器人包含2臺相機組成的圖像采集系統(tǒng)，激光傳感儀器以及M.Torres控制軟件以保證輕型制孔機器人在飛機上的行走和定位，具有識別和攀爬30 mm臺階的能力。能對航空鋁合金、鈦合金以及碳纖維復合材料進行鉆孔加工。對于10 mm厚度的鋁合金板，鉆孔效率為6～8孔/min。該機器人具有經(jīng)過測試的H10精度的鉆孔能力，最大鉆孔直徑為 6.25 mm。主軸的轉速從103r/min到104r/min不等，同時集成了微型潤滑裝置，可以對鉆頭進行氣體內部冷卻。目前該機型的質量為55 kg, 還處于研制階段，正在生產(chǎn)原型機。該輕型制孔機器人尚未應用于工程現(xiàn)場，可靠性、制孔效率、制孔精度等技術指標尚未成熟。

自主移動爬壁系統(tǒng)作為一種新的小型自動化設備，設備簡單，應用靈活，對于飛機上狹小空間、復雜曲面的工況的適應能力更好，是未來航空制造業(yè)自動化發(fā)展的主要方向[61]。

6 結論與展望

目前，飛機制孔研究多集中于開發(fā)大型加工設備，成本高、技術難度大，對飛機復雜曲面缺乏適應性，通用的柔性導軌式制孔系統(tǒng)由于體積較大，適用于開闊的制孔空間，自主移動式制孔機器人由于技術復雜程度高，其制孔加工的可靠性與制孔的質量都有待進一步實驗研究。

軌道式和自主移動式爬壁機器人由于成本低以及自身的靈活性將成為今后航空制造自動化方向的研究熱點。導軌式爬壁制孔機器人是一種基于柔性導軌網(wǎng)絡的自動化爬壁制孔設備，在現(xiàn)有裝配工藝中大量使用的剛性鉆模板的基礎上研制而成，使其大規(guī)模應用于自動化制孔生產(chǎn)現(xiàn)場，可對大型自動化制孔裝備進行補充完善，突破了以往工件在機床上進行定位的加工方法。自主移動爬壁系統(tǒng)利用自身的吸附組件將自身吸附在工件表面，設備組成較為簡單，簡化了安裝工作及安裝系統(tǒng)所用的工裝，因此投入生產(chǎn)前的準備時間大大縮短，應用的靈活性也更高，更加符合輕型化、柔性化、模塊化的發(fā)展方向。

如何使爬壁機器人系統(tǒng)更加適用于飛機制造與裝配過程，對于爬壁機器人系統(tǒng)在飛機部件上的吸附、行走以及驅動方式的研究將成為爬壁研制的重要方向。

6.1 吸附方式

為提高爬壁系統(tǒng)的吸附能力，科學家將目光集中到了自然界的生物體上，模仿生物界中典型動物的吸附機理研制出了多種形式的爬壁機器人系統(tǒng)，如模仿壁虎腳趾結構制作的仿生吸附材料，并且正在研制適應于各種材質(如玻璃，粉墻和金屬等)和任意形狀的表面的吸附裝置。

6.2 行走方式

移動機器人中，常見的行走方式有輪式、履帶式、足式及其組合式。這3種形式各有優(yōu)劣：輪式和履帶式行走速度更快，行走平穩(wěn)；足式運動更加靈活，可以相對較容易地跨過比較大的障礙(如溝、坎等)。在爬壁機器人設計中合理地運用不同的行走方式可以提高機器人的適應性。

6.3 驅動裝置

對于爬壁系統(tǒng)驅動方式的選擇是機器人設計中的又一關鍵技術。中外研制的爬壁系統(tǒng)的驅動方式常見的有電驅、氣動兩種，根據(jù)爬壁機器人應用工況和工作條件，在滿足體積與質量要求前提下綜合考慮機器人的驅動形式是非常必要的。

在航空制造中，研制適用于不同曲率蒙皮制孔的新型導軌網(wǎng)絡，開發(fā)具有高安全、高可靠性及高機動性的自動化制孔系統(tǒng)是中外學者未來需要解決的重要課題。此外，降低設備使用過程中的準備時間對于飛機制造裝配效率的提高具有重大意義。