運載火箭壁板機器人自動鉆鉚技術研究

高麗麗，李士寧，吳 冬，曹嘉媛，裴 彪，曹 健

(首都航天機械有限公司，北京 100076)

0 引言

在航空航天制造領域中，基于工業機器人的柔性裝配鉆鉚技術憑借其高效率、高質量和高可靠性等顯著優勢，已成為零部件數字化柔性裝配的重要發展趨勢[1-3]。隨著工業機器人負載能力、位置精度的提高，配備了多功能末端執行器的機器人鉆鉚系統既能保證設備的靈活性，同時也能保證加工的精度和效率[4-5]。

目前，國內外紛紛開展面向大型航空航天零部件鉚接裝配自動化設備的研發工作，美國EI公司研制的自動制孔機器人系統率先用于F/A-18E/F機翼后緣襟翼的制孔、锪窩；美國EOA公司與波音公司聯合研制的機器人多功能鉆削系統能夠實現鈦合金、鋁合金、復合材料及疊層材料飛機蒙皮的制孔、锪窩、鉸孔；德國寶捷公司研發了用于飛機貨倉門制孔的機器人裝配系統；意大利BC公司研制了雙機器人自動鉆鉚系統，用于波音787機尾部件的自動鉆鉚和涂膠[6]。國內航空系統各企業紛紛與研究機構及高校合作開展機器人自動鉆鉚技術及裝備的研究，中航工業沈飛與北京航空航天大學合作，研制了制孔末端執行器，搭建了機器人自動制孔系統；中航工業成飛與南京航空航天大學合作，針對飛機機翼部件自動制孔需求，研制了壁板類組件數字化柔性裝配、智能制孔系統；北京航空制造工程研究所研制的雙機器人數字化制孔系統成功應用于多類航空產品的自動制孔、鉚接。國內航天領域在先后實現壁板及筒形艙段自動鉆鉚技術應用的基礎上，也將研究重點聚焦在機器人自動鉆鉚技術上。本文以雙機器人自動鉆鉚系統為硬件基礎，開展運載火箭錐體殼段壁板采用機器人自動鉆鉚技術進行鉚接裝配的工程化應用研究工作。

1 運載火箭壁板產品結構特點

運載火箭壁板多為柱形殼段壁板和錐形殼段壁板，具有大尺寸、多曲面和弱剛性的特點，是典型的薄壁弱剛性殼體。由若干錐型壁板拼接鉚裝成的錐體殼段典型的產品有二三級級間段、過渡支架、整流罩倒錐段以及各型運載火箭助推器頭錐等。過渡支架位于衛星支架與轉接框之間，是由4塊壁板、前端框、后端框、中間框等鉚接裝配而成的錐體殼段。每塊壁板由蒙皮和桁條組成，桁條與蒙皮采用鉚釘連接，如圖1所示。本文以過渡支架錐體殼段壁板為對象，開展機器人自動鉆鉚技術工程化應用研究。

圖1 運載火箭錐體殼段壁板結構示意圖

壁板產品主要有兩方面特點：①壁板外形尺寸大，直徑為Φ3 350 mm，高度約為1 000 mm～2 000 mm不等，半錐角為39.42°；②桁條與蒙皮間采用直徑為Φ5 mm的2A10鋁合金鉚釘連接，鉚釘強度大，成形困難，需要多次錘擊鉚接才能形成有效鐓頭。

2 機器人自動鉆鉚零件定位及預裝配技術研究

運載火箭壁板裝配是利用裝配孔或在壁板裝配夾具上將中間框、桁條與蒙皮進行定位后鉚接，組裝成1/4、1/6或1/8的筒體或錐體，然后在型架上將4塊、6塊或8塊壁板進行拼裝組合，最終形成整個筒體或錐體殼段。

根據壁板產品的結構特點，框與桁條之間、桁條與蒙皮之間的裝配關系是保證壁板產品尺寸的重要因素。傳統手工劃線定位完成的產品預裝配組件在桁條直線度、產品形位等尺寸方面存在較大的數值偏差。預裝配技術是保證上述三類零件組成的預裝配組件具備較高裝配精度的重要技術手段。采用自動鉆鉚技術進行壁板產品生產時，零件兩兩之間通過數字化的方式進行協調，依靠數字化裝備的精度保證上述三類零件組成的預裝配組件具備較高的裝配精度。因此自動鉆鉚裝備自身的高精度數控屬性對產品的預裝配提出了很高的精度要求，壁板產品的高精度預裝配技術已成為亟待解決的問題。

2.1 柔性定位工裝設計

根據錐體殼段壁板的外形尺寸、蒙皮曲率等特點，結合機器人自動鉆鉚裝備及定位基礎平臺的特點，設計一種立式框架結構柔性定位工裝，用于錐體殼段壁板產品的定位及預裝配。該柔性工裝主要由架體、滑動升降組件、擺動組件、垂直定位組件、夾緊裝置等組成，如圖2所示。工裝的主體為立式框架結構，定位接口可與平臺上現有的T型槽相匹配，滿足在機器人自動鉆鉚系統平臺上定位的要求。

1-電機；2-水平傳動軸；3-架體；4-豎直傳動軸；5-擺動組件；6-滑動連接板；7-垂直定位板；8-1#夾緊裝置；9-壁板產品；10-2#夾緊裝置；11-升降組件；12-手輪

壁板產品通過展開成平面扇形結構在工裝上進行定位，工裝中心設置垂直定位組件作為產品的定位基準。在工裝架體底部、擺動組件、滑動升降組件上分別設置夾緊裝置，用于裝夾產品。滑動升降組件和擺動組件的位置可根據產品大小進行柔性調整，滿足不同高度范圍和寬度范圍的需求，從而實現產品的快速定位及預裝配。

2.2 零件定位及預裝配

數字化協調是解決零件定位精度的重要技術手段，運用數控步沖機沖制蒙皮上與桁條協調的裝配孔，利用三坐標數控鉆孔機鉆制桁條上與蒙皮協調的裝配孔，通過數控步沖機和數控鉆孔機的數控精度保證桁條與蒙皮之間的高精度協調關系，使得桁條在蒙皮上周向分布滿足精度要求。蒙皮數字化協調定位示意圖如圖3所示。

圖3 蒙皮數字化協調定位示意圖

3 機器人自動鉆鉚仿真分析及工藝流程優化技術研究

3.1 自動鉆鉚仿真分析

錐型壁板采用雙機器人自動鉆鉚系統。機器人自動鉆鉚系統主要包括機器人系統(外部主機器人、內部輔助機器人)、鉆鉚執行系統(集成了壓緊、制孔、送釘及鉚接單元)、旋轉平臺及柔性定位工裝，其仿真分析界面及模型如圖4所示。

圖4 仿真分析界面及模型

模型準備完畢后，執行鉆孔及鉚接仿真。仿真軟件提供兩種仿真模式，即單步仿真和連續仿真。同時，仿真軟件的可視化仿真過程會在工件上顯示真實的孔位及鉚釘信息，如圖5所示。

圖5 制孔及鉚接仿真過程

仿真過程中，運動的每一步都須進行干涉檢查，若發生干涉，在界面中發生干涉的部件會標紅、警告，在干涉信息窗口會顯示發生干涉加工位置信息，同時該信息會保存到日志文件。

仿真完成后將根據可視化的過程及仿真日志文件修改數控程序、優化自動鉆鉚流程，形成可執行的自動鉆鉚程序文件。

3.2 運載火箭壁板產品工藝流程設計及優化

3.2.1 工藝流程設計

自動鉆鉚系統中托架定位系統能夠實現對壁板的定位和調姿，但是無法實現對桁梁、中間框與蒙皮之間的定位，故在進行自動鉆鉚之前需要進行壁板預裝配。根據運載火箭壁板的結構特點和自動鉆鉚系統結構組成及工作特點，結合傳統的壁板鉚接裝配工藝，對運載火箭壁板鉚接裝配的工藝流程進行了優化，形成了壁板類產品自動鉆鉚工藝流程，如圖6所示。

圖6 壁板類產品自動鉆鉚工藝流程

3.2.2 自動鉆鉚路徑優化分析

進行自動鉆鉚作業時不僅需要完成程序仿真，驗證程序的正確性及可靠性，同時，還需要依據產品的結構特點以及自動鉆鉚裝備、工藝的特點，規劃最佳的鉚接路徑，以保證產品質量，提高生產效率。理論上，桁條、蒙皮等零件依據裝配孔定位完成的預裝配組件可以直接用于自動鉆鉚，但是實際上桁條等鈑金零件存在加工偏差，桁條的定位也存在一定偏差，壁板的尺寸越大，桁條的長度越長，零件偏差在預裝配完成后也被放大，實際桁條母線可能為不規則的曲線形狀。本文運用曲線分段擬合的理論，在鉆鉚路徑上設置基準校準點，以兩個基準點間的線段為基礎單獨生成程序段以補償零件偏差，實現鉆鉚邊距的自適應調整。同時，借鑒手工鉚接對稱鉚、發散鉚的原則規劃鉚接路徑。自動鉆鉚路徑優化示意圖如圖7所示，按照1～8的順序執行，以達到減小鉚接應力，控制殼段鉚接變形的目的。

圖7 自動鉆鉚路徑優化示意圖

4 工程化應用

依據上述研究所形成的自動鉆鉚工藝文件、操作規范以及經過仿真驗證和優化的數控程序對過渡支架壁板試驗件開展自動鉆鉚工程化應用試驗，其制孔和鉚接按照表1和表2所示的工藝參數進行。

表1 制孔工藝參數

表2 鉚接工藝參數

檢驗壁板鉚接質量從鉚釘成型質量和壁板表面質量兩方面進行。

(1)鉚釘成型質量檢驗。對照鉚接通用技術條件QJ782A《鉚接通用技術要求》進行檢查，鉚釘成型滿足技術條件要求，鐓頭成型一致性高，如圖8所示。技術條件要求Φ4 mm鉚釘鉚接成型的鉚釘鐓頭直徑為6.0±0.4 mm、高度為2.0±0.4 mm。隨機抽取殼體上200個鉚釘，鐓頭直徑、高度尺寸分布如圖9所示。由圖9可以看出，鉚釘墩頭直徑控制在5.9 mm～6.2 mm之間，鐓頭高度控制在1.8 mm～2.3 mm之間，鐓頭尺寸分布在Φ6.0 mm(直徑)×2.0 mm(高度)周邊，離散度小，鉚釘成型滿足技術條件要求。

圖8 鉚釘鐓頭質量檢驗 圖9 Φ4 mm鉚釘鐓頭直徑和高度分布 圖10 自動鉆鉚完成后的壁板產品

(2)壁板表面質量檢驗。自動鉆鉚完成后的壁板產品如圖10所示。鉚接完成后的壁板結構強度較好，鉚接質量完好，鉚釘一致性較好，鉚釘間距邊距統一，墩頭成型的大小高度一致，鉚接墩頭成型質量滿足鉚接通用技術條件QJ782A；鉚釘及其周圍蒙皮無明顯壓痕，蒙皮無明顯鼓包及凹陷，殼體表面質量良好，壁板試驗件符合《薄壁加筋殼結構制造、驗收技術條件》。

5 結語

本文針對運載火箭錐體殼段壁板進行機器人自動鉆鉚相關工藝技術研究，解決了手工操作產品質量不可靠、鉚接質量一致性差、生產效率低、勞動強度大等一系列問題，突破了錐體殼段壁板機器人自動鉆鉚定位及預裝配技術、錐體殼段壁板機器人自動鉆鉚仿真及工藝流程優化技術等多項關鍵技術，形成了運載火箭錐體殼段壁板機器人自動鉆鉚生產成套工藝技術，相應研究成果已成功運用于型號生產，相關產品均已通過飛行試驗驗證，產品質量有大幅提高。

錐體殼段壁板機器人自動鉆鉚技術的突破，有力地推進了我國運載火箭鉚接裝配技術向著自動化、數字化方向的發展，極大地提升了我國運載火箭箭體結構的整體研制水平，也使我國運載火箭艙段鉚接裝配技術與國外同類產品工藝水平之間的差距在不斷縮小，對我國航天鉚接殼段的發展具有里程碑式的意義。