復合材料組件自動制孔研究

王兆鋒

摘要：隨著對飛機性能要求的不斷提高，復合材料的應用不斷增多。這些材料都具有難加工的特點，采用手工制孔加工過程不穩定，效率低，技能依賴性強，難以滿足對飛機裝配的高精度、高質量的需求。自動化精密制孔設備具備加工過程穩定可控的特點，已經成為提高裝配質量及飛機壽命的一個重要途徑。相對于統的五坐標自動鉆鉚機床，自動制孔機器人設備具備占地面積小，靈活性強，柔性高的特點，可滿足不同產品加工需求并大大提高制孔的效率和精度。

關鍵詞：復合材料;制孔信息;自動制孔機器人;靈活性;柔性

引言

某型飛機活動翼面組件包括內襟翼、外襟翼、副翼等14個組件，主要由上下翼面、梁、肋、接頭等組成，各組件長度不等，最小曲率半徑凸面157mm，凹面368mm。組件大部分結構采用復合材料，制孔區域存在復-復疊層和復-鈦疊層、復-鋁疊層等多種加工工況，制孔量大，勞動強度高。傳統的手工制孔需應對多種材料疊層的大面積制孔，無法保證制孔質量和效率，制孔出口出現毛刺、劈裂也是引起返工的常見故障。

1復合材料制孔設備總體方案

自動制孔工藝設計是自動制孔的重要部分，包括制孔基準設計、預連接設計、自動制孔設計，在這些設計中不僅指定孔的位置，而且給出制孔的夾層厚度和順序、材料順序、預連接孔的布局等信息，這些信息存在與飛機三維綜合信息模型中，需采用軟件工具整理篩選并添加工藝人員的設計思想，形成自動制孔工藝，提供給自動制孔設備用于進行制孔工藝參數選擇和離線編程。

1.1設備組成及布局

復合材料制孔設備系統是由機器人制孔設備和工裝組成;制孔設備布置在某廠房活動翼面裝配區，采用對稱式布局，4個活動翼面制孔設備均布在兩條軌道上，對應4套工裝.

1.2設備的主要結構

活動翼面機器人制孔設備由高精度工業機器人、末端執行器、移動裝置、集成控制系統組成，設備主要結構如圖2.2所示。工業機器人選用德國KUKA公司的KR420 R3330型工業機器人，攜帶末端執行器同步到達產品加工位置。

2自動制孔工藝設計關鍵技術

自動制孔工藝設計是自動制孔的重要部分，包括制孔基準設計、預連接設計、自動制孔設計，在這些設計中不僅指定孔的位置，而且給出制孔的夾層厚度和順序、材料順序、預連接孔的布局等信息，這些信息存在與飛機三維綜合信息模型中，需采用軟件工具整理篩選并添加工藝人員的設計思想，形成自動制孔工藝，提供給自動制孔設備用于進行制孔工藝參數選擇和離線編程。

2.1自動制孔工藝規劃

自動制孔的工藝規劃包括基準釘布局規劃和自動制孔路徑規劃兩部分。基準釘首先起到臨時緊固的作用，基準釘間距對產品變形、間隙消除、制孔同軸度、锪窩深度都具有影響。找正分為“單孔找正”、“兩孔找正”、“四孔找正”，不同的找正方法算法不同，找正精確度也不同;制孔路徑規劃采用不重復換刀的原則進行設備制孔，即一把刀具制完活動翼面單面所有可鉆制的緊固件孔，最好的制孔路徑可以減少設備的空跑，以提高加工效率。通過研究自動制孔的工藝規劃技術，記錄不同的基準孔方案和制孔路徑規劃對加工效率和制孔質量的影響，形成最優規劃方案，實現高效快速自動制孔。

2.2面向制孔工藝的制孔信息提取技術

飛機裝配過程中蒙皮自動制孔采用工業機器人、專用高精度制孔設備完成蒙皮自動制孔，在蒙皮制孔前需要首先將蒙皮在裝配的部件上定位和夾緊，以便滿足蒙皮位置正確和制孔過程中的穩定性要求，需要在工藝設計中設計定位基準和夾緊基準位置，其他的加工孔由設備完成。

3 飛機自動制孔工藝流程

合理的工藝流程和方法是提高制自動制孔效率和質量的關鍵。為實現對不同型號的活動面進行自動制孔，需要對自動制孔站位進行規劃。為實現對活動翼面與骨架連接孔的制孔，需要在制孔前進行預裝配，包括完成骨架的安裝、蒙皮的預連接。同時針對制孔過程，要通過仿真、路徑分析等進行最佳加工路徑的選擇。

3.1產品預裝

定位形式：在預裝配站位利用數字化工裝完成骨架預裝配。裝配采用以骨架為基準的定位方案，先完成骨架的裝配，再將蒙皮預安裝到骨架上在自動制孔站位進行制孔。臨時緊固釘布局： 擬采用單面連接埋頭空心鉚釘，既可以起到蒙皮拉緊作用，又可以通過空心鉚釘中心孔進行制孔找正。臨時緊固釘直徑比終孔小2mm;（紅圈為臨時緊固釘布局）A區域一般在200-300mm間 。

3.2移位至加工中心

工裝端頭設置兩個步行式牽引裝置，底盤四角設置可拆卸氣動升降輪組模塊，該輪組實現快速拆裝，并且與生產線內其他裝配工裝對接法蘭實現通用連接，最后通過人工操作兩端頭牽引裝置帶動工裝進行移動，攜帶工裝與產品按規劃路徑移至制孔中心。

3.3程序自主調用

在末端可達區域設置工裝信息識別碼，如下圖2.7所示。操作機器人至二維碼前，通過末端執行器高清相機讀取識別碼信息，從云平臺自動獲取任務相關信息（任務編號、內容;開完工計劃時間節點;若干人員按操作職責的派工信息、人員資質信息），并完成該工裝建站程序、制孔程序、制孔參數等信息的自動調用。

3.4設備建站

工裝框架按制孔區域包容性原則設置4處找正用找正孔。設備在自檢模式下開始自檢，完成壓腳位置、進給控制、主軸轉速找零回零;在建站模式下加載完成固化的建站程序，設備采集工裝型架四周設置的校準點（找正孔），實現設備坐標系與工裝坐標系快速擬合。將上述工序中設備采集工裝上4個找正孔實際坐標信息采集至云平臺。

4 總結

隨著CAD/CAM、計算機信息和網絡技術的發展，航天復合材料產品需要從根本上改變傳統制造方式，提高了航天復合材料設計制造技術水平，自動制孔技術是其重要的組成部分。本文對復合材料自動制孔技術進行介紹，提出了復合材料制孔設備總體方案、自動制孔工藝設計關鍵技術、飛機自動制孔工藝設計軟件開發，證明了自動制孔的可行性及高效性，為各類復合材料的自動制孔奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1] 韓志仁，賈東海，高紅，秦月，郭喜鋒.基于MBD的裝配工藝輔助模型快速生成技術研究[J].航空制造技術，2015（20）：60-62.