數(shù)字化自動鉆鉚系統(tǒng)在飛機制造中的應(yīng)用

趙 蒙

（中國直升機設(shè)計研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

飛機連接的裝配質(zhì)量決定著其結(jié)構(gòu)的抗疲勞性與可靠性。隨著自動化發(fā)展進程的加快，飛機制造開始大量應(yīng)用自動鉆鉚系統(tǒng)，體現(xiàn)了飛機裝配的自動化與數(shù)字化發(fā)展趨勢。現(xiàn)階段，我國新型飛機的研制需要全自動鉆鉚系統(tǒng)的支撐，需要人們不斷對其進行研究與分析，以更好地促進航空領(lǐng)域的發(fā)展。

1 飛機自動鉆鉚系統(tǒng)及其應(yīng)用

1.1 基于全自動托架的自動鉆鉚系統(tǒng)

基于全自動托架的自動鉆鉚系統(tǒng)主要包括C框與D框兩種形式，通常由全自動托架基礎(chǔ)上的五坐標定位系統(tǒng)和自動鉆鉚機構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，全自動托架X、Y、Z、A、B五坐標定位功能由X、Y、A和兩個Z軸來實現(xiàn)。典型自動鉆鉚機由上下鉆鉚功能執(zhí)行器、C框或D框構(gòu)成，具備鉆孔、送插釘、鉚接以及端頭銑平等功能。現(xiàn)階段，基于全自動托架的自動鉆鉚系統(tǒng)大量應(yīng)用于波音、空客等飛機制造。我國各主機廠、研究所也對此系統(tǒng)開展了大量研究。這一系統(tǒng)擁有技術(shù)成熟、成本較低、易于實現(xiàn)大鉚接力的優(yōu)勢，但加工壁板的弧度通常不超過60°，且自動化設(shè)備應(yīng)用效率較低。

1.2 龍門式自動鉆鉚系統(tǒng)

龍門式自動鉆鉚系統(tǒng)主要由龍門式五坐標定位系統(tǒng)、末端執(zhí)行器以及柔性工裝構(gòu)成。由于工件擺放位置不同，它主要分為立式和臥式兩種形式。在鉆鉚過程中，這一系統(tǒng)的柔性工裝保持固定，X、Y、Z、A、B五坐標定位主要由龍門式五坐標定位系統(tǒng)實現(xiàn)。現(xiàn)階段，龍門式自動鉆鉚系統(tǒng)主要適用于飛機壁板裝配，其中立式適合裝配機翼壁板，臥式適合裝配機身壁板和超級壁板。系統(tǒng)通過合理布置生產(chǎn)線，可以解決產(chǎn)品上下架時間設(shè)備閑置問題。其中，臥式能加工大弧度壁板，實現(xiàn)對超級壁板的鉆鉚，但其控制難度較大，成本高，且A角與B角的運動難以產(chǎn)生較大的鉚接力[1]。

圖1 基于全自動托架的自動鉆鉚系統(tǒng)

1.3 內(nèi)外雙機器人筒段鉆鉚系統(tǒng)

在內(nèi)外雙機器人筒段鉆鉚系統(tǒng)中，有一套平行剛性支撐軌道在產(chǎn)品蒙皮外側(cè)，有一套則在產(chǎn)品內(nèi)部，且在上方分別布置鉆鉚機器人，以實現(xiàn)螺接功能。兩套軌道系統(tǒng)與鉆鉚機器人協(xié)同實現(xiàn)X、Y、Z、A、B五坐標定位。現(xiàn)階段，對于這一系統(tǒng)應(yīng)用較少，市場需求不大，主要適用于機身筒段裝配。尤其是類似波音787的復材機身，無須在半筒段裝配后進行上下對接。內(nèi)外雙機器人筒段鉆鉚系統(tǒng)自動化程度高，且能實現(xiàn)角片等部位的自動定位功能。但是，它與龍門式自動鉆鉚系統(tǒng)一樣，控制難度較大，成本高，總體鉆鉚效率低[2]。

2 飛機制造中數(shù)字化自動鉆鉚系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 高負載高剛性大運動場定位機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

飛機自動鉆鉚系統(tǒng)相較于輕型自動化制孔系統(tǒng)而言，控制軸數(shù)不多，定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單。然而，壓鉚的工作荷載在15～30 kN，使得大型結(jié)構(gòu)重量成為設(shè)計中的一大難題。飛機自動鉆鉚系統(tǒng)主要有3種典型形式：一是基于全自動托架的自動鉆鉚系統(tǒng)；二是龍門式自動鉆鉚系統(tǒng)；三是內(nèi)外雙機器人筒段鉆鉚系統(tǒng)。下面以龍門式自動鉆鉚系統(tǒng)為例闡述其特殊性。這一系統(tǒng)的A角與B角運動通常靠旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)，而旋轉(zhuǎn)軸會承受巨大的鉚接力，使得動態(tài)運動精度、靜態(tài)承載能力以及傳動間隙處理成為重難點。大型龍門架在運動中會形成巨大慣量，而由于鉆鉚效率要求相對較高，X軸運動精度受大慣量大運動場影響較大。將大型定位系統(tǒng)高剛性與大慣量大運動場運動的要求相互折中，需優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度與強度[3]。因此，高負載高剛性大運動場定位機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)作為重要技術(shù)，需要重點解決3個問題：一是要通過力學分析獲得科學合理的機構(gòu)受力形式；二是要通過傳動機構(gòu)消隙處理并進行靜態(tài)自鎖設(shè)計，以保障精度與穩(wěn)定性；三是通過有限元分析優(yōu)化方式，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸。

2.2 復雜運動多軸同步運動控制技術(shù)

龍門式自動鉆鉚系統(tǒng)與內(nèi)外雙機器人筒段鉆鉚系統(tǒng)的技術(shù)要求較高，而基于全自動托架的自動鉆鉚系統(tǒng)的技術(shù)要求較低。對于不同的鉆鉚系統(tǒng)，要運用不同的控制軸實現(xiàn)五坐標定位。然而，因為上下末端執(zhí)行器控制連接的同軸度要求較高，所以需要多運動軸同時進行運動控制。龍門式自動鉆鉚系統(tǒng)要保障上下末端執(zhí)行器控制連接的同軸度，至少需要保持上下末端執(zhí)行器運動X、Y、Z坐標與A角、B角之間的協(xié)調(diào)，這對控制系統(tǒng)的要求較高。因此，對于復雜運動多軸同步運動控制技術(shù)的解決手段主要有兩種：一是在短期內(nèi)應(yīng)用國外成熟的運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)功能精度目標，如MPAC應(yīng)用的西門子840D；二是將自主研發(fā)運動控制系統(tǒng)作為長期目標，有效降低成本，擁有良好的定制性能，且獲得自主知識產(chǎn)權(quán)[4]。

2.3 復雜鉆鉚功能末端執(zhí)行器設(shè)計技術(shù)

3種典型的自動鉆鉚系統(tǒng)都要應(yīng)用末端執(zhí)行器。鑒于飛機制造中裝配連接零部件對精度的要求，研制末端執(zhí)行器的過程中存在不少難點。一是飛機制造中對裝配锪窩精度的要求很高，自蒙皮表面開始便對锪窩深度有嚴格要求，不能忽略制孔時蒙皮表面受壓變形因素，這也對主軸Z和蒙皮表面檢測精度提出了高要求。二是孔位檢測精度關(guān)系總體制孔坐標系的確定和孔位精度。三是將法相檢測精度和傳感器標定作為制孔的主要性能指標。這兩個性能指標決定著制孔垂直度，因此需同時考慮傳感器精度及其布置、標定等多種因素。四是提供插入力與頂緊力，確保送釘插釘精度。五是對于鉚接力與行程的控制。復雜鉆鉚功能末端執(zhí)行器設(shè)計技術(shù)是一項核心技術(shù)，集孔位檢測、制孔、送釘以及鉚接等眾多功能于一體，同時要確保承載能力與剛度，融合模塊化設(shè)計理念、機構(gòu)精巧設(shè)計、有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多種方式來設(shè)計末端執(zhí)行器。上下末執(zhí)行器分別如圖2和圖3所示。

圖2 上末端執(zhí)行器

圖3 下末端執(zhí)行器

2.4 離線編程與仿真技術(shù)

相較于其他機械產(chǎn)品，飛機自動化裝配數(shù)控程序編程最主要的特征是離線編程。飛機批量低，曲面不簡單，孔位數(shù)量多，不能有效應(yīng)用于車輛等大批量自動化生產(chǎn)線應(yīng)用的示教編程，使得離線編程成為飛機自動化裝配的核心軟件技術(shù)。這一技術(shù)主要由緊固件信息提取、數(shù)控自動編程、刀位文件生成、離線仿真以及在線監(jiān)測等模塊構(gòu)成。相比于輕型自動化制孔系統(tǒng)，自動鉆鉚技術(shù)更加復雜，需要進行更細致的檢查[5]。離線編程的難點在于必須從產(chǎn)品數(shù)模中自動提取出緊固件位置信息，而實現(xiàn)這一工作的前提是產(chǎn)品數(shù)模必須對緊固件信息進行嚴格規(guī)范的定義。目前，我國對這項工作的重視程度正在逐漸加大，已形成基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)規(guī)范體系。

自動鉆鉚系統(tǒng)具備高效率、高質(zhì)量等優(yōu)勢，使得飛機制造裝配技術(shù)朝向自動化裝配方向發(fā)展。3種典型形式的自動鉆鉚系統(tǒng)擁有不同的特征與優(yōu)點，需要結(jié)合不同飛機產(chǎn)品的特點和生產(chǎn)條件來選用不同形式的系統(tǒng)。對于機翼無頭鉚釘壓鉚等需要使用高壓鉚力的情況，可以使用以G86、G2000為代表的基于全自動托架的自動鉆鉚系統(tǒng)。對于機翼裝配中涉及電磁鉚接的情況，可以應(yīng)用以E系列鉆鉚系統(tǒng)為代表的龍門立式自動鉆鉚系統(tǒng)。對于機身大尺寸、大弧度壁板尤其要進行超級壁板拼接的情況，可以選擇以管理平面防護（Management Plane Access Control，MPAC）為代表的龍門臥式自動鉆鉚系統(tǒng)。飛機自動化裝配技術(shù)應(yīng)用過程涉及設(shè)計、制造以及工藝裝備等環(huán)節(jié)，不是對局部的技術(shù)優(yōu)化，而是對整個領(lǐng)域的改革。特別是龍門式自動鉆鉚系統(tǒng)與內(nèi)外雙機器人筒段鉆鉚系統(tǒng)的應(yīng)用涉及諸多關(guān)鍵問題，需要協(xié)調(diào)發(fā)展整個設(shè)計、制造以及裝配工藝。

3 結(jié)語

不同形式的自動鉆鉚系統(tǒng)各有各的特點與優(yōu)勢，要結(jié)合具體情況合理選用。受成本與保密性等要求的影響，我國需要自主研發(fā)自動化裝配系統(tǒng)。這需要不斷研究關(guān)鍵技術(shù)，提高飛機制造裝配的自動化能力，使我國擁有自主研發(fā)的自動化裝配系統(tǒng)。