飛機裝配中的先進制孔技術與裝備

李波

【摘?要】機器人制孔系統是實現飛機自動化裝配的重要設備，制孔作業前的精度標定是保證系統各項指標滿足生產要求的關鍵環節，以往對系統進行簡單的單次制孔標定無法全面掌握各個維度上的精度指標。

【關鍵詞】飛機;裝配;進制孔

前言

裝配是飛機制造過程中極為重要的環節，占整個飛機制造工作量的50%以上，是保證飛機服役性能的最后環節。裝配過程中為完成零部件的連接需制備大量的連接孔，制孔質量對連接件的疲勞壽命和整體生產效率具有重要影響。為進一步提高制孔精度、降低損傷，減少由人工作業引起的不確定因素，國內外飛機裝配中大量采用機器人自動制孔技術。自動制孔的精度取決于系統各零件的機械加工精度、裝配誤差、傳動誤差、磨損和構型等幾何學誤差，也受到機械臂剛度、負載變化、振動和配套設備等非幾何學因素影響。當前研究在工業機器人、自動鉆鉚系統和對合系統等設備的精度標定和補償等方面取得了諸多成果，揭示了設備自身絕對精度無法滿足裝配要求情況下，如何進行基于運動學標定、非參數標定、實時反饋和粒子群神經網絡算法等方法的精度補償技術。

1自動鉆鉚機

自動鉆鉚機是航空工業發達國家發展較早，應用也更為成熟、廣泛的一類自動化裝配系統。自動鉆鉚機通常由鉆鉚主機與全自動托架系統組成。根據其中的鉆鉚主機的構型分為C型、D型、龍門型等。自動鉆鉚機全部采用數控程序控制，通過工藝人員預先編程，自動執行夾緊、制孔、锪窩、送釘和鉚接等工序，全自動托架系統主要用于產品的夾持及定位。國外先進的自動鉆鉚機可高效高精度地進行制孔作業，完成鉚釘、環槽釘等不同類型緊固的安裝，并可集成涂膠、檢測等豐富的功能。自動鉆鉚機受限于其結構形式，主要針對某些特定的結構的具有較高的鉆鉚效率，主要適用于空間開敞的、結構類型單一的、曲率變化較為平緩的壁板及翼梁等組件的裝配，并且一般都需要人工補鉚。

2專用自動化制孔設備

專用自動化制孔設備主要應對于結構特殊、不利于應用傳統的自動鉆鉚機的組件或部件的制孔，通常是大型專用五軸機床。這些專用的制孔機床采用龍門或立柱結構，一般都配備自動換刀系統，可能自動完成不同規格孔的加工;同時還有集成有各種先進數字化測量單元，進行孔直徑、圓度、軸線角度、窩深度等尺寸偏差的在線測量;專用自動化制孔設備還可以具有刀具監控、切屑粉塵清除等輔助功能。專用制孔機床設備剛性好，工作效率高，可用于各種難加工材料大直徑孔的加工，通過搭載不同類型的末端執行器，可以進行鉆孔、鉸孔、鏜孔、螺旋銑削等多種加工工藝。這些設備均可在復合材料、鋁合金、鈦合金混合疊層結構上制直徑1/4''～3/4''的沉頭孔，允許的夾層厚度可達4''。

3輕型柔性制孔系統

如果既實現自動、高效、高質量制孔，又要充分考慮設備的柔性化、智能化以提高其適用范圍，那么對于自動鉆鉚機或者大型自動化制孔設備而言，其技術難度與經濟成本將急劇上升。以柔性導軌制孔系統、爬行機器人制孔系統為代表的輕型柔性制孔系統在兼顧高柔性、低成本方面有其獨到的優勢。柔性導軌制孔系統與爬行機器人制孔系統是輕型柔性自動制孔系統兩種代表性的技術路線。其中，柔性導軌制孔系統在加工對象上鋪放真空吸附的、可以彎曲的柔性鋼帶導軌，通過與導軌上的預先加工好的齒形槽嚙合實現移動制孔單元沿導軌長度方向驅動。由于導軌吸附面積大，嚙合運動驅動可靠性高，柔性導軌系統可以實現在大曲率部件外表面完成高精度高質量的制孔作業，鈦合金材料可達8mm，復合材料或鋁合金可達到11mm。爬行機器人制孔系統則擺脫了導軌的束縛，不需要每架次產品都進行導軌鋪放工作，進一步提高了設備布置應用的靈活性;通過交替運動的兩組真空吸盤，實現了在曲率平緩的機身或機翼表面自主行走，并通過設備上自帶的五坐標系統實現精確定位。爬行機器人還可以多臺設備協同工作，同時自由分區制孔，大大提高工作效率。輕型柔性制孔系統均采用真空吸附在被加工對象的表面，吸附可靠性直接決定了系統的可達性與制孔能力。在曲率半徑小、曲率變化劇烈的飛機結構表面使用這一類設備有較大的難度?？傮w上而言，輕型柔性制孔系統在國內研究與應用起步都比較晚，國內主機廠目前均以引進國外成熟產品為主并均處于試生產階段，沒有真正投入批量生產的相關報道。國內各高校與研究機構也有一定的研究成果，上海交通大學、中國航空制造技術研究院均研制了原型系統，也都開展了相關的試驗驗證，但未有投入批量生產的報道。

4機器人制孔系統

工業機器人典型的結構類似人的手臂，一般有6個或6個以上關節，具有多個自由度，可以穩定、精確、自動地完成單調重復的作業。工業機器人自身剛性與機床類設備相比相對較弱，在進行機加工時工件對刀具的反作用力往往引起較大的振動，加工后的幾何尺寸精度、表面質量都難以滿足要求。隨著高速切削技術的發展，機械加工的切削力大幅下降，而激振頻率遠超過工業機器人固有頻率，這使得工業機器人搭載機械加工用末端執行器的方案走向工程實用。在飛機裝配中，工業機器人的引入大大提高了裝配系統的靈活性與可達性，配合多種末端執行器可以實現各種不同的加工作業，其中最典型的就是機器人制孔系統。工業機器人由于系統靈活性好，可以適應各種結構類型的工件，能夠極大提高制孔效率。盡管工業機器人絕對定位精度無法與五坐標機床相比，但是其重復定位精度較高，隨著誤差補償技術、實時仿真技術等的發展，系統整體精度足以滿足飛機產品孔位精度的要求。而且通過機器人第七軸床身或AGV平臺支承，可以在較大的范圍內自由移動，具有遠超專用制孔機床的靈活性。

參考文獻：

[1]付鵬強，蔣銀紅，王義文，等.CFRP制孔加工技術的研究進展與發展趨勢[J].航空材料學報，，39（6）：32-45.

[2]喻龍，章易鐮，王宇晗，等.飛機自動鉆鉚技術研究現狀及其關鍵技術[J].航空制造技術，2017（9）：16-25.

（作者單位：中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司）