飞机装配中的先进制孔技术与装备

李波

【摘 要】机器人制孔系统是实现飞机自动化装配的重要设备，制孔作业前的精度标定是保证系统各项指标满足生产要求的关键环节，以往对系统进行简单的单次制孔标定无法全面掌握各个维度上的精度指标。

【关键词】飞机;装配;进制孔

前言

装配是飞机制造过程中极为重要的环节，占整个飞机制造工作量的50%以上，是保证飞机服役性能的最后环节。装配过程中为完成零部件的连接需制备大量的连接孔，制孔质量对连接件的疲劳寿命和整体生产效率具有重要影响。为进一步提高制孔精度、降低损伤，减少由人工作业引起的不确定因素，国内外飞机装配中大量采用机器人自动制孔技术。自动制孔的精度取决于系统各零件的机械加工精度、装配误差、传动误差、磨损和构型等几何学误差，也受到机械臂刚度、负载变化、振动和配套设备等非几何学因素影响。当前研究在工业机器人、自动钻铆系统和对合系统等设备的精度标定和补偿等方面取得了诸多成果，揭示了设备自身绝对精度无法满足装配要求情况下，如何进行基于运动学标定、非参数标定、实时反馈和粒子群神经网络算法等方法的精度补偿技术。

1自动钻铆机

自动钻铆机是航空工业发达国家发展较早，应用也更为成熟、广泛的一类自动化装配系统。自动钻铆机通常由钻铆主机与全自动托架系统组成。根据其中的钻铆主机的构型分为C型、D型、龙门型等。自动钻铆机全部采用数控程序控制，通过工艺人员预先编程，自动执行夹紧、制孔、锪窝、送钉和铆接等工序，全自动托架系统主要用于产品的夹持及定位。国外先进的自动钻铆机可高效高精度地进行制孔作业，完成铆钉、环槽钉等不同类型紧固的安装，并可集成涂胶、检测等丰富的功能。自动钻铆机受限于其结构形式，主要针对某些特定的结构的具有较高的钻铆效率，主要适用于空间开敞的、结构类型单一的、曲率变化较为平缓的壁板及翼梁等组件的装配，并且一般都需要人工补铆。

2专用自动化制孔设备

专用自动化制孔设备主要应对于结构特殊、不利于应用传统的自动钻铆机的组件或部件的制孔，通常是大型专用五轴机床。这些专用的制孔机床采用龙门或立柱结构，一般都配备自动换刀系统，可能自动完成不同规格孔的加工;同时还有集成有各种先进数字化测量单元，进行孔直径、圆度、轴线角度、窝深度等尺寸偏差的在线测量;专用自动化制孔设备还可以具有刀具监控、切屑粉塵清除等辅助功能。专用制孔机床设备刚性好，工作效率高，可用于各种难加工材料大直径孔的加工，通过搭载不同类型的末端执行器，可以进行钻孔、铰孔、镗孔、螺旋铣削等多种加工工艺。这些设备均可在复合材料、铝合金、钛合金混合叠层结构上制直径1/4''～3/4''的沉头孔，允许的夹层厚度可达4''。

3轻型柔性制孔系统

如果既实现自动、高效、高质量制孔，又要充分考虑设备的柔性化、智能化以提高其适用范围，那么对于自动钻铆机或者大型自动化制孔设备而言，其技术难度与经济成本将急剧上升。以柔性导轨制孔系统、爬行机器人制孔系统为代表的轻型柔性制孔系统在兼顾高柔性、低成本方面有其独到的优势。柔性导轨制孔系统与爬行机器人制孔系统是轻型柔性自动制孔系统两种代表性的技术路线。其中，柔性导轨制孔系统在加工对象上铺放真空吸附的、可以弯曲的柔性钢带导轨，通过与导轨上的预先加工好的齿形槽啮合实现移动制孔单元沿导轨长度方向驱动。由于导轨吸附面积大，啮合运动驱动可靠性高，柔性导轨系统可以实现在大曲率部件外表面完成高精度高质量的制孔作业，钛合金材料可达8mm，复合材料或铝合金可达到11mm。爬行机器人制孔系统则摆脱了导轨的束缚，不需要每架次产品都进行导轨铺放工作，进一步提高了设备布置应用的灵活性;通过交替运动的两组真空吸盘，实现了在曲率平缓的机身或机翼表面自主行走，并通过设备上自带的五坐标系统实现精确定位。爬行机器人还可以多台设备协同工作，同时自由分区制孔，大大提高工作效率。轻型柔性制孔系统均采用真空吸附在被加工对象的表面，吸附可靠性直接决定了系统的可达性与制孔能力。在曲率半径小、曲率变化剧烈的飞机结构表面使用这一类设备有较大的难度。总体上而言，轻型柔性制孔系统在国内研究与应用起步都比较晚，国内主机厂目前均以引进国外成熟产品为主并均处于试生产阶段，没有真正投入批量生产的相关报道。国内各高校与研究机构也有一定的研究成果，上海交通大学、中国航空制造技术研究院均研制了原型系统，也都开展了相关的试验验证，但未有投入批量生产的报道。

4机器人制孔系统

工业机器人典型的结构类似人的手臂，一般有6个或6个以上关节，具有多个自由度，可以稳定、精确、自动地完成单调重复的作业。工业机器人自身刚性与机床类设备相比相对较弱，在进行机加工时工件对刀具的反作用力往往引起较大的振动，加工后的几何尺寸精度、表面质量都难以满足要求。随着高速切削技术的发展，机械加工的切削力大幅下降，而激振频率远超过工业机器人固有频率，这使得工业机器人搭载机械加工用末端执行器的方案走向工程实用。在飞机装配中，工业机器人的引入大大提高了装配系统的灵活性与可达性，配合多种末端执行器可以实现各种不同的加工作业，其中最典型的就是机器人制孔系统。工业机器人由于系统灵活性好，可以适应各种结构类型的工件，能够极大提高制孔效率。尽管工业机器人绝对定位精度无法与五坐标机床相比，但是其重复定位精度较高，随着误差补偿技术、实时仿真技术等的发展，系统整体精度足以满足飞机产品孔位精度的要求。而且通过机器人第七轴床身或AGV平台支承，可以在较大的范围内自由移动，具有远超专用制孔机床的灵活性。

参考文献：

[1]付鹏强，蒋银红，王义文，等.CFRP制孔加工技术的研究进展与发展趋势[J].航空材料学报，，39（6）：32-45.

[2]喻龙，章易镰，王宇晗，等.飞机自动钻铆技术研究现状及其关键技术[J].航空制造技术，2017（9）：16-25.

（作者单位：中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司）