自动制孔技术在某飞机装配中的运用研究

赵奇,杨晨,赵天祥

摘要：随着航空产品更新换代加速和对性能要求不断提升，飞机制造业对飞机装配技术提出了高质量、高效率、低成本的生产要求。在航空产品的制造、装配过程中，机械连接是目前应用最广泛的连接方式。制孔质量的好坏则直接影响产品机械连接性能与服役寿命。自动制孔技术是工艺机械化、自动化的需要，也是飞机自身性能提升的需要。近年来，国内飞机制造生产线大量引入自动化技术，尤其是机器人自动制孔技术凭借数字化和柔性化的优势迅速发展。本文主要分析自动制孔技术在某飞机装配中的应用。

关键词：飞机装配；自动制孔技术；骨架刚性；压紧力

引言

自动制孔技术在某飞机装配中的运用，是提高航空产品装配效率的重要措施。尤其是科学技术发展背景下，航空产品生产水平提高，更新换代速度加快，飞机装配技术若不能及时创新，无法达到飞机装配现代化发展要求。飞机装配中制孔处理对机械性、装配质量等有直接关系，同时影响到飞机服役寿命。基于此，加大对自动制孔技术的研究力度，充分发挥出自动制孔技术操作性、柔性化以及数字化等优势，对飞机装配传统制孔的精度低、效率低等不足进行优化，继而扎实飞机装配高速化发展基础。

1手工制孔面临的问题

随着复材及钛合金的广泛使用，装配制孔时的材料叠层种类越来越多，且复杂材料叠层结构大量使用，如铝-钛叠层、复合材料叠层及复合材料与金属叠层等。尤其是在钻制复合材料或复合材料与金属材料组成的复杂叠层时，传统的手工制孔难以保证制孔质量；另一方面为了满足飞机的研制及交付周期的要求，针对制孔困难的复材及钛等材料，对制孔效率也提出了更高的要求，给手工制孔带来了极大的挑战。

2自动制孔

2.1自动进给钻

根据结构夹层厚、复钛，铝钛结构夹层硬度高、手工制孔难等一系列特点，引入自动进给钻（AutomaticDrillingUnit，简称ADU)来实现厚夹层铝钛、复钛等结构的制孔。自动进给钻一般通过膨胀夹头或转位套筒固定在钻模板上。膨胀夹头的优点是夹紧方便、迅速，只要将自动进给钻的前端插入钻模板，接通风源，夹头会立即膨胀，将自动进给钻固定。与传统手工制孔过程相比，自动进给钻制孔过程中不需要人工扶持，加工过程平稳可靠、制孔精度高、制孔质量稳定。相比较于常规手工制孔方式，自动进给钻主轴进给的同时对主轴施加了周期性的低频轴向运功，从而产生更小的切屑，更加利于排屑和散热，避免了手工制孔时切削划伤孔壁，解决了孔径粗糙度难以保证等问题。

2.2自动钻铆机

自动钻铆机的优点是技术成熟、工作稳定、效率高，特别适用于机翼/机身壁板、机身半壳体等结构的制孔及紧固件安装，自动钻铆已成为飞机数字化装配最成熟及应用最广泛的领域，其缺点是设备成本高，一般适用于开敞的壁板及半壳类构件制孔及紧固件安装。

2.3柔性导轨自动制孔

柔性导轨自动制孔设备主要应用于机翼和机身装配的自动制孔，其都有大量的平缓曲面，将导轨制孔系统直接固定在飞机表面进行制孔，可以取代传统的五轴制孔设备，具有成本低、重量轻、自动化程度高、使用方便等特点。柔性导轨自动制孔设备主要由带有真空吸盘柔性导轨、带有主轴箱的移动小车组成。工作时由柔性导轨安装器进行安装，通过真空吸盘将导轨固定在机身或机翼表面。移动小车可以沿导轨进行X向和垂直于导轨的Y向运动。通过X、Y向移动，可以确定制孔位置，制孔执行器可在垂直工件表面的方向上进给，实现制孔加工。通过与照相测量及法向检测单元配合。

2.3机器人制孔

以KUKA的通用机器人移动自动化制孔系统为例来说明典型的机器人制孔，该系统已在一些飞机制造商中得到了成功地应用。KUKA移动机器人平台将所有机器人制孔所需的必要设备集成在一个独立结构上，如图1所示（宽2000mm×长3000mm×高3500mm）。自动制孔移动平台由基架、脚轮以及气垫组成。该平台配备定位器，作为该系统与产品工装在工作站内的定位基准。KUKAKR210QUANTEC系列机器人直接安装在移动平台上并配备末端执行器。所有必需的支持设备，比如真空系统、微量润滑系统、同步视觉设备、试样存放架、末端执行器存储架、控制面板以及人机接口面板都将安装在移动平台上。为了增强实用性，该系统为所有子系统都配备了快换连接。

在进行指定站位内的产品制孔时，移动机器人平台（MRP）通过电动手推车推到指定制孔站位，打开气垫微调移动机器人平台并将其定位在预埋地面上的杯锥定位器后，机器人实施制孔作业。完成后，移动机器人平台将电动手推车牵引通过脚轮实现转向继续完成下一站位产品的制孔作业。

整个制孔单元包括：移动平台系统、KUKA机器人、制孔多功能末端执行器、自动换刀装置、试刀架、末端执行器快速更换器和存储机架、润滑系统、真空系统、机器人和末端执行器电气柜、操作人员控制台、安全装置（激光扫描仪）。

其中制孔多功能末端执行器为Alema分度制孔多功能末端执行器系统，这种末端执行器的主要优点是能在不释放压紧力的情况下完成所有操作。当末端执行器在工件上压紧时，通过管旋转到所需位置，以实现末端执行器的所有功能。每个末端执行器管筒配备6个标准模块。每个标准模块的管筒内，可插入不同标准模块类型，包括制孔、涂胶、送钉、质量检验和视觉模块等。末端执行器管筒的底部装有法向定位补偿系统和滑移补偿。

快速换刀装置包括带刀柄附件的转盘，换刀时间不到1min。由于集成了Balluf公司的成品，转盘最多可容纳30把刀柄，该方案的优势是不需要对操作者和安全有额外的要求。

末端执行器快换耦合装置为ATI快换耦合装置，当使用不同的末端执行器时，如制孔和铣切的末端执行器，末端执行器可以自动更换，无需人工干预，一般情况下，自动快速更换通常不到1min就可完成。

整个系统可实现加工精度：法向垂直度偏差≤±0.2°；孔精度H9；锪窝角度公差≤±0.5°；锪窝深度偏差-0.03~0mm；经过激光跟踪仪预先标定，位置精度误差≤±0.3mm。

图1典型的KUAK移动机器人平台

3结论

现代大型飞机设计中，对飞机的外形准确度要求很高，而且机体结构大多采用整体壁板结构，机身结构要求寿命周期长，因此对机身结构的制孔质量有较高的要求。同时，随着复合材料技术的发展，飞机制造中复合材料的应用比例逐渐提高，由于复合材料在制孔技术要求的特殊性，使得飞机自动化制孔技术在国外得以飞速发展。特别是通过引进国外先进的自动制孔系统及铆接生产线，可以大力开展对国外先进飞机自动化制孔技术的研究，学习和积累国外先进技术及工艺方法，并结合大型飞机的研制的实践，必将大大提高我国的飞机装配紧固件连接技术。

参考文献：

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[3]周星宇. 机身尾段上自动制孔技术的应用研究[D].沈阳航空航天大学,2020.