陳修強(qiáng),田衛(wèi)軍,薛紅前
(1. 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,西安 710072;2. 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院機(jī)電工程系,西安 710124)
大型飛機(jī)通常是指起飛總重量超過100t的軍民用大型運(yùn)輸機(jī)和150 座及以上的大型客機(jī),其中大型客機(jī)飛行壽命長達(dá)90000h,這種長壽命、高可靠性設(shè)計對飛機(jī)裝配連接技術(shù)提出了更高要求?,F(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)中,出現(xiàn)了許多新型連接方式(膠接、復(fù)合連接),但機(jī)械連接(鉚接、螺接)仍是現(xiàn)代飛機(jī)制造的主要連接形式,約占70%,而80%的疲勞損傷發(fā)生在機(jī)械連接部位,所以改善飛機(jī)的裝配連接技術(shù)可以有效減少飛機(jī)故障率。隨著計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展,飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)得到迅速發(fā)展,空客、波音等大型飛機(jī)制造公司廣泛應(yīng)用數(shù)字化裝配技術(shù)[1],我國大飛機(jī)研制項(xiàng)目的實(shí)施必然引領(lǐng)飛機(jī)數(shù)字化裝配連接技術(shù)的迅猛發(fā)展。自動鉆鉚技術(shù)作為數(shù)字化裝配技術(shù)的重要組成部分,可以大幅提高飛機(jī)裝配效率,有效保證飛機(jī)裝配質(zhì)量,提高疲勞壽命,在飛機(jī)裝配工藝中得到廣泛應(yīng)用。
20世紀(jì)50年代以來,自動鉆鉚技術(shù)得到了廣泛發(fā)展,現(xiàn)代自動鉆鉚技術(shù)已發(fā)展成為自動完成定位、鉆孔、送釘及鉚接等工序的集電、液、汽、自動控制為一體的先進(jìn)制造技術(shù)。
國外自動鉆鉚技術(shù)發(fā)展已有幾十年的歷史,其中典型的產(chǎn)品型號及應(yīng)用狀況如表1所示[2]??梢钥闯?,美國是自動鉆鉚技術(shù)發(fā)展最好的國家,其他航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家的自動鉆鉚技術(shù)基本上是從美國引進(jìn)再生產(chǎn),諸如德國BR?TJE公司已發(fā)展成為除美國之外最具潛力的自動鉆鉚系統(tǒng)制造商。目前,美國GEMCOR、EI公司以及德國BR?TJE公司代表著當(dāng)今世界自動鉆鉚技術(shù)的發(fā)展水平。國外自動鉆鉚技術(shù)正在向著柔性化以及集成化的方向發(fā)展,相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在各大先進(jìn)機(jī)型上成功應(yīng)用,提高了鉚接裝配工藝水平。比如,美國GEMCOR公司生產(chǎn)的G2000全數(shù)控式七軸自動鉆鉚系統(tǒng),可鉚接弧度大于180°機(jī)身壁板,并能完成一半機(jī)身鉚接[3];美國EI公司為土耳其航空航天工業(yè)公司設(shè)計了新型E7000自動鉆鉚系統(tǒng),可同時實(shí)現(xiàn)自動鉆鉚與干涉螺栓連接工序,鉚接數(shù)量達(dá)到15個/min[4];此外,EI公司通過改進(jìn)控制檢測裝置實(shí)現(xiàn)了六軸機(jī)器人80s內(nèi)全自動更換鉚接工具[5],相比于需要10min以上的半自動更換方式大大提高了鉚接效率。
表1 國外自動鉆鉚技術(shù)代表公司、型號及應(yīng)用狀況
國內(nèi)對自動鉆鉚技術(shù)的研究工作啟動較早,20世紀(jì)70年代,原航空部就曾組織研制過自動鉆鉚機(jī)(ZMJ-01),但因缺乏型號需求的牽引以及測量控制技術(shù)的匱乏,致使研制工作被迫中斷。近年來,隨著大飛機(jī)項(xiàng)目的實(shí)施,我國的自動鉆鉚技術(shù)發(fā)展迎來了新的契機(jī)。一方面,國內(nèi)各主機(jī)廠與研究所及高校合作開展了飛機(jī)壁板自動鉆鉚技術(shù)研究,取得了較好的進(jìn)展。如2004年西飛公司為滿足ARJ21機(jī)翼壁板鉚接干涉配合要求,在引進(jìn)的自動鉆鉚機(jī)基礎(chǔ)上自主研發(fā)了數(shù)控托架系統(tǒng),填補(bǔ)了國內(nèi)全自動鉆鉚技術(shù)的空白;2013年成飛公司獨(dú)立研發(fā)的塔式五軸數(shù)控法向鉆鉚系統(tǒng)成功交付,成為我國唯一能夠獨(dú)立研發(fā)自動鉆鉚系統(tǒng)的公司;另外,C919在研制中也應(yīng)用了機(jī)身自動鉆鉚裝配技術(shù)。另一方面,通過引進(jìn)國外技術(shù)或共同開發(fā)的方式,也加速了國內(nèi)自動鉆鉚技術(shù)的發(fā)展。比如,針對ARJ21飛機(jī)17種不同壁板自動鉆鉚裝配的需求,2013年與美國EI公司合作,基于E7000自動鉆鉚系統(tǒng)研發(fā)了可以鉚接3.5~10m長的水平及彎曲壁板的柔性裝配托架[6]。
在大飛機(jī)項(xiàng)目的牽引推動下,采用引進(jìn)、自主開發(fā)等方式,我國的自動鉆鉚技術(shù)得到了快速發(fā)展,但也應(yīng)看到我國的飛機(jī)數(shù)字化裝配體系尚不完善,自動鉆鉚系統(tǒng)集成性、柔性化水平不高,自動鉆鉚過程中的控制檢測技術(shù)與柔性工裝設(shè)計等方面尚需深入研究,這些問題的解決是自動鉆鉚技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。
鉆鉚技術(shù)經(jīng)歷了手動、半自動、自動的發(fā)展歷程,現(xiàn)已發(fā)展成為多套自動鉆鉚系統(tǒng)(圖1)。自動鉆鉚系統(tǒng)由定位、測量、控制、送料、末端執(zhí)行器等相應(yīng)裝置組成,可以一次完成鉆孔、锪窩、涂膠、送釘、鉚接、松開等工序,或獨(dú)立完成上述操作的一種或幾種操作的組合,不同的自動鉆鉚系統(tǒng)還可以完成普通鉚釘、干涉配合鉚釘及高鎖螺栓等連接件的自動安裝,其工藝流程如圖2所示。
以機(jī)翼壁板類部件為例,利用自動鉆鉚系統(tǒng)進(jìn)行鉚釘裝配連接,在上釘裝置導(dǎo)引下借助定位系統(tǒng)將裝夾在數(shù)控托架上的壁板部件進(jìn)行鉚釘安裝,并利用檢測技術(shù)檢測鉚釘是否安裝到位,若安裝到位則繼續(xù)完成鉚接工作并自動進(jìn)入下一鉚接工位;否則,重新送釘,并重復(fù)上述工序。由此看來,自動鉆鉚技術(shù)是集工藝裝備、定位技術(shù)、控制技術(shù)、實(shí)時在線檢測技術(shù)為一體的先進(jìn)數(shù)字化裝配連接技術(shù),可以提高裝配連接質(zhì)量,其定位精度可達(dá)到±0.025mm,鉚接后結(jié)構(gòu)壽命可以提高6~7倍[2]。
圖1 典型自動鉆鉚系統(tǒng)Fig.1 Typical automatic drilling and riveting system
圖2 自動鉆鉚工藝流程Fig.2 Technological process of the automatic drilling and riveting
自動鉆鉚關(guān)鍵技術(shù)組成包括柔性工藝與裝備技術(shù)、托架系統(tǒng)變形分析與誤差補(bǔ)償技術(shù)、末端執(zhí)行器設(shè)計技術(shù)、自動鉆鉚仿真技術(shù)[7]。
傳統(tǒng)工裝設(shè)備裝配模式下,飛機(jī)裝配具有工裝數(shù)量多、占地面積大、生產(chǎn)周期長、經(jīng)濟(jì)性差等特點(diǎn),在現(xiàn)代飛機(jī)數(shù)字化裝配的要求下,傳統(tǒng)工裝設(shè)備必須向柔性化方向發(fā)展。柔性工裝是指在飛機(jī)裝配中采用的一種基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的模塊化、可自動調(diào)整重構(gòu)的裝配工裝,可以降低工裝制造成本、縮短工裝準(zhǔn)備周期[8]。在自動鉆鉚系統(tǒng)中通過集成數(shù)控系統(tǒng)、傳感檢測設(shè)備以及控制測量軟件等數(shù)字化的柔性工裝,形成自動化的裝配單元,是飛機(jī)數(shù)字化裝配模式的一個鮮明特征。
目前自動鉆鉚系統(tǒng)柔性工裝主要有兩種:一種是與專用的柔性工裝設(shè)備結(jié)合,比如機(jī)翼壁板自動化鉚接裝配行列式柔性工裝,該工裝設(shè)備開敞性好,通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)大型飛機(jī)機(jī)翼壁板和翼梁自動化鉚接裝配;另一種是提高自動鉆鉚系統(tǒng)本身裝備柔性,如為應(yīng)對波音商用飛機(jī)機(jī)身段單側(cè)表面超過1200個大孔徑復(fù)合材料鉚接裝配孔而設(shè)計的輕量級可移動拆裝的自動鉆鉚一次裝配系統(tǒng)[9](圖3),該裝配系統(tǒng)可一次性完成多種機(jī)身段表面孔的鉚接裝配,保證裝配質(zhì)量。在發(fā)展上述自動鉆鉚系統(tǒng)柔性工裝的同時,柔性工裝正向著低成本化方向發(fā)展,比如機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)通過減少甚至消除工裝專用設(shè)備達(dá)到工裝無型架裝配,大大降低了裝配成本。
圖3 自動鉆鉚一次裝配系統(tǒng)Fig.3 One time assembly system of automatic drilling and riveting
托架系統(tǒng)作為自動鉆鉚機(jī)的重要組成部分,擔(dān)負(fù)著飛機(jī)壁板的支撐、夾緊、移動、定位等作用,基本結(jié)構(gòu)如圖4所示[10]。在進(jìn)行部件連接時,由于自身及工件重力作用,自動鉆鉚機(jī)上的數(shù)控托架會發(fā)生變形,造成加工點(diǎn)位置偏差,影響鉚接質(zhì)量,必須對托架變形誤差進(jìn)行修正補(bǔ)償。針對托架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形與補(bǔ)償,需要從結(jié)構(gòu)變形量建模、計算以及控制與補(bǔ)償3方面進(jìn)行突破。
圖4 托架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式Fig.4 Structure form of the bracket system
自動鉆鉚托架變形分析與誤差補(bǔ)償主要基于CATIA V5平臺的二次開發(fā)功能,根據(jù)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行變形補(bǔ)償工藝編制、加工編程和數(shù)控鉚接,流程如圖5所示。針對實(shí)際工程的需要,對變形主要因素、次要因素進(jìn)行分析(由于托架垂直方向變形影響最大,可作為變形影響主要因素),建立起可應(yīng)用于工程所需要的變形模型,利用多次調(diào)平、迭代優(yōu)化的思想建立起托架變形補(bǔ)償算法,為自動鉆鉚調(diào)平提供有效的數(shù)據(jù)支持,最后對變形補(bǔ)償數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,建立自動鉚接數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動統(tǒng)計、分析、優(yōu)化,從而提高鉚接質(zhì)量和加工效率。托架系統(tǒng)變形分析與誤差補(bǔ)償技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)在于空間多自由度不同姿態(tài)下的誤差補(bǔ)償,針對這一技術(shù)難點(diǎn),可以通過力學(xué)分析,利用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系搭建關(guān)于托架系統(tǒng)變形的計算模型,采用多次調(diào)平與迭代優(yōu)化的思想建立面向空間柔性多姿態(tài)的托架變形補(bǔ)償算法,為托架變形誤差補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)支持。
自動鉆鉚工藝過程中需要完成孔位檢測、鉚接、換刀等工序,而末端執(zhí)行器要將完成上述工序的眾多功能模塊集中在一起,必須具備法向檢測、壓緊、自動換刀、調(diào)速及支撐保護(hù)等功能,使得末端執(zhí)行器設(shè)計技術(shù)成為自動鉆鉚系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。
末端執(zhí)行器設(shè)計技術(shù)集檢測技術(shù)、定位技術(shù)、控制技術(shù)為一體,在設(shè)計過程中必須采用模塊化設(shè)計理念、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化等設(shè)計方法,保證承受高頂鍛力、高速線性頭轉(zhuǎn)換及精度要求,比如美國GEMCOR公司設(shè)計的自動鉆鉚系統(tǒng)末端執(zhí)行器(圖6),可承受18200kg的頂鍛力,采用的高速線性電動馬達(dá)切換頭可實(shí)現(xiàn)每分鐘19個緊固件轉(zhuǎn)換,保證了自動鉆鉚系統(tǒng)的柔性化。
目前,末端執(zhí)行器設(shè)計技術(shù)難點(diǎn)在于針對特殊鉚接裝配位置的末端執(zhí)行器設(shè)計,如小曲率半徑高度彎曲表面上緊密孔鉚接裝配末端執(zhí)行器設(shè)計,這種特殊加工位置要求執(zhí)行器必須準(zhǔn)確檢測出孔位信息并精確定位,對控制測量技術(shù)提出了更高要求。針對這類問題,美國EI公司在機(jī)器人自動鉆鉚末端執(zhí)行器設(shè)計上進(jìn)行了初步探究,針對曲率半徑35mm、孔間圓心夾角0.8°的裝配位置表面,設(shè)計了4點(diǎn)協(xié)同檢測定位末端執(zhí)行器[11],典型結(jié)構(gòu)見圖7。采用先進(jìn)的視覺同步技術(shù)進(jìn)行孔位信息實(shí)時在線測量,通過離線編程實(shí)時調(diào)整4點(diǎn)定位裝置,在保證裝配效率的同時實(shí)現(xiàn)了孔位高精度定位夾緊。
圖5 變形補(bǔ)償數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Deformation compensation data processing flow
由于自動鉆鉚機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)復(fù)雜,加工中易發(fā)生干涉和碰撞,編程員難以預(yù)先發(fā)現(xiàn),需反復(fù)調(diào)試程序,這就大大降低了設(shè)備利用率;此外,托架工作中的變形也導(dǎo)致誤差補(bǔ)償問題的產(chǎn)生。仿真技術(shù)在自動鉆鉚中的應(yīng)用可以有效模擬真實(shí)環(huán)境,減少試驗(yàn)次數(shù),優(yōu)化裝配工藝,保證產(chǎn)品質(zhì)量,推動飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展。自動鉆鉚仿真技術(shù)主要依托CAD/CAM以及優(yōu)化軟件進(jìn)行仿真分析,主要包括:
(1)自動鉆鉚系統(tǒng)設(shè)計、制造過程中的仿真計算。
自動鉆鉚系統(tǒng)在裝配飛機(jī)壁板類部件時需要滿足一定的強(qiáng)度和剛度要求,所以在自動鉆鉚系統(tǒng)設(shè)計和制造過程中需要對自動鉆鉚機(jī)、數(shù)控托架進(jìn)行力學(xué)性能仿真分析,進(jìn)而對結(jié)構(gòu)尺寸與布局進(jìn)行優(yōu)化。
圖6 GEMCOR 自動鉆鉚系統(tǒng)末端執(zhí)行器Fig.6 End-effector of GEMCOR automatic drilling and riveting system
圖7 EI 4點(diǎn)協(xié)同檢測定位末端執(zhí)行器Fig.7 EI four-point collaborative detection and location end-effector
(2)自動鉆鉚系統(tǒng)變形、幾何運(yùn)動、工藝參數(shù)優(yōu)化仿真。
自動鉆鉚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸大,雖然在系統(tǒng)設(shè)計時已經(jīng)進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度分析,但是由于自重以及工件重力等因素難免會產(chǎn)生變形,所以需要對變形狀況進(jìn)行仿真分析,在進(jìn)行數(shù)控編程時將變形因素考慮在內(nèi),從而提高裝配精度。此外,由于鉚接工作量巨大,在連續(xù)自動鉚接作業(yè)過程中,鉚接系統(tǒng)各運(yùn)動機(jī)構(gòu)之間、系統(tǒng)與部件之間難免會產(chǎn)生干涉,因此,通過對幾何運(yùn)動過程進(jìn)行仿真分析,檢測干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生,同時也能檢驗(yàn)鉚接路徑的效率。圖8為南京航空航天大學(xué)研制的數(shù)控托架仿真系統(tǒng)[12],可以對幾何運(yùn)動過程中可能出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析。
南航等開展了大量自動鉆鉚仿真技術(shù)研究,通過開發(fā)工藝參數(shù)管理數(shù)據(jù)庫,可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真分析數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,得到最優(yōu)的工藝參數(shù),為實(shí)際自動鉆鉚過程提供工藝方案。
鉆鉚技術(shù)要想真正實(shí)現(xiàn)自動化,必須在柔性工藝與裝備技術(shù)、托架系統(tǒng)變形分析與誤差補(bǔ)償技術(shù)、末端執(zhí)行器設(shè)計技術(shù)及自動鉆鉚仿真技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,將相關(guān)自動鉆鉚技術(shù)進(jìn)行整合協(xié)調(diào)、集成化發(fā)展,從而提高自動鉆鉚系統(tǒng)整體技術(shù)水平。比如,在進(jìn)行末端執(zhí)行器換刀裝置設(shè)計時,采用高速線性馬達(dá)轉(zhuǎn)換的柔性化設(shè)計思路,加快末端執(zhí)行器換刀速度,提高了鉆鉚系統(tǒng)自動化水平。
我國通過引進(jìn)或自主研發(fā)的方式,在自動鉆鉚系統(tǒng)以及自動鉆鉚關(guān)鍵技術(shù)研究方面已經(jīng)有了長足的發(fā)展,特別是在自動鉆鉚仿真技術(shù)研究方面,可以通過工藝仿真建立工藝參數(shù)管理數(shù)據(jù)庫為實(shí)際加工提供合理工藝方案。但是由于各子系統(tǒng)集成性較低,比如在線檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的集成,限制了我國自動鉆鉚系統(tǒng)精度的提高與柔性化的發(fā)展。
圖8 南航研制的數(shù)控托架仿真系統(tǒng)Fig.8 Numerical control bracket simulation system researched by NUAA
目前,世界各航空大國著力發(fā)展數(shù)字化柔性裝配技術(shù)又將自動化裝配推向了一個新的高度[13]。比如,美國EI公司為空客開發(fā)的E4150柔性自動鉆鉚系統(tǒng)配合2套柔性工裝可鉚接A340、A380等飛機(jī)的20多種不同壁板。在我國大力發(fā)展大飛機(jī)項(xiàng)目的背景下,提高飛機(jī)裝配數(shù)字化、柔性化將會大大提高我國飛機(jī)產(chǎn)品的核心競爭力。首先,對自動鉆鉚技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù)要進(jìn)行重點(diǎn)研究,比如復(fù)雜鉆鉚末端執(zhí)行器設(shè)計技術(shù)等,提高自動鉆鉚整體技術(shù)水平。此外,由于自動鉆鉚機(jī)成本高昂,一方面,針對特殊加工部件,可以采用傳統(tǒng)數(shù)控托架式自動鉆鉚系統(tǒng);另一方面,為了降低成本,應(yīng)該大力發(fā)展以機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)為基礎(chǔ),并與柔性工裝、模塊化加工單元、定位檢測系統(tǒng)以及離線編程與仿真軟件等組成的數(shù)字化、柔性化的集成自動裝配系統(tǒng)。
數(shù)字化裝配技術(shù)是當(dāng)今飛機(jī)制造的發(fā)展方向,涉及學(xué)科范圍廣、技術(shù)領(lǐng)域?qū)?,其發(fā)展必須與控制、檢測、工藝、仿真等技術(shù)研究相結(jié)合,可以說數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展是對整個裝配領(lǐng)域的技術(shù)革新,而不單單是一個局部的技術(shù)升級。自動鉆鉚技術(shù)作為數(shù)字化裝配技術(shù)的重要組成,必須著重突破關(guān)鍵技術(shù),同時對自動鉆鉚組成技術(shù)間進(jìn)行整合協(xié)調(diào)、集成化發(fā)展,以此提高各子系統(tǒng)的集成性,從而提高自動鉆鉚系統(tǒng)整體的數(shù)字化、柔性化水平,進(jìn)而促進(jìn)飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的提高。
隨著我國大飛機(jī)項(xiàng)目的實(shí)施,提高飛機(jī)數(shù)字化裝配自動鉆鉚技術(shù)水平勢在必行。目前,我國自動鉆鉚技術(shù)已取得了長足發(fā)展,未來,自動鉆鉚技術(shù)發(fā)展將進(jìn)一步向高度數(shù)字化、柔性化方向邁進(jìn)。
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