（西北工業(yè)大學機電學院，西安 710072）

航天產品艙段主要以錐形筒狀結構為主，結構特征明顯、數量多[1]。在航天產品艙段制造中，機械連接是主要的連接方式。機械連接主要有螺接和鉚接，螺接安裝成本高、工藝復雜，而鉚接工藝簡單、成本低，所以航天產品連接主要以鉚接為主[2-4]。隨著國內航天制造技術的快速發(fā)展，航天產品的質量和可靠性越來越受到關注，許多航天產品開始采用復合材料結構、鈦合金結構和大直徑鉚釘結構，這些結構的使用對鉚接工藝提出了更高的要求[5]。普通鉚接，如錘鉚和壓鉚，雖然成本較低、技術較成熟，但難以實現鈦合金結構和大直徑鉚釘的鉚接，同時容易引起復合材料結構損傷，無法滿足新型結構對鉚接工藝的要求，并且存在鉚接效率低、鉚接質量差、干涉量控制難、噪音大等難題[6]。

和普通鉚接相比，電磁鉚接具有很多優(yōu)點：首先，電磁鉚接加載速率極高，適合于應變率敏感材料的成形，是解決鈦合金等難成形材料鉚釘鉚接的有效途徑；第二，電磁鉚接干涉量均勻，接頭疲勞壽命大于普通鉚接，同時可避免因膨脹不均勻帶來的復合材料結構安裝損傷問題[7]。在航天制造領域，利用電磁鉚接技術，可以解決大直徑鉚釘、復合材料結構的鉚接難題，并且可減小鉚接噪音，改善工人勞動條件[8]。

電磁鉚接

電磁鉚接在國內經過30多年的發(fā)展，國產電磁鉚接設備已在航空航天領域得到一定的應用，并已成為解決鉚接難題的有效方法。電磁鉚接分為手工電磁鉚接和自動化電磁鉚接。

1 手工電磁鉚接

手工電磁鉚接系統主要由托架和鉚槍組成，托架由龍門框架、兩個重力平衡器、滑輪等組成[9]。圖1為西北工業(yè)大學研制的手工電磁鉚接系統，其中重力平衡器用來平衡鉚槍和頂鐵的重力。手工鉚接過程需要兩名操作者同時工作，通過滑輪沿導軌凹槽的滑動，實現鉚槍與頂鐵水平方向的定位；通過平衡器調節(jié)鉚槍與頂鐵的高度，實現鉚槍與頂鐵豎直方向的定位。

手工電磁鉚接托架結構簡單、經濟成本低[10]。但手工電磁鉚接需要雙人操作，鉚槍和頂鐵對中性不易保證；操作者每次對鉚槍的頂持力有差異，導致鐓頭成形尺寸不一樣，鉚接質量不穩(wěn)定；鉚接過程中鉚槍產生的后坐力比較大，對操作者會產生不良影響；工人勞動量和勞動強度比較大。

圖1 手工電磁鉚接系統Fig.1 Manual electromagnetic riveting

2 自動化電磁鉚接

自動化電磁鉚接系統主要包含自動鉆鉚機、機器人鉆鉚設備等[11]。其中自動鉆鉚機屬于大型數控一體設備，主要應用于大型飛機壁板裝配鉚接。機器人自動鉆鉚設備是在機械手末端增加相應的制孔和鉚接末端執(zhí)行器，適合開敞性不好的工件局部鉚接[12]。自動鉆鉚技術在機翼蒙皮的鉚接和裝配上，是最可靠、最有效的連接方式之一，自動鉆鉚機可以自動完成夾緊、鉆孔、锪窩、注膠、放鉚、銑平等工序[13]。自動鉆鉚系統總體尺寸比較大，可實現復雜結構的高質、高效鉚接，在國外很多航空主機廠已得到廣泛應用。圖2為EI（Electroimpact）公司生產的E6000自動化電磁鉚接系統[14]。

從總體上看，自動化鉚接的鉚接質量好、鉚接效率高，但自動化鉚接系統結構復雜、整套自動化設備價格昂貴，在實際工程應用中也受到較大限制。

圖2 自動化電磁鉚接系統Fig.2 Automatic electromagnetic riveting

半自動化電磁鉚接托架

手工電磁鉚接和自動化電磁鉚接都有各自的優(yōu)缺點，本文結合某項目提供的錐形筒件結構，提出開發(fā)半自動化電磁鉚接托架。

1 托架結構設計

本文所設計的半自動化電磁鉚接托架通過氣缸控制實現鉚槍和頂鐵的自動前進、夾緊，通過電機控制實現工件的自動旋轉和角度調節(jié)，但需要手工放釘、半自動對中來輔助完成鉚接。該托架如圖3所示，包括以下幾部分：立柱、C型架單元、鉚槍工作單元、工件夾緊單元、工件旋轉單元、工件角度控制單元，以及工件平移單元。

圖3 系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of bracket structure

立柱為C型架單元提供支撐；C型架單元保證鉚槍和頂鐵Z軸同步移動；鉚槍工作單元實現鉚接；PLC控制氣缸實現鉚接單元的夾緊和釋放，同時控制鉚槍充放電；工件旋轉單元和角度控制單元實現鉚接孔所在母線垂直鉚槍和頂鐵的中心軸線；工件平移單元使工件的待鉚接孔沿X方向移動定位到鉚槍和頂鐵的中間。

2 半自動化工作流程

錐形結構半自動化電磁鉚接過程的工作流程如圖4所示。首先對工件進行夾緊，設定工件傾斜角度，轉動轉臺，使工件待鉚接孔所在母線垂直鉚槍和頂鐵的中心軸線；在X方向移動工件，使工件待鉚接孔所在母線位于鉚槍和頂鐵中間；調節(jié)C型架單元高度，使鉚槍、頂鐵和待鉚接孔的軸線三線合一；最后鉚槍開始工作。

圖4 系統工作流程Fig.4 Bracket work flow chart

關鍵技術

1 鉚槍、頂鐵和錐形工件的對中

電磁鉚槍工作過程中對對中性要求比較高，對中精度直接影響著鉚接質量，所謂的對中性指鉚槍軸線、頂鐵軸線、鉚接孔軸線三線合一[15]。手工電磁鉚接質量不穩(wěn)定的一個重要原因是鉚接過程中鉚槍和頂鐵的對中性不能保證。

1.1 鉚槍和頂鐵的自動對中

本文設計C型托架單元，來實現鉚槍和頂鐵的自動對中，如圖5所示。C型托架單元包括C型框架和平衡機構。鉚槍單元和頂鐵單元分別對稱安裝在C型框架豎梁下側。

C型框架采用整體式設計，并且在C型架兩個直角處增加兩個加強肋，用來增加C型架整體強度。在C型框架豎梁導軌的作用下，鉚槍單元和頂鐵單元可以實現在Z軸方向上移動的同步性。

平衡機構是通過氣壓來平衡鉚槍單元和頂鐵單元并同步機構重力，鉚接過程中在Z方向采用手工方式，操作者僅需克服導軌摩擦力即可實現鉚槍和頂鐵Z方向的定位移動，有效降低了勞動強度。

圖5 C型托架單元Fig.5 C-type bracket unit

1.2 鉚槍、頂鐵和鉚接孔的對中

由于鉚接對象為錐形筒狀工件，鉚槍軸線、頂鐵軸線與待鉚接孔法線存在一定的偏角，為了實現3線同軸，鉚槍和頂鐵相對工件需保證一定的可調節(jié)角度，如圖6所示。

圖6 工件鉚接示意圖Fig.6 Workpiece riveting diagram

錐形工件屬于單曲面，有固定角度α，本文設計工件角度控制單元，實現鉚槍、頂鐵軸線與工件母線垂直定位。工件角度控制單元主要包括蝸輪蝸桿傳動機構和伺服電機。蝸輪和圓盤托架焊接在一起，蝸桿通過軸承座支撐，蝸桿與伺服電機相連。PLC控制伺服電機轉動，帶動蝸輪蝸桿控制圓盤托架轉動相應的角度，蝸輪蝸桿具有自鎖性，電機停止轉動后，角度會被鎖定，如圖7所示。

調節(jié)角度時，預設置伺服電機額定轉速為v，r/min；編碼器每圈脈沖數為a1，pulse/r；蝸輪蝸桿傳動比為i；轉動角度需要達到0.01deg/pulse的精度。

伺服電機經蝸輪蝸桿減速機驅動，蝸輪每圈脈沖數為：

為了滿足蝸輪轉動的精度要求，蝸輪轉動每圈的脈沖數為36000pulse/r，則 a2=a1·i=36000。

給定蝸輪蝸桿傳動比，把編碼器每圈脈沖數設置到PLC中即可實現精度控制。

2 鉚槍工作時的減振系統設計

電磁鉚槍工作時，鉚槍頭產生高幅值脈沖力，使鉚釘完成塑性成形。根據相互作用原理，等幅值后坐力作用于托架，對托架整體剛度和穩(wěn)定性帶來不利影響，高效的減振系統設計對保證托架的工作性能十分必要。

本文設計的減振系統主要包括緩沖器單元和氣缸緩沖單元兩部分，氣缸緩沖單元包括頂持氣缸、氣缸連接件，緩沖器單元包括氣缸夾緊裝置、夾緊滑板、緩沖器套、導向連接桿、緩沖器，如圖8所示。

圖7 調節(jié)角度機構Fig.7 Adjusting the angle mechanism

圖8 減振系統Fig.8 Shock mitigation system

在鉚槍工作過程中，氣缸緩沖單元有兩個作用：（1）給鉚槍單元提供恒定頂持力，解決手工鉚接頂持力不均勻導致的鉚接質量不穩(wěn)定問題；（2）鉚接結束瞬間，電磁鉚槍在鉚接后坐力的作用下高速后移，壓縮氣缸活塞，氣缸氣壓與后坐力相抵抗，起到緩沖減振的作用，有效減少鉚接后坐力。

緩沖器單元中，緩沖器套和夾緊滑板焊為一體，電磁鉚接前，氣缸夾緊裝置夾緊滑板，在鉚接結束瞬間，電磁鉚槍高速后移，鉚槍單元通過導向連接桿接觸到緩沖器接頭并壓縮緩沖器，緩沖器開始儲能吸收后坐力，起到減振作用。

電磁鉚槍減振系統中，把鉚槍所受的摩擦力和緩沖器的緩沖力歸為系統阻尼，把所受的氣缸阻力等效為彈簧，系統可以簡化為鉚槍質量M、彈簧K和阻尼C的模型，如圖9所示。鉚槍由初始位置開始壓縮氣缸和緩沖器至最大壓縮行程，然后在氣缸頂持力的作用下恢復到初始位置。固定端承受該系統傳遞過來的由小到大，再由大到小變化的作用力FR，該力即為C型架承受的后坐力。氣缸為儲能元件，在沒有外界摩擦力的情況下會帶動鉚槍做來回振蕩的周期運動，若系統沒有阻尼，運動將止于機械之間的撞擊，而機械之間的撞擊亦是噪音的來源。

圖9 減振系統模型Fig.9 Vibration system model

由動量定理：

結論

參照目前已廣泛使用的手工電磁鉚接，設計了應用于錐形件結構的半自動化電磁鉚接托架。該托架為電磁鉚接技術在錐形件結構裝配中的應用提供了一條新的思路，并且可以解決手工電磁鉚接對中性差、頂持力不均勻、后坐力大等問題，實現高質量鉚接，大幅度降低勞動強度及產品制造成本。

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