喻 龍 ，章易鐮 ，王宇晗 ，劉 鋼

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240;2.上海拓璞數(shù)控科技有限公司，上海 201111）

飛機(jī)壁板的連接質(zhì)量對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)外形及其疲勞壽命有至關(guān)重要的影響[1]，鉚接作為一種傳統(tǒng)的機(jī)械連接技術(shù)，由于其連接可靠、質(zhì)量輕、成本低等特點(diǎn)被廣泛用于航空航天領(lǐng)域[2]，因此鉚接質(zhì)量對(duì)飛機(jī)的安全性能有重要的影響。1988年阿羅哈航空243號(hào)班機(jī)事故（Aloha Airlines Flight 243 incident）發(fā)生的主要原因之一就在于鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞失效[3]。影響鉚接質(zhì)量的主要因素有兩個(gè)：制孔與鉚接。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%的飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故源于結(jié)構(gòu)連接部件的疲勞失效，其中80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處[4]。傳統(tǒng)的手工制孔質(zhì)量一致性差，效率低，制孔精度難以保證，鉚接連接件的質(zhì)量受鉚接方法、鉚接干涉量及鉚釘種類等多種因素的影響。手工鉚接所提供的鉚接力小，鐓頭尺寸難以控制，成形后鉚釘釘桿膨脹量分布不均勻，無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻干涉配合鉚接。

采用自動(dòng)鉆鉚技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)壁板的制孔和鉚接是提高飛機(jī)裝配質(zhì)量與效率的有效途徑[5]。資料顯示，手工鉆鉚效率平均為15s/釘，自動(dòng)鉆鉚效率最快能達(dá)到3s/釘，效率提高5倍；手工鉚接鐓頭高度公差為±0.5mm，自動(dòng)鉆鉚所形成鐓頭高度公差能達(dá)到±0.05mm，精度提高10倍。自動(dòng)鉆鉚設(shè)備按結(jié)構(gòu)形式可分為龍門(mén)式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)、C型架式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)以及機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。前兩種設(shè)備剛性好，精度高，提供的鉚接力大，可用于開(kāi)敞性好的大型結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)鉆鉚；機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)成本低，運(yùn)動(dòng)靈活，空間利用率高，可達(dá)性高，適用于開(kāi)敞性差的壁板的自動(dòng)鉆鉚裝配。自動(dòng)鉆鉚設(shè)備按鉚接驅(qū)動(dòng)方式又可分為氣動(dòng)錘鉚、伺服壓鉚和電磁鉚接。氣動(dòng)錘鉚結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，鉚接力小，易于集成，與工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢(shì)[6-9]。伺服壓鉚采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，行星滾珠絲杠傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高精度、大負(fù)載的伺服壓鉚，較傳統(tǒng)的氣動(dòng)鉚接具備更高的控制精度與柔性化的速度調(diào)節(jié)能力[10]，能夠按照設(shè)定的位移曲線或力曲線進(jìn)行加載，目前已成功取代液壓鉚接廣泛運(yùn)用在飛機(jī)裝配中。電磁鉚接是在電磁成形工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型鉚接工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)鈦合金和復(fù)合材料的連接，以及大直徑和難成形材料鉚釘成形[11-16]。

本文將以國(guó)外三大主要自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)供應(yīng)商的產(chǎn)品為例，論述自動(dòng)鉆鉚技術(shù)研究現(xiàn)狀，并對(duì)國(guó)內(nèi)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀做簡(jiǎn)要分析，最后總結(jié)其研制所需攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

國(guó)外自動(dòng)鉆鉚技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

自動(dòng)鉆鉚技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已成為能夠自動(dòng)完成定位、制孔、送釘、鉚接及檢測(cè)功能的先進(jìn)制造技術(shù)。國(guó)外自動(dòng)鉆鉚設(shè)備主要供應(yīng)商以美國(guó)捷姆科（GEMCOR）、EI（Electroimpact）、德國(guó)寶捷（BROETJE）、意大利B&C（BISUACH & CARRU）為代表，各公司的典型產(chǎn)品型號(hào)及其應(yīng)用情況如表1所示。此外，西班牙M.TORRES公司、法國(guó)ALEMA公司等在自動(dòng)鉆鉚設(shè)備方面也有自己的產(chǎn)品[17]。

1 GEMCOR公司

GEMCOR（通用電氣機(jī)械公司）是美國(guó)最早的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備制造商[18]，已有超過(guò)75年的歷史，也是世界各大飛機(jī)制造公司的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備主要供應(yīng)商之一。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，GEMCOR已研制出以機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙等為加工對(duì)象的系列化自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。

其中，機(jī)身自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)最新型號(hào)包括G12、G86及G2000。G12采用全5軸CNC系統(tǒng)，集成全電驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器、自適應(yīng)控制氣動(dòng)壓腳、自動(dòng)點(diǎn)膠裝置、自動(dòng)送釘系統(tǒng)及法向測(cè)量與調(diào)整裝置，最大壓鉚力達(dá)到7t，鉚釘安裝效率19顆/min，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)到9.75m的機(jī)身壁板自動(dòng)裝配[19]。G86在G12的基礎(chǔ)上增加了機(jī)床尺寸及承載能力，采用G2000的C型架后可用于半機(jī)身裝配[20]。G2000采用7軸CNC系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)180°半機(jī)身壁板鉚接[21]。

GEMCOR機(jī)翼自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)中央翼盒、機(jī)翼前緣等處的多規(guī)格無(wú)頭鉚釘?shù)淖詣?dòng)鉆鉚。采用“squeeze-squeeze”雙擠壓的鉚接方式，能夠保證鉚釘沿頂桿方向均勻膨脹[22]，增加鉚接干涉量，顯著提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，并獲得良好的密封性[23]。G14為GEMCOR新型機(jī)翼自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)翼翼梁及中央翼盒等特定機(jī)翼部件的裝配，如圖2所示。

此外，GEMCOR還研制了發(fā)動(dòng)機(jī)短艙自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)和機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙鉆鉚系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙處多規(guī)格材料的鉚接，包括鉻鎳鐵合金、鈦合金以及碳纖維復(fù)合材料等。GEMCOR機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)采用雙編碼器與視覺(jué)再同步技術(shù)提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度，從而滿足飛機(jī)機(jī)身、登機(jī)門(mén)等飛機(jī)部件的自動(dòng)鉆鉚裝配。

表1 國(guó)外自動(dòng)鉆鉚設(shè)備主要供應(yīng)商

2 EI公司

EI公司成立于1986年，以低壓電磁鉚接技術(shù)為核心，研制了一系列的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，并已廣泛運(yùn)用在飛機(jī)裝配中[11]。經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，EI已經(jīng)成為世界自動(dòng)裝配領(lǐng)域最具競(jìng)爭(zhēng)力的公司之一[24]。其開(kāi)發(fā)的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)包括E3000～E7000系列及機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。

2.1 E3000～E7000自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)

圖1 GMECOR G2000半機(jī)身自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)Fig.1 G2000 half-fuselage fastening system

圖2 G14 機(jī)翼自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)Fig.2 G14 wing fastening system

E3000是專用于飛機(jī)翼梁自動(dòng)裝配生產(chǎn)線ASAT（Automatic Spar Assembly Tool）[25-27]上的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。為滿足不同飛機(jī)機(jī)翼裝配需求，EI已經(jīng)研制出6套自動(dòng)翼梁裝配生產(chǎn)線ASAT1-ASAT6，最新的ASAT6能夠兼容包括鈦合金高鎖螺栓、有頭鉚釘、無(wú)頭鉚釘及航空螺母等100多種緊固件，極大地提高了機(jī)翼翼梁裝配效率。E3000采用一次裝夾夾具（One-up Assembly Fixture），集 成 BUCA 夾 緊 系 統(tǒng)（BUCA Clamp-up System）[28]、自動(dòng)送釘技術(shù)、孔檢測(cè)技術(shù)、電磁鉚接技術(shù)EMR(Electromagnetic Riveter)等 ,能夠完成機(jī)翼翼梁的高精度裝配。

E4000系列自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)用于空 客 A320、A340、A380等飛機(jī) 機(jī)翼壁板的自動(dòng)鉆鉚裝配，其加工對(duì)象為NAS1321AD系列無(wú)頭鉚釘、ABS0550VHK高鎖螺栓以及EN6114螺栓。E4000和E4320用于空客A320的機(jī)翼裝配[29-30],E4320是E4000的發(fā)展型號(hào)，該設(shè)備采用新型低壓電磁鉚接設(shè)備LVER（Low-Voltage Electromagnetic Riveting），無(wú)頭鉚釘安裝效率為12顆/min，高鎖螺栓及螺母安裝8顆/min。E4150 Flex能夠?qū)Τ^(guò)30種不同類型的機(jī)翼進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚裝配[31]，具備高速、高柔性的特點(diǎn)。E4100用于連接機(jī)翼縱梁和機(jī)翼壁板，以及完成機(jī)翼搭接接頭處的緊固件連接，實(shí)現(xiàn)空客A340-600機(jī)翼上下壁板的裝配。E4380在前期E4000系列機(jī)床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，增加了一個(gè)Z軸，A軸和B軸的最大行程達(dá)到±15°，能夠?qū)崿F(xiàn)大曲率壁板自動(dòng)鉆鉚裝配，最大緊固件連接直徑達(dá)12.7mm，用于空客A380機(jī)翼裝配[32]，如圖3所示。

E5000用于波音787機(jī)身整體桶段的自動(dòng)鉆鉚裝配[33]。由于機(jī)身整體桶段開(kāi)敞性差，體積、重量較大，變形嚴(yán)重，且緊固件類型復(fù)雜，為此優(yōu)化鉚接作業(yè)空間，采用內(nèi)外兩個(gè)分離式的鉚頭，通過(guò)一套CNC控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)身的高精度裝配。此外，采用偏心式鉚頭設(shè)計(jì)，增加末端執(zhí)行器的可達(dá)性，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉚接設(shè)備無(wú)法完成的鉚接[34]。

E6000為新一代機(jī)翼自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，相比于E4000，其速度更快，重量更輕，采用最新的LVER技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)頭鉚釘16顆/min的鉚接速度。支線客機(jī)ARJ21的機(jī)翼自動(dòng)裝配系統(tǒng)采用的便是E6000[35]。

E7000[36]是EI為滿足土耳其航空對(duì)于大曲率壁板高速裝配而研制的最新龍門(mén)式機(jī)身自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)（見(jiàn)圖4），號(hào)稱世界上最快的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備，其無(wú)頭鉚釘鉚接速率達(dá)到20顆/min。采用FANUC定制數(shù)控系統(tǒng)及全伺服驅(qū)動(dòng)定位器，不僅能實(shí)現(xiàn)高精度位置控制鉚接，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)可靠的力控制鉚接；研制的鉚釘自動(dòng)排除裝置，增加了系統(tǒng)的可靠性；設(shè)計(jì)了鉚釘未入孔檢測(cè)裝置，防止對(duì)壁板造成損傷；并優(yōu)化了法向測(cè)量、鉚釘長(zhǎng)度檢測(cè)、鐓頭高度檢測(cè)等智能檢測(cè)功能。

2.2 機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)

伴隨著工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展，機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)在航空制造領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色。EI早在2001年就研制了一套機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)ONCE（One-sided Cell End Effector），用于波音 F/A-18E/F 的機(jī)翼后緣襟翼的制孔和锪窩[37]。并于2008年研制出一臺(tái)用于波音787機(jī)翼后緣裝配的自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人[38]。此后又分別在2012年和2014年推出新型機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)[39-40]，用于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身部段、襟翼等其他飛機(jī)部件的高精度制孔、檢測(cè)與鉚接。該機(jī)器人采用第二反饋系統(tǒng)，高階動(dòng)力學(xué)模型以及集成式CNC系統(tǒng)，使得機(jī)器人定位精度達(dá)到±0.25mm，滿足飛機(jī)裝配精度需求。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)多功能末端執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)工件單側(cè)夾緊、自動(dòng)法向調(diào)整、真空排屑、自動(dòng)送釘、高精度制孔與鉚接等先進(jìn)功能，極大地?cái)U(kuò)展了機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)功能，如圖5所示。

圖3 E4380 機(jī)翼自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)Fig.3 E4380 wing panel machine

圖4 E7000機(jī)身自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)Fig.4 E7000 fuselage riveting system

3 BROETJE自動(dòng)化公司

BROETJE自動(dòng)化公司是全球航空航天領(lǐng)域自動(dòng)鉆鉚設(shè)備的主要供應(yīng)商之一，其自動(dòng)鉆鉚設(shè)備功能強(qiáng)大，種類齊全，廣泛運(yùn)用在空客、波音的裝配生產(chǎn)線上，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919機(jī)身壁板裝配采用的就是BROETJE的MPAC自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)[41]。

圖5 EI 輪式移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)Fig.5 Mobile robot for drilling,inspection and fastening

BROETJE公司已形成多功能自動(dòng)鉆鉚設(shè)備體系，包括MPAC（Multi Panel Assembly Cell） 通用壁板裝配單 元[42-44]、IPAC（Integrated Panel Assembly Cell）集成式壁板裝配單元[45]、CPAC（C-frame Panel Assembly Cell）C型架式壁板裝配單元、RACe（Robot Assembly Cell）機(jī)器人裝配單元、WPAC（Wing Panel Assembly Cell）機(jī)翼裝配單元等多種壁板自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。其中MPAC最具代表性，能夠適應(yīng)不同類型飛機(jī)壁板的裝配，該系統(tǒng)采用全電驅(qū)動(dòng)鉚接系統(tǒng)（AEFS）[46]、智能化緊固件輸送系統(tǒng)、柔性工裝等先進(jìn)制造技術(shù)，保證飛機(jī)壁板的高速、高精度裝配。AEFS能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)部件諸如壁板、桁條、框、筒段等部件的自動(dòng)鉆鉚，相比于傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)鉚接，其加工范圍更廣、無(wú)泄漏危險(xiǎn)、維護(hù)性更好、鉚接效率更高（17顆/min）。智能化緊固件輸送系統(tǒng)能夠避免卡堵現(xiàn)象，降低設(shè)備停機(jī)成本；儲(chǔ)料盒采用電子編碼牌，紀(jì)錄儲(chǔ)料盒中的緊固件信息（型號(hào)、直徑、長(zhǎng)度等），實(shí)現(xiàn)緊固件全自動(dòng)加載；此外，采用智能檢測(cè)裝置，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)儲(chǔ)料盒中緊固件的數(shù)量，防止出錯(cuò)（見(jiàn)圖6）。

BROETJE在機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)方面也實(shí)現(xiàn)了很大突破。2009年，BROETJE采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人，為歐洲直升機(jī)公司（Eurocopter）研制了一臺(tái)飛機(jī)貨艙門(mén)自動(dòng)鉆鉚裝配系統(tǒng) RACe[47]。RACe在 KUKA KR360工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，通過(guò)機(jī)器人校準(zhǔn)及壓力補(bǔ)償、網(wǎng)格補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償，使得機(jī)器人的定位精度提高到±0.3mm。采用新型多功能末端執(zhí)行器，集自動(dòng)制孔、涂膠、送釘、鉚接功能于一體，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)貨艙門(mén)高效率自動(dòng)鉆鉚裝配。該系統(tǒng)最大壓鉚力達(dá)到3t，自動(dòng)鉆鉚循環(huán)時(shí)間為10.25s。

圖6 MPAC 自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)Fig.6 Multi panel assembly cell fastening system

國(guó)內(nèi)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)早在20世紀(jì)70年代初就對(duì)自動(dòng)鉆鉚設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)研制工作，包括沈飛、哈飛及北京航空制造工程研究所等，但受限于工業(yè)水平，所研制的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備存在諸多缺陷，使得其無(wú)法在航空制造領(lǐng)域廣泛運(yùn)用[48]。80年代后期隨著改革開(kāi)放與轉(zhuǎn)包生產(chǎn)模式的發(fā)展，國(guó)內(nèi)各大航空制造廠開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上與國(guó)內(nèi)高校合作進(jìn)行自主研發(fā)，取得了一定的成果[24]。如西飛公司引進(jìn)了GEMCOR公司G4026SXX-120自動(dòng)鉆鉚機(jī)，并在1995年與西工大聯(lián)合研制了機(jī)翼托架系統(tǒng)。成飛公司在引進(jìn)G4026型自動(dòng)鉆鉚機(jī)后，與西南交大聯(lián)合開(kāi)發(fā)了數(shù)控托架系統(tǒng)。隨著新支線客機(jī)ARJ21、國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919等新飛機(jī)的研制與生產(chǎn)，以及更廣泛的國(guó)際合作，國(guó)內(nèi)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇[49-58]，浙大、北航、南航、哈工大、西工大等國(guó)內(nèi)各大高校及相關(guān)飛機(jī)制造商對(duì)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并取得了一定的成就。如北航2011年將機(jī)器人與自動(dòng)鉆鉚技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了用于飛機(jī)部件自動(dòng)裝配的機(jī)器人制孔系統(tǒng)。成飛2013年成功研制出塔式五軸數(shù)控法向鉆鉚系統(tǒng)。南航2014年采用龍門(mén)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了POGO柱托架調(diào)姿系統(tǒng)，并在UMAC控制器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了自動(dòng)鉆鉚機(jī)的控制系統(tǒng)。上海拓璞數(shù)控依靠在五軸數(shù)控加工領(lǐng)域的多年經(jīng)驗(yàn)，與上海交通大學(xué)合作，于2015年成功研制出中央翼自動(dòng)鉆鉚設(shè)備（見(jiàn)圖7），該設(shè)備集法向測(cè)量與調(diào)整、自動(dòng)涂膠、多規(guī)格自動(dòng)送釘、力/位伺服壓鉚等功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)中央翼上壁板處無(wú)頭鉚釘?shù)乃欧恒T，其最大壓鉚力能夠達(dá)到10t，自動(dòng)鉆鉚循環(huán)效率達(dá)8s/顆。

圖7 上海拓璞數(shù)控中央翼自動(dòng)鉆鉚設(shè)備Fig.7 Central wing panel machine developed by TOPNC

總地來(lái)說(shuō)，雖然我國(guó)在自動(dòng)鉆鉚技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展取得了顯著的進(jìn)步，但由于缺乏對(duì)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的系統(tǒng)研究及高精度機(jī)床制造水平較低，所研制的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備精度低、穩(wěn)定性差、可靠性無(wú)法保證，因此還沒(méi)有廣泛應(yīng)用到實(shí)際的飛機(jī)裝配中，國(guó)內(nèi)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)從研制到實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

自動(dòng)鉆鉚關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)壁板的自動(dòng)鉆鉚裝配，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)集檢測(cè)、制孔、鉚接等多種功能于一體，涉及高精度定位技術(shù)、制孔質(zhì)量在線檢測(cè)、自動(dòng)送釘、離線編程與仿真等多種關(guān)鍵技術(shù)。

1 高精度定位技術(shù)

高精度定位包括兩方面的內(nèi)容：機(jī)床自身定位精度與工件在機(jī)床中的定位精度，涉及高剛性機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償技術(shù)，壁板法向測(cè)量技術(shù)，工件視覺(jué)自動(dòng)定位技術(shù)。

1.1 高剛性機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償

由于自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)承受的負(fù)載較大，尤其是壓鉚過(guò)程。一方面，壓鉚成型所需壓鉚力較大，如NAS1321無(wú)頭鉚釘，其最大壓鉚力能夠達(dá)到5.9t[59]；另一方面，托架作為自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的重要組成部分，用于支撐、定位、夾緊飛機(jī)壁板，由于其自身尺寸長(zhǎng)、重量大，如上海拓璞研制的中央翼自動(dòng)鉆鉚設(shè)備托架長(zhǎng)達(dá)9.5m，自重達(dá)3t ，托架自身變形嚴(yán)重，對(duì)加工點(diǎn)位置產(chǎn)生偏差，影響鉚接質(zhì)量，因此對(duì)高剛性機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究十分必要。

對(duì)于龍門(mén)式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，首先，由于A、B角通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)，巨大的壓鉚力將會(huì)傳遞到旋轉(zhuǎn)軸，使得該軸的靜態(tài)承載能力、傳動(dòng)間隙處理、動(dòng)態(tài)精度成為難點(diǎn)；其次，由于航空壁板尺寸大，龍門(mén)式自動(dòng)鉆鉚設(shè)備體積也會(huì)相應(yīng)增大，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大慣量，使得其運(yùn)動(dòng)控制成為難點(diǎn)，影響機(jī)床定位精度[60]。此外，對(duì)于托架變形補(bǔ)償，不同姿態(tài)下托架變形不同，使得空間姿態(tài)下托架變形補(bǔ)償技術(shù)成為難點(diǎn)[61]。

對(duì)于機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，由于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度只有±2.5mm，而典型的航空工業(yè)需求的絕對(duì)定位精度至少要達(dá)到±0.3mm[47]。盡管目前通過(guò)外部測(cè)量?jī)x器（如激光追蹤儀、室內(nèi)GPS以及視覺(jué)測(cè)量）及機(jī)器人示教模式能夠使機(jī)器人的精度基本滿足要求，但精度測(cè)量工具價(jià)格昂貴，對(duì)工作環(huán)境要求較高，而機(jī)器人示教模式只能針對(duì)單一產(chǎn)品，無(wú)法適應(yīng)產(chǎn)品變化[62]。為此需提高機(jī)器人的定位精度以滿足加工需求。機(jī)器人誤差主要由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型誤差、傳動(dòng)系統(tǒng)誤差、熱誤差及載荷變形誤差等組成[38]，其精度改善方法主要有機(jī)器人標(biāo)定與誤差補(bǔ)償技術(shù)，機(jī)器人標(biāo)定能夠建立更精確的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，但模型只考慮幾何參數(shù)因素的影響，對(duì)于非幾何參數(shù)因素如傳動(dòng)間隙、環(huán)境溫度的影響很難考慮[63]。誤差補(bǔ)償技術(shù)主要有網(wǎng)格補(bǔ)償[64]、載荷變形補(bǔ)償[65]、溫度補(bǔ)償[66]以及增加第二反饋[67]等。圖8 為EI在機(jī)器人輸出軸位置增加第二反饋后，機(jī)器人精度改善情況，可以看出，增加第二反饋后的機(jī)器人精度大幅提高，在±0.1mm以內(nèi)。目前，機(jī)器人誤差補(bǔ)償方法仍有待完善，機(jī)器人精度尚未完全滿足飛機(jī)裝配的精度要求。

1.2 工件視覺(jué)自動(dòng)定位技術(shù)

高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償技術(shù)是針對(duì)機(jī)床和機(jī)器人自身的定位精度而言，工件視覺(jué)自動(dòng)定位技術(shù)則用于精確定位工件在機(jī)床或機(jī)器人中的位置。由于裝配誤差，工件在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置與離線編程所建立的模型之間存在一定的偏離，為此需要通過(guò)測(cè)量工件上的定位基準(zhǔn)孔確定工件實(shí)際位置與理論位置的差值，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)工件的準(zhǔn)確定位。常見(jiàn)的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)硬件由工業(yè)相機(jī)、鏡頭以及環(huán)狀LED光源等組成，如圖9所示。工件視覺(jué)自動(dòng)定位系統(tǒng)的難點(diǎn)在于視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定，即確定相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的位置關(guān)系，目前的標(biāo)定方法精度低且過(guò)程復(fù)雜[68-70]，需進(jìn)一步改進(jìn)。

圖8 機(jī)器人增加第二反饋后精度比較Fig.8 Accuracy comparison: standard vs.enhanced

圖9 視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.9 Scheme of vision measurement system

1.3 壁板法向測(cè)量技術(shù)

理論上講，根據(jù)飛機(jī)壁板模型能夠獲得壁板孔位點(diǎn)處的法向，然而由于實(shí)際模型與理論模型存在偏差，從而導(dǎo)致孔位點(diǎn)處實(shí)際的法向與理論法向存在差異。而孔的垂直度是影響加工孔質(zhì)量的主要因素之一，它不僅會(huì)改變孔的直徑，而且影響壁板的鉚接質(zhì)量，導(dǎo)致連接不可靠[71-72]。試驗(yàn)表明，當(dāng)緊固件沿外載荷方向傾斜大于2°時(shí)，疲勞壽命會(huì)降低約47%；傾斜度大于5°時(shí)，疲勞壽命會(huì)降低約95%。因此，孔位點(diǎn)處的法向測(cè)量十分重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)曲面的法向測(cè)量進(jìn)行了大量的研究，包括向量叉積法[73-74]、二次曲面擬合法[75]、三角網(wǎng)格法[76]等，但各種方法都存在一定的局限性，如三角網(wǎng)格法，其計(jì)算復(fù)雜，往往需要測(cè)量幾十個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)，在實(shí)際的加工中不具實(shí)用性。此外，在向量叉積法中，常采用激光位移傳感器進(jìn)行非接觸法向測(cè)量，如圖10所示，Si表示激光傳感器的位置，紅色虛線表示其方向，并假定激光光斑在工件上位于同一平面內(nèi)，從而使得鉚接孔處的法向可由4個(gè)光斑構(gòu)成的向量的叉積求得。該方法中傳感器的位置與姿態(tài)標(biāo)定是測(cè)量的難點(diǎn)，盡管不少研究人員對(duì)此提出了新的方法[77-78]，但其有效性還有待驗(yàn)證,并且此方法對(duì)于傳感器的安裝有很高的要求，此外該方法對(duì)于大曲率壁板的法向測(cè)量無(wú)能為力。

2 制孔質(zhì)量在線檢測(cè)技術(shù)

制孔質(zhì)量對(duì)裝配質(zhì)量有重要影響，尤其是制孔直徑及锪窩尺寸。隨著干涉鉚接技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的廣泛使用，對(duì)制孔精度有了更高的要求[23]，因此研究高精度制孔檢測(cè)技術(shù)十分必要。EI公司在2013年研制了一套接觸式孔檢測(cè)裝置，該裝置在端部集成了一個(gè)孔徑規(guī)及光學(xué)編碼器，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并設(shè)計(jì)徑向浮動(dòng)裝配，避免探針與孔軸不重合時(shí)造成探針損壞。該裝置能夠在6s中獲得孔輪廓及锪窩深度信息[79]。上海拓璞數(shù)控于2016年研制了類似裝置，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，圖12為EI公司所研制測(cè)孔裝置的測(cè)量效果。

由于接觸式的孔檢測(cè)技術(shù)容易受潤(rùn)滑油及切屑的影響，EI公司又于2014年基于激光輪廓儀，采用Taubin橢圓擬合算法，研制了一套非接觸式的孔檢測(cè)系統(tǒng)[80]。該系統(tǒng)能夠快速、高精度獲得孔的輪廓信息，其測(cè)量示意圖如圖13所示。

圖10 激光位移傳感器的法向測(cè)量示意圖Fig.10 Normal measurement schematic using laser sensors

圖11 接觸式孔檢測(cè)裝置Fig.11 Contact hole probe device

圖12 疊層厚度為0.4英寸，間隙為0.02英寸的疊層材料孔檢測(cè)輪廓Fig.12 Example hole profile of 0.4” stackup of 2 plates with a 0.02"gap

3 自動(dòng)送釘技術(shù)

自動(dòng)送釘技術(shù)是將無(wú)序、散亂狀態(tài)的鉚釘整齊排列并按照需要依次輸送到鉚接工位，整個(gè)過(guò)程包括鉚釘?shù)亩ㄏ?、排列、存?chǔ)、選擇、分離及輸送[81]。自動(dòng)送釘技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的前提，法國(guó)AHG緊固件公司提出，自動(dòng)鉆鉚機(jī)停機(jī)故障中由送釘系統(tǒng)造成的因素占了90%[82]。自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩方面：

圖13 激光輪廓儀孔徑測(cè)量示意圖Fig.13 Measurement schematic with profilometer

（1）送釘?shù)目煽啃员ＷC。高可靠性是自動(dòng)送釘系統(tǒng)最主要的要求。一方面，卡釘會(huì)造成整個(gè)自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)停機(jī)，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，由于被連接件價(jià)格昂貴，送釘出錯(cuò)可能會(huì)導(dǎo)致被連接件的破壞。送釘系統(tǒng)的可靠性需對(duì)整個(gè)送釘系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，包括振動(dòng)排釘系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、插釘系統(tǒng)以及各個(gè)系統(tǒng)之間的接口，減少卡釘率；同時(shí)增加容錯(cuò)機(jī)制，一旦送釘出錯(cuò)，系統(tǒng)可簡(jiǎn)單、快速恢復(fù)。

（2）多規(guī)格鉚釘自動(dòng)送釘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于航空中使用的鉚釘規(guī)格多樣，因此需要自動(dòng)送釘系統(tǒng)具備兼容多規(guī)格鉚釘?shù)哪芰?，這就對(duì)自動(dòng)送釘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)。

EI公司在1995年的時(shí)候就研制了一套自動(dòng)送釘系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有頭鉚釘、無(wú)頭鉚釘及螺母等多種規(guī)格緊固件的快速、可靠的自動(dòng)輸送[83]。由于部分緊固件還是需要手動(dòng)輸送，為此EI公司在2008年又研制了一套針對(duì)少量多規(guī)格緊固件的自動(dòng)送釘系統(tǒng)[84]，并與原系統(tǒng)集成，形成了一套完整的自動(dòng)送釘系統(tǒng)，如圖14所示。

法國(guó)AHG公司作為全球知名緊固件供應(yīng)商，同時(shí)也提供自動(dòng)送釘系統(tǒng)，其研制的自動(dòng)送釘系統(tǒng)F2C2已被廣泛用于自動(dòng)鉆鉚設(shè)備中，寶捷、EI及GEMCOR等知名自動(dòng)鉆鉚設(shè)備廠商均采用了這套系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由3部分組成：振動(dòng)盤(pán)、裝釘系統(tǒng)及輸送。送釘系統(tǒng)通過(guò)振動(dòng)盤(pán)將無(wú)序、無(wú)規(guī)則的鉚釘按照一定順序依次排列，然后通過(guò)輸送管道進(jìn)入裝釘系統(tǒng)，由裝釘裝置將鉚釘存儲(chǔ)到儲(chǔ)料盒中，并按照需要將儲(chǔ)料盒放入輸送系統(tǒng)中，再由輸送系統(tǒng)將鉚釘輸送至孔內(nèi)，如圖15所示。

國(guó)內(nèi)在自動(dòng)送釘技術(shù)方面的研究主要以西飛、浙大[53]及南航[81,85]為代表，并取得了一定的成果。西飛公司自主研制了振動(dòng)式送釘系統(tǒng)，用于ARJ21機(jī)翼裝配時(shí)提供無(wú)頭鉚釘。浙大針對(duì)鉆鉚加工的需求設(shè)計(jì)了自動(dòng)送釘裝置，對(duì)振動(dòng)送料器、隔料機(jī)構(gòu)及氣動(dòng)控制回路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。南航設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)送釘系統(tǒng)，能夠完成近百種鉚釘?shù)淖詣?dòng)填充、選擇與輸送。

同國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)自動(dòng)送釘技術(shù)還比較落后，國(guó)外的自動(dòng)送釘設(shè)備已廣泛運(yùn)用在飛機(jī)裝配中，其自動(dòng)化、智能化已達(dá)到很高的程度，國(guó)內(nèi)尚處在研究階段，并且所研制的自動(dòng)送釘系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性還有待提高。

4 離線編程與仿真

離線編程[86-87]是根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型，從中提取出孔的位置及緊固件類型信息，從而規(guī)劃?rùn)C(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡，并根據(jù)緊固件類型生成自動(dòng)送釘系統(tǒng)識(shí)別的相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)NC自動(dòng)編程。離線仿真則是通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真及加工過(guò)程仿真，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查、軌跡優(yōu)化及鉚接質(zhì)量分析，檢驗(yàn)加工程序的合理性，避免加工過(guò)程中造成碰撞，提高自動(dòng)鉆鉚效率與鉆鉚質(zhì)量。離線編程與仿真一般包括孔位及緊固件類型信息提取模塊、數(shù)控自動(dòng)編程模塊、刀位文件生成模塊和離線仿真模塊[60]。離線編程與仿真的最大難點(diǎn)在于孔位及緊固件類型信息的提取。首先在建立產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型時(shí)就需要導(dǎo)入每個(gè)孔位點(diǎn)處緊固件的信息；其次由于飛機(jī)上孔位數(shù)量巨大、緊固件類型繁多，例如波音747每架有鉚釘200萬(wàn)個(gè)，伊爾86每架有鉚釘148萬(wàn)個(gè)[88]，其信息的提取與存儲(chǔ)工作量巨大。

圖14 EI自動(dòng)供釘系統(tǒng)Fig.14 Fasteners feeding system

圖15 AHG F2C2自動(dòng)送釘系統(tǒng)Fig.15 AHG F2C2 fasteners feeding system

結(jié)論

（1）對(duì)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研，并對(duì)國(guó)外三大自動(dòng)鉆鉚設(shè)備供應(yīng)商最先進(jìn)的產(chǎn)品進(jìn)行了介紹。

（2）總結(jié)了自動(dòng)鉆鉚技術(shù)中的四大關(guān)鍵技術(shù)，包括高精度定位技術(shù)、制孔質(zhì)量在線檢測(cè)、自動(dòng)送釘、離線編程與仿真，并對(duì)各技術(shù)的研究應(yīng)用狀況作了簡(jiǎn)要分析。

自動(dòng)鉆鉚技術(shù)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配自動(dòng)化的必然途徑，可極大地提高裝配質(zhì)量與裝配效率。國(guó)外在這一領(lǐng)域經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已形成較成熟的研究體系與實(shí)際產(chǎn)品，并廣泛運(yùn)用在航空壁板的自動(dòng)化裝配中。國(guó)內(nèi)則處在研究階段，許多關(guān)鍵技術(shù)尚未突破。伴隨著我國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目的實(shí)施，國(guó)內(nèi)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的發(fā)展將會(huì)迎來(lái)契機(jī)，在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上逆向研究，突破其核心技術(shù)，努力提高我國(guó)飛機(jī)自動(dòng)化裝配水平。

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