韓志仁 ，呂彥盈 ，劉寶明 ，李光俊

（1. 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航工程學(xué)部，沈陽 110136；3.中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092）

航空導(dǎo)管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形式多樣，在燃油、氧氣、液壓、環(huán)境控制等飛機(jī)系統(tǒng)中起著壓力傳遞、燃油輸送、保護(hù)電纜的作用[1]。航空導(dǎo)管是飛機(jī)上關(guān)鍵的組成部件之一，在飛機(jī)系統(tǒng)中的地位舉足輕重，但是其組成相對簡單，航空導(dǎo)管主要由單一導(dǎo)管、焊接導(dǎo)管和組合導(dǎo)管3大部分組成[2]。單管整體成形能保證單管具有很高的強(qiáng)度和韌性，其成形方法有兩種：手工加工和數(shù)控彎管機(jī)，通常采用數(shù)控彎管機(jī)，其自動化程度高，能保證單管達(dá)到很高的制造精度。焊接導(dǎo)管包括標(biāo)準(zhǔn)半管和非標(biāo)準(zhǔn)半管，主要采用焊接的方法成形。組合導(dǎo)管主要是通過導(dǎo)管接頭、法蘭等將導(dǎo)管和導(dǎo)管連接在一起，其成形方法主要是組裝焊接。因此，航空導(dǎo)管又可分為焊接類導(dǎo)管和非焊接類導(dǎo)管兩大類。

1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

最近幾年，通過數(shù)控彎管機(jī)、激光矢量測量機(jī)等設(shè)備[3]，基本實現(xiàn)了無擴(kuò)口、有擴(kuò)口、柔性連接等非焊接類的導(dǎo)管數(shù)字化制造。然而，焊接類航空導(dǎo)管的制造工藝仍采用傳統(tǒng)的取實樣模式，在飛機(jī)上取樣，制成樣管。這種方法過程反復(fù)、尺寸精度差、效率低，無法滿足導(dǎo)管數(shù)字化制造的需求[4]。

目前，國外通過在CATIA中對導(dǎo)管接頭、法蘭、支管等建立三維模型，對導(dǎo)管進(jìn)行虛擬焊接和裝配，已廣泛將 CAD/CAM 一體化制造技術(shù)應(yīng)用于航空導(dǎo)管的生產(chǎn)制造過程，并開始逐漸地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的取實樣制造導(dǎo)管模式，大大提高了導(dǎo)管生產(chǎn)制造的效率[5-6]。針對目前國內(nèi)航空飛機(jī)焊接類導(dǎo)管的生產(chǎn)現(xiàn)狀，對組合焊接導(dǎo)管數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。從數(shù)字化裝配工裝設(shè)計到制造，再到自動焊接，對飛機(jī)焊接導(dǎo)管的裝配過程進(jìn)行了一系列系統(tǒng)的論述。以導(dǎo)管數(shù)模為依據(jù)，通過焊接導(dǎo)管工裝設(shè)計、工裝制造和自動焊接技術(shù)，實現(xiàn)焊接導(dǎo)管的數(shù)字化制造。

2 焊接導(dǎo)管數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)

焊接導(dǎo)管數(shù)字化制造依據(jù)是導(dǎo)管數(shù)模，通過焊接方法將單管、標(biāo)準(zhǔn)半管、非標(biāo)準(zhǔn)半管、管接頭等裝配在一起，焊接前利用工裝使單管、標(biāo)準(zhǔn)半管、非標(biāo)準(zhǔn)半管、管接頭保持正確的相對位置并通過夾緊器進(jìn)行固定。傳統(tǒng)的導(dǎo)管焊接工裝利用樣管進(jìn)行焊機(jī)工裝的裝配制造，焊接采用人工焊接方式。由于焊接導(dǎo)管數(shù)字化制造采用導(dǎo)管數(shù)模作為依據(jù)，焊接導(dǎo)管數(shù)字化制造中單管、標(biāo)準(zhǔn)半管、非標(biāo)準(zhǔn)半管、管接頭的定位件和夾緊件等的安裝方式發(fā)生了變化，主要體現(xiàn)在焊接工裝的設(shè)計、制造方面，同時采用數(shù)控自動焊接設(shè)備進(jìn)行焊接。因此，導(dǎo)管裝配焊接導(dǎo)管從工裝設(shè)計、制造到焊接均不同于傳統(tǒng)以模擬量為依據(jù)的制造方法，其關(guān)鍵技術(shù)包括工裝設(shè)計技術(shù)、工裝制造技術(shù)和自動焊接技術(shù)等。

2.1 焊接導(dǎo)管裝配工裝設(shè)計技術(shù)

焊接導(dǎo)管數(shù)字化制造中，工裝設(shè)計采用數(shù)字化設(shè)計方法，建立焊接工裝的數(shù)學(xué)模型，同時在工裝數(shù)字化設(shè)計中考慮后續(xù)的數(shù)字化制造的工藝和方法，在結(jié)構(gòu)形式、定位方法等方面考慮制造工藝的可行性。導(dǎo)管焊接工裝裝配過程中可以采用孔定位方法或激光跟蹤儀測量定位方法，由于導(dǎo)管焊接工裝的定位和夾緊件尺寸小，不適合工具球的安裝和激光跟蹤儀的測量，建議盡量避免采用激光跟蹤儀定位的方法?？锥ㄎ坏姆椒ㄍ耆梢詽M足焊接導(dǎo)管裝配的精度要求，焊接工裝的定位件采用數(shù)控加工的方法，保證基準(zhǔn)和定位面的正確的相對位置關(guān)系[7]。

圖1 多孔基準(zhǔn)板Fig.1 Worktable regarding hole as a datum

為了保證導(dǎo)管焊接工裝規(guī)范性和降低成本，焊接工裝采用多孔基礎(chǔ)板作為基礎(chǔ)部件（圖1），將焊接導(dǎo)管的定位件、夾緊件連接在一起，通過孔的精確定位，保證焊接導(dǎo)管工裝的各個零件之間的正確位置，同時通過基準(zhǔn)孔將導(dǎo)管焊接工裝的坐標(biāo)系與焊機(jī)的坐標(biāo)系擬合在一起，保證自動焊接的軌跡正確性。

2.2 焊接導(dǎo)管裝配工裝制造技術(shù)

焊接導(dǎo)管工裝設(shè)計采用了標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)板，基礎(chǔ)板的孔用于保證零件的準(zhǔn)確位置。對于批量生產(chǎn)的導(dǎo)管，設(shè)計一套專用的焊接定位件可使導(dǎo)管制造的效率高，一致性好[8]。在制造時采用數(shù)控加工方法對定位件進(jìn)行制造，保證定位件定位部分與定位孔的相對位置關(guān)系，定位件與基礎(chǔ)板通過兩個孔進(jìn)行定位，以便保證制造的工裝符合數(shù)模要求。具體連接定位關(guān)系如圖2所示。

圖2 焊接導(dǎo)管工裝連接定位關(guān)系Fig.2 Connection and orientation relationship of welding tube tooling

2.3 導(dǎo)管自動焊接技術(shù)

導(dǎo)管組裝焊接采用熔焊方法，焊接設(shè)備可以采用工業(yè)機(jī)器人作為主體，完成焊接動作（圖3）。首先通過焊接工裝的基準(zhǔn)將焊機(jī)和工裝坐標(biāo)系統(tǒng)一，以便按數(shù)模進(jìn)行焊接編程。導(dǎo)管的自動焊接難度大，主要因為焊縫為空間曲線，因此，焊接過程中需要解決坐標(biāo)系擬合、焊縫跟蹤和修正、焊接參數(shù)選擇、焊條進(jìn)給控制等問題。

2.3.1 坐標(biāo)系擬合

自動焊機(jī)通過組合焊接導(dǎo)管的數(shù)模進(jìn)行焊接編程，所以需要實現(xiàn)焊機(jī)坐標(biāo)系和工裝數(shù)模坐標(biāo)系的擬合[9]。坐標(biāo)系的擬合包括坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)，焊機(jī)坐標(biāo)系先通過旋轉(zhuǎn)得到中間過渡坐標(biāo)系，再將中間過渡坐標(biāo)系通過平移得到工裝數(shù)模坐標(biāo)系，這樣就實現(xiàn)了從焊機(jī)坐標(biāo)系到工裝數(shù)模坐標(biāo)系之間的復(fù)合變換，如圖4所示。

圖3 采用工業(yè)機(jī)器人對導(dǎo)管進(jìn)行自動焊接Fig.3 Automatic welding on the tube by industrial robot

圖4 坐標(biāo)變換Fig.4 Coordinate transformation

焊機(jī)坐標(biāo)系通過旋轉(zhuǎn)變換得到中間過渡坐標(biāo)系，使得中間過渡坐標(biāo)系和工裝數(shù)模坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向一致且相互平行。假設(shè)一點(diǎn)P在焊機(jī)坐標(biāo)系{R}下的坐標(biāo)為RP=（xRzRzR）T，在中間過渡坐標(biāo)系{A}下的坐標(biāo)為AP=（xAzAzA）T，焊機(jī)坐標(biāo)系繞中間過渡坐標(biāo)系的z、y、x軸分別旋轉(zhuǎn)α、β、γ角，由于每次旋轉(zhuǎn)都是相對于固定的參考系（即中間過渡坐標(biāo)系）進(jìn)行的，則從焊機(jī)坐標(biāo)系到中間過渡坐標(biāo)系的齊次旋轉(zhuǎn)變換為：

此時經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換得到的中間過渡坐標(biāo)系，和工裝數(shù)模坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向一致且相互平行，但坐標(biāo)原點(diǎn)不重合，需要對中間過渡坐標(biāo)系{A}通過平移變換，得到工裝數(shù)模坐標(biāo)系{U}。則齊次方程平移變換關(guān)系為：

式中a、b、c表示點(diǎn)P從中間過渡坐標(biāo)系{A}到工裝數(shù)模坐標(biāo)系{U}的偏移量。所以其復(fù)合轉(zhuǎn)換矩陣為：

2.3.2 焊縫跟蹤和修正

焊縫位置在數(shù)模中已經(jīng)給出，根據(jù)焊縫位置的空間軌跡進(jìn)行數(shù)控編程，由于零件制造誤差、安裝對合誤差等原因，造成理論焊縫與實物焊縫出現(xiàn)微小偏差，需要采用焊縫位置自動識別的視覺系統(tǒng)進(jìn)行修正。該系統(tǒng)包括工業(yè)攝像模塊、圖像處理模塊、自動糾偏調(diào)節(jié)模塊、可視化操作界面、高性能計算機(jī)處理單元及軟件，實現(xiàn)焊縫自動識別。通過識別的焊縫空間曲線與理論焊縫進(jìn)行對比，計算補(bǔ)償量，修正焊接軌跡，驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人按修正的焊接軌跡運(yùn)動，構(gòu)成完整的自動焊縫糾偏焊接系統(tǒng)[11]。

2.3.3 焊接參數(shù)選擇

在飛機(jī)導(dǎo)管焊接過程中，使用的材料主要是鋁合金、鈦合金等。導(dǎo)管焊接需要根據(jù)導(dǎo)管的壁厚、材料、焊機(jī)性能等選擇焊接參數(shù)（表1[12]），除了選擇適合的填充材料、焊接電流、電弧電壓、焊接速度外，對于自動焊接，焊條進(jìn)給速度需要給定，保證焊條端部和導(dǎo)管之間保持合理的間隙，使焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.3.4 焊條進(jìn)給控制

由于焊接電流和焊條直徑不同，那么焊條的進(jìn)給速度也有很大的變化。當(dāng)進(jìn)給速度較小時，使得焊條的融化過程不連續(xù)，形成不規(guī)則的焊縫；當(dāng)進(jìn)給速度過大時，焊條有可能來不及融化，從而直接影響焊接過程。由此可以看出，導(dǎo)管焊接過程中，焊條的進(jìn)給速度和焊接速度的配合在一定程度上和焊縫的成型有很大的關(guān)系。在給定焊接速度情況下可以理論上計算焊條的進(jìn)給速度，將該參數(shù)作為焊接的初始依據(jù)，在進(jìn)行導(dǎo)管初步焊接試驗后可以進(jìn)行微調(diào)。

3 結(jié)束語

在飛機(jī)數(shù)字化制造的大環(huán)境下，導(dǎo)管數(shù)字化制造勢在必行，目前單管已經(jīng)基本實現(xiàn)數(shù)控彎管，組合焊接管在數(shù)字化制造方面進(jìn)展緩慢。本文闡述了焊接導(dǎo)管數(shù)字化制造的體系，對關(guān)鍵問題進(jìn)行了論述，在焊接導(dǎo)管數(shù)字化制造方面具有一定的指導(dǎo)意義。實現(xiàn)焊接導(dǎo)管的數(shù)字化制造，不僅縮短導(dǎo)管工裝設(shè)計周期，提高了導(dǎo)管的生產(chǎn)效率，使導(dǎo)管制造擺脫實樣的牽制，而且保證飛機(jī)導(dǎo)管質(zhì)量的穩(wěn)定，實現(xiàn)了導(dǎo)管的快速生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)中具有一定的使用價值。

表1 焊接參數(shù)

參 考 文 獻(xiàn)

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