韓志仁 ，呂彥盈 ，劉寶明 ，李光俊

（1. 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空宇航工程學(xué)部，沈陽(yáng) 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(duì)簡(jiǎn)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(dòng)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(guò)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(lèi)導(dǎo)管和非焊接類(lèi)導(dǎo)管兩大類(lèi)。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

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

目前，國(guó)外通過(guò)在CATIA中對(duì)導(dǎo)管接頭、法蘭、支管等建立三維模型，對(duì)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(guò)程，并開(kāi)始逐漸地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的取實(shí)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(duì)目前國(guó)內(nèi)航空飛機(jī)焊接類(lèi)導(dǎo)管的生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)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(jì)到制造，再到自動(dòng)焊接，對(duì)飛機(jī)焊接導(dǎo)管的裝配過(guò)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(guò)焊接導(dǎo)管工裝設(shè)計(jì)、工裝制造和自動(dòng)焊接技術(shù)，實(shí)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(guò)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(duì)位置并通過(guò)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(jì)、制造方面，同時(shí)采用數(shù)控自動(dòng)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(jì)、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(jì)技術(shù)、工裝制造技術(shù)和自動(dòng)焊接技術(shù)等。

2.1 焊接導(dǎo)管裝配工裝設(shè)計(jì)技術(shù)

焊接導(dǎo)管數(shù)字化制造中，工裝設(shè)計(jì)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，建立焊接工裝的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)在工裝數(shù)字化設(shè)計(jì)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(guò)程中可以采用孔定位方法或激光跟蹤儀測(cè)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(cè)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(mǎn)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(duì)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(guò)孔的精確定位，保證焊接導(dǎo)管工裝的各個(gè)零件之間的正確位置，同時(shí)通過(guò)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(dòng)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(jì)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(duì)于批量生產(chǎn)的導(dǎo)管，設(shè)計(jì)一套專(zhuān)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(shí)采用數(shù)控加工方法對(duì)定位件進(jìn)行制造，保證定位件定位部分與定位孔的相對(duì)位置關(guān)系，定位件與基礎(chǔ)板通過(guò)兩個(gè)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(dòng)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(dòng)作（圖3）。首先通過(guò)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(dòng)焊接難度大，主要因?yàn)楹缚p為空間曲線，因此，焊接過(guò)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(wèn)題。

2.3.1 坐標(biāo)系擬合

自動(dòng)焊機(jī)通過(guò)組合焊接導(dǎo)管的數(shù)模進(jìn)行焊接編程，所以需要實(shí)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(guò)旋轉(zhuǎn)得到中間過(guò)渡坐標(biāo)系，再將中間過(guò)渡坐標(biāo)系通過(guò)平移得到工裝數(shù)模坐標(biāo)系，這樣就實(shí)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(duì)導(dǎo)管進(jìn)行自動(dòng)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(guò)旋轉(zhuǎn)變換得到中間過(guò)渡坐標(biāo)系，使得中間過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)于固定的參考系（即中間過(guò)渡坐標(biāo)系）進(jìn)行的，則從焊機(jī)坐標(biāo)系到中間過(guò)渡坐標(biāo)系的齊次旋轉(zhuǎn)變換為：

此時(shí)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換得到的中間過(guò)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(duì)中間過(guò)渡坐標(biāo)系{A}通過(guò)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(guò)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(duì)合誤差等原因，造成理論焊縫與實(shí)物焊縫出現(xiàn)微小偏差，需要采用焊縫位置自動(dòng)識(shí)別的視覺(jué)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(dòng)糾偏調(diào)節(jié)模塊、可視化操作界面、高性能計(jì)算機(jī)處理單元及軟件，實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)識(shí)別。通過(guò)識(shí)別的焊縫空間曲線與理論焊縫進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算補(bǔ)償量，修正焊接軌跡，驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人按修正的焊接軌跡運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成完整的自動(dòng)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(guò)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(duì)于自動(dòng)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(shí)，使得焊條的融化過(guò)程不連續(xù)，形成不規(guī)則的焊縫；當(dāng)進(jìn)給速度過(guò)大時(shí)，焊條有可能來(lái)不及融化，從而直接影響焊接過(guò)程。由此可以看出，導(dǎo)管焊接過(guò)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(jì)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(yàn)后可以進(jìn)行微調(diào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(shì)在必行，目前單管已經(jīng)基本實(shí)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(duì)關(guān)鍵問(wèn)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(shí)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(jì)周期，提高了導(dǎo)管的生產(chǎn)效率，使導(dǎo)管制造擺脫實(shí)樣的牽制，而且保證飛機(jī)導(dǎo)管質(zhì)量的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)管的快速生產(chǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中具有一定的使用價(jià)值。

表1 焊接參數(shù)

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李振強(qiáng)，王永軍，王俊彪，等. 數(shù)控彎管工藝知識(shí)庫(kù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(8)：85-87.LI Zhenqiang, WANG Yongjun, WANG Junbiao, et al. The research of process knowledge database for tube NC bending [J]. Machinery Design& Manufacture, 2007(8)：85-87.

[2]劉明星.面向數(shù)字化制造的航空導(dǎo)管逆向建模技術(shù)的研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2015.LIU Mingxing. Research for inverse modeling technology of aerostatic ducts according to the digital [D]. Shenyang：Shenyang Aerospace University, 2015.

[3]許旭東，李光俊.飛機(jī)導(dǎo)管數(shù)字化生產(chǎn)線探討[J].航空制造技術(shù)，2005(9)：83-89.XU Xudong, LI Guangjun. Discussion on digital production line for aircraft tubes [J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2005(9)：83-89.

[4]羅敏，周京平.柔性工裝在導(dǎo)管數(shù)字化制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2014(S1)： 158-161.LUO Min, ZHOU Jingping. Application of flexible fixture in digital production for aeroengine pipe [J]. Aeronautical Manufacturing Technology,2014(S1)： 158-161.

[5]韓志仁，梁文馨，劉寶明，等.飛機(jī)導(dǎo)管工藝性審查技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015(7)：261-263.HAN Zhiren, LIANG Wenxin, LIU Baoming, et al. Research on the examination technology for aircraft tube manufacturability [J]. Machinery Design & Manufacture, 2015(7)：261-263.

[6]CECIL J. Computer-aided fixture design-a review and future trends[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2001,18(11)： 790-793.

[7]陳煥明.焊接工裝設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.CHEN Huanming. Design of welding tooling [M]. Beijing：Aviation Industry Press, 2006.

[8]CHEN M S, LIAO W H, LI Y G. Research and implementation of knowledge reuse in aeroplane welding fixture design[J]. Machine Building& Automation, 2006(2)：11-14.

[9]李香.基于ROBOGUIDE的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2007.LI Xiang. Research on off-line programming system of arc welding robot based on ROBOGUIDE [D]. Tianjin：Tianjin Polytechnic University,2007.

[10]姜家高.應(yīng)用于焊接機(jī)器人的變位機(jī)控制研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)大學(xué)，2015.JIANG Jiagao. Applied to the welding robot displacement machine control research [D]. Shenyang：Shenyang University, 2015.

[11]張宗郁.薄壁鋁合金導(dǎo)管數(shù)字化裝配及焊接偏差主動(dòng)補(bǔ)償[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.ZHANG Zongyu. Active compensation of the deviation in the digital assembly and welding of thin-wall aluminum alloy tube [D]. Harbin：Harbin Institute of Technology, 2015.

[12]洪浩洋，趙暉，王軍，等.鈦合金A-TIG焊接工藝的應(yīng)用研究[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,34(5)：12-18.HONG Haoyang, ZHAO Hui, WANG Jun, et al. A-TIG welding technology of titanium alloy applied research [J]. Journal of Shenyang Ligong University, 2015,34(5)：12-18.