高麗麗，李士寧，吳 冬，曹嘉媛，裴 彪，曹 健

(首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

0 引言

在航空航天制造領(lǐng)域中，基于工業(yè)機(jī)器人的柔性裝配鉆鉚技術(shù)憑借其高效率、高質(zhì)量和高可靠性等顯著優(yōu)勢(shì)，已成為零部件數(shù)字化柔性裝配的重要發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。隨著工業(yè)機(jī)器人負(fù)載能力、位置精度的提高，配備了多功能末端執(zhí)行器的機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)既能保證設(shè)備的靈活性，同時(shí)也能保證加工的精度和效率[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外紛紛開展面向大型航空航天零部件鉚接裝配自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)工作，美國(guó)EI公司研制的自動(dòng)制孔機(jī)器人系統(tǒng)率先用于F/A-18E/F機(jī)翼后緣襟翼的制孔、锪窩；美國(guó)EOA公司與波音公司聯(lián)合研制的機(jī)器人多功能鉆削系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料及疊層材料飛機(jī)蒙皮的制孔、锪窩、鉸孔；德國(guó)寶捷公司研發(fā)了用于飛機(jī)貨倉(cāng)門制孔的機(jī)器人裝配系統(tǒng)；意大利BC公司研制了雙機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，用于波音787機(jī)尾部件的自動(dòng)鉆鉚和涂膠[6]。國(guó)內(nèi)航空系統(tǒng)各企業(yè)紛紛與研究機(jī)構(gòu)及高校合作開展機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)及裝備的研究，中航工業(yè)沈飛與北京航空航天大學(xué)合作，研制了制孔末端執(zhí)行器，搭建了機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)；中航工業(yè)成飛與南京航空航天大學(xué)合作，針對(duì)飛機(jī)機(jī)翼部件自動(dòng)制孔需求，研制了壁板類組件數(shù)字化柔性裝配、智能制孔系統(tǒng)；北京航空制造工程研究所研制的雙機(jī)器人數(shù)字化制孔系統(tǒng)成功應(yīng)用于多類航空產(chǎn)品的自動(dòng)制孔、鉚接。國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域在先后實(shí)現(xiàn)壁板及筒形艙段自動(dòng)鉆鉚技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，也將研究重點(diǎn)聚焦在機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)上。本文以雙機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)為硬件基礎(chǔ)，開展運(yùn)載火箭錐體殼段壁板采用機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)進(jìn)行鉚接裝配的工程化應(yīng)用研究工作。

1 運(yùn)載火箭壁板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

運(yùn)載火箭壁板多為柱形殼段壁板和錐形殼段壁板，具有大尺寸、多曲面和弱剛性的特點(diǎn)，是典型的薄壁弱剛性殼體。由若干錐型壁板拼接鉚裝成的錐體殼段典型的產(chǎn)品有二三級(jí)級(jí)間段、過渡支架、整流罩倒錐段以及各型運(yùn)載火箭助推器頭錐等。過渡支架位于衛(wèi)星支架與轉(zhuǎn)接框之間，是由4塊壁板、前端框、后端框、中間框等鉚接裝配而成的錐體殼段。每塊壁板由蒙皮和桁條組成，桁條與蒙皮采用鉚釘連接，如圖1所示。本文以過渡支架錐體殼段壁板為對(duì)象，開展機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)工程化應(yīng)用研究。

圖1 運(yùn)載火箭錐體殼段壁板結(jié)構(gòu)示意圖

壁板產(chǎn)品主要有兩方面特點(diǎn)：①壁板外形尺寸大，直徑為Φ3 350 mm，高度約為1 000 mm～2 000 mm不等，半錐角為39.42°；②桁條與蒙皮間采用直徑為Φ5 mm的2A10鋁合金鉚釘連接，鉚釘強(qiáng)度大，成形困難，需要多次錘擊鉚接才能形成有效鐓頭。

2 機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚零件定位及預(yù)裝配技術(shù)研究

運(yùn)載火箭壁板裝配是利用裝配孔或在壁板裝配夾具上將中間框、桁條與蒙皮進(jìn)行定位后鉚接，組裝成1/4、1/6或1/8的筒體或錐體，然后在型架上將4塊、6塊或8塊壁板進(jìn)行拼裝組合，最終形成整個(gè)筒體或錐體殼段。

根據(jù)壁板產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，框與桁條之間、桁條與蒙皮之間的裝配關(guān)系是保證壁板產(chǎn)品尺寸的重要因素。傳統(tǒng)手工劃線定位完成的產(chǎn)品預(yù)裝配組件在桁條直線度、產(chǎn)品形位等尺寸方面存在較大的數(shù)值偏差。預(yù)裝配技術(shù)是保證上述三類零件組成的預(yù)裝配組件具備較高裝配精度的重要技術(shù)手段。采用自動(dòng)鉆鉚技術(shù)進(jìn)行壁板產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，零件兩兩之間通過數(shù)字化的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)，依靠數(shù)字化裝備的精度保證上述三類零件組成的預(yù)裝配組件具備較高的裝配精度。因此自動(dòng)鉆鉚裝備自身的高精度數(shù)控屬性對(duì)產(chǎn)品的預(yù)裝配提出了很高的精度要求，壁板產(chǎn)品的高精度預(yù)裝配技術(shù)已成為亟待解決的問題。

2.1 柔性定位工裝設(shè)計(jì)

根據(jù)錐體殼段壁板的外形尺寸、蒙皮曲率等特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚裝備及定位基礎(chǔ)平臺(tái)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種立式框架結(jié)構(gòu)柔性定位工裝，用于錐體殼段壁板產(chǎn)品的定位及預(yù)裝配。該柔性工裝主要由架體、滑動(dòng)升降組件、擺動(dòng)組件、垂直定位組件、夾緊裝置等組成，如圖2所示。工裝的主體為立式框架結(jié)構(gòu)，定位接口可與平臺(tái)上現(xiàn)有的T型槽相匹配，滿足在機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)平臺(tái)上定位的要求。

1-電機(jī)；2-水平傳動(dòng)軸；3-架體；4-豎直傳動(dòng)軸；5-擺動(dòng)組件；6-滑動(dòng)連接板；7-垂直定位板；8-1#夾緊裝置；9-壁板產(chǎn)品；10-2#夾緊裝置；11-升降組件；12-手輪

壁板產(chǎn)品通過展開成平面扇形結(jié)構(gòu)在工裝上進(jìn)行定位，工裝中心設(shè)置垂直定位組件作為產(chǎn)品的定位基準(zhǔn)。在工裝架體底部、擺動(dòng)組件、滑動(dòng)升降組件上分別設(shè)置夾緊裝置，用于裝夾產(chǎn)品?；瑒?dòng)升降組件和擺動(dòng)組件的位置可根據(jù)產(chǎn)品大小進(jìn)行柔性調(diào)整，滿足不同高度范圍和寬度范圍的需求，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速定位及預(yù)裝配。

2.2 零件定位及預(yù)裝配

數(shù)字化協(xié)調(diào)是解決零件定位精度的重要技術(shù)手段，運(yùn)用數(shù)控步?jīng)_機(jī)沖制蒙皮上與桁條協(xié)調(diào)的裝配孔，利用三坐標(biāo)數(shù)控鉆孔機(jī)鉆制桁條上與蒙皮協(xié)調(diào)的裝配孔，通過數(shù)控步?jīng)_機(jī)和數(shù)控鉆孔機(jī)的數(shù)控精度保證桁條與蒙皮之間的高精度協(xié)調(diào)關(guān)系，使得桁條在蒙皮上周向分布滿足精度要求。蒙皮數(shù)字化協(xié)調(diào)定位示意圖如圖3所示。

圖3 蒙皮數(shù)字化協(xié)調(diào)定位示意圖

3 機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚仿真分析及工藝流程優(yōu)化技術(shù)研究

3.1 自動(dòng)鉆鉚仿真分析

錐型壁板采用雙機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)主要包括機(jī)器人系統(tǒng)(外部主機(jī)器人、內(nèi)部輔助機(jī)器人)、鉆鉚執(zhí)行系統(tǒng)(集成了壓緊、制孔、送釘及鉚接單元)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及柔性定位工裝，其仿真分析界面及模型如圖4所示。

圖4 仿真分析界面及模型

模型準(zhǔn)備完畢后，執(zhí)行鉆孔及鉚接仿真。仿真軟件提供兩種仿真模式，即單步仿真和連續(xù)仿真。同時(shí)，仿真軟件的可視化仿真過程會(huì)在工件上顯示真實(shí)的孔位及鉚釘信息，如圖5所示。

圖5 制孔及鉚接仿真過程

仿真過程中，運(yùn)動(dòng)的每一步都須進(jìn)行干涉檢查，若發(fā)生干涉，在界面中發(fā)生干涉的部件會(huì)標(biāo)紅、警告，在干涉信息窗口會(huì)顯示發(fā)生干涉加工位置信息，同時(shí)該信息會(huì)保存到日志文件。

仿真完成后將根據(jù)可視化的過程及仿真日志文件修改數(shù)控程序、優(yōu)化自動(dòng)鉆鉚流程，形成可執(zhí)行的自動(dòng)鉆鉚程序文件。

3.2 運(yùn)載火箭壁板產(chǎn)品工藝流程設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.2.1 工藝流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)中托架定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壁板的定位和調(diào)姿，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)桁梁、中間框與蒙皮之間的定位，故在進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚之前需要進(jìn)行壁板預(yù)裝配。根據(jù)運(yùn)載火箭壁板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)的壁板鉚接裝配工藝，對(duì)運(yùn)載火箭壁板鉚接裝配的工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，形成了壁板類產(chǎn)品自動(dòng)鉆鉚工藝流程，如圖6所示。

圖6 壁板類產(chǎn)品自動(dòng)鉆鉚工藝流程

3.2.2 自動(dòng)鉆鉚路徑優(yōu)化分析

進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚作業(yè)時(shí)不僅需要完成程序仿真，驗(yàn)證程序的正確性及可靠性，同時(shí)，還需要依據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及自動(dòng)鉆鉚裝備、工藝的特點(diǎn)，規(guī)劃最佳的鉚接路徑，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。理論上，桁條、蒙皮等零件依據(jù)裝配孔定位完成的預(yù)裝配組件可以直接用于自動(dòng)鉆鉚，但是實(shí)際上桁條等鈑金零件存在加工偏差，桁條的定位也存在一定偏差，壁板的尺寸越大，桁條的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，零件偏差在預(yù)裝配完成后也被放大，實(shí)際桁條母線可能為不規(guī)則的曲線形狀。本文運(yùn)用曲線分段擬合的理論，在鉆鉚路徑上設(shè)置基準(zhǔn)校準(zhǔn)點(diǎn)，以兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)間的線段為基礎(chǔ)單獨(dú)生成程序段以補(bǔ)償零件偏差，實(shí)現(xiàn)鉆鉚邊距的自適應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，借鑒手工鉚接對(duì)稱鉚、發(fā)散鉚的原則規(guī)劃鉚接路徑。自動(dòng)鉆鉚路徑優(yōu)化示意圖如圖7所示，按照1～8的順序執(zhí)行，以達(dá)到減小鉚接應(yīng)力，控制殼段鉚接變形的目的。

圖7 自動(dòng)鉆鉚路徑優(yōu)化示意圖

4 工程化應(yīng)用

依據(jù)上述研究所形成的自動(dòng)鉆鉚工藝文件、操作規(guī)范以及經(jīng)過仿真驗(yàn)證和優(yōu)化的數(shù)控程序?qū)^渡支架壁板試驗(yàn)件開展自動(dòng)鉆鉚工程化應(yīng)用試驗(yàn)，其制孔和鉚接按照表1和表2所示的工藝參數(shù)進(jìn)行。

表1 制孔工藝參數(shù)

表2 鉚接工藝參數(shù)

檢驗(yàn)壁板鉚接質(zhì)量從鉚釘成型質(zhì)量和壁板表面質(zhì)量?jī)煞矫孢M(jìn)行。

(1)鉚釘成型質(zhì)量檢驗(yàn)。對(duì)照鉚接通用技術(shù)條件QJ782A《鉚接通用技術(shù)要求》進(jìn)行檢查，鉚釘成型滿足技術(shù)條件要求，鐓頭成型一致性高，如圖8所示。技術(shù)條件要求Φ4 mm鉚釘鉚接成型的鉚釘鐓頭直徑為6.0±0.4 mm、高度為2.0±0.4 mm。隨機(jī)抽取殼體上200個(gè)鉚釘，鐓頭直徑、高度尺寸分布如圖9所示。由圖9可以看出，鉚釘墩頭直徑控制在5.9 mm～6.2 mm之間，鐓頭高度控制在1.8 mm～2.3 mm之間，鐓頭尺寸分布在Φ6.0 mm(直徑)×2.0 mm(高度)周邊，離散度小，鉚釘成型滿足技術(shù)條件要求。

圖8 鉚釘鐓頭質(zhì)量檢驗(yàn) 圖9 Φ4 mm鉚釘鐓頭直徑和高度分布 圖10 自動(dòng)鉆鉚完成后的壁板產(chǎn)品

(2)壁板表面質(zhì)量檢驗(yàn)。自動(dòng)鉆鉚完成后的壁板產(chǎn)品如圖10所示。鉚接完成后的壁板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，鉚接質(zhì)量完好，鉚釘一致性較好，鉚釘間距邊距統(tǒng)一，墩頭成型的大小高度一致，鉚接墩頭成型質(zhì)量滿足鉚接通用技術(shù)條件QJ782A；鉚釘及其周圍蒙皮無(wú)明顯壓痕，蒙皮無(wú)明顯鼓包及凹陷，殼體表面質(zhì)量良好，壁板試驗(yàn)件符合《薄壁加筋殼結(jié)構(gòu)制造、驗(yàn)收技術(shù)條件》。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)運(yùn)載火箭錐體殼段壁板進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚相關(guān)工藝技術(shù)研究，解決了手工操作產(chǎn)品質(zhì)量不可靠、鉚接質(zhì)量一致性差、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等一系列問題，突破了錐體殼段壁板機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚定位及預(yù)裝配技術(shù)、錐體殼段壁板機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚仿真及工藝流程優(yōu)化技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，形成了運(yùn)載火箭錐體殼段壁板機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚生產(chǎn)成套工藝技術(shù)，相應(yīng)研究成果已成功運(yùn)用于型號(hào)生產(chǎn)，相關(guān)產(chǎn)品均已通過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品質(zhì)量有大幅提高。

錐體殼段壁板機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的突破，有力地推進(jìn)了我國(guó)運(yùn)載火箭鉚接裝配技術(shù)向著自動(dòng)化、數(shù)字化方向的發(fā)展，極大地提升了我國(guó)運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)的整體研制水平，也使我國(guó)運(yùn)載火箭艙段鉚接裝配技術(shù)與國(guó)外同類產(chǎn)品工藝水平之間的差距在不斷縮小，對(duì)我國(guó)航天鉚接殼段的發(fā)展具有里程碑式的意義。