呂九九，白景彬，侯東旭，曹 健，張普光

（首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076）

0 引 言

超大直徑運(yùn)載火箭是中國(guó)建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，也是維護(hù)中國(guó)太空安全、推動(dòng)中國(guó)太空探索向更加遙遠(yuǎn)深空拓展的戰(zhàn)略工具[1]。重型運(yùn)載火箭的研制涉及箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、地面發(fā)射系統(tǒng)等關(guān)鍵組成，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在箭體結(jié)構(gòu)研制方面，重型運(yùn)載火箭芯級(jí)直徑為Φ9500 mm[2]，遠(yuǎn)超長(zhǎng)征三號(hào)甲系列火箭Φ3350 mm及長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭Φ5000 mm的規(guī)模。在整個(gè)箭體結(jié)構(gòu)中，鉚接艙段起到貯箱間連接及儀器設(shè)備安裝載體的作用，是重要的承力部段，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是箭體結(jié)構(gòu)研制的一個(gè)難點(diǎn)。重型運(yùn)載火箭的鉚接艙段為超大直徑艙段，中國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研制經(jīng)驗(yàn)匱乏，現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)均源自現(xiàn)役運(yùn)載火箭Φ3350 mm箭體研制的積累，難以滿足超大直徑艙段研制需求。為了降低研制過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，需要開(kāi)展先期技術(shù)攻關(guān)，本文以某典型大直徑艙段為例，將先進(jìn)的鉚接裝配技術(shù)與裝配仿真的方法結(jié)合起來(lái)，開(kāi)展超大直徑艙段鉚接裝配工藝方案的研究。

1 典型艙段結(jié)構(gòu)分析

運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)艙段主要包括以下4種結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖1）：a）金屬（復(fù)合材料）蒙皮、框、桁鉚接結(jié)構(gòu)；b）整體網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)；c）網(wǎng)格加筋壁板焊接或鉚接結(jié)構(gòu)；d）復(fù)合材料整體成型結(jié)構(gòu)。其中，蒙皮、框、桁鉚接結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，且零部件的加工難度相對(duì)較低，但傳統(tǒng)的手工鉚接存在諸多缺點(diǎn)：位置精度差、噪聲大、勞動(dòng)強(qiáng)度低等[3]。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在航空航天產(chǎn)品制造過(guò)程中廣泛應(yīng)用，大量產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)踐證明，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在保證鉚接裝配質(zhì)量的同時(shí)可大幅提高裝配效率、降低噪聲[4]。

圖1 箭體結(jié)構(gòu)鉚接艙段的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structural Style of Riveting Assembly Cabin in Carrier

目前，國(guó)外航空、航天企業(yè)在艙段鉚接裝配領(lǐng)域廣泛采用自動(dòng)鉆鉚技術(shù)。以B777、A340、A380、F-22、F-35等為代表的新型軍民機(jī)集中反映了國(guó)外飛機(jī)制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)，已經(jīng)形成了成熟的鉚接裝配技術(shù)體系。中國(guó)部分航空企業(yè)艙段鉚接裝配也采用自動(dòng)鉆鉚技術(shù)。

本文主要進(jìn)行鉚接裝配工藝方案的研究，選取裝配過(guò)程復(fù)雜的蒙皮、框、桁鉚接結(jié)構(gòu)艙段為研究對(duì)象，同時(shí)為了保證成果的適用性，選取內(nèi)部布局承力梁的復(fù)雜艙段為研究對(duì)象，如圖2所示。

圖2 典型艙段結(jié)構(gòu)分解Fig.2 Structural Decomposition of Typical Cabin Structure

該艙段直徑9500 mm，高度5000 mm，由內(nèi)部井字梁及外部鉚接殼段組成，鉚接殼段包括框環(huán)、桁梁、蒙皮等零組件，零件間采用大量大直徑鉚釘及大螺栓連接。裝配需要完成約需20 000余顆大直徑鉚釘（Φ5 mm）的安裝和10 000余顆大直徑螺栓（M10以上）的安裝，且螺栓均鉸孔，傳統(tǒng)手工操作難以完成，因此需進(jìn)行工藝方案研究。

2 裝配工藝方案分析

根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水平，艙段鉚接裝配可選的工藝方案包括手工鉆鉚裝配方案及自動(dòng)鉆鉚裝配方案兩種。a）手工鉆鉚裝配：工人手持氣動(dòng)或電動(dòng)工具完成制孔、塞釘、鉚接（螺接），用到的主要裝備為鉚接裝配型架，如圖3a所示。b）自動(dòng)鉆鉚裝配：自動(dòng)化設(shè)備按照數(shù)控程序完成制孔、塞釘、鉚接（螺接）工作，依據(jù)設(shè)備不同，可以分為機(jī)床式自動(dòng)鉆鉚、機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚，如圖3b、3c所示[8]。

圖3 艙段鉚接裝配工藝方案Fig.3 Process Program of Riveting Assembly Cabin

手工鉆鉚裝配工藝是在中國(guó)運(yùn)載火箭鉚接艙段研制生產(chǎn)過(guò)程中沿用多年的傳統(tǒng)工藝。雖然該工藝具有技術(shù)成熟、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性及穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)同樣突出。隨著航天產(chǎn)品對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)手工工藝已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品研制及生產(chǎn)需求。對(duì)于超大直徑鉚接艙段，零件的加工尺寸成倍增長(zhǎng)，且零件廣泛使用高強(qiáng)度材料，手工操作難以滿足高精度的制孔需求（螺栓孔精度要求H9）及大直徑鉚釘成型需求。因此，傳統(tǒng)手工工藝已無(wú)法適應(yīng)超大直徑運(yùn)載火箭艙段大面積鉚接裝配。

自動(dòng)鉆鉚工藝目前在國(guó)內(nèi)外航空、航天領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。中國(guó)運(yùn)載火箭鉚接艙段部分產(chǎn)品的生產(chǎn)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的工程化應(yīng)用，產(chǎn)品對(duì)象包括壁板、筒段殼體、錐段殼體，加工范圍涵蓋Φ2250 mm～Φ5000 mm直徑產(chǎn)品，采用的加工方式包括機(jī)床式自動(dòng)鉆鉚、機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚。機(jī)床式自動(dòng)鉆鉚，典型設(shè)備如圖3b所示，該類設(shè)備加工精度高（定位精度±0.1 mm、制孔精度H7），制孔及鉚接能力強(qiáng)，但是機(jī)床式自動(dòng)鉆鉚設(shè)備的靈活性、適應(yīng)性差，且該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、投資成本高。

機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚，典型設(shè)備如圖3c所示，該類設(shè)備由工裝系統(tǒng)及機(jī)器人系統(tǒng)組成，加工精度（定位精度±0.2 mm、制孔精度優(yōu)于H9）滿足運(yùn)載火箭鉚接艙段需求，且機(jī)器人系統(tǒng)布局靈活、適應(yīng)性及拓展性強(qiáng)，是運(yùn)載火箭超大直徑艙段鉚接裝配的優(yōu)選方案。

3種工藝方案的優(yōu)劣對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種工藝方案優(yōu)劣對(duì)比（1～5★）Tab.1 Camparison of the Advantages and Disadvantages of the Three Process Schemes

3 工藝流程設(shè)計(jì)及仿真分析

3.1 工藝流程設(shè)計(jì)及分析

以某超大直徑典型鉚接艙段為例，采用機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚的工藝方案，進(jìn)行裝配工藝流程的設(shè)計(jì)及分析。根據(jù)圖1所示典型艙段產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)役運(yùn)載火箭艙段鉚接裝配的工程經(jīng)驗(yàn)，超大直徑運(yùn)載火箭典型鉚接艙段自動(dòng)鉆鉚裝配的工藝流程設(shè)計(jì)包括以下3種方案：

a）工藝流程方案一：采用骨架式的裝配方法，如圖4所示。

圖4 工藝流程方案一Fig.4 The Technological Process of the First Scheme

由圖4可知，方案一首先定位內(nèi)部井字梁，依次定位框環(huán)、蒙皮、桁梁，完成艙段的預(yù)裝配，進(jìn)行自動(dòng)制孔、自動(dòng)鉚接、螺接，完成整個(gè)艙段的裝配。此種方案工藝風(fēng)險(xiǎn)較小，鉆鉚裝配主要集中在一種設(shè)備上完成，節(jié)約設(shè)備成本。方案缺點(diǎn)是大部分工作集中在單臺(tái)設(shè)備上，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低，同時(shí)，由于內(nèi)部井字梁結(jié)構(gòu)的干涉，自動(dòng)鉆鉚設(shè)備操作空間小，相當(dāng)部分的鉆鉚位置設(shè)備不可達(dá)，需要大面積手工操作。

b）工藝流程方案二：采用壁板式及骨架式裝配相結(jié)合的方法，如圖5所示。

圖5 工藝流程方案二Fig.5 The Technological Process of the Second Scheme

由圖5可知，方案二先運(yùn)用壁板自動(dòng)鉆鉚裝配技術(shù)完成桁梁及蒙皮壁板的裝配，分塊壁板上架定位預(yù)裝配，其余工藝流程同方案一。此種方案將大面積鉆鉚裝配的工作拆分為壁板及殼體兩個(gè)階段，可以大幅縮短生產(chǎn)周期提高效率，但是仍然不能解決艙段內(nèi)部井字梁干涉影響艙段自動(dòng)鉆鉚設(shè)備操作空間的問(wèn)題。

c）工藝流程方案三：仍然采用壁板式及骨架式裝配相結(jié)合的方法，集中解決內(nèi)部井字梁干涉的問(wèn)題，如圖6所示。將艙段拆分為殼體及井字梁2個(gè)部分，首先完成殼體的自動(dòng)鉆鉚裝配并下架，井字梁定位完成后，殼體重新上架并與井字梁套裝。此種工藝流程方案簡(jiǎn)化了自動(dòng)鉆鉚殼體的結(jié)構(gòu)，便于自動(dòng)鉆鉚設(shè)備效能的發(fā)揮，但是存在由于殼體變形導(dǎo)致的殼體與井字梁套裝困難的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

圖6 工藝流程方案三Fig.6 The Technological Process of the Third Scheme

從裝配質(zhì)量一致性、裝配效率、自動(dòng)化程度、工人勞動(dòng)強(qiáng)度和裝配成本5個(gè)方面對(duì)3種工藝方案進(jìn)行定量對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。工藝方案一骨架式裝配因手工裝配多，其優(yōu)劣繼承手工鉚接裝配的性能。工藝方案二的性能優(yōu)劣介于手工裝配和自動(dòng)裝配之間。工藝方案三的性能繼承自動(dòng)鉆鉚的優(yōu)劣。

表2 3種工藝流程優(yōu)劣對(duì)比Tab.2 Camparison of the Advantages and Disadvantages of the Three Process Schemes

3.2 仿真分析

裝配過(guò)程虛擬仿真技術(shù)提供了在三維數(shù)字化環(huán)境中動(dòng)態(tài)安裝零組件的整個(gè)過(guò)程，可以為實(shí)際產(chǎn)品科學(xué)合理的裝配工藝、工裝等的設(shè)計(jì)提供全方位的指導(dǎo)[9]。本文利用虛擬環(huán)境DELMIA強(qiáng)大的裝配仿真功能，首先進(jìn)行裝配建模，然后進(jìn)行裝配順序和裝配路徑規(guī)劃，最后進(jìn)行裝配干涉檢測(cè)。

超大直徑艙段裝配工藝流程復(fù)雜，在工藝設(shè)計(jì)階段，合理運(yùn)用裝配仿真技術(shù)，可以提早發(fā)現(xiàn)干涉、不協(xié)調(diào)等問(wèn)題，優(yōu)化工藝流程，優(yōu)化工裝設(shè)計(jì)，降低裝配工藝風(fēng)險(xiǎn)。井字梁后裝的機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚過(guò)程仿真流程見(jiàn)圖7。

圖7 裝配過(guò)程仿真Fig.7 Assembly Process Simulation

在虛擬環(huán)境DELMIA下，利用自動(dòng)干涉檢測(cè) （Automatic Clash Detection）模式中的（Clash Detection（Stop））或（Clash Detection（on））進(jìn)行干涉檢測(cè)，當(dāng)裝配過(guò)程發(fā)生干涉時(shí)，一個(gè)會(huì)自動(dòng)停止，一個(gè)還會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。若出現(xiàn)干涉碰撞，應(yīng)對(duì)發(fā)生干涉的路徑進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)不符合要求的裝配路徑進(jìn)行重新規(guī)劃，再對(duì)其進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證，直至所有的路徑都不會(huì)發(fā)生干涉。在虛擬裝配過(guò)程中，由于裝配序列規(guī)劃不合理也會(huì)引起干涉碰撞。在DELMIA環(huán)境下可以通過(guò)PERT Chart對(duì)已經(jīng)規(guī)劃過(guò)的裝配序列重新進(jìn)行調(diào)整，控制各個(gè)動(dòng)作之間進(jìn)行串并行操作，以滿足特殊的動(dòng)作需求。

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)以下問(wèn)題：a）壁板自動(dòng)鉆鉚時(shí)預(yù)留只鉆不鉚孔的正確性；b）艙段殼體定位預(yù)裝配時(shí)與型架的干涉；c）定位井字梁基準(zhǔn)選擇的合適性；d）殼體自動(dòng)鉆鉚機(jī)器人的可達(dá)性及機(jī)器人位置布置的合理性；e）殼體下架與工裝的干涉及吊高設(shè)置的合理性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)超大直徑艙段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出3種裝配工藝方案，綜合比較發(fā)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)樵撗b配工藝具有航天設(shè)備柔性高、質(zhì)量一致性好、加工精度高、裝配效率高等不可替代的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚給出3種工藝流程方案，并對(duì)比分析了3種方案的優(yōu)劣，骨架式裝配由于內(nèi)部井字梁結(jié)構(gòu)干涉，需大面積手工操作；壁板式及骨架式裝配相結(jié)合的方案，壁板自動(dòng)鉆鉚能大幅提高效率，但井字梁干涉的問(wèn)題依舊存在；壁板式及骨架式裝配相結(jié)合，并且井字梁后裝的方案，能避免井字梁干涉的問(wèn)題，但存在殼體變形導(dǎo)致殼體與井字梁套裝困難的風(fēng)險(xiǎn)。此外，為避免上述3種工藝設(shè)計(jì)方案中存在的不足，可采用裝配過(guò)程虛擬仿真技術(shù)，能提早發(fā)現(xiàn)干涉、不協(xié)調(diào)等問(wèn)題，優(yōu)化工藝流程，優(yōu)化工裝設(shè)計(jì)，降低裝配工藝風(fēng)險(xiǎn)。