王兆鋒

摘要：隨著對(duì)飛機(jī)性能要求的不斷提高，復(fù)合材料的應(yīng)用不斷增多。這些材料都具有難加工的特點(diǎn)，采用手工制孔加工過(guò)程不穩(wěn)定，效率低，技能依賴(lài)性強(qiáng)，難以滿(mǎn)足對(duì)飛機(jī)裝配的高精度、高質(zhì)量的需求。自動(dòng)化精密制孔設(shè)備具備加工過(guò)程穩(wěn)定可控的特點(diǎn)，已經(jīng)成為提高裝配質(zhì)量及飛機(jī)壽命的一個(gè)重要途徑。相對(duì)于統(tǒng)的五坐標(biāo)自動(dòng)鉆鉚機(jī)床，自動(dòng)制孔機(jī)器人設(shè)備具備占地面積小，靈活性強(qiáng)，柔性高的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足不同產(chǎn)品加工需求并大大提高制孔的效率和精度。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;制孔信息;自動(dòng)制孔機(jī)器人;靈活性;柔性

引言

某型飛機(jī)活動(dòng)翼面組件包括內(nèi)襟翼、外襟翼、副翼等14個(gè)組件，主要由上下翼面、梁、肋、接頭等組成，各組件長(zhǎng)度不等，最小曲率半徑凸面157mm，凹面368mm。組件大部分結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料，制孔區(qū)域存在復(fù)-復(fù)疊層和復(fù)-鈦疊層、復(fù)-鋁疊層等多種加工工況，制孔量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高。傳統(tǒng)的手工制孔需應(yīng)對(duì)多種材料疊層的大面積制孔，無(wú)法保證制孔質(zhì)量和效率，制孔出口出現(xiàn)毛刺、劈裂也是引起返工的常見(jiàn)故障。

1復(fù)合材料制孔設(shè)備總體方案

自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)是自動(dòng)制孔的重要部分，包括制孔基準(zhǔn)設(shè)計(jì)、預(yù)連接設(shè)計(jì)、自動(dòng)制孔設(shè)計(jì)，在這些設(shè)計(jì)中不僅指定孔的位置，而且給出制孔的夾層厚度和順序、材料順序、預(yù)連接孔的布局等信息，這些信息存在與飛機(jī)三維綜合信息模型中，需采用軟件工具整理篩選并添加工藝人員的設(shè)計(jì)思想，形成自動(dòng)制孔工藝，提供給自動(dòng)制孔設(shè)備用于進(jìn)行制孔工藝參數(shù)選擇和離線編程。

1.1設(shè)備組成及布局

復(fù)合材料制孔設(shè)備系統(tǒng)是由機(jī)器人制孔設(shè)備和工裝組成;制孔設(shè)備布置在某廠房活動(dòng)翼面裝配區(qū)，采用對(duì)稱(chēng)式布局，4個(gè)活動(dòng)翼面制孔設(shè)備均布在兩條軌道上，對(duì)應(yīng)4套工裝.

1.2設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)

活動(dòng)翼面機(jī)器人制孔設(shè)備由高精度工業(yè)機(jī)器人、末端執(zhí)行器、移動(dòng)裝置、集成控制系統(tǒng)組成，設(shè)備主要結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。工業(yè)機(jī)器人選用德國(guó)KUKA公司的KR420 R3330型工業(yè)機(jī)器人，攜帶末端執(zhí)行器同步到達(dá)產(chǎn)品加工位置。

2自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)是自動(dòng)制孔的重要部分，包括制孔基準(zhǔn)設(shè)計(jì)、預(yù)連接設(shè)計(jì)、自動(dòng)制孔設(shè)計(jì)，在這些設(shè)計(jì)中不僅指定孔的位置，而且給出制孔的夾層厚度和順序、材料順序、預(yù)連接孔的布局等信息，這些信息存在與飛機(jī)三維綜合信息模型中，需采用軟件工具整理篩選并添加工藝人員的設(shè)計(jì)思想，形成自動(dòng)制孔工藝，提供給自動(dòng)制孔設(shè)備用于進(jìn)行制孔工藝參數(shù)選擇和離線編程。

2.1自動(dòng)制孔工藝規(guī)劃

自動(dòng)制孔的工藝規(guī)劃包括基準(zhǔn)釘布局規(guī)劃和自動(dòng)制孔路徑規(guī)劃兩部分?；鶞?zhǔn)釘首先起到臨時(shí)緊固的作用，基準(zhǔn)釘間距對(duì)產(chǎn)品變形、間隙消除、制孔同軸度、锪窩深度都具有影響。找正分為“單孔找正”、“兩孔找正”、“四孔找正”，不同的找正方法算法不同，找正精確度也不同;制孔路徑規(guī)劃采用不重復(fù)換刀的原則進(jìn)行設(shè)備制孔，即一把刀具制完活動(dòng)翼面單面所有可鉆制的緊固件孔，最好的制孔路徑可以減少設(shè)備的空跑，以提高加工效率。通過(guò)研究自動(dòng)制孔的工藝規(guī)劃技術(shù)，記錄不同的基準(zhǔn)孔方案和制孔路徑規(guī)劃對(duì)加工效率和制孔質(zhì)量的影響，形成最優(yōu)規(guī)劃方案，實(shí)現(xiàn)高效快速自動(dòng)制孔。

2.2面向制孔工藝的制孔信息提取技術(shù)

飛機(jī)裝配過(guò)程中蒙皮自動(dòng)制孔采用工業(yè)機(jī)器人、專(zhuān)用高精度制孔設(shè)備完成蒙皮自動(dòng)制孔，在蒙皮制孔前需要首先將蒙皮在裝配的部件上定位和夾緊，以便滿(mǎn)足蒙皮位置正確和制孔過(guò)程中的穩(wěn)定性要求，需要在工藝設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)定位基準(zhǔn)和夾緊基準(zhǔn)位置，其他的加工孔由設(shè)備完成。

3 飛機(jī)自動(dòng)制孔工藝流程

合理的工藝流程和方法是提高制自動(dòng)制孔效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)的活動(dòng)面進(jìn)行自動(dòng)制孔，需要對(duì)自動(dòng)制孔站位進(jìn)行規(guī)劃。為實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)翼面與骨架連接孔的制孔，需要在制孔前進(jìn)行預(yù)裝配，包括完成骨架的安裝、蒙皮的預(yù)連接。同時(shí)針對(duì)制孔過(guò)程，要通過(guò)仿真、路徑分析等進(jìn)行最佳加工路徑的選擇。

3.1產(chǎn)品預(yù)裝

定位形式：在預(yù)裝配站位利用數(shù)字化工裝完成骨架預(yù)裝配。裝配采用以骨架為基準(zhǔn)的定位方案，先完成骨架的裝配，再將蒙皮預(yù)安裝到骨架上在自動(dòng)制孔站位進(jìn)行制孔。臨時(shí)緊固釘布局： 擬采用單面連接埋頭空心鉚釘，既可以起到蒙皮拉緊作用，又可以通過(guò)空心鉚釘中心孔進(jìn)行制孔找正。臨時(shí)緊固釘直徑比終孔小2mm;（紅圈為臨時(shí)緊固釘布局）A區(qū)域一般在200-300mm間 。

3.2移位至加工中心

工裝端頭設(shè)置兩個(gè)步行式牽引裝置，底盤(pán)四角設(shè)置可拆卸氣動(dòng)升降輪組模塊，該輪組實(shí)現(xiàn)快速拆裝，并且與生產(chǎn)線內(nèi)其他裝配工裝對(duì)接法蘭實(shí)現(xiàn)通用連接，最后通過(guò)人工操作兩端頭牽引裝置帶動(dòng)工裝進(jìn)行移動(dòng)，攜帶工裝與產(chǎn)品按規(guī)劃路徑移至制孔中心。

3.3程序自主調(diào)用

在末端可達(dá)區(qū)域設(shè)置工裝信息識(shí)別碼，如下圖2.7所示。操作機(jī)器人至二維碼前，通過(guò)末端執(zhí)行器高清相機(jī)讀取識(shí)別碼信息，從云平臺(tái)自動(dòng)獲取任務(wù)相關(guān)信息（任務(wù)編號(hào)、內(nèi)容;開(kāi)完工計(jì)劃時(shí)間節(jié)點(diǎn);若干人員按操作職責(zé)的派工信息、人員資質(zhì)信息），并完成該工裝建站程序、制孔程序、制孔參數(shù)等信息的自動(dòng)調(diào)用。

3.4設(shè)備建站

工裝框架按制孔區(qū)域包容性原則設(shè)置4處找正用找正孔。設(shè)備在自檢模式下開(kāi)始自檢，完成壓腳位置、進(jìn)給控制、主軸轉(zhuǎn)速找零回零;在建站模式下加載完成固化的建站程序，設(shè)備采集工裝型架四周設(shè)置的校準(zhǔn)點(diǎn)（找正孔），實(shí)現(xiàn)設(shè)備坐標(biāo)系與工裝坐標(biāo)系快速擬合。將上述工序中設(shè)備采集工裝上4個(gè)找正孔實(shí)際坐標(biāo)信息采集至云平臺(tái)。

4 總結(jié)

隨著CAD/CAM、計(jì)算機(jī)信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，航天復(fù)合材料產(chǎn)品需要從根本上改變傳統(tǒng)制造方式，提高了航天復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平，自動(dòng)制孔技術(shù)是其重要的組成部分。本文對(duì)復(fù)合材料自動(dòng)制孔技術(shù)進(jìn)行介紹，提出了復(fù)合材料制孔設(shè)備總體方案、自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)、飛機(jī)自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)，證明了自動(dòng)制孔的可行性及高效性，為各類(lèi)復(fù)合材料的自動(dòng)制孔奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓志仁，賈東海，高紅，秦月，郭喜鋒.基于MBD的裝配工藝輔助模型快速生成技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2015（20）：60-62.