仇繼偉，左楊杰，蘇嬌

(1.西安愛生技術集團公司，陜西西安 710065；2.四川大學空天科學與工程學院，四川成都 610065；3.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462)

0 前言

航空產品結構復雜，制造過程中存在著大量的壁板件裝配。壁板型裝配具有以下特點：尺寸大，開敞性好；裝配點位密集；定位工裝種類繁雜，柔性化要求高。為提高生產效益，通常根據(jù)壁板實際特點研發(fā)相應的自動化裝配系統(tǒng)，以實現(xiàn)裝配過程連續(xù)性[1-2]。研究表明:航空產品的裝配方式中，干涉配合鉚接技術可有效減小裝配結構質量，提高結構疲勞壽命，在航空制造領域應用廣泛[3]。干涉配合鉚接技術包含手工鉚接和自動化鉚接兩種方式[4]。自動化鉚接裝配裝備包含大型自動鉆鉚機，如德國寶捷自動化IPAC及美國EI公司的E系列自動鉆鉚機；柔性自動化系統(tǒng)，如柔性軌道系統(tǒng)、爬行機器人系統(tǒng)、工業(yè)機械臂系統(tǒng)等[5-6]。自動化鉚接具有鉚接一致性高、鉚接質量穩(wěn)定、生產效率高、勞動強度低等優(yōu)點，在國內外航空制造領域已得到廣泛應用。但由于自動化鉚接系統(tǒng)結構復雜、技術要求高、占地面積大、設備昂貴，在工程實際中其應用亦受到較大限制[7]。相比較自動化鉚接設備，手工鉚接設備簡單、操作方便、成本低，是目前我國航空制造領域應用最廣泛的鉚接方式，但其缺點在于鉚接一致性差、鉚接質量不穩(wěn)定、鉚接噪聲大、勞動強度大[8]。

手工電磁鉚接系統(tǒng)以電磁鉚槍為鉚接工具，通過控制放電電壓控制鉚接力。工程實際中，手工電磁鉚接需要兩名操作者同時手工鉚接，一人頂住釘頭端，另一人對鐓頭端實施鉚接，人力成本高，勞動量較大，其鉚接后坐力對操作者亦有一定不良影響。此外，采用手工鉚接方式，鉚模與鐓頭端表面很難保證對中性[9]，鐓頭易發(fā)生偏移；同時單次鉚接頂持力不同，導致鐓頭成形尺寸不同，鉚接一致性較差。為解決手工鉚接中存在的問題，同時避免自動化鉚接系統(tǒng)結構復雜、設備昂貴等缺點，本文作者在手工電磁鉚接基礎上，設計一種針對小曲率結構的半自動化電磁鉚接系統(tǒng)，用于改進手工電磁鉚接中存在的缺陷，同時為自動化鉚接設備的研發(fā)提供有效途徑。

1 總體設計

半自動化電磁鉚接系統(tǒng)由五部分組成：控制單元、裝配型架單元、回形托架單元、門形框單元、鉚接單元和頂把單元。系統(tǒng)結構組成如圖1所示。

電磁鉚接托架系統(tǒng)通過裝配型架單元對整體鉚接系統(tǒng)提供支撐；回形托架單元和門形框單元共同作用，保證鉚接單元和頂把單元同步聯(lián)動，實現(xiàn)鉚接過程單人化操作；回形托架單元利用平衡氣缸克服鉚接單元和頂把單元重力，鉚接單元和頂把單元利用緩沖器、頂持氣缸構成雙重減振結構，避免后坐力對操作者的不良影響；頂把單元、鉚接單元均通過頂持氣缸提供鉚接頂持力，通過保持氣缸氣壓不變保證單次鉚接頂持力相同，X、Y、Z3個方向鉚接定位均利用直線導軌導向，定位精度高，保證鉚接一致性。

2 主體單元設計

2.1 控制單元設計

控制單元設計采用模塊化設計，主要包含3個模塊：脈沖電源控制功能模塊、運動控制模塊和氣動控制模塊。

2.1.1 脈沖電源控制模塊

電磁鉚接通過主電源回路對初級線圈放電產生變化的磁場，并與次級線圈耦合形成鉚接力，驅動鉚模作用于鉚釘，使鉚釘鐓粗成型。系統(tǒng)脈沖電源控制模塊如圖2所示，考慮到鉚接過程安全性及操作工藝性，電磁鉚接電源控制系統(tǒng)采用弱電控制強電方法，實現(xiàn)脈沖電容器的快速充電。通過脈沖信號發(fā)生器控制主充電回路導通，主充電回路通過全橋整流將變壓器交流電轉化為直流充電電流。并由電壓傳感器實時采集脈沖電源器兩端電壓值，經過AD轉化送入PLC模擬量采集模塊，通過PLC中PID控制模塊實現(xiàn)充電電壓參數(shù)輸出。同時放電回路通過PLC模擬量輸出控制大功率晶閘管導通，接通放電回路實現(xiàn)對放電線圈放電。

2.1.2 運動控制模塊

電磁鉚接是由鉚槍和頂把通過軸向同時擠壓鉚釘使其鉚接成型。當鉚槍軸線與頂把軸線不同軸或偏離鉚釘孔軸線時，鉚接力容易造成鉚釘成型不均勻，影響鉚接質量。為保證鉚接過程對中性，使鉚槍軸線、頂把軸線與鉚接孔軸線重合或在有效偏離范圍內，X軸方向通過閉環(huán)步進電機實現(xiàn)鉚槍與頂把的X軸方向位置控制。其控制方式如圖3所示，PLC發(fā)出脈沖串給驅動器，經過驅動器放大驅動步進電機，PLC將位移量轉化為脈沖個數(shù)，通過改變脈沖周期調節(jié)電機軸轉速。圖4所示為step7運動控制程序，西門子S7200smart PLC可以控制3個坐標軸，并通過運動控制向導對坐標軸參數(shù)進行設置。

運動控制界面如圖5所示。鉚接試驗中需要根據(jù)待鉚接壁板的三維數(shù)模，對電機軸進行回零點操作，裝配型架頂部安裝有電零位行程開關與機械限位行程開關，電機軸回零位過程如圖6所示。當觸發(fā)電機軸回零位操作時，電機軸驅動回型托架沿X軸負方向移動，觸發(fā)電零位開關后自動改變運轉方向再次觸發(fā)電氣開關并停止。電機軸坐標原點確定后，對壁板定位孔進行識別校準，將定位孔位置坐標轉化到電機軸坐標軸中，然后將待鉚接孔位坐標依次輸入至順序點位坐標中。運動軸具有兩種控制模式：絕對坐標控制與增量坐標控制，前者位移為相對電機軸電氣零位的坐標，后者為相對前一個孔位前進或后退的位移值。運動軸通過設置運行速度配合實際鉚接需求，同時支持點動模式進行位移微調。

2.1.3 氣動控制模塊

鉚接過程完成鉚槍、頂把與鉚釘對中后，在觸發(fā)放電線圈放電前，為實現(xiàn)較好鉚接質量，需要保證鉚槍與頂把雙向同步頂緊鉚釘。以無頭鉚釘為例，頂持過程需要使鉚釘端面距兩側壁板表面距離相等，從而保證兩端鐓頭一致性。為減輕鉚接工人勞動強度、提高鉚接效率，采用氣缸實現(xiàn)雙側同步頂持與夾緊功能。頂持氣缸與夾緊氣缸PLC控制點位，通過Q口輸出控制雙側電磁換向閥導通方向，從而實現(xiàn)氣缸活塞桿的運動方向。氣缸分為氣缸手動控制、氣缸自動控制和氣缸復位3種模式。人機交互界面如圖7所示。手動控制下，操作者通過按下觸摸屏上對應的操作按鈕，可以實現(xiàn)某一氣缸的單獨動作(前進、后退、夾緊、釋放)；自動控制模式下，所有氣缸根據(jù)程序中設置的時間延遲，按照固定順序進行周期循環(huán)；氣缸復位模式下，所有電磁換向閥處于復位狀態(tài)，氣缸處于自由狀態(tài)，由操作者手動推動氣缸運動。

2.2 回形托架設計

回形托架由托架上橫梁、托架下橫梁、托架頂連接件、托架底連接件、頂把立柱、鉚接立柱、頂把立柱導軌、鉚接立柱導軌等組成，結構如圖8所示?；匦瓮屑芡ㄟ^托架底連接件、托架頂連接件分別與型架下導軌、型架上導軌連接?；匦瓮屑軉卧眯图軐к壯豖方向精確導向移動，從而實現(xiàn)頂把單元、鉚接單元X方向精確同步聯(lián)動。

回形托架采用8080雙槽高強度鋁合金型材，保證托架鉚接剛度。連接框體、頂把導軸、鉚接導軸構成門形框單元，頂把導軸與頂把長板螺紋連接，鉚接導軸與鉚接長板螺紋連接，頂把Z方向位移通過門形框單元傳遞給鉚接單元，實現(xiàn)頂把單元和鉚接單元Z方向同步聯(lián)動。頂把導軸、鉚接導軸選用φ30 mm、SUJ2材質、高頻淬火導向軸，頂把導軸、鉚接導軸均采用兩點定位方法，連接框體采用高強度鋁合金整體銑削加工，保證門形框單元結構剛度，避免導軸彎曲和連接框體形變對Z方向同步聯(lián)動的影響。此外，鉚接頂持氣缸活塞桿與鉚接夾具螺接，控制電磁鉚槍Y方向運動，頂把頂持氣缸活塞桿與頂把夾具螺接，控制頂把Y方向運動。

2.3 鉚接和頂把單元設計

鉚接和頂把單元結構類似，如圖9所示。鉚接單元包括：電磁鉚槍、鉚槍夾具、鉚接長板導軌、鉚接長板、鉚接頂持氣缸、鉚接頂持氣缸連接件、鉚接固定板、鉚接剎車、鉚接緩沖器、鉚槍吊環(huán)。頂把單元由頂把、頂把夾具、頂把長板導軌、頂把長板、頂把頂持氣缸、頂把頂持氣缸連接件、頂把固定板、頂把剎車、頂把緩沖器、頂把吊環(huán)組成。

頂把單元與鉚接單元共同組成鉚接末端，鉚接末端如圖10所示。頂把通過頂把夾具與頂把長板導軌相連，頂把長板導軌通過螺栓安裝在頂把長板上；電磁鉚槍通過鉚槍夾具與鉚接長板導軌相連，鉚接長板導軌通過螺栓安裝在鉚接長板上。頂把長板、鉚接長板通過螺栓連接固定于回形托架。

3 功能特點設計

3.1 同步聯(lián)動功能

同步聯(lián)動功能由門形框與頂把、鉚接單元共同實現(xiàn)，其中鉚接與頂把單元結構互為對稱，如圖11所示，門形框結構如圖11所示。當鉚接定位時，步進電機驅動滾珠絲杠由絲杠螺母帶動門形框單元沿橫梁導軌實現(xiàn)X軸方向的定位移動。頂把單元Z方向運動通過門形框單元傳遞到鉚接單元，實現(xiàn)鉚接單元與頂把單元Z方向同步聯(lián)動。頂把導軸、鉚接導軸均采用兩點限位方法，頂把導軸下限位軸承、頂把導軸上限位軸承對頂把導軸進行Z方向兩點限位，鉚接導軸下限位軸承、鉚接導軸上限位軸承對鉚接導軸進行Z方向兩點限位，保證門形框單元相對回形托架單元僅能沿Z方向移動，避免了導軸彎曲對Z方向同步聯(lián)動的影響。

連接框體采用高強度鋁合金整體加工結構，保證門形框單元剛度。此外，頂把頂持氣缸活塞桿與頂把夾具螺接，對頂把的Y方向運動進行控制;鉚接頂持氣缸活塞桿與鉚接夾具螺接，對電磁鉚槍的Y方向運動進行控制。在回形托架單元和門形框單元的共同作用下，電磁鉚槍和頂把在XZ平面同步聯(lián)動完成鉚接定位；頂把頂持氣缸推動頂把頂緊釘頭端，鉚接頂持氣缸推動電磁鉚槍頂緊鐓頭端，啟動電磁鉚槍完成鉚接；鉚接完成后，頂把頂持氣缸拉動頂把回到鉚接前位置，鉚接頂持氣缸拉動電磁鉚槍回到鉚接前位置。

3.2 雙重減振功能

頂把平衡氣缸通過頂把鋼絲繩克服頂把單元重力，鉚接平衡氣缸通過鉚接鋼絲繩克服鉚接單元重力。鉚接過程中，操作者僅需克服導軌摩擦力即可實現(xiàn)頂把單元、鉚接單元XZ平面定位移動，有效降低了勞動強度。頂把單元和鉚接單元分別對稱安裝了緩沖器與頂持氣缸，實現(xiàn)鉚接過程的減振。頂把緩沖器與頂把固定板通過螺紋連接，頂把緩沖器沖擊頭與頂把夾具面接觸；鉚接緩沖器與鉚接固定板通過螺紋連接，鉚接緩沖器沖擊頭與鉚槍夾具面接觸。緩沖器通過內部阻尼力將頂把和電磁鉚槍的后座力產生的回彈能量消耗與吸收。鉚接時，頂把頂持氣缸為頂把提供頂持力，鉚接頂持氣缸為電磁鉚槍提供頂持力。鉚接瞬間，頂把和電磁鉚槍在鉚接后坐力的作用下高速后移，頂把頂持氣缸、頂把緩沖器對頂把進行雙重減振，鉚接頂持氣缸、鉚接緩沖器對電磁鉚槍進行雙重減振，避免了后坐力對操作者造成的不良影響。

試驗中發(fā)現(xiàn)需要調節(jié)不同的進氣壓力值，以適應不同的鉚接力。這是由頂持氣缸的有效壓縮行程決定的，當活塞運行至有效行程范圍時，由于氣體可壓縮性，可吸收回彈產生的能量。由于鉚接瞬間只有幾十微秒，對應的回彈時間也很短，可以認為是絕熱過程[10]。由絕熱方程得出頂持氣缸氣體所吸收的能量Ep：

(1)

式中：p0為回彈前頂持氣缸的進氣壓力；p1為回彈后頂持氣缸內的氣體壓力；k為氣體絕熱指數(shù)；V0為頂持氣缸有效容積，公式為

(2)

式中：D為活塞直徑；d為活塞桿直徑。

根據(jù)力作用原理，鉚接力越大對應的后坐力就越大，回彈速度v就越大，結合式(3)：

(3)

可知頂把和電磁鉚槍獲得的動能也越大。其中，Ea為緩沖器所吸收的能量，該能量對應為氣缸克服頂持力做功，當頂持氣缸頂持力不變時，吸收能量越大，氣缸需要做的功就越大，則活塞桿壓縮量就增大，若超過氣缸有效壓縮行程，則會損壞氣缸。因此，需要通過調節(jié)進氣壓力增大頂持力，進而縮小氣體壓縮量。進氣壓力并不是越大越好，否則在頂把和電磁鉚槍回彈時，由于氣缸頂持力過大，會出現(xiàn)缸內氣體壓縮延遲現(xiàn)象，造成后坐力無法及時通過壓縮氣體釋放，從而作用于整個回形托架，引起沖擊振動，甚至引起活塞桿卡滯、變形。實際操作中根據(jù)不同的鉚接力所對應的回彈能量，及頂持氣缸的有效壓縮行程，可插值得出不同的氣缸頂持力。

3.3 定位導向功能

利用X、Y、Z3個方向導軌導向保證鉚接精確定位：鉚接定位過程中，X方向利用型架下導軌、型架上導軌導向，Y方向利用頂把導軌、鉚接導軌導向，Z方向利用頂把立柱導軌、鉚接立柱導軌導向，有效避免了鉚釘法線與鉚模平面不垂直導致的鐓頭偏移現(xiàn)象。此外，鉚接頂持力對鉚接質量有重要影響，直接影響鐓頭成形尺寸，手工鉚接由于單次鉚接頂持力不同，導致鐓頭大小不一，鉚接一致性差。半自動化電磁鉚接托架系統(tǒng)利用鉚接頂持氣缸提供鐓頭端頂持力，頂把頂持氣缸提供釘頭端頂持力，通過保持相同的頂持氣缸氣壓值保證相同的單次頂持力，提高鉚接一致性。為防止鉚釘被鉚接頂持氣缸頂出釘孔，頂把頂持氣缸頂持力設定值大于鉚接氣缸頂持力設定值。

4 實施過程

操作者移動頂把進行鉚接定位，在回形托架單元和門形框單元的共同作用下電磁鉚槍和頂把在XZ平面同步聯(lián)動完成鉚接定位；頂把頂持氣缸推動頂把頂緊鉚釘釘頭端，鉚接頂持氣缸推動電磁鉚槍頂緊鉚釘鐓頭端，啟動電磁鉚槍完成鉚接；鉚接完成后，頂把頂持氣缸拉動頂把后退到鉚接前位置，鉚接頂持氣缸拉動電磁鉚槍后退到鉚接前位置，操作者移動回形托架單元和門形框單元進行下一個鉚接定位。其工作流程如圖12所示。其中，頂把頂持氣缸、鉚接頂持氣缸均采用雙向移動雙缸氣缸。通過鉚接單元和頂把單元同步聯(lián)動，頂持氣缸自動控制鉚接頂持，實現(xiàn)了鉚接單人化操作，降低了人力勞動量。

4.1 XZ平面定位

啟動步進電機驅動滾珠絲杠，推動回形托架單元沿型架導軌移動。頂把單元與鉚接單元隨托架單元一起沿導軌移動，當頂把鉚模法線X方向位置坐標與待鉚鉚釘X方向位置坐標一致時，步進電機自動停止，完成X方向鉚接定位。操作者沿頂把立柱導軌移動頂把，直到頂把鉚模法線Z方向鉚接位置坐標與待鉚接鉚釘一致，完成頂把鉚接定位；頂把Z方向運動通過門形框單元完全傳遞到鉚接單元，鉚接單元與頂把單元同步聯(lián)動，電磁鉚槍隨頂把完成Z方向鉚接定位。通過頂把平衡氣缸、鉚接平衡氣缸分別對頂把單元、鉚接單元進行重力平衡，操作者只需克服導軌摩擦力即可實現(xiàn)鉚接Z方向移動定位，大幅降低勞動強度。

4.2 鉚接

操作者啟動頂把頂持氣缸，氣缸沿Y方向推動頂把，頂把沿頂把長板導軌移動，頂把鉚模與釘頭貼緊；啟動鉚接頂持氣缸，氣缸沿Y方向推動電磁鉚槍，電磁鉚槍沿鉚接長板導軌移動，鉚接鉚模與鐓頭端面貼緊；同時啟動頂把剎車、鉚接剎車，頂把剎車、鉚接剎車分別卡死頂把固定板和鉚接固定板；啟動電磁鉚槍，對鉚釘施鉚。鉚接瞬間將產生較大后坐力，由于氣體具有較好的可壓縮性，頂把頂持氣缸對頂把提供緩沖，鉚接頂持氣缸對電磁鉚槍提供緩沖。

4.3 鉚接復位

鉚接完成后，同時關閉頂把剎車、鉚接剎車，頂把剎車、鉚接剎車，分別松開頂把固定板和鉚接固定板。反向啟動頂把頂持氣缸，氣缸將頂把沿頂把長板導軌拉回到鉚接前位置，完成頂把復位；反向啟動鉚接頂持氣缸，氣缸將電磁鉚槍沿鉚接長板導軌拉回到鉚接前位置，完成鉚槍復位。

本文作者設計的半自動化電磁鉚接系統(tǒng)實物如圖13所示。針對飛機小曲率結構，該系統(tǒng)主要為解決手工電磁鉚接中存在的鉚接一致性差、勞動強度大的問題，同時避免自動化鉚接設備價格昂貴和高技術要求。表1所示為該系統(tǒng)與其他鉚接系統(tǒng)的主要性能對比。

表1 鉚接系統(tǒng)性能對比

5 總結

本文作者所研究的半自動化電磁鉚接托架以電磁鉚接技術為基礎，通過回形托架單元和門形框單元協(xié)同工作實現(xiàn)頂把單元和鉚接單元XZ平面同步聯(lián)動定位，降低了結構復雜度;利用頂持氣缸控制電磁鉚槍和頂把的Y向移動，實現(xiàn)鉚接系統(tǒng)單人化操作;利用平衡氣缸克服頂把單元和鉚接單元重力;利用緩沖器、頂持氣缸雙重減振結構，降低了后坐力對操作者的影響。頂把單元和鉚接單元通過導軌進行鉚接定位，保證了X、Y、Z3個方向的精確定位移動，同時通過頂持氣缸提供穩(wěn)定的單次鉚接頂持力，提高了鉚接一致性，鉚接合格率較同類手工鉚接提高約20%。