航空制孔設(shè)備的運(yùn)行精度及動(dòng)態(tài)性能研究

阮小寧 王旭 李初曄

(①濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250022;②北京航空制造工程研究所，北京 100024)

自動(dòng)制孔技術(shù)是航空制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最成熟的機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)，自20 世紀(jì)80年代開(kāi)始在國(guó)外得到普遍應(yīng)用，并被廣泛應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料、鈦合金、鋁合金等多種材料的裝配生產(chǎn)中。國(guó)外鉚接裝配技術(shù)幾十年的應(yīng)用證明，采用自動(dòng)制孔機(jī)后裝配效率較手工鉚接裝配提高了至少10 倍，并能節(jié)約安裝成本、改善勞動(dòng)條件，更能確保裝配質(zhì)量，減少人為因素造成的缺陷。隨著我國(guó)航空工業(yè)研制的新機(jī)種性能、水平的不斷提高，在鉚接裝配生產(chǎn)過(guò)程中，自動(dòng)制孔技術(shù)得到了更加廣泛的應(yīng)用。目前，自動(dòng)制孔機(jī)器人加工系統(tǒng)主要以飛機(jī)壁板、翼面類(lèi)部件為加工對(duì)象，提高了工作效率，制孔設(shè)備具有很高的加速性能，帶來(lái)的問(wèn)題是在高速加減速時(shí)，由于慣性沖擊使設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)，從而造成制孔精度不高，影響工件質(zhì)量，甚至造成廢品。研究制孔過(guò)程的運(yùn)動(dòng)控制，加減速時(shí)間分配規(guī)律，慣性力沖擊下機(jī)身的瞬態(tài)振動(dòng)，并研究滿足精度要求的減振措施，對(duì)提高航空件的質(zhì)量具有重要意義。

1 制孔運(yùn)動(dòng)控制

圖1 為航空復(fù)材壁板制孔設(shè)備示意圖，立柱沿Y方向左右運(yùn)動(dòng)，其最大加減速可達(dá)2g，即兩倍重力加速度，主軸頭部分可沿Z 向上下運(yùn)動(dòng)，主軸部分既可沿X 向做伸縮運(yùn)動(dòng)，也可繞Y 軸擺動(dòng)。該設(shè)備最需要關(guān)注和研究的問(wèn)題是，由于機(jī)身的高加速性能，當(dāng)?shù)轿煌Ｖ归_(kāi)始制孔時(shí)，機(jī)身可能有較大的晃動(dòng)，若設(shè)計(jì)不合理，會(huì)使加工點(diǎn)與理論加工點(diǎn)存在較大誤差，因此需要研究機(jī)身結(jié)構(gòu)在慣性沖擊力作用下的瞬態(tài)振動(dòng)問(wèn)題。

表1 加速度2g 時(shí)的初速度及停止時(shí)間

立柱主軸系統(tǒng)從速度v0在時(shí)間t0內(nèi)減速到0，在慣性力作用下，機(jī)身將發(fā)生振蕩。立柱主軸系統(tǒng)質(zhì)量為m，由沖量定理F0t0=mv0，得F0=mv0/t0=ma。其中，a 為沖擊過(guò)程中的加速度，按設(shè)計(jì)要求，a 應(yīng)達(dá)到2g，則v0與t0有表1 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

設(shè)孔間距離為S0，制孔機(jī)在此區(qū)間運(yùn)動(dòng)速度控制如圖2 所示，加減速采用相同的加速度a，t2-t1=dt≥0。

得到:

因此，要得到運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)律，需要有附加的參數(shù)定義。有兩種方式:

(1)由最大運(yùn)行速度v0可知

因?yàn)閐t≥0，因此:dt=S0/v0-v0/a≥0

即:

(2)定義時(shí)間t2-t1占t3的比例

設(shè)定:

0≤λ ＜1 為已知量。得到:

假設(shè):S0=100 mm=0.1 m，a=2g=19.6 m/s2，當(dāng)最大運(yùn)行v0(m/s)已知時(shí)，則(見(jiàn)圖3 和表2):

由于慣性沖擊力作用，制孔機(jī)在運(yùn)動(dòng)停止后機(jī)身會(huì)在短時(shí)間內(nèi)做圖4 所示的振蕩，振蕩衰減速度決定于結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)大小，阻尼系數(shù)越大振動(dòng)衰減越快。如圖2 所示，最佳的制孔過(guò)程應(yīng)從G 點(diǎn)開(kāi)始，使制孔機(jī)到位F 點(diǎn)后停止短暫時(shí)間(t4-t3)，此時(shí)機(jī)身振蕩已得到大幅衰減，有利提高制孔精度。停止時(shí)間(t4-t3)的選擇與結(jié)構(gòu)的阻尼比有關(guān)，選擇不一樣的停止時(shí)間，制孔開(kāi)始點(diǎn)G 可能對(duì)應(yīng)圖4 中的A、B 或C點(diǎn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)C 點(diǎn)開(kāi)始制孔更佳。

表2 加速度2g 時(shí)的初速度與停止時(shí)間關(guān)系

2 機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)慣性沖擊力下的瞬態(tài)振動(dòng)

機(jī)身的瞬態(tài)振動(dòng)分析分為兩部分:一部分是Y 向傳動(dòng)系統(tǒng)的彈性引起的瞬態(tài)振動(dòng)，計(jì)算時(shí)可將立柱主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)作為1 大質(zhì)量剛體處理，通過(guò)計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)鏈的位置變化，計(jì)算模型如圖5;另一部分是立柱主軸系統(tǒng)的慣性沖擊模型，計(jì)算時(shí)立柱作為彈性部分處理，通過(guò)計(jì)算得到立柱的固有頻率，施加慣性沖擊力計(jì)算立柱的瞬態(tài)振動(dòng)，如圖6。

通過(guò)計(jì)算，機(jī)身主軸系統(tǒng)前兩階固有頻率為90 Hz、348 Hz，得到Rayleigh 阻尼系數(shù)與阻尼比ξ 的關(guān)系如表3。

表3 制孔機(jī)阻尼比與瑞雷系數(shù)

對(duì)應(yīng)不同的阻尼系數(shù)，機(jī)身在慣性沖擊下振動(dòng)衰減的速度相差很大。圖7 是不同阻尼比時(shí)立柱頂部某點(diǎn)的瞬態(tài)位移響應(yīng)，可見(jiàn)當(dāng)阻尼比達(dá)到0.05 時(shí)振幅衰減已經(jīng)很快，振幅在0.02 s 時(shí)衰減到初始值的一半，0.1 s 內(nèi)基本衰減到0。

對(duì)于Y 向傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)模型，設(shè)傳動(dòng)系剛度為K，阻尼為C，立柱及主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量為m。當(dāng)系統(tǒng)承受2g(2 倍重力加速度)的慣性沖擊時(shí)，最大位移量(振幅)為:

系統(tǒng)的固有圓頻率為:

此后由于阻尼的存在，系統(tǒng)做振幅衰減的自由振動(dòng):

上式中n=C/2m=ξωn。

機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量m=5 000 kg，慣性加速度2g。當(dāng)傳動(dòng)系剛度K=1 000 kN/mm，得到最大位移量(振幅)為:A=F/K=0.1 mm。

傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率為:fn=ωn/2π=2.25 Hz

可見(jiàn)，由于傳動(dòng)系統(tǒng)剛度較弱而使系統(tǒng)的固有頻率值很低，不利于提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)控制。為提高系統(tǒng)的固有頻率，有兩種選擇:(1)減小運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量;(2)提高傳動(dòng)系統(tǒng)剛度。在運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量不能減小的情況下，使系統(tǒng)固有頻率達(dá)到12 Hz 以上時(shí)，剛度K 應(yīng)達(dá)到30 MN/mm 以上。圖8 為剛度系數(shù)1 MN/mm時(shí)的振蕩曲線，圖9 為剛度系數(shù)30 MN/mm時(shí)的振蕩曲線，此時(shí)系統(tǒng)的固有頻率為12.3 Hz，隨著剛度系數(shù)的增加，傳動(dòng)系統(tǒng)的振幅值和衰減時(shí)間大幅降低。

機(jī)床實(shí)際振動(dòng)幅度是前面分析過(guò)的圖5、圖6 兩種振動(dòng)的疊加，圖10 是阻尼比為0.01 時(shí)慣性沖擊下機(jī)身的振動(dòng)。當(dāng)Y 向傳動(dòng)剛度為1 MN/mm 時(shí)，兩種振動(dòng)的疊加如圖11，為圖8 的低頻振蕩疊加了圖10的高頻振蕩，振動(dòng)主要表現(xiàn)為Y 向傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng);當(dāng)Y 向傳動(dòng)剛度為30 MN/mm 時(shí)，兩種振動(dòng)的疊加如圖12 所示，振動(dòng)形式主要表現(xiàn)為慣性沖擊引起的機(jī)身振動(dòng)。

圖11 與圖12 最大的區(qū)別是最大振幅值的差別以及衰減速度不同，在同樣的慣性加速度下，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)剛度提高后，可大幅減小機(jī)身的振蕩幅值，提高振蕩的衰減速度，當(dāng)承受沖擊時(shí)間處于0.1 s 后圖11 最大振幅0.12 mm，圖12 最大振幅為0.03 mm，因此通過(guò)準(zhǔn)確控制制孔時(shí)間及提高傳動(dòng)系統(tǒng)剛度能大幅度提高制孔精度。

3 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)制孔技術(shù)是提高飛機(jī)鉆孔質(zhì)量和加工效率的重要手段，目前廣泛應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料、鈦合金、鋁合金等多種材料的裝配生產(chǎn)中。本文針對(duì)高速慣性沖擊引起的振動(dòng)現(xiàn)象，以提高制孔精度為目標(biāo)，研究制孔過(guò)程運(yùn)動(dòng)控制和加減速時(shí)間分配規(guī)律，分別建立傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)模型和機(jī)身結(jié)構(gòu)慣性沖擊彈性模型，計(jì)算機(jī)床瞬態(tài)位移響應(yīng)與傳動(dòng)系統(tǒng)剛度、結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)之間的定量關(guān)系，計(jì)算表明，在保證運(yùn)動(dòng)高加速度性能的條件下，通過(guò)合理控制制孔運(yùn)動(dòng)時(shí)間及提高傳動(dòng)系統(tǒng)剛度能大幅度提高制孔精度。

［1］袁紅璇.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件連接孔制造技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2007(1):96 -99.

［2］樓阿莉.國(guó)外自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2005(6):50 -52.

［3］王仲奇，殷俊清，康永剛.飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚仿真技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2008(8):44 -47.

［4］張萬(wàn)君，劉永琪，錢(qián)秀松.碳纖維復(fù)合材料的孔加工［J］.纖維復(fù)合材料，2005(3):49 -52.

［5］郭恩明.國(guó)外飛機(jī)柔性裝配技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2005(9):29-32.

［6］許國(guó)康.大型飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)［J］.航空學(xué)報(bào)，2008(5):734-740.

［7］李初曄，王增新.動(dòng)力學(xué)方程的顯式與隱式數(shù)值計(jì)算［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2010(1):58 -66.

［8］李初曄，王海濤，鄧凌.數(shù)控機(jī)床雙邊驅(qū)動(dòng)不同步對(duì)加工精度的影響［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(4):45 -47，51.