飛機裝配中先進手持鉚接工具應用研究*

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造航空科技重點實驗室 魏志強

目前，飛機機身、機翼及尾段的制作仍然以手工鉚接為主[1]，手持鉚接工具以其工藝簡單、易于操作等優(yōu)點在各大主機廠有著廣泛的應用。為滿足鉚接件的一些特殊要求，提高連接壽命，滿足飛機性能和技術(shù)要求不斷提高的現(xiàn)狀，除采用普通鉚接、密封鉚接之外，在飛機鉚接裝配技術(shù)中也廣泛使用特種鉚接及其鉚接工具（如環(huán)槽鉚釘及其鉚釘槍）；同時，網(wǎng)絡化制造與裝配系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對手持連接工具性能及功能提出了較高的要求。

本文給出了幾種先進的手持鉚接工具系統(tǒng)，介紹了其優(yōu)點及發(fā)展趨勢，指出了目前手持連接工具存在的問題及發(fā)展趨勢，并以具有在線質(zhì)量檢測功能的環(huán)槽鉚釘鉚接工具為例，總結(jié)了其關鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法。該類鉚接工具也代表了手持連接工具的發(fā)展方向。

1 國外先進連接工具概況

手持連接工具在波音及空客等公司也有著廣泛的應用。功能上，以Huck公司為代表的西方發(fā)達國家生產(chǎn)的連接件安裝工具最具有代表性，其種類多，可針對不同規(guī)格的鉚釘進行鉚接，工具性能也在不斷提高。2008年，Huck公司在中國申請了智能緊固件安裝系統(tǒng)的專利[2]。該專利指出，作為裝配系統(tǒng)之一的智能緊固系統(tǒng)，通過智能芯片或激光讀取器，將工具提供商的標識、編號、批號、材料、類型及日期等信息（或其中幾個）以無線通信形式發(fā)送給計算機并建立相應數(shù)據(jù)庫；將安裝所需扭矩、鍛造力、預緊力、墊圈或緊固件位置或制造工藝信息發(fā)送給上位機并建立數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫信息可緊固、定位、維護和檢測緊固件或墊圈狀態(tài)等，優(yōu)點如下：

（1）將批量和單個緊固件和墊圈的制造、工藝信息記錄下來，避免了緊固件或墊圈包裝被打開后信息的丟失；

（2）避免了對緊固件進行定位、跟蹤、驗證其兼容性等工作時，由人工輸入相關信息或校對紙質(zhì)手冊或表格不可靠、耗時、成本高、易于出錯等問題。

美國密蘇里州理工大學REGHU等科研人員于2006年開始對基于網(wǎng)絡使能的手持連接工具進行了試驗研究[3]，以環(huán)槽鉚釘拉槍為研究對象，將應變、位移及氣壓傳感器集成在工具上，通過無線傳感器網(wǎng)絡實時采集連接過程中的參數(shù)數(shù)據(jù)，通過大量試驗數(shù)據(jù)獲得了連接質(zhì)量合格與不合格情況下各參數(shù)的變化規(guī)律、數(shù)據(jù)圖形特征，實現(xiàn)了連接質(zhì)量的在線檢測，從而減少了質(zhì)量檢測時間，提高了工作效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

Saygin等人以扭轉(zhuǎn)型連接件安裝工具為研究對象[4]，集成了扭矩及旋轉(zhuǎn)編碼器，實現(xiàn)了對連接件夾層長度的實時檢測；同時，通過扭矩-角度信息判斷連接件是否有被重復使用的現(xiàn)象，并通過試驗驗證了其檢測的準確性。Cherry Aerospace（美國天銳宇航公司）針對單面螺紋抽釘鉚槍進行改造，實現(xiàn)了新一代連接工具的智能化，使得工具較其他普通工具在輸出同樣載荷的情況下人的作用力最小，從而減少了工人操作強度，提高生產(chǎn)率，并使鉚槍更加緊湊、小型化、符合人體工程學，并引領手持鉚接工具功能向前進步與發(fā)展。

2 國內(nèi)研究概況

國內(nèi)手持連接工具品種很多，但多數(shù)產(chǎn)品只是完成基本的連接功能，同時也研發(fā)了一些具有特殊功能的先進連接工具。如2009年中國氣動工業(yè)股份有限公司申請了拉釘、拉帽槍的數(shù)字顯示模組裝置專利[5]，可顯示工具的工作氣壓或油壓壓力、將壓力、拉力、超壓最大壓力值與累計工作次數(shù)，操作人員可據(jù)此確定工具當時的狀態(tài)是否滿足工作要求，確保操作安全；根據(jù)使用次數(shù)及檢測活塞行程變化，提示操作人員是否需要對工具進行保養(yǎng)或更換元件，提供異常情況下的報警。

3 存在的主要問題及發(fā)展趨勢

目前，手持連接工具功能相對簡單，多數(shù)僅能完成鉚接功能或集成了一些特殊功能，鉚接過程中的工藝參數(shù)及工作過程不能被實時記錄及監(jiān)控，不能為預防連接缺陷及實現(xiàn)連接質(zhì)量在線檢測提供原始數(shù)據(jù)；大量有益工藝數(shù)據(jù)及過程數(shù)據(jù)被浪費，不能對鉚接質(zhì)量進行根源分析，這已不適應網(wǎng)絡化制造與裝配系統(tǒng)發(fā)展的要求。當連接中遇到問題時，因沒有實時數(shù)據(jù)信息，一般采用基于統(tǒng)計學的方法對樣本進行分析；鉚接工具多數(shù)不具備鉚接質(zhì)量在線檢測功能，而鉚接缺陷在不同程度上都會消弱連接強度，使飛機結(jié)構(gòu)的安全性能得不到保證。

手持連接工具正向著小型化、大負載輸出、智能化以及實現(xiàn)遠程診斷方向發(fā)展，波音公司在航空制造與裝配領域起到示范和重要的推動作用。網(wǎng)絡化制造與裝配系統(tǒng)代表了航空制造與裝配的發(fā)展趨勢，它將工業(yè)現(xiàn)場的傳感器網(wǎng)絡、射頻識別RFID網(wǎng)絡、設備監(jiān)控網(wǎng)絡和企業(yè)信息管理網(wǎng)絡進行集成與融合，是未來制造環(huán)境中實現(xiàn)人與人、人與機器、機器與機器之間信息交互的主要手段。其主要特點表現(xiàn)在：遠程過程監(jiān)控系統(tǒng)為部件和設備系統(tǒng)提供一個在線診斷的平臺，通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、云計算等技術(shù)，實時采集工作過程中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息，實現(xiàn)制造、工藝等信息數(shù)據(jù)資源共享，為遠程質(zhì)量及故障診斷提供有益參考；網(wǎng)絡系統(tǒng)將定位信息和工藝要求傳遞給手持工具，手持工具將定位和工藝參數(shù)反饋給網(wǎng)絡，網(wǎng)絡校驗或確認操作的正確性。同時，通過RFID網(wǎng)絡對產(chǎn)品進行定位與跟蹤；同樣配有RFID網(wǎng)絡的手持連接工具通過顯示單元或語音提示功能，對操作人員給予引導，減少對操作人員的技能要求并實現(xiàn)人機協(xié)同作業(yè)。

4 手持智能連接工具的特點及其關鍵技術(shù)

隨著微機電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks）得到廣泛應用[6]，如ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點，為基于無線傳感網(wǎng)絡的手持智能連接工具的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎。引入無線傳感網(wǎng)絡的手持智能連接工具，可實時感知連接過程中的應變、位移、壓力及工藝等參數(shù)，并由遠程計算機對參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時采集、處理與分析，通過大量試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)連接質(zhì)量合格與不合格時對應的圖形特征，即轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)特征，將人工檢測方法轉(zhuǎn)化為計算機可識別的數(shù)字化檢測方法，實現(xiàn)連接質(zhì)量的在線檢測；同時，也能派生出新的數(shù)據(jù)增值模型，如可實現(xiàn)工具使用次數(shù)的統(tǒng)計、工具性能下降狀況等信息。

無線傳感網(wǎng)絡的引入，可減少繁瑣的布線工作，結(jié)構(gòu)靈活，既保證工具的可移動性，又防止工具變得復雜和笨重；連接質(zhì)量的在線檢測，相比連接安裝完畢再進行質(zhì)量檢測的后處理工作方式，大大減少了工作時間，提高了工作效率；同時，獲取的制造、裝配工藝數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心可實現(xiàn)資源共享，為系統(tǒng)故障診斷、連接工具及連接件本身的優(yōu)化設計提供原始數(shù)據(jù)。手持智能連接工具涉及的關鍵技術(shù)：

（1）手持工具與多傳感器集成及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

為降低成本，盡量不改變原有手持工具結(jié)構(gòu)，因此，如何將相關多種傳感器嵌入到連接工具結(jié)構(gòu)中，是實現(xiàn)工具智能化的前提，同時考慮電磁兼容、工作時振動對傳感器測試精度的影響。

（2）無線傳感網(wǎng)絡構(gòu)建技術(shù)。

為保證工具使用的靈活性，系統(tǒng)需采用干電池或鋰電池供電。研制開發(fā)短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)基于嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡平臺的構(gòu)建技術(shù)，將應變、位移、氣壓等傳感器有機結(jié)合，實現(xiàn)多傳感器信息的有效融合。

（3）海量數(shù)據(jù)實時采集、處理與管理技術(shù)。

·實時同步采集系統(tǒng)內(nèi)多種傳感器數(shù)據(jù)信息，基于多傳感器信息融合技術(shù)（如采用估計算法、參數(shù)方法及人工智能等方法與技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合），將不同傳感器描述的信息（包括冗余信息、互補信息）高效、合理地綜合成統(tǒng)一的特征表達信息，為智能決策提供可靠信息。

·通過智能計算、統(tǒng)計、仿真、可視化及數(shù)據(jù)庫等技術(shù)進行海量數(shù)據(jù)分析、管理，實現(xiàn)特征數(shù)據(jù)圖像化顯示及人機交互，為現(xiàn)場操作人員提供指導。

5 結(jié)論

手持連接工具是一種低成本、高效率的便攜式連接工具，有著廣泛的應用及良好的前景。研究其應用及發(fā)展模式，將有助于發(fā)揮其更大的效益,促使其性能更加完善、人性化，更適于人工操作。隨著網(wǎng)絡化制造與裝配系統(tǒng)應用技術(shù)的不斷發(fā)展，手持連接工具也向著智能化、數(shù)字化、可視化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。本文提出的設計思路及方法也為網(wǎng)絡化制造與裝配環(huán)境下其他設備的研制提供借鑒。

[1] 任開勛, 沙云東. 飛機蒙皮鉚接過程中阻尼減振降噪方法探討. 沈陽航空工業(yè)學院學報, 2010,27(4):12-16

[2] 戴維·H·阿米爾特沙米, 威廉·P·贊特森, 布蘭科·薩. 智能緊固件安裝系統(tǒng): 中國, CN101425240[P]. 2009-05-06.

[3] ANGUSWAMY R, SAYGIN C, SARANGAPANI J. In-process detection of fastener grip length using embedded mobile wireless sensor network-based pull-type tools. International Journal of Manufacturing Research, 2009,4(2):154-170.

[4] SAYGIN C, MOHAN D, SARANGAPANI J. Real-time detection of grip length during fastening of bolted joints:a mahalanobistaguchi system(MTS) based approach. Journal of Intelligent Manufacturing,2010,21(4):377-392.

[5] 朱秀峰, 彭善謙, 林亦宏. 拉釘、拉帽槍的數(shù)字顯示模組裝置: 中國 , CN101890472A[P]. 2010-11-24.

[6] 林子敬. 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡的研究與實現(xiàn)[D]. 合肥:中國科學技術(shù)大學, 2009.