自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在直升機(jī)機(jī)身總裝中的應(yīng)用研究

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故的70%是源于結(jié)構(gòu)連接部位，其中80%的疲勞裂紋產(chǎn)生于連接孔處，因此連接質(zhì)量極大地影響著飛機(jī)的壽命[1]。因此根據(jù)飛機(jī)自動(dòng)化制孔的特點(diǎn)和要求，國外著名的飛機(jī)裝配設(shè)備制造廠家（如Gemcor、EI等公司）生產(chǎn)了許多大型的面向飛機(jī)裝配的自動(dòng)化制孔和鉚接設(shè)備。國外在新一代飛機(jī)的研制上大多已經(jīng)采用自動(dòng)鉆鉚設(shè)備配柔性定位工裝的裝配模式，尤其是基于機(jī)器人載體的自動(dòng)制孔及鉚接系統(tǒng)[2]。

近年來，國內(nèi)陸續(xù)引進(jìn)了許多大型自動(dòng)鉆鉚機(jī)，單臺(tái)式自動(dòng)鉆鉚機(jī)逐步開始應(yīng)用于飛機(jī)壁板鉚接中，并在局部上采用了較先進(jìn)的技術(shù)，如利用激光跟蹤儀或計(jì)算機(jī)輔助經(jīng)緯儀技術(shù)安裝型架[3-4]。少數(shù)直升機(jī)制造廠也采用了自動(dòng)鉆鉚技術(shù)，簡化了裝配型架結(jié)構(gòu)，但與發(fā)達(dá)國家航空企業(yè)相比還存在較大的差距[5]。

直升機(jī)外形復(fù)雜，而且零件數(shù)量巨大，內(nèi)部空間緊湊，協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，裝配和安裝周期長，質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，所以直升機(jī)的裝配技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù)難度大、涉及學(xué)科領(lǐng)域多的綜合性高技術(shù)。目前裝配工作在飛機(jī)生產(chǎn)過程中是最費(fèi)時(shí)費(fèi)力的，長期以來一直困擾著制造業(yè)的發(fā)展，嚴(yán)重影響了直升機(jī)的研制周期[3]。

本文根據(jù)直升機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)和工藝要求，設(shè)計(jì)出直升機(jī)機(jī)身總裝自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)壓緊、自動(dòng)測量標(biāo)定、自動(dòng)制孔、涂膠、送釘，并實(shí)施鉚接，能夠一次完成手工需要多次操作的工作，可滿足直升機(jī)裝配高質(zhì)量、高效率的自動(dòng)化裝配需求。

1 直升機(jī)機(jī)身總裝自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)

直升機(jī)機(jī)身總裝自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)包括機(jī)身結(jié)構(gòu)自動(dòng)化定位子系統(tǒng)、機(jī)器人自動(dòng)鉆孔子系統(tǒng)等，如圖1所示。此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)身結(jié)構(gòu)的自動(dòng)夾持定位、測量和機(jī)器人自動(dòng)定位，實(shí)現(xiàn)前機(jī)身、中機(jī)身及過渡段連接區(qū)的自動(dòng)制孔、送釘并進(jìn)行鉚接。

1.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)自動(dòng)化定位子系統(tǒng)

機(jī)身結(jié)構(gòu)自動(dòng)化定位子系統(tǒng)即數(shù)字化定位工裝，主要包括工裝主體、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和保型機(jī)構(gòu)，可以完成產(chǎn)品的定位、夾持、保型和旋轉(zhuǎn)。其功能主要是在機(jī)身結(jié)構(gòu)預(yù)連接完成后，拖車驅(qū)動(dòng)機(jī)身進(jìn)入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，調(diào)整位置；然后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、保型機(jī)構(gòu)入位，保持機(jī)身外形；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)身進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將機(jī)身旋轉(zhuǎn)至工作位置，如圖2所示。

圖1 直升機(jī)機(jī)身總裝自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)Fig.1 Automatic drill-riveting system of the helicopter fuselage assembly

圖2 機(jī)身結(jié)構(gòu)自動(dòng)化定位子系統(tǒng)Fig.2 Automatic positioning subsystem of fuselage structure

工裝主體包括4個(gè)立柱底座和1套環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形結(jié)構(gòu)采用分體式設(shè)計(jì)，分為上下兩個(gè)圓弧部分，上部圓弧固定在工裝主體上，下部圓弧固定在小車上。在機(jī)身進(jìn)入上部圓弧后，下部圓弧在小車的驅(qū)動(dòng)下與上部圓弧完成對(duì)接，從而完成環(huán)形結(jié)構(gòu)的對(duì)接。 圓弧導(dǎo)軌、圓弧齒條各分為兩組，安裝在環(huán)形結(jié)構(gòu)的上部圓弧和下部圓弧處，與環(huán)形結(jié)構(gòu)同步對(duì)接。環(huán)形結(jié)構(gòu)通過滑座（位于機(jī)身前后兩組，每組4個(gè)）與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括主體部分和驅(qū)動(dòng)部分。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是通過電機(jī)配減速機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和圓弧齒條相互嚙合，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和機(jī)身同步在圓弧導(dǎo)軌上做軌跡運(yùn)動(dòng)，滿足機(jī)身旋轉(zhuǎn)至工作位置。

保型機(jī)構(gòu)主要分布在機(jī)身前后兩組，每組3個(gè)。保型機(jī)構(gòu)與機(jī)身之間采用球關(guān)節(jié)和鉸鏈結(jié)構(gòu)的方式連接，減少應(yīng)力集中，防止機(jī)身發(fā)生大的變形。

1.2 機(jī)器人自動(dòng)鉆孔子系統(tǒng)

機(jī)器人自動(dòng)鉆孔子系統(tǒng)由機(jī)器人、第七軸、末端執(zhí)行器、執(zhí)行單元、送料機(jī)構(gòu)、真空吸塵等組成。機(jī)器人用于驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器進(jìn)行鉆鉚接工作。第七軸由底座、導(dǎo)軌滑塊、齒輪齒條、滑臺(tái)、伺服驅(qū)動(dòng)等組成，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿航向運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行器搭載各加工單元、配置壓腳，安裝法相測量機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)法向反饋、照相測量、壓緊、鉆孔、鉚接等功能。

2 直升機(jī)機(jī)身總裝自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)工藝分析

直升機(jī)是高科技復(fù)雜產(chǎn)品，它的研制生產(chǎn)涉及到企業(yè)各個(gè)方面，需要多專業(yè)、多學(xué)科的技術(shù)支持，所以直升機(jī)裝配過程中對(duì)工藝的要求非常高。根據(jù)各項(xiàng)裝配技術(shù)的特點(diǎn)和直升機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)的工藝過程為：

（1）系統(tǒng)初始化，測量基準(zhǔn)點(diǎn)，建立坐標(biāo)系。

（2）機(jī)身結(jié)構(gòu)預(yù)連接完成，拖車驅(qū)動(dòng)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)入工裝主體，調(diào)整位置。

（3）數(shù)字化定位工裝保型機(jī)構(gòu)入位，保持機(jī)身外形，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)身在圓弧導(dǎo)軌上做軌跡運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)至工作位置。

（4）第7軸驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)入工作位置，末端執(zhí)行器上的照相單元，采集工藝基準(zhǔn)孔信息，控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，擬合加工坐標(biāo)系。

（5）機(jī)器人自動(dòng)鉆孔子系統(tǒng)開始進(jìn)行制孔、送釘以及鉚接安裝工作，并循環(huán)此部分工作，直至將該側(cè)該區(qū)域的工作完成，第7軸驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)入該側(cè)下一區(qū)域工作。

同時(shí)注意到在模型3的控制變量中,研究生畢業(yè)學(xué)校等級(jí)對(duì)研究生的學(xué)術(shù)水平有顯著的正向影響,這表明從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上來講,國家重點(diǎn)院校對(duì)研究生學(xué)術(shù)水平的影響要顯著高于其他一般普通院校,這與我們的經(jīng)驗(yàn)也是比較吻合的。但是當(dāng)模型中引入研究生學(xué)術(shù)感知力變量時(shí),控制變量對(duì)研究生學(xué)術(shù)水平的影響并不顯著。

（6）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將工作區(qū)域旋轉(zhuǎn)至下一側(cè)。

（7）進(jìn)行（4）～（6）工序的循環(huán)，完成所有制孔及鉚接，機(jī)身下架，進(jìn)行后續(xù)工作。

3 關(guān)鍵技術(shù)

直升機(jī)機(jī)身總裝自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)是集機(jī)械、電氣、軟件于一體的復(fù)雜多功能系統(tǒng)，涉及多專業(yè)、多學(xué)科。因此，直升機(jī)機(jī)身總裝自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)得以應(yīng)用和發(fā)展需解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 數(shù)字化定位工裝

直升機(jī)因?yàn)橥庑螐?fù)雜，內(nèi)部空間緊湊，所以設(shè)計(jì)一套數(shù)字化定位工裝就顯得非常關(guān)鍵。本文根據(jù)直升機(jī)制造過程、機(jī)身特點(diǎn)和工藝要求設(shè)計(jì)的數(shù)字化定位工裝，克服了機(jī)身外形復(fù)雜、不容易定位的問題，可滿足機(jī)身工況要求，實(shí)現(xiàn)工裝的數(shù)字化和柔性化[6]。

數(shù)字化定位工裝中的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以保證機(jī)身旋轉(zhuǎn)至所需要的姿態(tài)和角度。為達(dá)到機(jī)身要做圓周運(yùn)動(dòng)的要求，本系統(tǒng)采用力的作用點(diǎn)靠近輸出扭矩（輸出軸）的方式（即齒輪配合圓弧齒條），齒輪安裝在減速電機(jī)的輸出軸，齒輪驅(qū)動(dòng)圓弧齒條。相對(duì)于運(yùn)動(dòng)軌跡的直徑，齒輪的直徑大為縮小，這樣就大大降低了對(duì)輸出扭矩的要求。同時(shí)也解決了由于機(jī)身位于數(shù)字化定位工裝的中心，在中心位置設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)空間局限性的問題。

保型機(jī)構(gòu)既可保證機(jī)身的定位，又可保證機(jī)身和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在圓弧導(dǎo)軌上始終同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)防止對(duì)產(chǎn)品劃傷，減少應(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)機(jī)身結(jié)構(gòu)的柔性夾持。

3.2 圓弧導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)選型

本系統(tǒng)采用機(jī)身與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在圓弧導(dǎo)軌上同步旋轉(zhuǎn)，所以圓弧導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)選型就尤為重要。

圓弧導(dǎo)軌固定在工裝主體上，在圓弧導(dǎo)軌上安裝滑座，機(jī)身前后兩組，每組4個(gè)，如圖2所示?；托D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接，滑座沿圓弧導(dǎo)軌做軌跡運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)?；?個(gè)滾輪在弧形導(dǎo)軌兩側(cè)的精密V型面上滾動(dòng)，每側(cè)的兩個(gè)滾輪中心的運(yùn)動(dòng)軌跡是同一條弧線，和圓弧導(dǎo)軌是同一個(gè)圓心，兩側(cè)的兩條弧形運(yùn)動(dòng)軌跡是同圓心，如圖3所示。

圖3 圓弧導(dǎo)軌和滾輪的原理圖Fig.3 Principle diagram of arc guide rail and wheel

3.3 消隙機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)直升機(jī)機(jī)身沿圓弧導(dǎo)軌做軌跡運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)于旋轉(zhuǎn)精度要求很高。為了提高齒輪和圓弧齒條的傳動(dòng)精度就要設(shè)計(jì)齒輪消隙機(jī)構(gòu)，本系統(tǒng)采用雙齒輪消除間隙：兩個(gè)齒輪合并到一起安裝，并且兩個(gè)齒輪之間裝有可以周向相對(duì)扭轉(zhuǎn)錯(cuò)位的裝置。雙齒輪與圓弧齒輪同時(shí)嚙合，嚙合時(shí)雙齒輪中的一個(gè)輪齒與相鄰輪齒的受力面嚙合，而雙齒輪的另外一個(gè)齒輪與相鄰輪齒的背面嚙合[7]。

3.4 末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器是機(jī)器人自動(dòng)鉆孔子系統(tǒng)的核心部分。其機(jī)構(gòu)形式直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功能和作用。伴隨著現(xiàn)代飛機(jī)裝配對(duì)設(shè)備多功能需求日益強(qiáng)烈，末端執(zhí)行器應(yīng)在現(xiàn)有制孔的基礎(chǔ)上開發(fā)面向送釘、涂膠、鉚接等新型功能[8-9]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器具有輕量化、多功能化的特點(diǎn)。末端執(zhí)行器集成的執(zhí)行單元有：制孔單元、壓腳單元、插釘鉚接單元和照相單元（見圖4）。末端執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成特征定位、法向找正、壓緊、鉆孔、锪窩、潤滑、冷卻和排屑等主要功能[10]。

圖4 末端執(zhí)行器Fig.4 End-effector

制孔單元的轉(zhuǎn)速1500～15000r/min（扭矩2.6N·m），可實(shí)現(xiàn)鉆孔和锪窩，主軸進(jìn)給采用擋塊控制以保持較好的重復(fù)定位精度。

壓腳單元由雙氣缸推動(dòng)壓腳座壓緊零件表面，壓腳座上安裝4個(gè)激光測距儀用來測量加工表面的法向。每個(gè)測距儀發(fā)射的激光接觸到對(duì)面物體表面（如飛機(jī)壁板蒙皮表面）后反射回來，被傳感器接收，可以計(jì)算出其與對(duì)面物體表面間的直線距離。將4個(gè)測距儀準(zhǔn)確安裝后，計(jì)算出加工表面的法向。

插釘鉚接單元主要是由從自動(dòng)送釘系統(tǒng)通過吹釘管選擇器被送到鉆鉚工作頭的送釘器，然后再完成鉚釘?shù)你T接工藝。

照相單元主要在末端執(zhí)行器的外殼上裝配康耐視攝像頭，當(dāng)移動(dòng)到照相定位工位時(shí)，對(duì)產(chǎn)品上的已知目標(biāo)，根據(jù)實(shí)際零件的幾何形狀調(diào)整機(jī)器人的理論軌跡。通過二維的相機(jī)和一維的激光測距儀組合，達(dá)到三維測量。

4 結(jié)論

直升機(jī)機(jī)身總裝自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)符合現(xiàn)在直升機(jī)裝配制造的要求，具有柔性化、數(shù)字化和模塊化的特點(diǎn)。隨著相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，可以促進(jìn)我國直升機(jī)裝配技術(shù)向著高質(zhì)量、高效率的方向發(fā)展，縮小我國直升機(jī)行業(yè)的研制能力與國際先進(jìn)水平的差距，提高國際競爭力，為我國直升機(jī)的研制開發(fā)提供技術(shù)保障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王黎明.數(shù)字化自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2008(11)：42-45.

WANG Liming.Application digital automatic drill-riveting technology in aircraft manufacture[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2008(11):42-45.

[2]郭恩明.國外飛機(jī)柔性裝配技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2005(9)：28-32.

GUO Enming.The plane flexible assembly technology abroad[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2005(9):28-32.

[3]李薇.數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù)，2004(8)：24-27.

LI Wei.The application of digital technology in the aircraft assembly[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2004(8):24-27.

[4]許國康.自動(dòng)鉆鉚技術(shù)及其在數(shù)字化裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2005(6)：34-37.

XU Guokang.Automatic drilling and riveting technology and its application in digital assembly[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2005(6):34-37.

[5]陳先有，黃俊波.直升機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)分析[J].新技術(shù)新工藝，2007(7)：57-60.

CHEN Xianyou,HUANG Junbo.The helicopter digital assembly technology analysis[J].New Technology & New Process,2007(7):57-60.

[6]盧廷鈞.數(shù)字化技術(shù)在直升機(jī)制造企業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2004(14)：26-30.

LU Tingjun.The application and development of digital technology in the helicopter manufacturing enterprises[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2004(14):26-30.

[7]饒軍，田宏宇，李玉蘭.數(shù)控機(jī)床與數(shù)控技術(shù)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2006.

RAO Jun,TIAN Hongyu,Li Yulan.Nc machine tool and numerical control technology[M].Beijing: China Forestry Publishing House,2006.

[8]魏超.柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)在現(xiàn)代飛機(jī)裝配中的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù)，2016(22)：36-41.

WEI Chao.Research on application of flex track drilling system in modern aircraft assembly[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2016(22):36-41.

[9]杜寶瑞，馮子明，姚艷彬，等.用于飛機(jī)部件自動(dòng)制孔的機(jī)器人制孔系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù)，2010(47)：47-50.

DU Baorui,FENG Ziming,YAO Yanbin,et al.The robots used in aircraft component system of automatic hole hole making system[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2010(47):47-50.

[10]畢云波，李永超，顧金偉，等.機(jī)器人自動(dòng)化制孔系統(tǒng)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2014(8)：1427-1433.

BI Yunbo,LI Yongchao,GU Jinwei,et al.Robotic automation drilling system[J].Journal of Zhejiang University (Engineering Science),2014(8):1427-1433.