基于蒙皮的大飛機(jī)自動(dòng)制孔連接化技術(shù)

韓志仁，姜 升

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

大飛機(jī)的發(fā)展是我國(guó)的重要戰(zhàn)略舉措之一，在軍事、政治、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都起到了舉足輕重的作用[1]。我國(guó)是在智能化、數(shù)字化大力推進(jìn)和發(fā)展的背景下開始發(fā)展大飛機(jī)，基本摒棄了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造模式，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模式研制大飛機(jī)。目前，智能化、數(shù)字化技術(shù)在大飛機(jī)上應(yīng)用尚處于不斷解決問題、不斷提高水平的階段，有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破提高，其中大飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、壁板等在裝配過程中，蒙皮的裝配、連接(指基于裝配完成的骨架進(jìn)行蒙皮的裝配，或骨架蒙皮同時(shí)進(jìn)行裝配，實(shí)現(xiàn)機(jī)身、機(jī)翼、壁板等部件裝配，以下簡(jiǎn)稱大飛機(jī)蒙皮裝配或大飛機(jī)蒙皮裝配、連接)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。大飛機(jī)蒙皮裝配主要包括壁板蒙皮裝配、機(jī)身蒙皮裝配和機(jī)翼蒙皮裝配等。從裝配工藝設(shè)計(jì)到自動(dòng)制孔連接形成完整的蒙皮裝配鏈，包括制孔和連接工藝設(shè)計(jì)、制孔和連接程序編制、裝配工裝設(shè)計(jì)與制造、制孔和連接過程仿真、制孔和連接實(shí)施等幾個(gè)階段。目前國(guó)內(nèi)外在各個(gè)階段已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，劉順濤、韓志仁等研究了自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)[2]；劉平、韓志仁等研究了自動(dòng)鉆鉚夾持點(diǎn)布局優(yōu)化方法[3-4]；王會(huì)周等研究了制孔與鉚接工藝方案[5]；董輝躍等研究了自動(dòng)制孔離線編程技術(shù)[6-8]；凌波等研究了自動(dòng)制孔仿真技術(shù)[9]；這些技術(shù)的研究與發(fā)展促進(jìn)了蒙皮裝配智能化、數(shù)字化的發(fā)展，他們均屬于整個(gè)制造體系的一部分。

目前采用自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行蒙皮的裝配、連接還處于發(fā)展階段，逐漸形成完整的優(yōu)化的體系。根據(jù)研究整理了蒙皮自動(dòng)裝配、連接的基本流程如圖1所示。該基本流程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括“自動(dòng)制孔、連接工藝設(shè)計(jì)”、“自動(dòng)制孔、連接編程”、“工裝設(shè)計(jì)”以及“自動(dòng)制孔、連接過程仿真”。本文主要將對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行討論，其中“自動(dòng)制孔、連接過程仿真”與“自動(dòng)制孔、連接編程”關(guān)系緊密，將二者并入同一部分進(jìn)行討論。

圖1 基于蒙皮的部件自動(dòng)化裝配、連接基本流程

1 自動(dòng)制孔和連接工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)機(jī)身、機(jī)翼、壁板等部件的裝配過程中，蒙皮裝配的自動(dòng)制孔和連接工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先指定在一次自動(dòng)制孔和連接任務(wù)中需要裝配的蒙皮，根據(jù)該蒙皮進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)(這里工藝設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：一部分是規(guī)劃設(shè)計(jì)和信息獲取與梳理，也就是本節(jié)討論的問題；第二部分是具體的制孔加工和連接(如鉚接)的工藝參數(shù)、路徑等，將在自動(dòng)制孔與編程的部分討論)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括自動(dòng)獲取制孔需要的信息，從而確定定位基準(zhǔn)、夾緊方式、制孔位置、自動(dòng)制孔的對(duì)象等。該部分工藝信息的載體是部件的數(shù)模，自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)結(jié)果直接添加到裝配數(shù)模中，作為數(shù)模的一部分表達(dá)工藝信息，并且這些信息在結(jié)構(gòu)樹上處于工藝區(qū)，與設(shè)計(jì)提供的模型存在鮮明的界限。制孔和連接工藝設(shè)計(jì)包括基準(zhǔn)孔設(shè)計(jì)、夾緊孔設(shè)計(jì)、自動(dòng)制孔設(shè)計(jì)三大類，這三類孔的制孔信息類型相同，均包括點(diǎn)位和法矢、連接件材料順序、夾層厚度、夾層厚度順序、硬化狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)件信息等[1]。制孔和連接工藝設(shè)計(jì)作為獨(dú)立工作部分，可以用二次開發(fā)出來的專用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保證制孔和連接工藝設(shè)計(jì)結(jié)果的規(guī)范性、正確性、適用性，可以與各種自動(dòng)制孔和連接設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行對(duì)接，圖2所示為制孔和連接工藝設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖2 規(guī)范化的制孔與連接工藝設(shè)計(jì)結(jié)果

隨著數(shù)字化制造和智能制造技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)制孔和連接設(shè)備在航空企業(yè)已經(jīng)逐漸應(yīng)用，雖然經(jīng)歷了5年以上的應(yīng)用研究，但相關(guān)技術(shù)還沒有完全成熟。目前航空企業(yè)主要將制孔和連接工藝設(shè)計(jì)與程序編制作為一個(gè)整體，也就是設(shè)計(jì)工藝與編程同時(shí)進(jìn)行，在處理各種自動(dòng)制孔設(shè)備的時(shí)候，更多考慮編程問題而忽略了工藝設(shè)計(jì)，容易造成人為遺漏和信息獲取不充分、問題責(zé)任人混亂等問題。這種工藝設(shè)計(jì)與數(shù)控編程混合在一起的工作模式必將被工藝設(shè)計(jì)和數(shù)控編程獨(dú)立工作模式取代。

2 自動(dòng)制孔和連接技術(shù)

制孔和連接程序的編制涉及制孔設(shè)備類型、裝配件定位、裝配件開敞性、編程路徑規(guī)劃、二次定位、位置誤差補(bǔ)償方法等問題。它包括自動(dòng)制孔編程和自動(dòng)連接編程兩部分，依據(jù)工藝設(shè)計(jì)給出的制孔工藝信息、連接信息與具體制孔的相關(guān)加工參數(shù)等在自動(dòng)制孔編程時(shí)進(jìn)行確定,自動(dòng)連接編程的考慮主要針對(duì)螺栓連接和鉚接兩大類。

2.1 自動(dòng)制孔和鉚接設(shè)備

由于自動(dòng)鉆鉚設(shè)備具有能夠進(jìn)行制孔操作和鉚接質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始使用，早期投入使用的自動(dòng)鉆鉚機(jī)一般通過手動(dòng)托架或自動(dòng)托架對(duì)裝配部件進(jìn)行定位[10-14]。在數(shù)字化制造和智能化制造的背景下，自動(dòng)鉆鉚設(shè)備發(fā)展迅速，主要包括三類。

第一類是在傳統(tǒng)自動(dòng)鉆鉚機(jī)的基礎(chǔ)上結(jié)合先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)發(fā)展而來的多自由度自動(dòng)鉆鉚機(jī)[10-14]，主要包括自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)和托架系統(tǒng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和尺寸的不同，適合于不同機(jī)型的機(jī)翼、機(jī)身等部件上的壁板裝配，對(duì)裝配的部件開敞性要求高，如圖3所示，特制的自動(dòng)鉆鉚機(jī)也可以用于部件的鉆鉚，如圖4所示。

圖3 用于壁板的自動(dòng)鉆鉚機(jī)

第二類是基于機(jī)器人的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備[15]，包括大載荷的機(jī)器人與自動(dòng)鉆鉚末端執(zhí)行器構(gòu)成最小機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚單元，根據(jù)需要可以在橫向和縱向進(jìn)行擴(kuò)展，通過擴(kuò)展擴(kuò)大自動(dòng)鉆鉚的工作范圍，滿足大部件的自動(dòng)鉆鉚需求。圖5為橫向擴(kuò)展機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)，圖6為數(shù)控平臺(tái)擴(kuò)展的機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)。每個(gè)最小機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚單元一般和另一輔助的機(jī)器人單元配合使用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆鉚，對(duì)于單純的自動(dòng)制孔或單面鉚機(jī)，最小機(jī)器人的自動(dòng)鉆鉚單元可以獨(dú)立工作?；跈C(jī)器人的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鉆鉚機(jī)，具有對(duì)部件的開敞性要求低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可控自由度多、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于大飛機(jī)機(jī)翼壁板等超長(zhǎng)部件，可以通過幾臺(tái)機(jī)器人鉆鉚機(jī)組成鉆鉚系統(tǒng)(如圖5所示)；對(duì)于長(zhǎng)和寬均大尺寸的部件，數(shù)控平臺(tái)和工業(yè)機(jī)器人共同組成一個(gè)鉆鉚系統(tǒng)(如圖6所示)。基于機(jī)器人的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備不僅適用于機(jī)身和機(jī)翼壁板的自動(dòng)鉆鉚，還適用于機(jī)身封閉結(jié)構(gòu)，通過機(jī)身內(nèi)的機(jī)器人和機(jī)身外的機(jī)器人配合使用完成自動(dòng)鉆鉚工作(如圖7所示)，是該系統(tǒng)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)之一。

圖4 專用自動(dòng)鉆鉚機(jī)

圖5 橫向擴(kuò)展機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)圖

圖6 數(shù)控平臺(tái)擴(kuò)展的機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)

第三類是輕便的爬行機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚設(shè)備，用于在部件裝配后期的局部鉆鉚工作，如圖8所示。

圖7 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)用于機(jī)身裝配

圖8 爬行機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)

2.2 裝配件定位問題

自動(dòng)鉆鉚過程與飛機(jī)坐標(biāo)系、工裝坐標(biāo)系、機(jī)器人坐標(biāo)系等有關(guān)。部件的描述是依據(jù)飛機(jī)的全局坐標(biāo)系，工裝設(shè)計(jì)根據(jù)需要設(shè)立工裝局部坐標(biāo)系，而工作機(jī)器人有自己的坐標(biāo)系，這些坐標(biāo)系需要進(jìn)行整合，需要通過基準(zhǔn)將所有坐標(biāo)系擬合在一起。蒙皮通過基準(zhǔn)確定與工裝和蒙皮支撐骨架的關(guān)系，骨架通過基準(zhǔn)建立與工裝的關(guān)系，工裝通過基準(zhǔn)建立與機(jī)器人的關(guān)系，在這些轉(zhuǎn)換過程中必然存在誤差，需要對(duì)這些誤差進(jìn)行補(bǔ)償，減小裝配誤差。制孔位置誤差包括機(jī)器人定位的絕對(duì)誤差、機(jī)器人坐標(biāo)系與飛機(jī)坐標(biāo)系的關(guān)系標(biāo)定誤差(基準(zhǔn)加工誤差和擬合誤差造成的標(biāo)定誤差)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差等。另外，還有蒙皮定位基準(zhǔn)加工誤差、工裝與骨架定位基準(zhǔn)加工誤差以及導(dǎo)致的蒙皮和骨架與工裝之間的相對(duì)位置誤差，裝配過程中的零件變形造成的誤差等，這些誤差都會(huì)造成蒙皮和骨架偏離理論位置[16-20]。

蒙皮和骨架與理論位置存在誤差，自動(dòng)鉆鉚設(shè)備的絕對(duì)誤差、標(biāo)定誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差造成的制孔定位與理論孔位的誤差[6]，這兩大類誤差造成制孔綜合誤差。一般采用的方法是按理論值進(jìn)行離線編程，根據(jù)實(shí)際測(cè)得的邊界頂點(diǎn)偏移量對(duì)理論值進(jìn)行線性插值補(bǔ)償[2]，這種方法會(huì)帶來繁瑣的工作，造成自動(dòng)制孔準(zhǔn)備時(shí)間加長(zhǎng)，效率降低。在骨架和蒙皮滿足整體要求的前提下，應(yīng)該更關(guān)心孔與被連接骨架的相對(duì)位置關(guān)系，在實(shí)際裝配過程中通過調(diào)整孔的坐標(biāo)位置，保證孔與被連接骨架的位置關(guān)系，通過孔與被連接骨架合理的位置關(guān)系保證了孔相對(duì)于與被連接骨架的邊距符合規(guī)范，同時(shí)保證了孔的位置不會(huì)影響鉆鉚操作等。因此，建議采取以下措施。

(1)提高定位孔的位置和尺寸精度；

(2)減少自動(dòng)鉆鉚過程中二次定位、工裝運(yùn)動(dòng)等帶來的位置誤差；

(3)通過照相測(cè)量等方法快速獲取自動(dòng)鉆鉚骨架的位置與理論位置的誤差，實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償，這個(gè)問題一直是國(guó)內(nèi)沒有得到很好解決的問題，也是影響實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

2.3 加工路徑規(guī)劃與鉆鉚仿真

制孔和連接編程包括制孔和連接末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的路徑、制孔和連接工藝過程的實(shí)施等，末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的路徑和工藝實(shí)施過程直接影響到加工質(zhì)量、加工效率以及加工的安全性[5,8-9,21]。目前研究最多的是根據(jù)使用的刀具進(jìn)行分組(在孔位加工路徑規(guī)劃時(shí)應(yīng)對(duì)孔位進(jìn)行分組，類型相同并使用同種刀具的孔位應(yīng)分在一組按順序加工，這樣可以減少換刀次數(shù)，保證加工效率),末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的路徑最短,安全避讓等因素，將這些因素作為約束元素進(jìn)行加工路徑規(guī)劃[3-4]。對(duì)于加工安全性中避讓問題需要通過后續(xù)的仿真進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)，工藝相關(guān)的安全性問題一般沒有充分考慮，比如在制孔過程中制孔順序?qū)χ瓶字袠?gòu)件的剛性影響和制孔質(zhì)量的影響。實(shí)際自動(dòng)鉆鉚一般采用雙向夾緊的方法，這種情況容易保證制孔的基本剛度要求，由于空間限制等原因，有時(shí)在沒有支撐的情況下制孔，該情況下制孔順序會(huì)影響制孔時(shí)的剛度。

如圖9所示為無支撐制孔，為了保證制孔的基本剛度要求，預(yù)先在1、7位置進(jìn)行了預(yù)先連接，在自動(dòng)制孔過程中每制一個(gè)孔就會(huì)造成局部剛度下降，在這種情況下，對(duì)于圖9中的制孔問題，如果按2、3、4、5、6的順序進(jìn)行制孔，4位置制孔時(shí)剛度低，采用4、3、5、6、2的順序，可以優(yōu)化制孔時(shí)的剛度。蒙皮在連接過程中存在變形，在鉚接過程中如果沿著一個(gè)方向順序鉚接，也可能造成蒙皮變形的積累，蒙皮沿一個(gè)方向變長(zhǎng)等問題，影響裝配質(zhì)量。因此，編程中加工路徑規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜問題，需要綜合考慮加工工藝、連接剛度、安全避讓、效率等問題[22-26]，路徑最短不是關(guān)鍵問題，具體如下。

(1)按制孔和連接工藝相同的原則進(jìn)行分組；

(2)充分考慮連接結(jié)構(gòu)的開放性，蒙皮裝配連接的骨架一側(cè)是避讓考慮的重點(diǎn)；

(3)考慮制孔和連接過程中的剛度和變形，制定制孔和連接順序相關(guān)的工藝方案；

(4)在充分考慮前面3個(gè)問題的基礎(chǔ)上優(yōu)化加工路徑，提高效率；

(5)雖然路徑規(guī)劃考慮了碰撞等安全性避讓問題，不能作為最后的安全保證依據(jù)，需要通過制孔和連接幾何仿真進(jìn)行最后的安全確認(rèn)；

(6)考慮分站式機(jī)器人分區(qū)優(yōu)化和協(xié)調(diào)問題。

圖9 制孔與連接示意圖

制孔和連接仿真技術(shù)主要解決加工過程中的干涉和碰撞問題，屬于運(yùn)動(dòng)仿真和幾何仿真范疇，它包括運(yùn)動(dòng)仿真與干涉檢測(cè)兩部分內(nèi)容。通過加工過程仿真，操作人員可以直觀觀察整個(gè)鉆鉚加工過程，有利于對(duì)整個(gè)加工過程的把握，避免加工過程中出現(xiàn)干涉和碰撞現(xiàn)象[3,5]。制孔與連接仿真過程中涉及的物理對(duì)象不同，例如采用的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備不同、工裝結(jié)構(gòu)不同、裝配部件不同等，一般基于Delmia或CATIA進(jìn)行仿真，因此需要根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有自動(dòng)鉆鉚設(shè)備的情況，建立自動(dòng)鉆鉚設(shè)備的幾何模型，基于Delmia或CATIA開發(fā)專用的裝配仿真軟件。

3 裝配工裝的設(shè)計(jì)與制造

大飛機(jī)蒙皮制孔與連接的工裝設(shè)計(jì)與采用的制孔和連接設(shè)備有關(guān)，針對(duì)不同的設(shè)備在設(shè)計(jì)裝配工裝時(shí)需要特殊考慮?？傮w而言工裝設(shè)計(jì)所考慮的問題基本相同，包括被連接骨架、蒙皮的定位和夾緊方式，建立制孔連接設(shè)備的坐標(biāo)系與工裝坐標(biāo)系和飛機(jī)全局坐標(biāo)系的基準(zhǔn)等。

對(duì)于基于托架的自動(dòng)鉆鉚機(jī)，工裝設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮托架的結(jié)構(gòu)和提供的連接接口、擺放位置和姿態(tài)等，通過基于托架的工裝將需要裝配的部件通過定位基準(zhǔn)整合在一起，工裝以托架為框架設(shè)計(jì)定位卡板和定位基準(zhǔn)，如圖10所示。制孔和連接時(shí)部件和工裝的整體剛度取決于托架的剛度。對(duì)于長(zhǎng)度超出托架范圍的部件，需要二次定位。在制孔和連接過程中通過托架的運(yùn)動(dòng)調(diào)整部件的姿態(tài)，以便保證法線與制孔鉆頭軸線一致。這種方式中部件和托架不停的運(yùn)動(dòng)改變姿態(tài)，需要進(jìn)行反復(fù)的坐標(biāo)變化，會(huì)帶來計(jì)算誤差和累計(jì)誤差。另外，骨架在裝配過程中存在位置誤差，這種位置誤差可能較大，會(huì)造成邊距不足或干涉等問題，因此在實(shí)際的制孔過程中不能完全按理論位置進(jìn)行工作，需要經(jīng)常進(jìn)行修正，快速自動(dòng)修正制孔位置是自動(dòng)制孔和連接有效應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖10 基于托架的工裝

對(duì)于非基于托架的自動(dòng)鉆鉚機(jī)，工裝一般為固定式，也就說工裝本身完全固定，不需要運(yùn)動(dòng)改變姿態(tài)。在制孔和連接過程中末端執(zhí)行器在機(jī)器人和數(shù)控平臺(tái)的帶動(dòng)下，完成位置和姿態(tài)調(diào)整。這種方式中部件固定在工裝上，不需要運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)誤差主要來源于末端執(zhí)行器。工裝的形式分為兩種，即固定工裝和柔性工裝，柔性工裝更適合數(shù)字化制造，提高效率。工裝可以通過工裝定位基準(zhǔn)與數(shù)控系統(tǒng)整合在一起，而部件通過定位基準(zhǔn)將工裝和部件整合在一起。該方式一般不存在部件二次定位問題，但為了提高精度，數(shù)控系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)立的高精度基準(zhǔn)進(jìn)行多次校準(zhǔn)。骨架位置也是一個(gè)關(guān)鍵問題，需要解決快速自動(dòng)修正制孔位置。

現(xiàn)階段飛機(jī)工裝的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造一般分為模具、裝配工裝、焊接夾具三部分。在數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造裝配型架工裝的時(shí)候，應(yīng)該特別注意裝配工裝零件材料的選擇，應(yīng)選擇膨脹系數(shù)相近的。支撐件選用大型鑄鐵制作，具有較高的剛性和減震功能。對(duì)于大型的裝配型架工裝，應(yīng)該考慮設(shè)計(jì)與制造的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，可以節(jié)省大量時(shí)間，在此基礎(chǔ)上還可以建立品種齊全的標(biāo)準(zhǔn)件和成品件庫(kù)。工裝的設(shè)計(jì)與制造要實(shí)現(xiàn)一體化，既要進(jìn)行組織體系上的人員分工，也要處理好設(shè)計(jì)與制造單位的溝通協(xié)調(diào)。

4 結(jié)論

我國(guó)在智能化、數(shù)字化發(fā)展的背景下，大飛機(jī)的研制直接上了快車道，各種新技術(shù)得到應(yīng)用，總體發(fā)展良好。但是由于我們的發(fā)展跨越了一些發(fā)展過程，在技術(shù)積累和技術(shù)內(nèi)涵方面與國(guó)外還存在差距，因此我國(guó)在大飛機(jī)技術(shù)發(fā)展過程中更應(yīng)注重技術(shù)體系的研究和完善，從大局把控具體的技術(shù)發(fā)展方向。本文分析和研究了基于蒙皮的機(jī)身、機(jī)翼、壁板等部件自動(dòng)制孔、連接的相關(guān)技術(shù)和體系，提出了整體方案，希望對(duì)該方面的技術(shù)發(fā)展有所幫助。