自動鉆鉚系統(tǒng)的模塊化設(shè)計及實現(xiàn)

申東東

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁 458030）

0 引言

近年來隨著我國航空工業(yè)和對外經(jīng)濟的快速發(fā)展，在飛機制造的效率和機體疲勞壽命等方面有了更高的要求。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鉚接技術(shù)是影響機體結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損壞的主要原因之一，如傳統(tǒng)鉚接易造成應(yīng)力集中，這將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。模塊設(shè)計是自動鉚接技術(shù)中一項十分現(xiàn)代、重要的方法，不僅會提升系統(tǒng)的智能性和可靠性，還會對系統(tǒng)功能等諸多方面產(chǎn)生影響。因此，研究和實現(xiàn)自動鉆鉚系統(tǒng)的模塊化設(shè)計是當(dāng)代航空工業(yè)中鉚接技術(shù)發(fā)展的重要一部分。

自動鉆鉚由鉆鉚機器、托架系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)和軟件組成，在制造過程中能快速、高質(zhì)量地完成孔位的定位、鉆孔、涂膠、鉚接等工作。該技術(shù)的優(yōu)化能使飛機制造產(chǎn)業(yè)在效率、精度、壽命等關(guān)鍵項上取得進(jìn)步，也是當(dāng)代制造業(yè)趨向自動化、集成化、數(shù)字化的體現(xiàn)。模塊化是實現(xiàn)這些目標(biāo)的重要設(shè)計方法之一。

1 國內(nèi)自動鉆鉚系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

自動鉆鉚技術(shù)是一種多學(xué)科交叉且高度自動化、智能化的，應(yīng)用于飛機裝配等領(lǐng)域的高級制造技術(shù)，其起源于20 世紀(jì)中葉的美國，如今在許多國家得到了快速發(fā)展。當(dāng)前我國在制造等方面向智能化、自動化等方向快速發(fā)展，自動鉆鉚技術(shù)也得到了較高程度的重視和研究。在該技術(shù)發(fā)展初期，飛機制造業(yè)中該技術(shù)生產(chǎn)方案以美國的一些企業(yè)為代表，向其他廠家提供，各國在飛機制造中引進(jìn)該技術(shù)的相關(guān)設(shè)備為主。隨著各個國家自身的發(fā)展和需求，在不斷地研究和實現(xiàn)擁有本國知識產(chǎn)權(quán)的自動鉆鉚技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，如法國自主研發(fā)的P300 型鉆鉚機，已經(jīng)走在該技術(shù)的前沿。由于起步較晚等原因，我國在模塊設(shè)計等方面與航空強國的差距依然存在，但近年來發(fā)展迅速，研制出了多種型號的設(shè)備。隨著航空制造業(yè)對對自動鉆鉚技術(shù)的需求越來越大，對該技術(shù)的研發(fā)也越來越廣泛和精細(xì)，在相關(guān)人員的不斷努力下，我國在該技術(shù)方面與其他國家的差距正在快速縮小，甚至逐漸在該領(lǐng)域取得領(lǐng)先，這大大促進(jìn)了我國的航空業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟增長。

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

相比國外，我國在自動鉆鉚技術(shù)方面的研究稍晚，但經(jīng)過相關(guān)制造企業(yè)和科研院所在近幾十年的努力研究，已經(jīng)研制并應(yīng)用了多種型號的樣機。例如，北京航空航天大學(xué)與一些企業(yè)在2009 年合作研制了我國第一套機器人鉆孔系統(tǒng)，能夠完善指定機型油箱下壁板夾層自動鉆孔、锪窩、鉸孔等工作，滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求，而加工周期比傳統(tǒng)模式縮短1/2 以上；北京航空制造工程研究所自主研發(fā)的雙機器人控制系統(tǒng)，多功能的末端執(zhí)行器可以應(yīng)用于許多產(chǎn)品的制孔、鉚接等工作；也有研究院對壁板裝配、實時控制及系統(tǒng)的集成控制等方面進(jìn)行多元、深入的研究，并致力于相關(guān)設(shè)備的實現(xiàn)和應(yīng)用。不難看出，目前我國關(guān)于自動鉆鉚系統(tǒng)的研究和應(yīng)用方向趨于多元化和深入，研究數(shù)量較以前有明顯增長，這對于我國該技術(shù)和航空領(lǐng)域的發(fā)展有十分積極的意義。

1.2 面臨的挑戰(zhàn)

雖然當(dāng)前我國積極、努力地進(jìn)行該技術(shù)領(lǐng)域的研究，但相比于國外，依然有著明顯的差距。從該技術(shù)的發(fā)展歷程來看，美國、法國、俄羅斯等國家已經(jīng)在多種機型方面研發(fā)并應(yīng)用了自動鉆鉚系統(tǒng)，且實踐時間長，已經(jīng)積累了許多工程應(yīng)用和管理經(jīng)驗。國內(nèi)雖然已經(jīng)有一些自動鉆鉚機器人投入生產(chǎn)應(yīng)用，但在應(yīng)用經(jīng)驗、管理等方面不足，從系統(tǒng)和機械在工作中的表現(xiàn)來看，也有許多有待改進(jìn)的方面。

目前我國自動鉆鉚系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用主要面臨的挑戰(zhàn)有：①自動鉆鉚系統(tǒng)的末端執(zhí)行器的功能較為單一，工作范圍狹窄，其集成度、可靠性水平較低，在模塊化設(shè)計方面存在模塊缺乏、末端執(zhí)行器不能實現(xiàn)多功能操作、模塊設(shè)計不系列化不標(biāo)準(zhǔn)化等問題；②一些關(guān)鍵技術(shù)有待突破，如當(dāng)前模塊設(shè)計趨向于多目標(biāo)、人工智能和成組技術(shù)等方面，我國在這些方面無論是產(chǎn)品的規(guī)范性、多樣性還是技術(shù)發(fā)展的廣度、深度等方面，均有待提高；③現(xiàn)階段自動鉆鉚工藝的模塊設(shè)計多數(shù)處于實驗室試驗階段，未形成與標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)相匹配的工藝數(shù)據(jù)庫，這使得自動鉆鉚設(shè)備在應(yīng)用中產(chǎn)生了許多問題。

2 自動鉆鉚系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

自動鉆鉚系統(tǒng)中模塊化設(shè)計可分為3 個環(huán)節(jié)，即建立系統(tǒng)分解、模塊的組合、模塊管理的過程。設(shè)計時，利用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行分析，根據(jù)工作目標(biāo)確定系統(tǒng)設(shè)計的總體功能需求，然后對概括性的功能進(jìn)行細(xì)化分解，并建立相應(yīng)的模塊系統(tǒng)，即在綜合分析后按照功能的不同，在功能分離后通過型化使其產(chǎn)生獨立的模并形成系列。該系統(tǒng)的模塊設(shè)計非常復(fù)雜，涉及較多方面的研究，因此要想要設(shè)計出符合產(chǎn)品要求和發(fā)展趨勢的模塊，需要考慮到已有模塊及產(chǎn)品的要求。自動鉆鉚系統(tǒng)的模塊化設(shè)計工作主要包括以下兩個方面。

2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計

在現(xiàn)在的飛機制造工程領(lǐng)域，許多國家在積極研發(fā)和應(yīng)用自動控制技術(shù)，但相比于普通的機械制造行業(yè)，宇宙航行、飛機駕駛等方面的自動控制技術(shù)對于國家制造實力和經(jīng)濟增長等有特別且重要的作用。控制系統(tǒng)的設(shè)計是實現(xiàn)設(shè)備自動化、最佳控制的重要一環(huán)，是自動鉆鉚系統(tǒng)模塊中的控制部分，其性能優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品加工的質(zhì)量和生產(chǎn)率，并且現(xiàn)代化的工程控制理論逐漸應(yīng)用于現(xiàn)實設(shè)計且持續(xù)發(fā)展，會推動飛機制造等產(chǎn)業(yè)更快、更好地向全盤自動化等方向發(fā)展。

在設(shè)計自動鉆鉚系統(tǒng)控制系統(tǒng)的過程中，應(yīng)順應(yīng)時代發(fā)展趨勢，將控制理論作為理論基礎(chǔ)并研究出多種實現(xiàn)方法，即積極研究和實現(xiàn)各樣的自動系統(tǒng)控制過程，在自動化進(jìn)程中這一項工作是必不可少的，近年來我國許多設(shè)計以體現(xiàn)出了這一技術(shù)。以當(dāng)前和未來的科技發(fā)展趨勢來看，航空工業(yè)中自動鉆鉚技術(shù)的發(fā)展對該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有直接且明顯的影響，許多著名航空企業(yè)在飛機制造中應(yīng)用了大量的自動控制、自動裝配技術(shù)。

鉆鉚技術(shù)應(yīng)用自動控制理論，是一次跨領(lǐng)域的產(chǎn)物，需要融合機械工程、電器控制、傳感器技術(shù)、計算機自動控制、液壓傳動等知識和技術(shù)，并將這些工藝集成化，使控制系統(tǒng)能為設(shè)備提供更好的操作可靠性和質(zhì)量，并縮短操作周期。

2.2 系統(tǒng)模塊硬件的選擇與設(shè)計

設(shè)計自動鉆鉚系統(tǒng)模塊控制系統(tǒng)時，不僅需要完成控制流程等方面的設(shè)計，還需選擇合適的硬件系統(tǒng)，如PLC 核心控制伺服驅(qū)動、人機交互等硬件系統(tǒng)及相關(guān)的控制電路、接口電路。其中，交流伺服驅(qū)動是機床類進(jìn)給驅(qū)動研究的新動向，因結(jié)構(gòu)簡單、無電刷磨損、維修方便、價格便宜等優(yōu)點，已經(jīng)成為自動控制硬件系統(tǒng)的一種理想型伺服電機。其結(jié)構(gòu)主要分定子、轉(zhuǎn)子兩部分。在使用交流伺服機時，需在定子組通過激磁繞組使兩端產(chǎn)生恒定激磁電壓、控制電壓，通過勵磁繞組、控制繞組使電機內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，以使電機按規(guī)定方向進(jìn)行運行。設(shè)計中需保證電機內(nèi)形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，保證激磁電壓與控制電壓存在90°相位差，實現(xiàn)方法有：①利用三相電源相電壓、線電壓實現(xiàn)90°移相；②以三相電源任意線電壓實現(xiàn)；③使用移相網(wǎng)絡(luò)；④在激磁相中串聯(lián)電容器。

選型時，需要綜合考慮鉆鉚機底座負(fù)載、精度及進(jìn)給速度等因素：如有需要可以采用全數(shù)字式的產(chǎn)品，如松下MINAS A4系列；不全數(shù)字化的，在內(nèi)部方面應(yīng)采用32 位DSP、IGBTPWM控制方式，該控制系統(tǒng)響應(yīng)很快、體積小且加工精度高，擁有多樣的精確調(diào)速，能滿足一些不同定位要求的加工。

此外，可編程控制器因其指令豐富、資源豐富、靈活性大等特點，經(jīng)常被自動控制系統(tǒng)采用，但也存在設(shè)計周期長等缺陷。在傳統(tǒng)繼電器控制的基礎(chǔ)上，順序控制、數(shù)字運算、模擬量調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通信等控制功能逐漸發(fā)展起來，不僅提高了系統(tǒng)性能，同時編程也更加方便，使其成為集散控制、監(jiān)視等系統(tǒng)的重要組成。

3 自動鉆鉚系統(tǒng)模塊化的實現(xiàn)

3.1 模塊化設(shè)計的方法

自動鉆鉚模塊化在設(shè)計時有3 個目標(biāo)：①以最少數(shù)量模塊組合盡可能多規(guī)格產(chǎn)品；②滿足用戶需求、降低成本價；③提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此設(shè)計前需對市場進(jìn)行深入調(diào)查，以作充分規(guī)劃、準(zhǔn)備。

目前模塊化設(shè)計方法主要分為側(cè)重產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)、側(cè)重功能兩種。其中，側(cè)重功能的設(shè)計側(cè)重功能分解，模塊規(guī)劃時考慮功能需求、技術(shù)分解、經(jīng)濟評估3 個方面，并形成相應(yīng)順序的設(shè)計步驟，最后利用綜合指標(biāo)進(jìn)行方案評估。

3.2 模塊劃分準(zhǔn)則和設(shè)計原則

模塊的劃分原則是進(jìn)行模塊劃分設(shè)計時的重要依據(jù)，要求具有較好通用性、較強可操作性、模塊繼承、全面性，主要評價指標(biāo)有：①通用性，即劃分原則使設(shè)備對不同產(chǎn)品生產(chǎn)的通用程度；②模塊繼承性，劃分原則在原有產(chǎn)品成熟部分基礎(chǔ)上，新模塊單獨成塊的合理性；③可操作性。

模塊化設(shè)計時，在考慮模塊劃分準(zhǔn)則的同時也需要注重設(shè)計原則：①功能獨立性，盡可能地使同一功能零部件在一個模塊內(nèi)；②結(jié)構(gòu)完整性，將難以裝配、結(jié)構(gòu)難以分離的部件聚為一個模塊；③需求變化原則，根據(jù)客戶質(zhì)量、數(shù)量的需求變化，需要考慮產(chǎn)品功能獨立性、經(jīng)濟性等多因素，改變劃分方案。

4 結(jié)束語

綜上所述，自動鉆鉚技術(shù)是一個復(fù)雜、系統(tǒng)的工程，需要多個學(xué)科知識、技術(shù)。本文僅對該技術(shù)的設(shè)計和實現(xiàn)做了淺顯分析，未來將對該技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)行更為深入的研究，使其可以更好地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。