飛機交點孔鏜孔精加工自動調(diào)刀技術(shù)*

劉 春，高文翔，詹有河，余立強，李世杰，茍德森

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，成都 610092)

0 引言

飛機機體結(jié)構(gòu)上分布了一些關(guān)鍵連接特征孔，如翼身連接導(dǎo)孔，起落架安裝導(dǎo)孔，垂尾安裝孔等，這些都稱為飛機交點孔[1-3]。飛機交點孔對于飛機的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，統(tǒng)計結(jié)果表明約60%的飛機主起落架失效源于其連接部位[4]。在飛機裝配中，機身、機翼等大部件裝配完成后需要對機身、機翼上的交點孔進行精加工，以便于減少部件裝配誤差，保證翼身裝配的協(xié)調(diào)性。傳統(tǒng)飛機裝配過程中，交點孔精加工主要通過操作人員手持自動進給鉆并借助鉆模完成定位加工。隨著飛機數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)方式已難以適應(yīng)裝配自動化、柔性化技術(shù)的需求，基于數(shù)控加工中心或工業(yè)機器人的數(shù)控鏜孔加工方式在交點孔精加工工序中得到越來越廣泛的應(yīng)用[5-7]。Sun L[8]等研究了工業(yè)機器人鏜孔加工，建立了系統(tǒng)剛度模型和動力學(xué)微分方程，并研究了機器人剛度和固有頻率的分布。董輝躍[1]等針對機器人精鏜飛機交點孔系統(tǒng)進行了顫振分析，并提出了基于Hilbert-Huang變換的顫振特征提取方法，實現(xiàn)機器人鏜孔顫振的快速識別。陸垚垚[9]針對機器人正反向鏜孔的振動和表面形貌進行研究，并提出了一種反向鏜孔的加工方法用于抑制或減小系統(tǒng)振動。Som A[10]等針對大長徑比鏜桿顫振問題，提出了一種新型半主動減振器。

在現(xiàn)有飛機交點孔鏜孔精加工過程中，采用鏜削進給循環(huán)，每次鏜孔循環(huán)結(jié)束，操作人員需要手動完成鏜孔調(diào)刀，即調(diào)整鏜刀切削刃尖與主軸軸線間距以保證規(guī)定的切削用量，然后進行下一次鏜孔循環(huán)[11-12]。目前，手動調(diào)刀的方式是采用專用扳手旋轉(zhuǎn)鏜刀頭上的碼盤，通過鏜刀內(nèi)部機械傳動機構(gòu)實現(xiàn)調(diào)刀，碼盤刻度調(diào)節(jié)量即為調(diào)刀量。這種手動調(diào)刀方式對于調(diào)刀量無法精確控制，通常依靠操作人員記錄碼盤刻度及調(diào)刀圈數(shù)來計算，且調(diào)刀過程需要目測調(diào)節(jié)，使得調(diào)刀出錯風險較高，一旦調(diào)節(jié)碼盤刻度或圈數(shù)出錯，會導(dǎo)致交點孔加工孔徑超出目標值，影響加工質(zhì)量[13-14]。通常飛機結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其交點孔數(shù)量不少于60個，單孔加工余量約為6 mm，目標孔徑精度為H8。為保證交點孔鏜孔加工質(zhì)量，粗鏜切削量不超過0.5 mm，精鏜切削量不超過0.2 mm，單個交點孔鏜孔加工調(diào)刀次數(shù)約為15 次，全機調(diào)刀及孔徑檢測約900余次，使得現(xiàn)有的手動調(diào)刀方式效率低、工作量大、易出錯，且存在較大風險。

綜上所述，針對飛機交點孔鏜孔調(diào)刀提出了一種鏜孔精加工自動調(diào)刀機構(gòu)，設(shè)計并集成于鏜孔加工中心，實現(xiàn)交點孔鏜孔加工的自動調(diào)刀，并通過試驗驗證了所設(shè)計的自動調(diào)刀機構(gòu)。所提出的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①自動調(diào)刀系統(tǒng)可以通過“數(shù)字輸入調(diào)刀量”和“離線編程”兩種方式實現(xiàn)自動調(diào)刀，操作簡單方便，響應(yīng)速度更快；②自動調(diào)刀系統(tǒng)可以在操作手柄上顯示調(diào)刀量，對調(diào)刀過程進行監(jiān)控，增加可控性；③自動調(diào)刀系統(tǒng)通過伺服電機驅(qū)動滑板移動完成調(diào)刀，更快捷省力，調(diào)刀范圍也不再局限于碼盤刻度；④交點孔數(shù)量多，減少調(diào)刀次數(shù)，降低調(diào)刀工作量，改善工作環(huán)境；⑤視覺檢測功能能夠滿足粗加工和半精加工時孔徑檢測要求；⑥自動調(diào)刀系統(tǒng)可通過調(diào)整偏心用同一把鏜刀加工不同孔徑的孔。

1 自動調(diào)刀結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 調(diào)刀結(jié)構(gòu)分析

在常見的鏜孔加工應(yīng)用中，鏜刀直接安裝在機床主軸上，通過手動調(diào)刀實現(xiàn)零件的加工。為了實現(xiàn)鏜孔加工過程中的自動調(diào)刀，則需要在鏜刀與主軸之間設(shè)計可以實現(xiàn)自動調(diào)刀功能的機構(gòu)。因此，自動調(diào)刀機構(gòu)應(yīng)具有以下功能模塊：①主軸連接接口，用于在主軸上安裝自動調(diào)刀機構(gòu)；②裝刀接口，用于在自動調(diào)刀機構(gòu)上安裝鏜刀；③自動調(diào)刀驅(qū)動模塊，用于實現(xiàn)鏜刀與主軸軸線間距(即調(diào)刀量)的自動調(diào)整，這也是自動調(diào)刀機構(gòu)的關(guān)鍵模塊。

1.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動調(diào)刀機構(gòu)主體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。其中，主軸連接接口設(shè)計與主軸接口形式一致，選用HSKA100接口。裝刀接口設(shè)計專用刀座，采用4顆高強度螺釘及定位鍵固定在滑板上，鏜刀桿則通過H7精度的孔定位配合在刀座上，然后再通過刀座側(cè)面兩個緊固螺釘頂住刀桿，實現(xiàn)鏜刀安裝。自動調(diào)刀驅(qū)動模塊則是采用伺服電機驅(qū)動傳動機構(gòu)最終實現(xiàn)滑板的滑移，進而實現(xiàn)鏜孔自動調(diào)刀。

圖1 自動調(diào)刀主體結(jié)構(gòu)

1.3 調(diào)刀傳動機構(gòu)設(shè)計

調(diào)刀傳動機構(gòu)的設(shè)計是自動調(diào)刀的關(guān)鍵，通過將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成滑板的直線運動，同時考慮傳動鏈結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精度高等特性，并能適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的鏜孔加工環(huán)境。

傳動機構(gòu)采用錐齒輪錐齒盤嚙合的形式，滿足結(jié)構(gòu)緊湊和適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的要求；采用連環(huán)齒盤傳動機構(gòu)，基于誤差平均效應(yīng)這一原理來實現(xiàn)較高的傳動精度，并通過絲桿螺母傳動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動向直線平移運動的轉(zhuǎn)換。傳動機構(gòu)設(shè)計如圖2所示，其傳動鏈如圖3所示，伺服電機通過錐齒輪1、錐齒盤、雙面錐齒盤帶動錐齒輪2轉(zhuǎn)動，錐齒輪2與絲桿保持同軸轉(zhuǎn)動，螺母與滑板通過定位連桿固持，通過絲桿螺母副將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成滑板的直線移動，從而實現(xiàn)基于伺服電機的控制實現(xiàn)鏜孔自動調(diào)刀的目的。

1.伺服電機 2.錐齒輪1 3.錐齒盤 4.雙面錐齒盤 5.錐齒輪2 6.絲桿 7.螺母 8.定位連桿 9.滑板 10.刀座 11.鏜刀 12.固定支座 13.殼體 14.旋轉(zhuǎn)體 15.軸承

圖3 傳動鏈示意圖

鏜孔加工是一個高速旋轉(zhuǎn)的過程，加工過程中伺服電機必須保持穩(wěn)定狀態(tài)而不能隨主軸旋轉(zhuǎn)，且滑板滑移后會對調(diào)刀機構(gòu)的動平衡特性造成影響并導(dǎo)致在高速旋轉(zhuǎn)時可能產(chǎn)生加工振動，因此，在自動調(diào)刀機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，針對上述問題采取了兩項針對性措施：①為伺服電機設(shè)置了專門的固定和支撐裝置，伺服電機與殼體固連并通過固定支座固定在主軸固定端面，且殼體與旋轉(zhuǎn)體通過軸承支承連接，其結(jié)構(gòu)安裝如圖4所示，確保主軸旋轉(zhuǎn)時伺服電機可保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)。②為確保主軸在高速旋轉(zhuǎn)加工中無減小振動，確保加工系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，對于自動調(diào)刀機構(gòu)設(shè)計了兩個平衡塊，在滑板平移時，使平衡塊向滑板相反方向移動，平衡原理及平衡過程示意圖如圖5所示。

圖4 自動調(diào)刀機構(gòu)與機床集成示意圖

(a) 平衡原理 (b) 平衡過程圖5 平衡原理及平衡過程示意圖

2 調(diào)刀控制系統(tǒng)

自動調(diào)刀過程是通過控制伺服電機驅(qū)動內(nèi)部傳動機構(gòu)最終實現(xiàn)滑板的滑移，其控制方式只需采用一個U軸驅(qū)動模塊，通過數(shù)控系統(tǒng)單軸驅(qū)動控制其輸出即可實現(xiàn)自動調(diào)刀控制。具體的調(diào)刀流程如圖6所示。

圖6 自動調(diào)刀流程圖

自動調(diào)刀控制系統(tǒng)硬件由以下幾部分組成：①控制模塊NCU：主控模塊；②軸驅(qū)動模塊：控制伺服軸運動的模塊；③軸編碼器：軸的信號反饋，是控制系統(tǒng)對軸進行控制的依據(jù)；④I/O模塊：數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過PROFINET或PROFIBUS與控制模塊連接；⑤電源模塊：給以上所有模塊供電使用；⑥濾波器與電抗器：調(diào)整電流，保護模塊作用；其系統(tǒng)硬件拓撲圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)硬件拓撲圖

為便于實際調(diào)刀操作，在其主控模塊上設(shè)計了兩種調(diào)刀量控制模式：①調(diào)刀量在線輸入模式，即每次鏜孔循環(huán)結(jié)束后在主控模塊人機交互界面輸入調(diào)刀數(shù)字量，通過軸驅(qū)動模塊完成自動調(diào)刀，該模式可結(jié)合實際情況靈活設(shè)置調(diào)刀量，適合于終孔前的精鏜加工；②調(diào)刀量離線規(guī)劃模式，在主控模塊中編制調(diào)刀程序，提前規(guī)劃后續(xù)多次鏜孔循環(huán)的調(diào)刀量，每次鏜孔循環(huán)結(jié)束后主控模塊按照規(guī)劃值控制軸驅(qū)動模塊完成下一次鏜孔循環(huán)的自動調(diào)刀，該模式調(diào)刀效率較高，但為了避免終孔超差風險，通常在粗鏜加工時使用。在鏜孔加工時，操作人員按下調(diào)刀啟動按鈕，系統(tǒng)即可按照該次鏜孔循環(huán)規(guī)劃值完成自動調(diào)刀，使得調(diào)刀效率大幅提升，且調(diào)刀量和目標孔徑數(shù)字顯示，有效降低調(diào)刀出錯風險。有關(guān)的自動調(diào)刀系統(tǒng)功能參數(shù)，包括運動功能管理參數(shù)、程序參數(shù)設(shè)置、機構(gòu)參數(shù)設(shè)置分別如表1、表2、表3所示。

表1 運動功能管理參數(shù)

表2 程序參數(shù)

表3 機構(gòu)參數(shù)

3 精度控制系統(tǒng)

交點孔鏜孔精加工的目的是消除部件裝配誤差,以保證翼身協(xié)調(diào)，一般要求交點孔孔徑公差不超過0.02 mm，對調(diào)刀精度也提出了較高的控制要求。結(jié)合自動調(diào)刀機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計，其傳動機構(gòu)具有傳動鏈短、精度高且需要進行高速旋轉(zhuǎn)等特點。因此，調(diào)刀機構(gòu)精度控制采用半閉環(huán)位置控制模式，位置檢測元件與伺服電機連成一體，其安裝、調(diào)試方便，且快速性好，動態(tài)精度高，可獲得比較穩(wěn)定的控制特性[4]。

半閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服進給系統(tǒng)組成如圖8所示，電機軸上的角度傳感器輸出數(shù)字脈沖，反饋至控制系統(tǒng)接口電路，通過對反饋信號進行采樣，將采樣值與插補程序輸出的結(jié)果比較，得到位置偏差，經(jīng)軟件運算增益放大，輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)，從而為伺服裝置提供控制電壓，進而驅(qū)動滑板向減小偏差的方向移動，但由機械傳動引起的誤差不能被伺服驅(qū)動半閉環(huán)系統(tǒng)自動補償。

圖8 半閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服進給系統(tǒng)

半閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服進給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖9所示，其中，Xi為位置輸入信號，K為整個系統(tǒng)的開環(huán)增益，K由4部分組成，即：

K=KcKdaKMKa

其中，Kc為軟件增益，Kda為數(shù)模轉(zhuǎn)換系數(shù)，KM為伺服裝置的放大系數(shù)，Ka為位置傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)。將伺服驅(qū)動簡化為一個慣性環(huán)節(jié)，以突出開環(huán)增益和時間常數(shù)。ω為電動機速度指令控制信號，θ為電動機角位移輸出信號。積分環(huán)節(jié)描述了伺服驅(qū)動輸出的速度量經(jīng)位置反饋計數(shù)轉(zhuǎn)換成位置量的過程。將機械傳動簡化為一個表示滾珠絲杠螺距系數(shù)的比例環(huán)節(jié)KJ和一個非線性環(huán)節(jié)M(x)。Xo表示沒有考慮非線性環(huán)節(jié)時工作臺位置輸出，Xo為電動機轉(zhuǎn)角位置θ與絲杠螺距系數(shù)KJ的乘積。Xor表示考慮非線性環(huán)節(jié)后工作臺位置輸出，可通過激光干涉儀檢測得到。

圖9 半閉環(huán)位置控制模型

為提高半閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服進給系統(tǒng)位置精度，采用激光干涉儀檢測獲得自動調(diào)刀機構(gòu)在某軸全行程上機械傳動誤差的分布規(guī)律，獲得該軸誤差的非線性映射關(guān)系，并將誤差補償值輸入到數(shù)控系統(tǒng)，構(gòu)成半閉環(huán)補償型控制環(huán)路。當控制該軸運動時，數(shù)控系統(tǒng)對誤差進行自動補償。其中，差補償裝置原理如圖10所示。

圖10 誤差補償裝置原理

圖11為補償前后傳動誤差曲線對比，從圖中可以看出補償后，機械傳動誤差基本控制在±0.5 μm以內(nèi)。

(a) 補償前 (b) 補償后圖11 補償前后傳動誤差曲線對比

4 試驗驗證

為驗證自動調(diào)刀機構(gòu)的調(diào)刀精度，本文開展了自動調(diào)刀加工試驗驗證，試驗條件如下：(1)加工設(shè)備：采用臥式加工中心，其中自動調(diào)刀機構(gòu)安裝如圖12所示；(2)試件材料：鋁合金7050，材料厚度20 mm；(3)孔徑檢測工具：數(shù)顯三爪內(nèi)徑千分尺。

結(jié)合產(chǎn)品實際加工要求，試驗共設(shè)置了7組加工孔，所設(shè)置的目標孔徑基本覆蓋產(chǎn)品加工范圍。通過自動調(diào)刀機構(gòu)完成鏜孔調(diào)刀，其加工效果如圖13所示，孔徑檢測結(jié)果如表4所示。通過實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)各組加工孔均滿足產(chǎn)品公差要求，結(jié)果表明自動調(diào)刀機構(gòu)能夠滿足交點孔鏜孔精加工精度要求。

圖12 自動調(diào)刀機構(gòu)安裝示意圖 圖13 試驗驗證加工效果圖

表4 試驗驗證加工檢測結(jié)果 (mm)

5 結(jié)論

本文提出了一種鏜孔精加工自動調(diào)刀機構(gòu)，設(shè)計并集成于鏜孔加工中心，實現(xiàn)交點孔鏜孔加工的自動調(diào)刀，并通過試驗驗證了所設(shè)計的自動調(diào)刀機構(gòu)。實驗結(jié)果表明所提出的自動調(diào)刀機構(gòu)，其孔徑加工誤差不超過+0.015 mm，能夠滿足交點孔鏜孔精加工精度要求。

在后續(xù)的研究中，將針對所提出的鏜孔精加工自動調(diào)刀系統(tǒng)進行動力學(xué)分析與優(yōu)化改進，以便于能夠進一步提高自動調(diào)刀系統(tǒng)的效率，以及整個系統(tǒng)對于零件的加工精度。