運載火箭超大直徑艙段鉚接裝配研究

呂九九，白景彬，侯東旭，曹 健，張普光

（首都航天機械有限公司，北京，100076）

0 引 言

超大直徑運載火箭是中國建設(shè)航天強國的重要標(biāo)志，也是維護中國太空安全、推動中國太空探索向更加遙遠深空拓展的戰(zhàn)略工具[1]。重型運載火箭的研制涉及箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、地面發(fā)射系統(tǒng)等關(guān)鍵組成，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在箭體結(jié)構(gòu)研制方面，重型運載火箭芯級直徑為Φ9500 mm[2]，遠超長征三號甲系列火箭Φ3350 mm及長征五號運載火箭Φ5000 mm的規(guī)模。在整個箭體結(jié)構(gòu)中，鉚接艙段起到貯箱間連接及儀器設(shè)備安裝載體的作用，是重要的承力部段，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是箭體結(jié)構(gòu)研制的一個難點。重型運載火箭的鉚接艙段為超大直徑艙段，中國在相關(guān)領(lǐng)域的研制經(jīng)驗匱乏，現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗均源自現(xiàn)役運載火箭Φ3350 mm箭體研制的積累，難以滿足超大直徑艙段研制需求。為了降低研制過程中的風(fēng)險，需要開展先期技術(shù)攻關(guān)，本文以某典型大直徑艙段為例，將先進的鉚接裝配技術(shù)與裝配仿真的方法結(jié)合起來，開展超大直徑艙段鉚接裝配工藝方案的研究。

1 典型艙段結(jié)構(gòu)分析

運載火箭箭體結(jié)構(gòu)艙段主要包括以下4種結(jié)構(gòu)形式（見圖1）：a）金屬（復(fù)合材料）蒙皮、框、桁鉚接結(jié)構(gòu)；b）整體網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)；c）網(wǎng)格加筋壁板焊接或鉚接結(jié)構(gòu)；d）復(fù)合材料整體成型結(jié)構(gòu)。其中，蒙皮、框、桁鉚接結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，且零部件的加工難度相對較低，但傳統(tǒng)的手工鉚接存在諸多缺點：位置精度差、噪聲大、勞動強度低等[3]。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，自動鉆鉚技術(shù)在航空航天產(chǎn)品制造過程中廣泛應(yīng)用，大量產(chǎn)品的生產(chǎn)實踐證明，自動鉆鉚技術(shù)在保證鉚接裝配質(zhì)量的同時可大幅提高裝配效率、降低噪聲[4]。

圖1 箭體結(jié)構(gòu)鉚接艙段的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structural Style of Riveting Assembly Cabin in Carrier

目前，國外航空、航天企業(yè)在艙段鉚接裝配領(lǐng)域廣泛采用自動鉆鉚技術(shù)。以B777、A340、A380、F-22、F-35等為代表的新型軍民機集中反映了國外飛機制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，同時，已經(jīng)形成了成熟的鉚接裝配技術(shù)體系。中國部分航空企業(yè)艙段鉚接裝配也采用自動鉆鉚技術(shù)。

本文主要進行鉚接裝配工藝方案的研究，選取裝配過程復(fù)雜的蒙皮、框、桁鉚接結(jié)構(gòu)艙段為研究對象，同時為了保證成果的適用性，選取內(nèi)部布局承力梁的復(fù)雜艙段為研究對象，如圖2所示。

圖2 典型艙段結(jié)構(gòu)分解Fig.2 Structural Decomposition of Typical Cabin Structure

該艙段直徑9500 mm，高度5000 mm，由內(nèi)部井字梁及外部鉚接殼段組成，鉚接殼段包括框環(huán)、桁梁、蒙皮等零組件，零件間采用大量大直徑鉚釘及大螺栓連接。裝配需要完成約需20 000余顆大直徑鉚釘（Φ5 mm）的安裝和10 000余顆大直徑螺栓（M10以上）的安裝，且螺栓均鉸孔，傳統(tǒng)手工操作難以完成，因此需進行工藝方案研究。

2 裝配工藝方案分析

根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水平，艙段鉚接裝配可選的工藝方案包括手工鉆鉚裝配方案及自動鉆鉚裝配方案兩種。a）手工鉆鉚裝配：工人手持氣動或電動工具完成制孔、塞釘、鉚接（螺接），用到的主要裝備為鉚接裝配型架，如圖3a所示。b）自動鉆鉚裝配：自動化設(shè)備按照數(shù)控程序完成制孔、塞釘、鉚接（螺接）工作，依據(jù)設(shè)備不同，可以分為機床式自動鉆鉚、機器人自動鉆鉚，如圖3b、3c所示[8]。

圖3 艙段鉚接裝配工藝方案Fig.3 Process Program of Riveting Assembly Cabin

手工鉆鉚裝配工藝是在中國運載火箭鉚接艙段研制生產(chǎn)過程中沿用多年的傳統(tǒng)工藝。雖然該工藝具有技術(shù)成熟、適應(yīng)性強的優(yōu)點，但是生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性及穩(wěn)定性差的缺點同樣突出。隨著航天產(chǎn)品對產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的要求越來越高，傳統(tǒng)手工工藝已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品研制及生產(chǎn)需求。對于超大直徑鉚接艙段，零件的加工尺寸成倍增長，且零件廣泛使用高強度材料，手工操作難以滿足高精度的制孔需求（螺栓孔精度要求H9）及大直徑鉚釘成型需求。因此，傳統(tǒng)手工工藝已無法適應(yīng)超大直徑運載火箭艙段大面積鉚接裝配。

自動鉆鉚工藝目前在國內(nèi)外航空、航天領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。中國運載火箭鉚接艙段部分產(chǎn)品的生產(chǎn)也實現(xiàn)了自動鉆鉚技術(shù)的工程化應(yīng)用，產(chǎn)品對象包括壁板、筒段殼體、錐段殼體，加工范圍涵蓋Φ2250 mm～Φ5000 mm直徑產(chǎn)品，采用的加工方式包括機床式自動鉆鉚、機器人自動鉆鉚。機床式自動鉆鉚，典型設(shè)備如圖3b所示，該類設(shè)備加工精度高（定位精度±0.1 mm、制孔精度H7），制孔及鉚接能力強，但是機床式自動鉆鉚設(shè)備的靈活性、適應(yīng)性差，且該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、投資成本高。

機器人自動鉆鉚，典型設(shè)備如圖3c所示，該類設(shè)備由工裝系統(tǒng)及機器人系統(tǒng)組成，加工精度（定位精度±0.2 mm、制孔精度優(yōu)于H9）滿足運載火箭鉚接艙段需求，且機器人系統(tǒng)布局靈活、適應(yīng)性及拓展性強，是運載火箭超大直徑艙段鉚接裝配的優(yōu)選方案。

3種工藝方案的優(yōu)劣對比結(jié)果見表1。

表1 3種工藝方案優(yōu)劣對比（1～5★）Tab.1 Camparison of the Advantages and Disadvantages of the Three Process Schemes

3 工藝流程設(shè)計及仿真分析

3.1 工藝流程設(shè)計及分析

以某超大直徑典型鉚接艙段為例，采用機器人自動鉆鉚的工藝方案，進行裝配工藝流程的設(shè)計及分析。根據(jù)圖1所示典型艙段產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合現(xiàn)役運載火箭艙段鉚接裝配的工程經(jīng)驗，超大直徑運載火箭典型鉚接艙段自動鉆鉚裝配的工藝流程設(shè)計包括以下3種方案：

a）工藝流程方案一：采用骨架式的裝配方法，如圖4所示。

圖4 工藝流程方案一Fig.4 The Technological Process of the First Scheme

由圖4可知，方案一首先定位內(nèi)部井字梁，依次定位框環(huán)、蒙皮、桁梁，完成艙段的預(yù)裝配，進行自動制孔、自動鉚接、螺接，完成整個艙段的裝配。此種方案工藝風(fēng)險較小，鉆鉚裝配主要集中在一種設(shè)備上完成，節(jié)約設(shè)備成本。方案缺點是大部分工作集中在單臺設(shè)備上，生產(chǎn)周期長、效率低，同時，由于內(nèi)部井字梁結(jié)構(gòu)的干涉，自動鉆鉚設(shè)備操作空間小，相當(dāng)部分的鉆鉚位置設(shè)備不可達，需要大面積手工操作。

b）工藝流程方案二：采用壁板式及骨架式裝配相結(jié)合的方法，如圖5所示。

圖5 工藝流程方案二Fig.5 The Technological Process of the Second Scheme

由圖5可知，方案二先運用壁板自動鉆鉚裝配技術(shù)完成桁梁及蒙皮壁板的裝配，分塊壁板上架定位預(yù)裝配，其余工藝流程同方案一。此種方案將大面積鉆鉚裝配的工作拆分為壁板及殼體兩個階段，可以大幅縮短生產(chǎn)周期提高效率，但是仍然不能解決艙段內(nèi)部井字梁干涉影響艙段自動鉆鉚設(shè)備操作空間的問題。

c）工藝流程方案三：仍然采用壁板式及骨架式裝配相結(jié)合的方法，集中解決內(nèi)部井字梁干涉的問題，如圖6所示。將艙段拆分為殼體及井字梁2個部分，首先完成殼體的自動鉆鉚裝配并下架，井字梁定位完成后，殼體重新上架并與井字梁套裝。此種工藝流程方案簡化了自動鉆鉚殼體的結(jié)構(gòu)，便于自動鉆鉚設(shè)備效能的發(fā)揮，但是存在由于殼體變形導(dǎo)致的殼體與井字梁套裝困難的風(fēng)險，需要進一步分析驗證。

圖6 工藝流程方案三Fig.6 The Technological Process of the Third Scheme

從裝配質(zhì)量一致性、裝配效率、自動化程度、工人勞動強度和裝配成本5個方面對3種工藝方案進行定量對比，結(jié)果見表2。工藝方案一骨架式裝配因手工裝配多，其優(yōu)劣繼承手工鉚接裝配的性能。工藝方案二的性能優(yōu)劣介于手工裝配和自動裝配之間。工藝方案三的性能繼承自動鉆鉚的優(yōu)劣。

表2 3種工藝流程優(yōu)劣對比Tab.2 Camparison of the Advantages and Disadvantages of the Three Process Schemes

3.2 仿真分析

裝配過程虛擬仿真技術(shù)提供了在三維數(shù)字化環(huán)境中動態(tài)安裝零組件的整個過程，可以為實際產(chǎn)品科學(xué)合理的裝配工藝、工裝等的設(shè)計提供全方位的指導(dǎo)[9]。本文利用虛擬環(huán)境DELMIA強大的裝配仿真功能，首先進行裝配建模，然后進行裝配順序和裝配路徑規(guī)劃，最后進行裝配干涉檢測。

超大直徑艙段裝配工藝流程復(fù)雜，在工藝設(shè)計階段，合理運用裝配仿真技術(shù)，可以提早發(fā)現(xiàn)干涉、不協(xié)調(diào)等問題，優(yōu)化工藝流程，優(yōu)化工裝設(shè)計，降低裝配工藝風(fēng)險。井字梁后裝的機器人自動鉆鉚過程仿真流程見圖7。

圖7 裝配過程仿真Fig.7 Assembly Process Simulation

在虛擬環(huán)境DELMIA下，利用自動干涉檢測 （Automatic Clash Detection）模式中的（Clash Detection（Stop））或（Clash Detection（on））進行干涉檢測，當(dāng)裝配過程發(fā)生干涉時，一個會自動停止，一個還會繼續(xù)進行。若出現(xiàn)干涉碰撞，應(yīng)對發(fā)生干涉的路徑進行檢驗，對不符合要求的裝配路徑進行重新規(guī)劃，再對其進行模擬仿真驗證，直至所有的路徑都不會發(fā)生干涉。在虛擬裝配過程中，由于裝配序列規(guī)劃不合理也會引起干涉碰撞。在DELMIA環(huán)境下可以通過PERT Chart對已經(jīng)規(guī)劃過的裝配序列重新進行調(diào)整，控制各個動作之間進行串并行操作，以滿足特殊的動作需求。

通過仿真發(fā)現(xiàn)并改進以下問題：a）壁板自動鉆鉚時預(yù)留只鉆不鉚孔的正確性；b）艙段殼體定位預(yù)裝配時與型架的干涉；c）定位井字梁基準(zhǔn)選擇的合適性；d）殼體自動鉆鉚機器人的可達性及機器人位置布置的合理性；e）殼體下架與工裝的干涉及吊高設(shè)置的合理性。

4 結(jié)束語

本文針對超大直徑艙段的結(jié)構(gòu)特點，給出3種裝配工藝方案，綜合比較發(fā)現(xiàn)機器人自動鉆鉚將是未來的發(fā)展趨勢，因為該裝配工藝具有航天設(shè)備柔性高、質(zhì)量一致性好、加工精度高、裝配效率高等不可替代的優(yōu)勢。針對機器人自動鉆鉚給出3種工藝流程方案，并對比分析了3種方案的優(yōu)劣，骨架式裝配由于內(nèi)部井字梁結(jié)構(gòu)干涉，需大面積手工操作；壁板式及骨架式裝配相結(jié)合的方案，壁板自動鉆鉚能大幅提高效率，但井字梁干涉的問題依舊存在；壁板式及骨架式裝配相結(jié)合，并且井字梁后裝的方案，能避免井字梁干涉的問題，但存在殼體變形導(dǎo)致殼體與井字梁套裝困難的風(fēng)險。此外，為避免上述3種工藝設(shè)計方案中存在的不足，可采用裝配過程虛擬仿真技術(shù)，能提早發(fā)現(xiàn)干涉、不協(xié)調(diào)等問題，優(yōu)化工藝流程，優(yōu)化工裝設(shè)計，降低裝配工藝風(fēng)險。