復合材料組件自動制孔研究

王兆鋒

摘要：隨著對飛機性能要求的不斷提高，復合材料的應用不斷增多。這些材料都具有難加工的特點，采用手工制孔加工過程不穩(wěn)定，效率低，技能依賴性強，難以滿足對飛機裝配的高精度、高質(zhì)量的需求。自動化精密制孔設備具備加工過程穩(wěn)定可控的特點，已經(jīng)成為提高裝配質(zhì)量及飛機壽命的一個重要途徑。相對于統(tǒng)的五坐標自動鉆鉚機床，自動制孔機器人設備具備占地面積小，靈活性強，柔性高的特點，可滿足不同產(chǎn)品加工需求并大大提高制孔的效率和精度。

關(guān)鍵詞：復合材料;制孔信息;自動制孔機器人;靈活性;柔性

引言

某型飛機活動翼面組件包括內(nèi)襟翼、外襟翼、副翼等14個組件，主要由上下翼面、梁、肋、接頭等組成，各組件長度不等，最小曲率半徑凸面157mm，凹面368mm。組件大部分結(jié)構(gòu)采用復合材料，制孔區(qū)域存在復-復疊層和復-鈦疊層、復-鋁疊層等多種加工工況，制孔量大，勞動強度高。傳統(tǒng)的手工制孔需應對多種材料疊層的大面積制孔，無法保證制孔質(zhì)量和效率，制孔出口出現(xiàn)毛刺、劈裂也是引起返工的常見故障。

1復合材料制孔設備總體方案

自動制孔工藝設計是自動制孔的重要部分，包括制孔基準設計、預連接設計、自動制孔設計，在這些設計中不僅指定孔的位置，而且給出制孔的夾層厚度和順序、材料順序、預連接孔的布局等信息，這些信息存在與飛機三維綜合信息模型中，需采用軟件工具整理篩選并添加工藝人員的設計思想，形成自動制孔工藝，提供給自動制孔設備用于進行制孔工藝參數(shù)選擇和離線編程。

1.1設備組成及布局

復合材料制孔設備系統(tǒng)是由機器人制孔設備和工裝組成;制孔設備布置在某廠房活動翼面裝配區(qū)，采用對稱式布局，4個活動翼面制孔設備均布在兩條軌道上，對應4套工裝.

1.2設備的主要結(jié)構(gòu)

活動翼面機器人制孔設備由高精度工業(yè)機器人、末端執(zhí)行器、移動裝置、集成控制系統(tǒng)組成，設備主要結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。工業(yè)機器人選用德國KUKA公司的KR420 R3330型工業(yè)機器人，攜帶末端執(zhí)行器同步到達產(chǎn)品加工位置。

2自動制孔工藝設計關(guān)鍵技術(shù)

自動制孔工藝設計是自動制孔的重要部分，包括制孔基準設計、預連接設計、自動制孔設計，在這些設計中不僅指定孔的位置，而且給出制孔的夾層厚度和順序、材料順序、預連接孔的布局等信息，這些信息存在與飛機三維綜合信息模型中，需采用軟件工具整理篩選并添加工藝人員的設計思想，形成自動制孔工藝，提供給自動制孔設備用于進行制孔工藝參數(shù)選擇和離線編程。

2.1自動制孔工藝規(guī)劃

自動制孔的工藝規(guī)劃包括基準釘布局規(guī)劃和自動制孔路徑規(guī)劃兩部分?；鶞梳斒紫绕鸬脚R時緊固的作用，基準釘間距對產(chǎn)品變形、間隙消除、制孔同軸度、锪窩深度都具有影響。找正分為“單孔找正”、“兩孔找正”、“四孔找正”，不同的找正方法算法不同，找正精確度也不同;制孔路徑規(guī)劃采用不重復換刀的原則進行設備制孔，即一把刀具制完活動翼面單面所有可鉆制的緊固件孔，最好的制孔路徑可以減少設備的空跑，以提高加工效率。通過研究自動制孔的工藝規(guī)劃技術(shù)，記錄不同的基準孔方案和制孔路徑規(guī)劃對加工效率和制孔質(zhì)量的影響，形成最優(yōu)規(guī)劃方案，實現(xiàn)高效快速自動制孔。

2.2面向制孔工藝的制孔信息提取技術(shù)

飛機裝配過程中蒙皮自動制孔采用工業(yè)機器人、專用高精度制孔設備完成蒙皮自動制孔，在蒙皮制孔前需要首先將蒙皮在裝配的部件上定位和夾緊，以便滿足蒙皮位置正確和制孔過程中的穩(wěn)定性要求，需要在工藝設計中設計定位基準和夾緊基準位置，其他的加工孔由設備完成。

3 飛機自動制孔工藝流程

合理的工藝流程和方法是提高制自動制孔效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。為實現(xiàn)對不同型號的活動面進行自動制孔，需要對自動制孔站位進行規(guī)劃。為實現(xiàn)對活動翼面與骨架連接孔的制孔，需要在制孔前進行預裝配，包括完成骨架的安裝、蒙皮的預連接。同時針對制孔過程，要通過仿真、路徑分析等進行最佳加工路徑的選擇。

3.1產(chǎn)品預裝

定位形式：在預裝配站位利用數(shù)字化工裝完成骨架預裝配。裝配采用以骨架為基準的定位方案，先完成骨架的裝配，再將蒙皮預安裝到骨架上在自動制孔站位進行制孔。臨時緊固釘布局： 擬采用單面連接埋頭空心鉚釘，既可以起到蒙皮拉緊作用，又可以通過空心鉚釘中心孔進行制孔找正。臨時緊固釘直徑比終孔小2mm;（紅圈為臨時緊固釘布局）A區(qū)域一般在200-300mm間 。

3.2移位至加工中心

工裝端頭設置兩個步行式牽引裝置，底盤四角設置可拆卸氣動升降輪組模塊，該輪組實現(xiàn)快速拆裝，并且與生產(chǎn)線內(nèi)其他裝配工裝對接法蘭實現(xiàn)通用連接，最后通過人工操作兩端頭牽引裝置帶動工裝進行移動，攜帶工裝與產(chǎn)品按規(guī)劃路徑移至制孔中心。

3.3程序自主調(diào)用

在末端可達區(qū)域設置工裝信息識別碼，如下圖2.7所示。操作機器人至二維碼前，通過末端執(zhí)行器高清相機讀取識別碼信息，從云平臺自動獲取任務相關(guān)信息（任務編號、內(nèi)容;開完工計劃時間節(jié)點;若干人員按操作職責的派工信息、人員資質(zhì)信息），并完成該工裝建站程序、制孔程序、制孔參數(shù)等信息的自動調(diào)用。

3.4設備建站

工裝框架按制孔區(qū)域包容性原則設置4處找正用找正孔。設備在自檢模式下開始自檢，完成壓腳位置、進給控制、主軸轉(zhuǎn)速找零回零;在建站模式下加載完成固化的建站程序，設備采集工裝型架四周設置的校準點（找正孔），實現(xiàn)設備坐標系與工裝坐標系快速擬合。將上述工序中設備采集工裝上4個找正孔實際坐標信息采集至云平臺。

4 總結(jié)

隨著CAD/CAM、計算機信息和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，航天復合材料產(chǎn)品需要從根本上改變傳統(tǒng)制造方式，提高了航天復合材料設計制造技術(shù)水平，自動制孔技術(shù)是其重要的組成部分。本文對復合材料自動制孔技術(shù)進行介紹，提出了復合材料制孔設備總體方案、自動制孔工藝設計關(guān)鍵技術(shù)、飛機自動制孔工藝設計軟件開發(fā)，證明了自動制孔的可行性及高效性，為各類復合材料的自動制孔奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1] 韓志仁，賈東海，高紅，秦月，郭喜鋒.基于MBD的裝配工藝輔助模型快速生成技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2015（20）：60-62.