飛機(jī)復(fù)雜疊層精確鉆锪一體化裝配技術(shù)*

張立新，高文翔，盧大偉，劉 春，王佳鑫，劉良存

(1.南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，南京 211106；2.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

0 引言

飛機(jī)裝配是飛機(jī)研制的重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)品裝配質(zhì)量直接影響飛機(jī)的性能。此外，裝配效率和成本也是影響整個(gè)飛機(jī)研制非常關(guān)鍵的因素。近年來，面向飛機(jī)的自動(dòng)鉆鉚技術(shù)[1-2]備受廣泛關(guān)注，很多研究表明，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)能夠極大地改善飛機(jī)結(jié)構(gòu)件連接質(zhì)量，減少了人為因素所帶來的裝配缺陷和損失，提升飛機(jī)表面氣動(dòng)外形，具有較大的發(fā)展前景[3-4]。

ONCE(one sided cell end effector)機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)[5]，用于F/A-18E后緣襟翼的鉆孔、锪窩和測量[6-7]?！皺C(jī)身自動(dòng)直立裝配系統(tǒng)(FAUB)”，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在前、后機(jī)身內(nèi)外部的協(xié)同作業(yè)[8]。RACe(robot assembly cell)機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)[9-10]，通過對機(jī)器人校準(zhǔn)和壓力補(bǔ)償、網(wǎng)格補(bǔ)償以及溫度補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)±0.3 mm的精確絕對定位精度?；诖?，為了提高傳統(tǒng)機(jī)器人的性能指標(biāo)和適用性，開發(fā)了高剛度、高精度的機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)Power RRAC[11]，該系統(tǒng)的重復(fù)定位精度±0.1 mm。

國內(nèi)在機(jī)器人自動(dòng)鉆孔技術(shù)方面的研究起步較晚。北京航空制造工程研究所自主研發(fā)了機(jī)器人數(shù)字化鉆孔系統(tǒng)；北京航空航天大學(xué)開發(fā)的機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)，具備機(jī)器人視覺檢測功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)鉆孔在線監(jiān)測[12]；成飛公司聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)等高校共同開發(fā)了壁板類零部件自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)某機(jī)翼鉆鉸锪一體鉆孔[13-15]。浙江大學(xué)[16-18]、南京航空航天大學(xué)[19-21]、西飛公司[22]、沈飛公司[23-24]等國內(nèi)單位也開展了機(jī)器人鉆孔研究。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量自動(dòng)化鉆孔研究，包括機(jī)器人剛度辨識、鉆孔末端執(zhí)行器集成、精確锪窩控制、系統(tǒng)精度檢測與誤差補(bǔ)償控制等，并且取得了良好效果。現(xiàn)代飛機(jī)裝配涉及多種疊層材料鉆孔，通常包括鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪窩等多道復(fù)雜工序。鉆孔精度要求H9，垂直度要求優(yōu)于0.5°，锪窩精度要求優(yōu)于0.05 mm。傳統(tǒng)手工操作其精度、效率無法得到穩(wěn)定控制。針對上述問題，論文開展了相關(guān)技術(shù)研究，設(shè)計(jì)并提出一種飛機(jī)裝配精確鉆孔锪窩一體化系統(tǒng)。

1 集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 KUKA KR500R2830型工業(yè)機(jī)器人

整個(gè)自動(dòng)化鉆孔锪窩集成系統(tǒng)包括機(jī)器人、多功能末端執(zhí)行器。機(jī)器人采用KUKA KR500R2830型工業(yè)機(jī)器人如圖1所示，機(jī)器人DH參數(shù)如表1所示。多功能末端執(zhí)行器集成鉆孔锪窩單元、壓緊單元、基準(zhǔn)檢測單元、法向測量單元和其他輔助單元模塊。

表1 KUKA KR500機(jī)器人D-H參數(shù)

1.1 鉆孔锪窩單元設(shè)計(jì)

圖2 鉆孔锪窩單元電主軸

鉆孔锪窩單元是末端執(zhí)行器的重要組成部分之一，鉆孔锪窩質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品鉆鉚質(zhì)量。采用鉆鉸锪一次成型的加工方式。鉆孔锪窩單元集成了鉆孔、锪窩、法向檢測、壓緊、照相測量、在線檢測等功能。

鉆孔主軸采用電主軸GS-ECS-120g-24000r，主軸最高轉(zhuǎn)速24 000 rpm，功率4.8 kW，扭矩2.6 N·m，如圖2所示。

主軸進(jìn)給系統(tǒng)為伺服控制，由伺服電機(jī)、減速機(jī)、精密直線運(yùn)動(dòng)模組構(gòu)成。主軸進(jìn)給導(dǎo)向及傳動(dòng)選用THK精密直線運(yùn)動(dòng)模組KR3306B+300LP0-2000，最大行程125 mm，該模組外形尺寸為60 mm×60 mm×360 mm，集成了導(dǎo)向及驅(qū)動(dòng)部分并進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)非常緊湊，適合作為末端執(zhí)行器的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主要參數(shù)如表2所示。

表2 精密直線運(yùn)動(dòng)模組主要技術(shù)參數(shù) (mm)

主軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇了KOLLMORGEN伺服電機(jī)，多圈2048線高精度絕對值編碼器，帶報(bào)閘，主要參數(shù)如表3所示。

表3 主軸進(jìn)給伺服電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 壓緊單元設(shè)計(jì)

壓緊單元主要由壓力腳、滑動(dòng)導(dǎo)軌、光柵尺等組成，并采用電動(dòng)壓緊方式，壓腳上安裝了激光測距傳感器、力傳感器等。壓緊單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。在壓力腳端部均勻分布4個(gè)KISTLER 9001A型力傳感器，可承受的最大彎矩為5 N·m，剛度為1 kN/μm。整個(gè)集成后的鉆孔孔锪窩單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 壓緊單元結(jié)構(gòu) 圖4 鉆孔锪窩單元總體結(jié)構(gòu)

1.3 基準(zhǔn)檢測單元設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)檢測單元是為了保證鉆孔的位置精度，減小由于理論鉆孔點(diǎn)和實(shí)際鉆孔點(diǎn)不同而造成的誤差?；鶞?zhǔn)檢測和找正過程中，視覺相機(jī)先對定位孔(釘)進(jìn)行照相測量，然后視覺找正系統(tǒng)對所拍攝的圖像進(jìn)行像素計(jì)算處理，得出定位孔(釘)的幾何中心，同時(shí)調(diào)用找正算法，計(jì)算出視覺相機(jī)當(dāng)前所處位置與定位孔(釘)幾何中心的偏差值(ΔX,ΔY)，此值會(huì)被傳送到控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理，然后驅(qū)動(dòng)鉆孔單元運(yùn)動(dòng)，使鉆孔主軸在工件表面的投影點(diǎn)與定位孔(釘)的幾何中心保持一致，保證孔的位置精度。

照相測量模塊用于鉆孔基準(zhǔn)檢測及孔徑在線檢測，如圖5所示。工業(yè)相機(jī)選用康耐視In-Sight8000系列IS8405M型智能相機(jī)。

圖5 基準(zhǔn)檢測單元

1.4 法向測量單元研制

法向精度檢測與調(diào)平是采用4個(gè)BAUMER OADM 12I6460/S35A型激光測距傳感器，對稱分布在壓力腳周圍，利用4個(gè)測距傳感器測量鉆孔區(qū)域內(nèi)4個(gè)點(diǎn)到測距傳感器的距離，換算出4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，再通過4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)擬合鉆孔區(qū)域的平面方程求出鉆孔區(qū)域的法向。測量時(shí)，各個(gè)激光測距傳感器照射到待鉆孔點(diǎn)附近的工件表面上，分別測出各傳感器與工件表面之間距離，若這些測量距離(至少3個(gè))相等，則主軸法向與工件表面法向平行。若這些測量距離不相等，則需要將各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)匯總到控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，并基于法向調(diào)平算法計(jì)算出偏移誤差，由各向電機(jī)配合運(yùn)動(dòng)直至主軸法向與工件表面法向平行并且鉆孔點(diǎn)位精確。法向測量模塊用于鉆孔法向檢測，其結(jié)構(gòu)如圖3a所示。

2 锪窩深度自適應(yīng)補(bǔ)償控制

锪窩深度是鉆孔自適應(yīng)補(bǔ)償控制的重要內(nèi)容，主要通過自適應(yīng)壓緊技術(shù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償控制。壓腳包括鉆孔側(cè)壓腳與支撐側(cè)壓腳，為了實(shí)現(xiàn)鉆孔過程中工件處于壓緊狀態(tài)，并且壓腳不隨鉆孔軸向力的變化而發(fā)生偏移。一側(cè)采用固定式壓腳，另一側(cè)采用浮動(dòng)式壓腳。固定式壓腳位置可控，浮動(dòng)式壓腳位置由固定側(cè)決定。鉆孔側(cè)工件平整，開敞性好，壓腳距離工件距離容易測量；支撐側(cè)安裝有長桁、框等結(jié)構(gòu)件，距離測量困難。因此選擇鉆孔側(cè)采用固定式壓腳，支撐側(cè)采用浮動(dòng)式壓腳。

鉆孔側(cè)壓腳采用“電機(jī)+減速機(jī)+絲杠”進(jìn)給形式，壓腳精確移動(dòng)至工件表面后，電機(jī)抱閘制動(dòng)。支撐側(cè)壓腳采用氣缸壓緊工件。壓緊力由支撐側(cè)壓腳氣缸壓力控制。根據(jù)壓緊形式，執(zhí)行器壓腳運(yùn)動(dòng)規(guī)劃如圖6所示。

在壓緊力設(shè)計(jì)時(shí)，工件壓緊力不小于400 N。對壓腳壓緊狀態(tài)進(jìn)行受力分析，如圖7所示，壓腳受力狀態(tài)可分為兩個(gè)階段，即非鉆孔階段和鉆孔階段。

圖6 壓腳運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 圖7 壓腳受力分析

圖7中，F(xiàn)mx為工裝對工件的壓緊力；Fkx為鉆孔端壓腳對工件的壓緊力；Ff為刀具對工件的徑向力；Fbx、Fby為工件因移動(dòng)或變形引起的工裝卡具對工件的作用力。

工件壓緊形式為鉆孔側(cè)壓腳壓緊工件后位置固定，支撐側(cè)壓腳氣缸壓緊。工件被壓緊后的位移可以忽略，工件變形主要產(chǎn)生在鉆孔區(qū)域附近，對壓腳受力分析時(shí)，忽略工件變形引起的工裝夾具對工件的作用力。因此受力分析時(shí)，認(rèn)為Fbx=Fby=0，可得：

Fmx=Fky+Ff

(1)

根據(jù)鉆削力計(jì)算，可得鉆削力最大值為1 124.51 N，設(shè)計(jì)條件為Fky≥400 N，則，

Fmx≥1 524.51 N

(2)

分析可得支撐側(cè)氣缸壓緊力最小值為1 524.51 N。

鉆孔側(cè)壓腳單元具有壓腳快速進(jìn)給、快速退回、精確定位、壓緊力監(jiān)測、法相測量、斷刀檢測、鉆孔及鉚接過程監(jiān)測等功能，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的剛度與可靠性。壓腳采用“電機(jī)—減速機(jī)—絲杠”驅(qū)動(dòng)形式，利用高精度導(dǎo)軌導(dǎo)向，采用光柵尺反饋。滿足壓腳高定位精度、高速運(yùn)動(dòng)、高剛度等需求。

3 控制系統(tǒng)與流程設(shè)計(jì)

機(jī)器人集成鉆孔系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)采集和在線控制，CNC控制系統(tǒng)采用TCP/IP等協(xié)議與上位機(jī)或外圍其他設(shè)備進(jìn)行通訊。相關(guān)的控制技術(shù)包括采用計(jì)算機(jī)集成控制、機(jī)器人控制、多軸數(shù)控、伺服驅(qū)動(dòng)、工藝監(jiān)控、傳感測量技術(shù)等，滿足數(shù)字化鉆孔的工藝需求，具備與其他控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化集成接口。

整個(gè)系統(tǒng)鉆锪工藝流程如圖8所示。首先啟動(dòng)設(shè)備，開始上電自檢測。檢測完成后，按照給定的指令，控制機(jī)器人及其主軸移動(dòng)到給定的鉆孔工位，并進(jìn)行位置檢測修正及鉆孔垂直度調(diào)整。然后啟動(dòng)主軸及其相關(guān)除塵等附屬設(shè)備，主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并控制壓力角電機(jī)進(jìn)給。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的壓力角扭矩值時(shí)，主軸按照設(shè)定的參數(shù)旋轉(zhuǎn)并開始鉆孔。鉆孔完成后利用鉆鉸锪一體化刀具的锪窩部分進(jìn)行锪窩。锪窩完成后主軸快速退出，壓腳收回，循環(huán)加工，直到所有的任務(wù)完成。

圖8 系統(tǒng)鉆锪工藝流程

4 試驗(yàn)與分析

選用無涂層硬質(zhì)合金刀具，將試驗(yàn)件固定在工裝上，利用機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)對試驗(yàn)件進(jìn)行鉆孔操作，分別對不同類型的試驗(yàn)件采用對應(yīng)的鉆孔工藝參數(shù)，驗(yàn)證其鉆孔質(zhì)量是否滿足要求。現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)如圖9所示。整個(gè)鉆孔試驗(yàn)過程包括復(fù)材、鈦合金、鋁合金3種材料的不同疊層結(jié)構(gòu)，鉆孔孔徑包括φ4.1、φ6.2和φ8.5，所采用的工藝試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

(a) 試板裝夾 (b) 設(shè)備自動(dòng)鉆锪

表4 工藝試驗(yàn)參數(shù)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程如下：首先將試驗(yàn)件安裝在試刀臺上，預(yù)制基準(zhǔn)孔。然后打開機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)電源、氣源，完成系統(tǒng)初始化設(shè)置，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。將機(jī)器人移動(dòng)至基準(zhǔn)孔位置，利用照相確定基準(zhǔn)孔位置，根據(jù)基準(zhǔn)孔位置，計(jì)算鉆孔位置。利用末端執(zhí)行器上安裝的多個(gè)激光測距傳感器測量試驗(yàn)件法向。根據(jù)鉆孔位置法向的測量結(jié)果，調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)進(jìn)行循環(huán)鉆孔。機(jī)器人搭載末端執(zhí)行器移動(dòng)至下一位置。末端執(zhí)行器以選定的鉆孔參數(shù)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。鉆孔結(jié)束后取下試驗(yàn)板檢測孔徑、窩深等參數(shù)。如圖10所示給出了某次試驗(yàn)后6塊疊層試板的鉆孔結(jié)果及測量過程。

圖10 試板的鉆孔結(jié)果及測量過程

圖11針對6 mm與15 mm疊層鉆孔結(jié)果進(jìn)行了孔徑與垂直度誤差分析，通過對鉆孔試驗(yàn)結(jié)果的測量與分析，可以說明當(dāng)前系統(tǒng)在合適的工藝參數(shù)下能夠滿足鉆孔法向精度優(yōu)于0.4°，針對厚度不高于15 mm的鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料的疊層材料鉆孔精度不低于H9，锪窩深度誤差0.020772≤0.05 mm的要求。

(a) 6 mm厚不同疊層鉆孔孔徑誤差 (b) 15 mm厚不同疊層鉆孔孔徑誤差

(c) 6 mm厚不同疊層鉆孔孔垂直度誤差

5 結(jié)論

研究并提出了一種自動(dòng)化鉆孔锪窩一體化系統(tǒng)。針對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、測量與分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足飛機(jī)裝配鉆孔法向精度優(yōu)于0.4°，針對厚度不高于15 mm的鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料的疊層材料鉆孔精度不低于H9，锪窩深度誤差優(yōu)于0.05 mm，整個(gè)鉆孔锪窩過程平穩(wěn)，孔壁質(zhì)量良好，能夠適應(yīng)飛機(jī)自動(dòng)化裝配要求。

后續(xù)工作將針對自動(dòng)化鉆孔锪窩一體化刀具進(jìn)行研究，開展有限元建模與分析，研究加工機(jī)理，以便于更好地適應(yīng)該系統(tǒng)裝配應(yīng)用。