大飞机活动翼面
机器人自动制孔应用研究
目前飞机的装配过程主要采用机械连接方式，而一架飞机大约有上百万个连接件。传统的飞机装配主要采用人工制孔。随着对飞机性能要求的不断提高，新材料尤其是复合材料、钛合金等的应用不断增多。手工制孔加工过程因不稳定、效率低、技能依赖性强等因素，难以满足对新型飞机装配的高精度、高质量的需求。自动化精密制孔由于加工过程稳定可控，已经成为提高装配质量及飞机寿命的一个重要途径。相对于传统的五坐标自动钻铆机床，机器人自动制孔系统具备占地面积小、灵活性强、柔性高的特点，可以满足不同产品加工的同时大大提高制孔的效率和精度。
目前国外BROETJE、ELECTROIMPACT、KUKA 等公司研制的机器人制孔系统已经成功应用于空客 A350、波音 747等飞机的装配，中国航空制造技术研究院、浙江大学等也开展了应用于飞机组部件装配的自动制孔技术研究。同时，国内对自动制孔设备在飞机装配中的应用也进行了大量的研究。陈海峰等对自动制孔设备在某飞机尾翼装配中的应用进行了研究，介绍了自动制孔中工艺参数的选择以及设备的加工方法。刘顺涛等针对飞机蒙皮自动制孔开发了一套飞机自动制孔工艺设计软件，实现了制孔信息的分类、提取、规范存储等文本。刘军对自动制孔技术在飞机装配中的精度控制技术以及离线编程技术进行了分析。然而，目前的研究缺乏针对于部件级的产品的全流程的自动制孔应用分析。本文结合多个型号的研制，对大飞机活动翼面类部件自动制孔的柔性化布局建设、加工方法以及离线编程等加工全流程进行了研究，提出了一套适用于翼面类部件自动制孔方案。
1、设备及产品分析
活动翼面包括内襟翼、外襟翼、副翼、升降舵以及方向舵等类型，主要由上下翼面、梁、肋、接头等组成，典型结构如图 1 所示。传统的装配流程为先完成肋、梁以及接头等零件装配形成活动面骨架，再通过骨架定位的方式，完成壁板的装配。随着飞机的研制，活动面开始大面积采用了可以减轻飞机重量但是装配难度较大的复合材料，对整个装配过程提出了更高的要求。
本文应用的机器人自动制孔系统由机器人移动轨道设备、KUKA 机器臂、多功能末端执行器、自动换刀器、控制系统、离线编程软件、除屑 / 除尘装置、安全防护装置、试件及校准工作站等部分组成（图 2）。末端执行器装有主轴、孔径探测器以及定位相机。主轴配备夹持 HSKA40 刀柄的自动夹头开关，可实现刀具夹持、自动换刀制孔锪窝功能。孔径探测器孔可以实现对孔径和窝径的在线测量。通过使用定位相机，找寻目标特点（工艺钉、孔、工装定位点）用来校正工装及产品的位置和姿态。设备加工能力见表 1。通过对加工能力与活动面需求对比，可知该机器人自动制孔系统满足活动面装配需求。考虑到机器人制孔效率，应在活动翼面完成骨架装配完成后，对产品上下翼面的连接紧固件孔进行制孔。
2、自动制孔工艺流程规划
合理的工艺流程和方法是提高自动制孔效率和质量的关键。为实现对不同型号的活动面进行自动制孔，需要对自动制孔站位、预装配方案、工艺流程等进行规划。
结合地轨式自动制孔设备定位精度高、加工范围大的特点，采用移动式工装在自动制孔站位进行柔性定位以提高设备的制孔效率。活动面从预装配、自动制孔、架外使用同一套工装，以保证产品装配过程的稳定性。工装在自动制孔站位采用杯锥系统进行定位：在自动制孔站位地面上有一套定位接头（锥），在工装框架底部安装与定位接头匹配的接头（杯）。通过杯与锥的配合，完成工装的精确定位。活动面在预装站位完成安装后，通过托运小车将工装移动到自动制孔站位进行制孔。完成制孔后，再移回到预装站位进行架下补铆工作。活动翼面自动制孔站位布局如图 3 所示。
图3 活动翼面自动制孔站位布局
Fig.3 Station layout of moveable airfoil automatic drilling
在自动制孔之前采用临时紧固钉完成蒙皮与骨架的预连接。临时紧固钉一方面用于蒙皮的预拉紧，另一方面用于机器人自动制孔过程中的找正。普通工艺螺栓连接需要在产品内侧进行螺母安装，无法满足上下翼面同时安装需求。因此采用单面连接埋头空心铆钉，既可以起到蒙皮拉紧作用，又可以通过空心铆钉中心孔进行制孔找正。临时紧固钉直径应比终孔小 2 号，以避免最后钻掉临时紧固钉时刀具与紧固件不同心导致孔圆度偏差。预拉紧的顺序对于产品的最终装配质量至关重要。如果顺序制定不当，可能会造成壁板翘曲，无法关闭的间隙以及严重的不同心孔。临时紧固件应采用先肋后梁，先中间后两边的安装顺序。
正确的制孔及找正顺序可以减少设备的空跑进而提高产品质量及加工效率。在设备制孔过程中，采用不重复换刀的原则进行设备制孔，即一把刀具制完活动翼面单面所有可钻制的紧固件孔。结合不换刀原则，对产品加工过程进行模拟及优化，得出采用从翼根到翼梢、从前梁到后梁的加工顺序可以提高制孔效率。
通过对自动制孔过程中各项因素的分析，得出活动翼面自动制孔工艺流程：
（1）在预装站位完成骨架装配及临时紧固钉安装；
（2）进入自动制孔站位，利用杯锥定位工装；
（3）制所有除了预紧孔位置的孔；
（4）在指定位置手动安装终孔临时紧固钉；
（5）制预紧孔位置的孔；
（6）旋 转 型 架 并 定 位 工 装，在 下 表 面 重 复 步 骤（2）~（5）；
（7）将工装移回预装站位，拆除终孔临时紧固钉并完成产品紧固件安装及补铆工作。
3、基于Delmia的离线编程与仿真
基于 Delmia 的离线编程是一种可视化的编程过程，利用Delmia 仿真模块对机器人加工姿态、加工动作及路径进行设置，同时添加必要的设备信息，采用后置处理模块对设备的姿态、动作及路径进行读取，生成设备可读的加工程序。整个编程过程不要需要与设备进行直接通信，设备运行和程序编制互不干涉。设备在生产一种类型产品时，编程员即可同时对下一种产品进行编程，提高了生产效率。基本的离线编程流程如图 4 所示。
图4 离线编程流程
Fig.4 Process of offline programming