飞机装配制孔装备的探究与分析

飞机装配制孔装备的探究与分析

王伟龙，梁尚军，程旭

空装驻沈阳地区第一军事代表室，辽宁沈阳110031

飞机结构件通常尺寸庞大，结构复杂，装配制孔很难在通用数控加工设备上进行，往往需要开发大型专用数控设备。经过几十年的发展，国内外开发出了多种专用制孔设备。

1.手工制孔。手工制孔即工人通过手持工具完成制孔加工。通常采用的制孔工具包括气钻、手电钻等，其中以气钻使用居多。手工制孔对加工设备依赖性低，对工件的适应性强，有一定灵活性，是飞机装配中最为原始的制孔方法。但由于其存在生产效率低，加工质量不稳定，操作者劳动强度大等缺点，已不能满足现代飞机装配的制孔需求。

2.半自动制孔。半自动制孔是指采用带有自动进给功能的手持工具完成的制孔。由于手工制孔方法存在很多不足，一些公司改进了手持气动工具，集成了自动进给机构与定位固定工装，实现了飞机结构件装配的半自动化制孔。自动进给制孔工具需要配合专用工装夹具使用，制孔前在对应部位安装自动进给钻的工装（如钻模板等），再通过人工将自动进给钻与其对接，一个孔加工好之后人工移动自动进给钻到另一个位置。和手工制孔相比，半自动制孔加工过程中不再需要人手把持，切削力和制孔工具自重由工装承受，加工过程更加平稳，制孔质量提高，一致性更好，劳动强度降低。采用自动进给钻的半自动制孔技术在国内外飞机装配中，尤其是大直径孔加工中获得了较多应用，是当前的主要制孔方法之一。

瑞典NOVATOR公司开发了螺旋铣孔自动进给制孔工具，其操作方法与传统自动进给钻基本相同。NOVATOR公司开发的螺旋铣孔设备已经被波音公司批量采购，用于波音787飞机的生产中，并取得了良好的加工效果。与传统自动进给钻相比，采用螺旋铣孔原理的自动进给制孔设备对大直径孔的加工能力更强，无需“钻—扩—铰”的复杂工艺，一次加工即可达到精度与质量要求，生产效率更高。

半自动制孔方式自动化程度低限制了生产效率；但由于这种制孔装置相对简单、成本低、技术成熟，在今后相当长的时间内仍将是飞机装配中有推广应用价值的重要制孔方法。

3.全自动制孔。全自动制孔指采用专门研制的高柔性、多功能、全自动化设备完成飞机装配中的制孔加工。全自动制孔装备是一套复杂的系统， 根据飞机装配具体工况和制孔要求的不同，国内外研制了多种不同结构形式的全自动制孔设备，并已被大量运用到生产中。

利用特制的多轴数控装置搭载制孔末端执行器是一种典型的全自动制孔方式。制孔系统的柔性通过多轴数控装置实现，切削加工通过末端执行器完成。工作时首先确定待加工孔位置，然后通过多轴数控装置将末端执行器运送到指定的加工位置后，由末端执行器上安装的主轴单元进行制孔加工。美国Electroimpact公司和德国BROETJE公司均有成熟的自动制孔设备。

特制的多轴数控装置具有很好的定位精度与结构刚性，但其制造成本高，生产周期长。国外一些公司利用工业机器人替代特制多轴装置，搭载专用制孔末端执行器，研制出了机器人制孔设备。应用最多的为6关节串联机器人，它具有非常好的柔性，配合直线导轨可以在大范围内移动，且价格低廉，技术成熟。工业机器人的应用降低了自动制孔设备的设计难度，节约了研制成本。

除上述大型自动化制孔设备外，国外还开发了其他一些具有高度柔性的轻型自动制孔技术与设备并应用到生产中。其中一种为柔性轨自动制孔设备，工作时，其轨道通过真空吸盘吸附到零件表面。轨道采用了特殊的柔性结构，能够在一定范围内弯曲变形，对零件表面形状实现自适应。加工单元可以在柔性轨表面移动和调整姿态，完成制孔加工。

另一种轻型制孔设备为爬行（自行走）机器人制孔装置。该装置通过真空吸盘吸附在装配构件表面，并可在构件表面爬行移动，到达指定位置后由其内部携带的主轴单元进行制孔加工。

为进一步提高生产效率，国内外一些公司将铆接单元集成到先进的全自动制孔设备中，实现了制孔后铆钉的自动安装。包含铆接功能的自动制孔设备又被称为自动钻铆设备。自动钻铆设备作为制孔技术的延伸，也已被大量运用到实际生产中。

上述自动制孔设备虽然结构各异，但其设计的共同出发点在于提高制孔系统的柔性，能够快速适应不同加工零件，并最大限度地对生产所需的不同工艺进行集成，实现装配过程的高度自动化，提高生产效率。

在国外发达国家的飞机装配过程中，全自动的先进制孔技术和装备经过几十年的发展已趋于成熟，得到广泛的应用。在制孔加工过程中，人的参与程度越来越少，自动化程度越来越高。除制孔加工本身外，其他制孔之前的准备工作，例如零件的运输、定位、固定等，以及制孔之后的后续工作，包括加工质量检测、铆钉装配等，也已经实现高度自动化。

4.超声辅助制孔设备。将超声辅助加工技术应用于飞机装配制孔中也需要专用加工设备的支撑。由于开发整套自动制孔设备投入巨大，国内外更倾向于对现有制孔设备进行改造，通过安装功能附件的形式使原有设备获得超声振动功能。一种方法为研制带有超声振动功能的电主轴，将超声振动系统集成到主轴内部；另一种方法为研制带有超声振动功能的刀柄，将超声振动系统集成在刀柄内。超声主轴的方案对原有设备改动较大，实施困难；超声振动刀柄的方式最适合对现有制孔设备的改装，不改变其原有结构与功能，因此具有更好的应用前景。

先进制孔系统关键技术分析

开发先进的全自动制孔系统需攻克多个难点，涉及的关键技术可概括为以下几个方面：

（1）先进的制孔末端执行器设计。末端执行器是制孔系统的核心部件，直接完成孔的切削加工任务。除切削加工必需的主轴单元和进给单元之外，末端执行器通常还要集成其他多种机构。对于螺旋铣孔和超声振动制孔末端执行器，由于系统相对复杂，设计难度较大。

（2）自动化控制技术。全自动制孔系统的控制系统既包括末端执行器切削加工的多运动控制，还包括机械手、数控机床等设备运动的控制，同时根据制孔需求还需集成工件位置视觉识别系统、刀具相对构件法向的调整系统、构件压紧和吸尘排屑等辅助系统、故障诊断系统等。

（3）制孔精度与质量控制。飞机装配对连接孔的加工精度和质量有较高要求。在制孔加工之前必须首先保证位置精度，制孔装置需要借助先进的位移传感器、视觉系统等对装配构件的位置和角度进行检测和自动补偿。当进行复合材料/合金叠层结构制孔时，不同材料性能的差异会引起的孔径差异，影响加工精度。

（4）高性能制孔专用刀具。刀具的切削性能直接影响制孔精度和质量及加工效率。高性能制孔刀具应具有科学合理的结构和几何参数，在加工中能够降低切削力与温度，避免加工缺陷的产生。根据铝合金、钛合金和复合材料不同的性能差异，制孔刀具的结构和几何参数应有针对性的设计，以实现最优化的加工。进行复合材料/合金叠层结构制孔时，对刀具的适应能力提出了更高要求，刀具几何参数优化更为复杂。飞机装配制孔数量很大，为避免频繁换刀降低生产效率和增加制造成本，制孔刀具应具有足够高的寿命，并要求刀具在服役期内切削性能稳定，保证大批量制孔精度和质量的稳定性。因此，高性能制孔专用刀具的研制也是该领域需重点研究的关键技术之一。