曲面自动化制孔技术研究现状与发展趋势

2020-11-24何凤涛陈雪梅熊衍龙张德远刘艳强

科学技术与工程 2020年29期

何凤涛，陈雪梅，熊衍龙，张德远，刘艳强，李军，马广

(1.成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都 610031； 2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191)

随着科学技术水平的快速发展，航空工业技术水平进步显著，对飞机整体的可靠性和耐久性提出了更高的要求。在各类飞行器故障中，在部件疲劳失效中约70%左右的疲劳裂纹来自紧固件孔，统计学研究表明出现在孔边缘破坏的故障超出了整架飞机疲劳破坏的90%[1]。由此可以看出，紧固孔的加工精度很大程度地影响了飞机的可靠性以及安全性[2]。如何在制造过程中提高紧固孔的质量、改善构件的抗疲劳性能、延长飞机寿命、提高飞机的质量是飞机制造厂商关注的重要课题[3-5]。

目前，制造厂商都在寻求采购自动化钻削机床进行精密制孔，满足对飞机的高性能要求[6-8]。这一方面，国外经过半个多世纪的研究，自动化制孔技术较于中国更为成熟，并且已经广泛应用在飞机制造和装配中，成为航空工业中的主流技术[9-12]。

随着机构学、传感技术、伺服控制以及计算机技术等的发展，针对飞机生产不同的需求以及应用范围，各国的研究院所和飞行器生产厂家设计制造了相应的自动化机床。现介绍常见的自动化制孔设备的研究现状，并预测未来可能的研究方向。

1 蒙皮制孔技术特点

飞机蒙皮是指包围在飞机骨架结构外且用黏接剂或铆钉固定于骨架上，形成飞机气动外形的维形构件[13]。蒙皮与机身骨架形成蒙皮结构，这种结构的重量轻，却有很好的刚度和承载力，可以承受并且传递大的气动载荷[14]。常见的飞机使用的蒙皮材料主要是高性能铝合金材料，某些军用特殊性能飞机采用了钛合金材料与复合材料。

蒙皮是一种具有自由曲面形状的结构板材，也是构成飞行器外形的主要零件。蒙皮形状复杂且容易变形，其加工质量对飞机的安全性有很大影响[15]。飞机飞行中蒙皮与气流直接接触，所以对其表面质量有很高的要求。一般蒙皮结构的尺寸较大，相对厚度较小，造成其刚度较差，加工时需要保证形状准确，减小变形。随着现在飞机的提速和增重，蒙皮的尺寸与厚度增加，外形的精确度要求也更高[16]。

飞机蒙皮按外形特点可以分成单曲度蒙皮、双曲度蒙皮和复杂形状蒙皮3种类型。单曲度蒙皮的形状相对简单，仅单一方向上存在曲度，多用于飞机机身剖面段和机翼上。双曲度蒙皮指的是两个方向上存在曲度的蒙皮，用在机身上的大多零件以及进气道上。复杂形状蒙皮是指那些形状极不规则的蒙皮，包括翼尖、机头罩等部位使用的蒙皮。

由于蒙皮结构的特殊性，增加了其加工和装配难度。在传统的人工制孔中，制孔水平受工人水平影响较大，加工出的孔质量参差不齐，无法准确保证装配时的精度要求。需求使用自动化设备进行自动制孔与装配可以保证蒙皮结构上孔的质量，确保装配时的精度要求是非常关键的。这对于提高最终产品的整体稳定性以及产品结构的抗疲劳性能与可靠性都十分重要[17]。

2 大型专用机床制孔

在航空蒙皮曲面自动化制孔技术中，对于一些装配制造中大孔的加工，需要设计一些专门的大型自动化制孔设备以保证高标准的加工要求。美国波音公司的B-747、C-17等型号客机的机舱地板都使用了自动化制孔设备与工艺，相比之前人工钻孔不仅大大缩短工艺流程时间，降低生产成本，而且提高了制孔的精度和质量[18]。德国宝捷公司研发的钻铆机与多壁板装配机床如图1所示[19]。

北京航空制造工程研究所开发了一款飞机翼面类部件柔性装配五坐标自动制孔设备，该设备由五坐标移动机构和末端自动制孔设备构成，可以满足双曲度飞机蒙皮结构的生产需求[20]。这是中国首台飞机翼面类部件柔性生产装备，其末端自动钻削工具的研制为中国其他院所及团队的研究提供了经验[21]。经过试验验证，此设备可以减少平尾制孔生产周期近一半时间。

从外形来看，大型落地式钻削机床体积大，重量大、设备需要占用很大空间；从成本来看，落地式龙门机床大多造价高，且为专用机床，生产成本高；从应用效果来看，大型机床的使用较为笨重，受限于机床体积，只能用于飞机开阔外表面的制孔，对于飞机表面上的复杂曲面对机床的定位精度要求以及工装的安装精度都极高。此外，大型机床不适用于飞机上一些狭小空间的制孔需求，机床笨重的体积难以进入那些狭小空间，如军用飞机的进气道。

3 机械臂机器人制孔

机械臂式制孔设备通常包括机械适配导轨、机械臂以及末端钻削设备等部分，可以用在航空铝、复合材料以及钛合金等蒙皮结构的制造装配。

美国EI公司与波音公司合作利用KUKA KR305/2串联机器人平台和伺服控制多功能末端执行器(MFEE)组合，研制了一套机械臂自动钻削系统(ONCE)，该系统用在了波音F/A-18E/F型号客机的机翼后缘的制孔加工、孔质量检测上[22-23]。瑞典Novator公司采用Orbital钻头和KUKA机器人研制出了一种多功能钻削系统Orbital E-D100，用于在钛合金与复合材料等部件的精密钻削制孔[24-25]。波音公司澳大利亚分公司使用KUKA KR360-2机械平台与单侧制孔-修剪末端执行器结合，研制了一种机械臂制孔系统(737 aileron robot cell)[26-27]。德国宝捷公司利用一种工业机械臂组合新型自动钻削工具，设计制造了一款新型生产设备，这种装备了多功能制孔工具且高精定位的制孔系统，可以用在飞机舱门结构的制孔加工和铆钉安装，如图2(a)所示[28-29]。意大利BC公司已经成功地为 Airbus、Boeing、EADS等知名厂家研制了多套龙门式机械臂自动化钻铆机床，并参与了Airbus A380和A340型客机以及Boeing B787新型客机、欧洲战机机身等核心部分的制造[30-31]。美国波音公司和EOA公司合作设计了一种用于对钛合金、航空铝、复合材料及其叠层等蒙皮机构加工的多功能机械臂钻削设备，能够进行各种制孔加工工作，如图2(b)所示[32-33]。洛克希德·马丁公司研发的制孔设备主要用在了大型落地式龙门钻孔机床(JGADS)中，主要对F-35型号战机的碳纤维环氧复合材料制作的机翼上壁板进行制孔加工[34-35]。

图2 工业机械臂式机器人制孔设备Fig.2 Industrial machinery arm type robot drilling equipment

落地式龙门机床机械臂机器人在体积、重量上有大幅减小，因而可以适应飞机上的一些内表面的加工操作，如军用飞机进气道内的制孔加工。但是机械臂多关节伸展的结构导致机器人本身的刚性差，对于新型复合材料/航空铝组合的叠层材料或者钛合金材料很难保证很高的加工精度与可靠性；从控制角度来看，机械臂各关节灵活程度高，自由度大，需要对加工过程中的状态进行紧密监控，防止机械臂撞伤加工部件，安全性较差，这也是机械臂机器人难以在飞机制孔中广泛应用的一个重要原因。

4 柔性轨道的自动化设备制孔

在飞机制造工业中，随着飞机制造的周期缩短，自动化制孔设备呈现小型、轻便精密制孔的趋势。此外，由于当下大型飞机上复杂整体结构的采用，装配孔精度比以往要求更精密。这些都使制孔空设备向柔性及钻铆装配一体化的趋势发展[36-37]。

作为一种小型轻便的自动化加工装备，基于柔性导轨的自动化制孔装备的最突出的特点就是自带吸附机构可以附着在待加工工件上，利用柔性导轨适配部件的自由曲面，实现设备在附着状态下制孔加工[38-40]。通常飞机的机身和机翼有较多缓曲面，装备的导轨可以吸附在这些表面上供机器人在轨上行走制孔。这种加工状态降低了工艺对导轨部件的精度要求，并可节省工装的装配时间，调高加工效率。目前此方案已经用在了飞机机身、机翼的自动化加工工艺中，相较于常规的多轴机床制孔，优点是成本低、效率高、操作便捷[41]。

目前应用柔性导轨技术比较成熟的厂商有美国Electroimpact 公司(EI)和美国Advanced Integration Technology 公司(AIT)。EI公司和Boeing公司合作开发了一款基于柔性导轨的机器人制孔设备(Flex Track)，用在了波音飞机机身筒段的自动制孔[42]。AIT公司设计的一款基于柔性导轨的爬壁制孔机器人[43]已经在F/A-22 Wing major、F-15 Rear fuselage等生产实践中得到了应用，如图3所示。

图3 EI柔性导轨制孔系统Fig.3 EI hole making system of flexible guide rail

2009年北京航空制造工程研究所设计了BAA300柔性轨道制孔机器人[44-45]，如图4(a)所示。经工艺实验验证，此制孔系统的定位精度可靠，所制孔质量达标，达到了实用级别。

陶永等[46]、李军等[47]设计并研发了一种基于柔性轨道的爬壁机器人制孔平台，如图4(b)所示。此航空制孔机器人系统在进行的系列工艺实验中表现良好，设计者提出了自动钻铆与当前机器人智能控制的实验结合点，提升了飞机制造装配过程中的自动制孔的一致性及表面粗糙度与法线垂直度等加工指标，但仍处于试验阶段，并未在实际应用中得到验证。

柔性导轨制孔系统主要适用的加工对象是大型民用飞机机身对接段与机翼平整段的复铝叠层小孔，其加工质量与精度都能达到生产的要求。但是现在研制的导轨式爬壁机器人系统的制孔单元体积较大，所以对于空间有一定的要求；柔性导轨未成网络，需要人工进行机器人的换位；加工前在飞机表面铺设导轨，工序比较烦琐。

5 自主移动式机器人系统制孔

自主移动式制孔装备是在柔型导轨式制孔装备之后最新发展起来的一种的小型自动化设备[48-51]。自主移动式机器人与柔性轨道机器人同属于小型自动化加工设备，两者都自带吸附机构，可以将自身附着在部件表面进行行走和加工操作，这也是它们与传统大型落地式数控机床最主要的区别。但两者又有一定的不同，自主移动式制孔设备还具有特别的优点：无需导轨，可直接吸附在部件表面并行走，设备安装更加简单，节省了设备使用时的准备时间；无需铺设轨道，设备的使用灵活性更高，适应的工况更加广泛，更加符合自动化设备轻型化、柔性化、模块化的发展前景。

自主移动式爬壁机器人的吸附方式主要有爪式吸附、真空吸附和磁吸附3种[52-54]；行走方式包括轮式、履带式、足式和组合式[55-58]。灵活组合不同的吸附和行走形式，各国学者研制出了适用于不同工况下的爬壁机器人。

M.Torres公司研制的自主移动式制孔装备，包括了行走机构、制孔执行机构、控制硬件部分和软件系统，具有模块化设计特点，方便定制化系统，它无需在飞机上加装任何附加导向系统[59-60]。该机器人包含2台相机组成的图像采集系统，激光传感仪器以及M.Torres控制软件以保证轻型制孔机器人在飞机上的行走和定位，具有识别和攀爬30 mm台阶的能力。能对航空铝合金、钛合金以及碳纤维复合材料进行钻孔加工。对于10 mm厚度的铝合金板，钻孔效率为6～8孔/min。该机器人具有经过测试的H10精度的钻孔能力，最大钻孔直径为 6.25 mm。主轴的转速从103r/min到104r/min不等，同时集成了微型润滑装置，可以对钻头进行气体内部冷却。目前该机型的质量为55 kg, 还处于研制阶段，正在生产原型机。该轻型制孔机器人尚未应用于工程现场，可靠性、制孔效率、制孔精度等技术指标尚未成熟。

自主移动爬壁系统作为一种新的小型自动化设备，设备简单，应用灵活，对于飞机上狭小空间、复杂曲面的工况的适应能力更好，是未来航空制造业自动化发展的主要方向[61]。

6 结论与展望

目前，飞机制孔研究多集中于开发大型加工设备，成本高、技术难度大，对飞机复杂曲面缺乏适应性，通用的柔性导轨式制孔系统由于体积较大，适用于开阔的制孔空间，自主移动式制孔机器人由于技术复杂程度高，其制孔加工的可靠性与制孔的质量都有待进一步实验研究。

轨道式和自主移动式爬壁机器人由于成本低以及自身的灵活性将成为今后航空制造自动化方向的研究热点。导轨式爬壁制孔机器人是一种基于柔性导轨网络的自动化爬壁制孔设备，在现有装配工艺中大量使用的刚性钻模板的基础上研制而成，使其大规模应用于自动化制孔生产现场，可对大型自动化制孔装备进行补充完善，突破了以往工件在机床上进行定位的加工方法。自主移动爬壁系统利用自身的吸附组件将自身吸附在工件表面，设备组成较为简单，简化了安装工作及安装系统所用的工装，因此投入生产前的准备时间大大缩短，应用的灵活性也更高，更加符合轻型化、柔性化、模块化的发展方向。

如何使爬壁机器人系统更加适用于飞机制造与装配过程，对于爬壁机器人系统在飞机部件上的吸附、行走以及驱动方式的研究将成为爬壁研制的重要方向。