自动钻铆系统的模块化设计及实现

申东东

（鹤壁职业技术学院，河南鹤壁 458030）

0 引言

近年来随着我国航空工业和对外经济的快速发展，在飞机制造的效率和机体疲劳寿命等方面有了更高的要求。据数据统计，铆接技术是影响机体结构发生疲劳损坏的主要原因之一，如传统铆接易造成应力集中，这将严重影响产品质量。模块设计是自动铆接技术中一项十分现代、重要的方法，不仅会提升系统的智能性和可靠性，还会对系统功能等诸多方面产生影响。因此，研究和实现自动钻铆系统的模块化设计是当代航空工业中铆接技术发展的重要一部分。

自动钻铆由钻铆机器、托架系统及相关控制系统和软件组成，在制造过程中能快速、高质量地完成孔位的定位、钻孔、涂胶、铆接等工作。该技术的优化能使飞机制造产业在效率、精度、寿命等关键项上取得进步，也是当代制造业趋向自动化、集成化、数字化的体现。模块化是实现这些目标的重要设计方法之一。

1 国内自动钻铆系统的研究现状及面临的挑战

自动钻铆技术是一种多学科交叉且高度自动化、智能化的，应用于飞机装配等领域的高级制造技术，其起源于20 世纪中叶的美国，如今在许多国家得到了快速发展。当前我国在制造等方面向智能化、自动化等方向快速发展，自动钻铆技术也得到了较高程度的重视和研究。在该技术发展初期，飞机制造业中该技术生产方案以美国的一些企业为代表，向其他厂家提供，各国在飞机制造中引进该技术的相关设备为主。随着各个国家自身的发展和需求，在不断地研究和实现拥有本国知识产权的自动钻铆技术及相关设备，如法国自主研发的P300 型钻铆机，已经走在该技术的前沿。由于起步较晚等原因，我国在模块设计等方面与航空强国的差距依然存在，但近年来发展迅速，研制出了多种型号的设备。随着航空制造业对对自动钻铆技术的需求越来越大，对该技术的研发也越来越广泛和精细，在相关人员的不断努力下，我国在该技术方面与其他国家的差距正在快速缩小，甚至逐渐在该领域取得领先，这大大促进了我国的航空业发展和经济增长。

1.1 应用现状

相比国外，我国在自动钻铆技术方面的研究稍晚，但经过相关制造企业和科研院所在近几十年的努力研究，已经研制并应用了多种型号的样机。例如，北京航空航天大学与一些企业在2009 年合作研制了我国第一套机器人钻孔系统，能够完善指定机型油箱下壁板夹层自动钻孔、锪窝、铰孔等工作，满足产品的质量要求，而加工周期比传统模式缩短1/2 以上；北京航空制造工程研究所自主研发的双机器人控制系统，多功能的末端执行器可以应用于许多产品的制孔、铆接等工作；也有研究院对壁板装配、实时控制及系统的集成控制等方面进行多元、深入的研究，并致力于相关设备的实现和应用。不难看出，目前我国关于自动钻铆系统的研究和应用方向趋于多元化和深入，研究数量较以前有明显增长，这对于我国该技术和航空领域的发展有十分积极的意义。

1.2 面临的挑战

虽然当前我国积极、努力地进行该技术领域的研究，但相比于国外，依然有着明显的差距。从该技术的发展历程来看，美国、法国、俄罗斯等国家已经在多种机型方面研发并应用了自动钻铆系统，且实践时间长，已经积累了许多工程应用和管理经验。国内虽然已经有一些自动钻铆机器人投入生产应用，但在应用经验、管理等方面不足，从系统和机械在工作中的表现来看，也有许多有待改进的方面。

目前我国自动钻铆系统的研发和应用主要面临的挑战有：①自动钻铆系统的末端执行器的功能较为单一，工作范围狭窄，其集成度、可靠性水平较低，在模块化设计方面存在模块缺乏、末端执行器不能实现多功能操作、模块设计不系列化不标准化等问题；②一些关键技术有待突破，如当前模块设计趋向于多目标、人工智能和成组技术等方面，我国在这些方面无论是产品的规范性、多样性还是技术发展的广度、深度等方面，均有待提高；③现阶段自动钻铆工艺的模块设计多数处于实验室试验阶段，未形成与标准作业相匹配的工艺数据库，这使得自动钻铆设备在应用中产生了许多问题。

2 自动钻铆系统的模块化设计

自动钻铆系统中模块化设计可分为3 个环节，即建立系统分解、模块的组合、模块管理的过程。设计时，利用系统工程方法进行分析，根据工作目标确定系统设计的总体功能需求，然后对概括性的功能进行细化分解，并建立相应的模块系统，即在综合分析后按照功能的不同，在功能分离后通过型化使其产生独立的模并形成系列。该系统的模块设计非常复杂，涉及较多方面的研究，因此要想要设计出符合产品要求和发展趋势的模块，需要考虑到已有模块及产品的要求。自动钻铆系统的模块化设计工作主要包括以下两个方面。

2.1 控制系统的设计

在现在的飞机制造工程领域，许多国家在积极研发和应用自动控制技术，但相比于普通的机械制造行业，宇宙航行、飞机驾驶等方面的自动控制技术对于国家制造实力和经济增长等有特别且重要的作用。控制系统的设计是实现设备自动化、最佳控制的重要一环，是自动钻铆系统模块中的控制部分，其性能优劣直接影响到产品加工的质量和生产率，并且现代化的工程控制理论逐渐应用于现实设计且持续发展，会推动飞机制造等产业更快、更好地向全盘自动化等方向发展。

在设计自动钻铆系统控制系统的过程中，应顺应时代发展趋势，将控制理论作为理论基础并研究出多种实现方法，即积极研究和实现各样的自动系统控制过程，在自动化进程中这一项工作是必不可少的，近年来我国许多设计以体现出了这一技术。以当前和未来的科技发展趋势来看，航空工业中自动钻铆技术的发展对该产业的发展有直接且明显的影响，许多著名航空企业在飞机制造中应用了大量的自动控制、自动装配技术。

钻铆技术应用自动控制理论，是一次跨领域的产物，需要融合机械工程、电器控制、传感器技术、计算机自动控制、液压传动等知识和技术，并将这些工艺集成化，使控制系统能为设备提供更好的操作可靠性和质量，并缩短操作周期。

2.2 系统模块硬件的选择与设计

设计自动钻铆系统模块控制系统时，不仅需要完成控制流程等方面的设计，还需选择合适的硬件系统，如PLC 核心控制伺服驱动、人机交互等硬件系统及相关的控制电路、接口电路。其中，交流伺服驱动是机床类进给驱动研究的新动向，因结构简单、无电刷磨损、维修方便、价格便宜等优点，已经成为自动控制硬件系统的一种理想型伺服电机。其结构主要分定子、转子两部分。在使用交流伺服机时，需在定子组通过激磁绕组使两端产生恒定激磁电压、控制电压，通过励磁绕组、控制绕组使电机内产生旋转磁场，以使电机按规定方向进行运行。设计中需保证电机内形成圆形的旋转磁场，保证激磁电压与控制电压存在90°相位差，实现方法有：①利用三相电源相电压、线电压实现90°移相；②以三相电源任意线电压实现；③使用移相网络；④在激磁相中串联电容器。

选型时，需要综合考虑钻铆机底座负载、精度及进给速度等因素：如有需要可以采用全数字式的产品，如松下MINAS A4系列；不全数字化的，在内部方面应采用32 位DSP、IGBTPWM控制方式，该控制系统响应很快、体积小且加工精度高，拥有多样的精确调速，能满足一些不同定位要求的加工。

此外，可编程控制器因其指令丰富、资源丰富、灵活性大等特点，经常被自动控制系统采用，但也存在设计周期长等缺陷。在传统继电器控制的基础上，顺序控制、数字运算、模拟量调节、联网通信等控制功能逐渐发展起来，不仅提高了系统性能，同时编程也更加方便，使其成为集散控制、监视等系统的重要组成。

3 自动钻铆系统模块化的实现

3.1 模块化设计的方法

自动钻铆模块化在设计时有3 个目标：①以最少数量模块组合尽可能多规格产品；②满足用户需求、降低成本价；③提高产品质量。因此设计前需对市场进行深入调查，以作充分规划、准备。

目前模块化设计方法主要分为侧重产品形状结构、侧重功能两种。其中，侧重功能的设计侧重功能分解，模块规划时考虑功能需求、技术分解、经济评估3 个方面，并形成相应顺序的设计步骤，最后利用综合指标进行方案评估。

3.2 模块划分准则和设计原则

模块的划分原则是进行模块划分设计时的重要依据，要求具有较好通用性、较强可操作性、模块继承、全面性，主要评价指标有：①通用性，即划分原则使设备对不同产品生产的通用程度；②模块继承性，划分原则在原有产品成熟部分基础上，新模块单独成块的合理性；③可操作性。

模块化设计时，在考虑模块划分准则的同时也需要注重设计原则：①功能独立性，尽可能地使同一功能零部件在一个模块内；②结构完整性，将难以装配、结构难以分离的部件聚为一个模块；③需求变化原则，根据客户质量、数量的需求变化，需要考虑产品功能独立性、经济性等多因素，改变划分方案。

4 结束语

综上所述，自动钻铆技术是一个复杂、系统的工程，需要多个学科知识、技术。本文仅对该技术的设计和实现做了浅显分析，未来将对该技术的研究和应用进行更为深入的研究，使其可以更好地应用于生产实践。