复合材料组件自动制孔研究

王兆锋

摘要：随着对飞机性能要求的不断提高，复合材料的应用不断增多。这些材料都具有难加工的特点，采用手工制孔加工过程不稳定，效率低，技能依赖性强，难以满足对飞机装配的高精度、高质量的需求。自动化精密制孔设备具备加工过程稳定可控的特点，已经成为提高装配质量及飞机寿命的一个重要途径。相对于统的五坐标自动钻铆机床，自动制孔机器人设备具备占地面积小，灵活性强，柔性高的特点，可满足不同产品加工需求并大大提高制孔的效率和精度。

关键词：复合材料;制孔信息;自动制孔机器人;灵活性;柔性

引言

某型飞机活动翼面组件包括内襟翼、外襟翼、副翼等14个组件，主要由上下翼面、梁、肋、接头等组成，各组件长度不等，最小曲率半径凸面157mm，凹面368mm。组件大部分结构采用复合材料，制孔区域存在复-复叠层和复-钛叠层、复-铝叠层等多种加工工况，制孔量大，劳动强度高。传统的手工制孔需应对多种材料叠层的大面积制孔，无法保证制孔质量和效率，制孔出口出现毛刺、劈裂也是引起返工的常见故障。

1复合材料制孔设备总体方案

自动制孔工艺设计是自动制孔的重要部分，包括制孔基准设计、预连接设计、自动制孔设计，在这些设计中不仅指定孔的位置，而且给出制孔的夹层厚度和顺序、材料顺序、预连接孔的布局等信息，这些信息存在与飞机三维综合信息模型中，需采用软件工具整理筛选并添加工艺人员的设计思想，形成自动制孔工艺，提供给自动制孔设备用于进行制孔工艺参数选择和离线编程。

1.1设备组成及布局

复合材料制孔设备系统是由机器人制孔设备和工装组成;制孔设备布置在某厂房活动翼面装配区，采用对称式布局，4个活动翼面制孔设备均布在两条轨道上，对应4套工装.

1.2设备的主要结构

活动翼面机器人制孔设备由高精度工业机器人、末端执行器、移动装置、集成控制系统组成，设备主要结构如图2.2所示。工业机器人选用德国KUKA公司的KR420 R3330型工业机器人，携带末端执行器同步到达产品加工位置。

2自动制孔工艺设计关键技术

自动制孔工艺设计是自动制孔的重要部分，包括制孔基准设计、预连接设计、自动制孔设计，在这些设计中不仅指定孔的位置，而且给出制孔的夹层厚度和顺序、材料顺序、预连接孔的布局等信息，这些信息存在与飞机三维综合信息模型中，需采用软件工具整理筛选并添加工艺人员的设计思想，形成自动制孔工艺，提供给自动制孔设备用于进行制孔工艺参数选择和离线编程。

2.1自动制孔工艺规划

自动制孔的工艺规划包括基准钉布局规划和自动制孔路径规划两部分。基准钉首先起到临时紧固的作用，基准钉间距对产品变形、间隙消除、制孔同轴度、锪窝深度都具有影响。找正分为“单孔找正”、“两孔找正”、“四孔找正”，不同的找正方法算法不同，找正精确度也不同;制孔路径规划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，最好的制孔路径可以减少设备的空跑，以提高加工效率。通过研究自动制孔的工艺规划技术，记录不同的基准孔方案和制孔路径规划对加工效率和制孔质量的影响，形成最优规划方案，实现高效快速自动制孔。

2.2面向制孔工艺的制孔信息提取技术

飞机装配过程中蒙皮自动制孔采用工业机器人、专用高精度制孔设备完成蒙皮自动制孔，在蒙皮制孔前需要首先将蒙皮在装配的部件上定位和夹紧，以便满足蒙皮位置正确和制孔过程中的稳定性要求，需要在工艺设计中设计定位基准和夹紧基准位置，其他的加工孔由设备完成。

3 飞机自动制孔工艺流程

合理的工艺流程和方法是提高制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进行规划。为实现对活动翼面与骨架连接孔的制孔，需要在制孔前进行预装配，包括完成骨架的安装、蒙皮的预连接。同时针对制孔过程，要通过仿真、路径分析等进行最佳加工路径的选择。

3.1產品预装

定位形式：在预装配站位利用数字化工装完成骨架预装配。装配采用以骨架为基准的定位方案，先完成骨架的装配，再将蒙皮预安装到骨架上在自动制孔站位进行制孔。临时紧固钉布局： 拟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。临时紧固钉直径比终孔小2mm;（红圈为临时紧固钉布局）A区域一般在200-300mm间 。

3.2移位至加工中心

工装端头设置两个步行式牵引装置，底盘四角设置可拆卸气动升降轮组模块，该轮组实现快速拆装，并且与生产线内其他装配工装对接法兰实现通用连接，最后通过人工操作两端头牵引装置带动工装进行移动，携带工装与产品按规划路径移至制孔中心。

3.3程序自主调用

在末端可达区域设置工装信息识别码，如下图2.7所示。操作机器人至二维码前，通过末端执行器高清相机读取识别码信息，从云平台自动获取任务相关信息（任务编号、内容;开完工计划时间节点;若干人员按操作职责的派工信息、人员资质信息），并完成该工装建站程序、制孔程序、制孔参数等信息的自动调用。

3.4设备建站

工装框架按制孔区域包容性原则设置4处找正用找正孔。设备在自检模式下开始自检，完成压脚位置、进给控制、主轴转速找零回零;在建站模式下加载完成固化的建站程序，设备采集工装型架四周设置的校准点（找正孔），实现设备坐标系与工装坐标系快速拟合。将上述工序中设备采集工装上4个找正孔实际坐标信息采集至云平台。

4 总结

随着CAD/CAM、计算机信息和网络技术的发展，航天复合材料产品需要从根本上改变传统制造方式，提高了航天复合材料设计制造技术水平，自动制孔技术是其重要的组成部分。本文对复合材料自动制孔技术进行介绍，提出了复合材料制孔设备总体方案、自动制孔工艺设计关键技术、飞机自动制孔工艺设计软件开发，证明了自动制孔的可行性及高效性，为各类复合材料的自动制孔奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1] 韩志仁，贾东海，高红，秦月，郭喜锋.基于MBD的装配工艺辅助模型快速生成技术研究[J].航空制造技术，2015（20）：60-62.