赵 蒙
（中国直升机设计研究所，景德镇 333001）
飞机连接的装配质量决定着其结构的抗疲劳性与可靠性。随着自动化发展进程的加快，飞机制造开始大量应用自动钻铆系统，体现了飞机装配的自动化与数字化发展趋势。现阶段，我国新型飞机的研制需要全自动钻铆系统的支撑，需要人们不断对其进行研究与分析，以更好地促进航空领域的发展。
1.1 基于全自动托架的自动钻铆系统
基于全自动托架的自动钻铆系统主要包括C框与D框两种形式，通常由全自动托架基础上的五坐标定位系统和自动钻铆机构成，结构如图1所示。其中，全自动托架X、Y、Z、A、B五坐标定位功能由X、Y、A和两个Z轴来实现。典型自动钻铆机由上下钻铆功能执行器、C框或D框构成，具备钻孔、送插钉、铆接以及端头铣平等功能。现阶段，基于全自动托架的自动钻铆系统大量应用于波音、空客等飞机制造。我国各主机厂、研究所也对此系统开展了大量研究。这一系统拥有技术成熟、成本较低、易于实现大铆接力的优势，但加工壁板的弧度通常不超过60°，且自动化设备应用效率较低。
1.2 龙门式自动钻铆系统
龙门式自动钻铆系统主要由龙门式五坐标定位系统、末端执行器以及柔性工装构成。由于工件摆放位置不同，它主要分为立式和卧式两种形式。在钻铆过程中，这一系统的柔性工装保持固定，X、Y、Z、A、B五坐标定位主要由龙门式五坐标定位系统实现。现阶段，龙门式自动钻铆系统主要适用于飞机壁板装配，其中立式适合装配机翼壁板，卧式适合装配机身壁板和超级壁板。系统通过合理布置生产线，可以解决产品上下架时间设备闲置问题。其中，卧式能加工大弧度壁板，实现对超级壁板的钻铆，但其控制难度较大，成本高，且A角与B角的运动难以产生较大的铆接力[1]。
图1 基于全自动托架的自动钻铆系统
1.3 内外双机器人筒段钻铆系统
在内外双机器人筒段钻铆系统中，有一套平行刚性支撑轨道在产品蒙皮外侧，有一套则在产品内部，且在上方分别布置钻铆机器人，以实现螺接功能。两套轨道系统与钻铆机器人协同实现X、Y、Z、A、B五坐标定位。现阶段，对于这一系统应用较少，市场需求不大，主要适用于机身筒段装配。尤其是类似波音787的复材机身，无须在半筒段装配后进行上下对接。内外双机器人筒段钻铆系统自动化程度高，且能实现角片等部位的自动定位功能。但是，它与龙门式自动钻铆系统一样，控制难度较大，成本高，总体钻铆效率低[2]。
2.1 高负载高刚性大运动场定位机构结构设计技术
飞机自动钻铆系统相较于轻型自动化制孔系统而言，控制轴数不多，定位系统结构较为简单。然而，压铆的工作荷载在15～30 kN，使得大型结构重量成为设计中的一大难题。飞机自动钻铆系统主要有3种典型形式：一是基于全自动托架的自动钻铆系统；
二是龙门式自动钻铆系统；
三是内外双机器人筒段钻铆系统。下面以龙门式自动钻铆系统为例阐述其特殊性。这一系统的A角与B角运动通常靠旋转轴实现，而旋转轴会承受巨大的铆接力，使得动态运动精度、静态承载能力以及传动间隙处理成为重难点。大型龙门架在运动中会形成巨大惯量，而由于钻铆效率要求相对较高，X轴运动精度受大惯量大运动场影响较大。将大型定位系统高刚性与大惯量大运动场运动的要求相互折中，需优化结构刚度与强度[3]。因此，高负载高刚性大运动场定位机构结构设计技术作为重要技术，需要重点解决3个问题：一是要通过力学分析获得科学合理的机构受力形式；
二是要通过传动机构消隙处理并进行静态自锁设计，以保障精度与稳定性；
三是通过有限元分析优化方式，合理设计结构尺寸。
2.2 复杂运动多轴同步运动控制技术
龙门式自动钻铆系统与内外双机器人筒段钻铆系统的技术要求较高，而基于全自动托架的自动钻铆系统的技术要求较低。对于不同的钻铆系统，要运用不同的控制轴实现五坐标定位。然而，因为上下末端执行器控制连接的同轴度要求较高，所以需要多运动轴同时进行运动控制。龙门式自动钻铆系统要保障上下末端执行器控制连接的同轴度，至少需要保持上下末端执行器运动X、Y、Z坐标与A角、B角之间的协调，这对控制系统的要求较高。因此，对于复杂运动多轴同步运动控制技术的解决手段主要有两种：一是在短期内应用国外成熟的运动控制系统实现功能精度目标，如MPAC应用的西门子840D；
二是将自主研发运动控制系统作为长期目标，有效降低成本，拥有良好的定制性能，且获得自主知识产权[4]。
2.3 复杂钻铆功能末端执行器设计技术
3种典型的自动钻铆系统都要应用末端执行器。鉴于飞机制造中装配连接零部件对精度的要求，研制末端执行器的过程中存在不少难点。一是飞机制造中对装配锪窝精度的要求很高，自蒙皮表面开始便对锪窝深度有严格要求，不能忽略制孔时蒙皮表面受压变形因素，这也对主轴Z和蒙皮表面检测精度提出了高要求。二是孔位检测精度关系总体制孔坐标系的确定和孔位精度。三是将法相检测精度和传感器标定作为制孔的主要性能指标。这两个性能指标决定着制孔垂直度，因此需同时考虑传感器精度及其布置、标定等多种因素。四是提供插入力与顶紧力，确保送钉插钉精度。五是对于铆接力与行程的控制。复杂钻铆功能末端执行器设计技术是一项核心技术，集孔位检测、制孔、送钉以及铆接等众多功能于一体，同时要确保承载能力与刚度，融合模块化设计理念、机构精巧设计、有限元结构优化等多种方式来设计末端执行器。上下末执行器分别如图2和图3所示。
图2 上末端执行器
图3 下末端执行器
2.4 离线编程与仿真技术
相较于其他机械产品，飞机自动化装配数控程序编程最主要的特征是离线编程。飞机批量低，曲面不简单，孔位数量多，不能有效应用于车辆等大批量自动化生产线应用的示教编程，使得离线编程成为飞机自动化装配的核心软件技术。这一技术主要由紧固件信息提取、数控自动编程、刀位文件生成、离线仿真以及在线监测等模块构成。相比于轻型自动化制孔系统，自动钻铆技术更加复杂，需要进行更细致的检查[5]。离线编程的难点在于必须从产品数模中自动提取出紧固件位置信息，而实现这一工作的前提是产品数模必须对紧固件信息进行严格规范的定义。目前，我国对这项工作的重视程度正在逐渐加大，已形成基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）技术规范体系。
自动钻铆系统具备高效率、高质量等优势，使得飞机制造装配技术朝向自动化装配方向发展。3种典型形式的自动钻铆系统拥有不同的特征与优点，需要结合不同飞机产品的特点和生产条件来选用不同形式的系统。对于机翼无头铆钉压铆等需要使用高压铆力的情况，可以使用以G86、G2000为代表的基于全自动托架的自动钻铆系统。对于机翼装配中涉及电磁铆接的情况，可以应用以E系列钻铆系统为代表的龙门立式自动钻铆系统。对于机身大尺寸、大弧度壁板尤其要进行超级壁板拼接的情况，可以选择以管理平面防护（Management Plane Access Control，MPAC）为代表的龙门卧式自动钻铆系统。飞机自动化装配技术应用过程涉及设计、制造以及工艺装备等环节，不是对局部的技术优化，而是对整个领域的改革。特别是龙门式自动钻铆系统与内外双机器人筒段钻铆系统的应用涉及诸多关键问题，需要协调发展整个设计、制造以及装配工艺。
不同形式的自动钻铆系统各有各的特点与优势，要结合具体情况合理选用。受成本与保密性等要求的影响，我国需要自主研发自动化装配系统。这需要不断研究关键技术，提高飞机制造装配的自动化能力，使我国拥有自主研发的自动化装配系统。
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