(北京航空制造工程研究所,北京100024)
據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,飛機機體疲勞失效事故的70%是源于結(jié)構(gòu)連接部位,其中80%的疲勞裂紋產(chǎn)生于連接孔處,因此連接質(zhì)量極大地影響著飛機的壽命[1]。因此根據(jù)飛機自動化制孔的特點和要求,國外著名的飛機裝配設備制造廠家(如Gemcor、EI等公司)生產(chǎn)了許多大型的面向飛機裝配的自動化制孔和鉚接設備。國外在新一代飛機的研制上大多已經(jīng)采用自動鉆鉚設備配柔性定位工裝的裝配模式,尤其是基于機器人載體的自動制孔及鉚接系統(tǒng)[2]。
近年來,國內(nèi)陸續(xù)引進了許多大型自動鉆鉚機,單臺式自動鉆鉚機逐步開始應用于飛機壁板鉚接中,并在局部上采用了較先進的技術(shù),如利用激光跟蹤儀或計算機輔助經(jīng)緯儀技術(shù)安裝型架[3-4]。少數(shù)直升機制造廠也采用了自動鉆鉚技術(shù),簡化了裝配型架結(jié)構(gòu),但與發(fā)達國家航空企業(yè)相比還存在較大的差距[5]。
直升機外形復雜,而且零件數(shù)量巨大,內(nèi)部空間緊湊,協(xié)調(diào)關(guān)系復雜,裝配和安裝周期長,質(zhì)量要求更加嚴格,所以直升機的裝配技術(shù)是一項技術(shù)難度大、涉及學科領域多的綜合性高技術(shù)。目前裝配工作在飛機生產(chǎn)過程中是最費時費力的,長期以來一直困擾著制造業(yè)的發(fā)展,嚴重影響了直升機的研制周期[3]。
本文根據(jù)直升機特殊的結(jié)構(gòu)和工藝要求,設計出直升機機身總裝自動鉆鉚系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的自動壓緊、自動測量標定、自動制孔、涂膠、送釘,并實施鉚接,能夠一次完成手工需要多次操作的工作,可滿足直升機裝配高質(zhì)量、高效率的自動化裝配需求。
直升機機身總裝自動鉆鉚系統(tǒng)包括機身結(jié)構(gòu)自動化定位子系統(tǒng)、機器人自動鉆孔子系統(tǒng)等,如圖1所示。此系統(tǒng)可實現(xiàn)機身結(jié)構(gòu)的自動夾持定位、測量和機器人自動定位,實現(xiàn)前機身、中機身及過渡段連接區(qū)的自動制孔、送釘并進行鉚接。
機身結(jié)構(gòu)自動化定位子系統(tǒng)即數(shù)字化定位工裝,主要包括工裝主體、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和保型機構(gòu),可以完成產(chǎn)品的定位、夾持、保型和旋轉(zhuǎn)。其功能主要是在機身結(jié)構(gòu)預連接完成后,拖車驅(qū)動機身進入旋轉(zhuǎn)機構(gòu),調(diào)整位置;然后旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、保型機構(gòu)入位,保持機身外形;旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動機身進行旋轉(zhuǎn),將機身旋轉(zhuǎn)至工作位置,如圖2所示。
圖1 直升機機身總裝自動鉆鉚系統(tǒng)Fig.1 Automatic drill-riveting system of the helicopter fuselage assembly
圖2 機身結(jié)構(gòu)自動化定位子系統(tǒng)Fig.2 Automatic positioning subsystem of fuselage structure
工裝主體包括4個立柱底座和1套環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形結(jié)構(gòu)采用分體式設計,分為上下兩個圓弧部分,上部圓弧固定在工裝主體上,下部圓弧固定在小車上。在機身進入上部圓弧后,下部圓弧在小車的驅(qū)動下與上部圓弧完成對接,從而完成環(huán)形結(jié)構(gòu)的對接。 圓弧導軌、圓弧齒條各分為兩組,安裝在環(huán)形結(jié)構(gòu)的上部圓弧和下部圓弧處,與環(huán)形結(jié)構(gòu)同步對接。環(huán)形結(jié)構(gòu)通過滑座(位于機身前后兩組,每組4個)與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)連接。
旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括主體部分和驅(qū)動部分。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是通過電機配減速機驅(qū)動齒輪和圓弧齒條相互嚙合,驅(qū)動旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和機身同步在圓弧導軌上做軌跡運動,滿足機身旋轉(zhuǎn)至工作位置。
保型機構(gòu)主要分布在機身前后兩組,每組3個。保型機構(gòu)與機身之間采用球關(guān)節(jié)和鉸鏈結(jié)構(gòu)的方式連接,減少應力集中,防止機身發(fā)生大的變形。
機器人自動鉆孔子系統(tǒng)由機器人、第七軸、末端執(zhí)行器、執(zhí)行單元、送料機構(gòu)、真空吸塵等組成。機器人用于驅(qū)動末端執(zhí)行器進行鉆鉚接工作。第七軸由底座、導軌滑塊、齒輪齒條、滑臺、伺服驅(qū)動等組成,通過伺服電機驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu),帶動滑臺運動,從而驅(qū)動機器人沿航向運動。末端執(zhí)行器搭載各加工單元、配置壓腳,安裝法相測量機構(gòu),可實現(xiàn)法向反饋、照相測量、壓緊、鉆孔、鉚接等功能。
直升機是高科技復雜產(chǎn)品,它的研制生產(chǎn)涉及到企業(yè)各個方面,需要多專業(yè)、多學科的技術(shù)支持,所以直升機裝配過程中對工藝的要求非常高。根據(jù)各項裝配技術(shù)的特點和直升機的機身結(jié)構(gòu),本系統(tǒng)的工藝過程為:
(1)系統(tǒng)初始化,測量基準點,建立坐標系。
(2)機身結(jié)構(gòu)預連接完成,拖車驅(qū)動機身結(jié)構(gòu)進入工裝主體,調(diào)整位置。
(3)數(shù)字化定位工裝保型機構(gòu)入位,保持機身外形,旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動機身在圓弧導軌上做軌跡運動,旋轉(zhuǎn)至工作位置。
(4)第7軸驅(qū)動機器人系統(tǒng)進入工作位置,末端執(zhí)行器上的照相單元,采集工藝基準孔信息,控制系統(tǒng)進行計算,擬合加工坐標系。
(5)機器人自動鉆孔子系統(tǒng)開始進行制孔、送釘以及鉚接安裝工作,并循環(huán)此部分工作,直至將該側(cè)該區(qū)域的工作完成,第7軸驅(qū)動機器人進入該側(cè)下一區(qū)域工作。
同時注意到在模型3的控制變量中,研究生畢業(yè)學校等級對研究生的學術(shù)水平有顯著的正向影響,這表明從統(tǒng)計學意義上來講,國家重點院校對研究生學術(shù)水平的影響要顯著高于其他一般普通院校,這與我們的經(jīng)驗也是比較吻合的。但是當模型中引入研究生學術(shù)感知力變量時,控制變量對研究生學術(shù)水平的影響并不顯著。
(6)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動機身結(jié)構(gòu)進行旋轉(zhuǎn),將工作區(qū)域旋轉(zhuǎn)至下一側(cè)。
(7)進行(4)~(6)工序的循環(huán),完成所有制孔及鉚接,機身下架,進行后續(xù)工作。
直升機機身總裝自動鉆鉚系統(tǒng)是集機械、電氣、軟件于一體的復雜多功能系統(tǒng),涉及多專業(yè)、多學科。因此,直升機機身總裝自動鉆鉚系統(tǒng)得以應用和發(fā)展需解決以下關(guān)鍵技術(shù)。
直升機因為外形復雜,內(nèi)部空間緊湊,所以設計一套數(shù)字化定位工裝就顯得非常關(guān)鍵。本文根據(jù)直升機制造過程、機身特點和工藝要求設計的數(shù)字化定位工裝,克服了機身外形復雜、不容易定位的問題,可滿足機身工況要求,實現(xiàn)工裝的數(shù)字化和柔性化[6]。
數(shù)字化定位工裝中的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可以保證機身旋轉(zhuǎn)至所需要的姿態(tài)和角度。為達到機身要做圓周運動的要求,本系統(tǒng)采用力的作用點靠近輸出扭矩(輸出軸)的方式(即齒輪配合圓弧齒條),齒輪安裝在減速電機的輸出軸,齒輪驅(qū)動圓弧齒條。相對于運動軌跡的直徑,齒輪的直徑大為縮小,這樣就大大降低了對輸出扭矩的要求。同時也解決了由于機身位于數(shù)字化定位工裝的中心,在中心位置設計電機驅(qū)動空間局限性的問題。
保型機構(gòu)既可保證機身的定位,又可保證機身和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在圓弧導軌上始終同步旋轉(zhuǎn),同時防止對產(chǎn)品劃傷,減少應力集中,實現(xiàn)機身結(jié)構(gòu)的柔性夾持。
本系統(tǒng)采用機身與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在圓弧導軌上同步旋轉(zhuǎn),所以圓弧導軌的設計選型就尤為重要。
圓弧導軌固定在工裝主體上,在圓弧導軌上安裝滑座,機身前后兩組,每組4個,如圖2所示。滑座和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)連接,滑座沿圓弧導軌做軌跡運動,帶動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和機身轉(zhuǎn)動?;?個滾輪在弧形導軌兩側(cè)的精密V型面上滾動,每側(cè)的兩個滾輪中心的運動軌跡是同一條弧線,和圓弧導軌是同一個圓心,兩側(cè)的兩條弧形運動軌跡是同圓心,如圖3所示。
圖3 圓弧導軌和滾輪的原理圖Fig.3 Principle diagram of arc guide rail and wheel
本系統(tǒng)直升機機身沿圓弧導軌做軌跡運動,所以對于旋轉(zhuǎn)精度要求很高。為了提高齒輪和圓弧齒條的傳動精度就要設計齒輪消隙機構(gòu),本系統(tǒng)采用雙齒輪消除間隙:兩個齒輪合并到一起安裝,并且兩個齒輪之間裝有可以周向相對扭轉(zhuǎn)錯位的裝置。雙齒輪與圓弧齒輪同時嚙合,嚙合時雙齒輪中的一個輪齒與相鄰輪齒的受力面嚙合,而雙齒輪的另外一個齒輪與相鄰輪齒的背面嚙合[7]。
末端執(zhí)行器是機器人自動鉆孔子系統(tǒng)的核心部分。其機構(gòu)形式直接影響整個系統(tǒng)的功能和作用。伴隨著現(xiàn)代飛機裝配對設備多功能需求日益強烈,末端執(zhí)行器應在現(xiàn)有制孔的基礎上開發(fā)面向送釘、涂膠、鉚接等新型功能[8-9]。
本系統(tǒng)設計的末端執(zhí)行器具有輕量化、多功能化的特點。末端執(zhí)行器集成的執(zhí)行單元有:制孔單元、壓腳單元、插釘鉚接單元和照相單元(見圖4)。末端執(zhí)行器可實現(xiàn)自動完成特征定位、法向找正、壓緊、鉆孔、锪窩、潤滑、冷卻和排屑等主要功能[10]。
圖4 末端執(zhí)行器Fig.4 End-effector
制孔單元的轉(zhuǎn)速1500~15000r/min(扭矩2.6N·m),可實現(xiàn)鉆孔和锪窩,主軸進給采用擋塊控制以保持較好的重復定位精度。
壓腳單元由雙氣缸推動壓腳座壓緊零件表面,壓腳座上安裝4個激光測距儀用來測量加工表面的法向。每個測距儀發(fā)射的激光接觸到對面物體表面(如飛機壁板蒙皮表面)后反射回來,被傳感器接收,可以計算出其與對面物體表面間的直線距離。將4個測距儀準確安裝后,計算出加工表面的法向。
插釘鉚接單元主要是由從自動送釘系統(tǒng)通過吹釘管選擇器被送到鉆鉚工作頭的送釘器,然后再完成鉚釘?shù)你T接工藝。
照相單元主要在末端執(zhí)行器的外殼上裝配康耐視攝像頭,當移動到照相定位工位時,對產(chǎn)品上的已知目標,根據(jù)實際零件的幾何形狀調(diào)整機器人的理論軌跡。通過二維的相機和一維的激光測距儀組合,達到三維測量。
直升機機身總裝自動鉆鉚系統(tǒng)符合現(xiàn)在直升機裝配制造的要求,具有柔性化、數(shù)字化和模塊化的特點。隨著相關(guān)技術(shù)的應用和推廣,可以促進我國直升機裝配技術(shù)向著高質(zhì)量、高效率的方向發(fā)展,縮小我國直升機行業(yè)的研制能力與國際先進水平的差距,提高國際競爭力,為我國直升機的研制開發(fā)提供技術(shù)保障。
參 考 文 獻
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