韓志仁，姜 升

(沈陽航空航天大學 航空宇航學院，沈陽 110136)

大飛機的發(fā)展是我國的重要戰(zhàn)略舉措之一，在軍事、政治、經(jīng)濟領域都起到了舉足輕重的作用[1]。我國是在智能化、數(shù)字化大力推進和發(fā)展的背景下開始發(fā)展大飛機，基本摒棄了傳統(tǒng)的設計制造模式，采用數(shù)字化設計制造模式研制大飛機。目前，智能化、數(shù)字化技術在大飛機上應用尚處于不斷解決問題、不斷提高水平的階段，有很多關鍵技術需要突破提高，其中大飛機機身、機翼、壁板等在裝配過程中，蒙皮的裝配、連接(指基于裝配完成的骨架進行蒙皮的裝配，或骨架蒙皮同時進行裝配，實現(xiàn)機身、機翼、壁板等部件裝配，以下簡稱大飛機蒙皮裝配或大飛機蒙皮裝配、連接)是一項關鍵技術。大飛機蒙皮裝配主要包括壁板蒙皮裝配、機身蒙皮裝配和機翼蒙皮裝配等。從裝配工藝設計到自動制孔連接形成完整的蒙皮裝配鏈，包括制孔和連接工藝設計、制孔和連接程序編制、裝配工裝設計與制造、制孔和連接過程仿真、制孔和連接實施等幾個階段。目前國內外在各個階段已經(jīng)進行了一些研究，劉順濤、韓志仁等研究了自動制孔工藝設計[2]；劉平、韓志仁等研究了自動鉆鉚夾持點布局優(yōu)化方法[3-4]；王會周等研究了制孔與鉚接工藝方案[5]；董輝躍等研究了自動制孔離線編程技術[6-8]；凌波等研究了自動制孔仿真技術[9]；這些技術的研究與發(fā)展促進了蒙皮裝配智能化、數(shù)字化的發(fā)展，他們均屬于整個制造體系的一部分。

目前采用自動設備進行蒙皮的裝配、連接還處于發(fā)展階段，逐漸形成完整的優(yōu)化的體系。根據(jù)研究整理了蒙皮自動裝配、連接的基本流程如圖1所示。該基本流程中關鍵節(jié)點包括“自動制孔、連接工藝設計”、“自動制孔、連接編程”、“工裝設計”以及“自動制孔、連接過程仿真”。本文主要將對以上內容進行討論，其中“自動制孔、連接過程仿真”與“自動制孔、連接編程”關系緊密，將二者并入同一部分進行討論。

圖1 基于蒙皮的部件自動化裝配、連接基本流程

1 自動制孔和連接工藝設計

針對機身、機翼、壁板等部件的裝配過程中，蒙皮裝配的自動制孔和連接工藝進行設計。首先指定在一次自動制孔和連接任務中需要裝配的蒙皮，根據(jù)該蒙皮進行工藝設計(這里工藝設計包括兩個部分：一部分是規(guī)劃設計和信息獲取與梳理，也就是本節(jié)討論的問題；第二部分是具體的制孔加工和連接(如鉚接)的工藝參數(shù)、路徑等，將在自動制孔與編程的部分討論)。設計內容包括自動獲取制孔需要的信息，從而確定定位基準、夾緊方式、制孔位置、自動制孔的對象等。該部分工藝信息的載體是部件的數(shù)模，自動制孔工藝設計結果直接添加到裝配數(shù)模中，作為數(shù)模的一部分表達工藝信息，并且這些信息在結構樹上處于工藝區(qū)，與設計提供的模型存在鮮明的界限。制孔和連接工藝設計包括基準孔設計、夾緊孔設計、自動制孔設計三大類，這三類孔的制孔信息類型相同，均包括點位和法矢、連接件材料順序、夾層厚度、夾層厚度順序、硬化狀態(tài)、標準件信息等[1]。制孔和連接工藝設計作為獨立工作部分，可以用二次開發(fā)出來的專用軟件進行設計，從而保證制孔和連接工藝設計結果的規(guī)范性、正確性、適用性，可以與各種自動制孔和連接設備采用標準接口進行對接，圖2所示為制孔和連接工藝設計結果。

圖2 規(guī)范化的制孔與連接工藝設計結果

隨著數(shù)字化制造和智能制造技術的發(fā)展，自動制孔和連接設備在航空企業(yè)已經(jīng)逐漸應用，雖然經(jīng)歷了5年以上的應用研究，但相關技術還沒有完全成熟。目前航空企業(yè)主要將制孔和連接工藝設計與程序編制作為一個整體，也就是設計工藝與編程同時進行，在處理各種自動制孔設備的時候，更多考慮編程問題而忽略了工藝設計，容易造成人為遺漏和信息獲取不充分、問題責任人混亂等問題。這種工藝設計與數(shù)控編程混合在一起的工作模式必將被工藝設計和數(shù)控編程獨立工作模式取代。

2 自動制孔和連接技術

制孔和連接程序的編制涉及制孔設備類型、裝配件定位、裝配件開敞性、編程路徑規(guī)劃、二次定位、位置誤差補償方法等問題。它包括自動制孔編程和自動連接編程兩部分，依據(jù)工藝設計給出的制孔工藝信息、連接信息與具體制孔的相關加工參數(shù)等在自動制孔編程時進行確定,自動連接編程的考慮主要針對螺栓連接和鉚接兩大類。

2.1 自動制孔和鉚接設備

由于自動鉆鉚設備具有能夠進行制孔操作和鉚接質量穩(wěn)定的優(yōu)點，20世紀60年代就已經(jīng)開始使用，早期投入使用的自動鉆鉚機一般通過手動托架或自動托架對裝配部件進行定位[10-14]。在數(shù)字化制造和智能化制造的背景下，自動鉆鉚設備發(fā)展迅速，主要包括三類。

第一類是在傳統(tǒng)自動鉆鉚機的基礎上結合先進的數(shù)控技術發(fā)展而來的多自由度自動鉆鉚機[10-14]，主要包括自動鉆鉚系統(tǒng)和托架系統(tǒng)。根據(jù)結構形式和尺寸的不同，適合于不同機型的機翼、機身等部件上的壁板裝配，對裝配的部件開敞性要求高，如圖3所示，特制的自動鉆鉚機也可以用于部件的鉆鉚，如圖4所示。

圖3 用于壁板的自動鉆鉚機

第二類是基于機器人的自動鉆鉚設備[15]，包括大載荷的機器人與自動鉆鉚末端執(zhí)行器構成最小機器人自動鉆鉚單元，根據(jù)需要可以在橫向和縱向進行擴展，通過擴展擴大自動鉆鉚的工作范圍，滿足大部件的自動鉆鉚需求。圖5為橫向擴展機器人鉆鉚系統(tǒng)，圖6為數(shù)控平臺擴展的機器人鉆鉚系統(tǒng)。每個最小機器人自動鉆鉚單元一般和另一輔助的機器人單元配合使用實現(xiàn)自動鉆鉚，對于單純的自動制孔或單面鉚機，最小機器人的自動鉆鉚單元可以獨立工作?；跈C器人的自動鉆鉚設備相比傳統(tǒng)結構的自動鉆鉚機，具有對部件的開敞性要求低、可擴展性強、可控自由度多、智能化程度高等優(yōu)點。對于大飛機機翼壁板等超長部件，可以通過幾臺機器人鉆鉚機組成鉆鉚系統(tǒng)(如圖5所示)；對于長和寬均大尺寸的部件，數(shù)控平臺和工業(yè)機器人共同組成一個鉆鉚系統(tǒng)(如圖6所示)?；跈C器人的自動鉆鉚設備不僅適用于機身和機翼壁板的自動鉆鉚，還適用于機身封閉結構，通過機身內的機器人和機身外的機器人配合使用完成自動鉆鉚工作(如圖7所示)，是該系統(tǒng)獨特的優(yōu)勢之一。

圖4 專用自動鉆鉚機

圖5 橫向擴展機器人鉆鉚系統(tǒng)圖

圖6 數(shù)控平臺擴展的機器人鉆鉚系統(tǒng)

第三類是輕便的爬行機器人自動鉆鉚設備，用于在部件裝配后期的局部鉆鉚工作，如圖8所示。

圖7 機器人鉆鉚系統(tǒng)用于機身裝配

圖8 爬行機器人自動鉆鉚系統(tǒng)

2.2 裝配件定位問題

自動鉆鉚過程與飛機坐標系、工裝坐標系、機器人坐標系等有關。部件的描述是依據(jù)飛機的全局坐標系，工裝設計根據(jù)需要設立工裝局部坐標系，而工作機器人有自己的坐標系，這些坐標系需要進行整合，需要通過基準將所有坐標系擬合在一起。蒙皮通過基準確定與工裝和蒙皮支撐骨架的關系，骨架通過基準建立與工裝的關系，工裝通過基準建立與機器人的關系，在這些轉換過程中必然存在誤差，需要對這些誤差進行補償，減小裝配誤差。制孔位置誤差包括機器人定位的絕對誤差、機器人坐標系與飛機坐標系的關系標定誤差(基準加工誤差和擬合誤差造成的標定誤差)、坐標轉換誤差等。另外，還有蒙皮定位基準加工誤差、工裝與骨架定位基準加工誤差以及導致的蒙皮和骨架與工裝之間的相對位置誤差，裝配過程中的零件變形造成的誤差等，這些誤差都會造成蒙皮和骨架偏離理論位置[16-20]。

蒙皮和骨架與理論位置存在誤差，自動鉆鉚設備的絕對誤差、標定誤差和坐標轉換誤差造成的制孔定位與理論孔位的誤差[6]，這兩大類誤差造成制孔綜合誤差。一般采用的方法是按理論值進行離線編程，根據(jù)實際測得的邊界頂點偏移量對理論值進行線性插值補償[2]，這種方法會帶來繁瑣的工作，造成自動制孔準備時間加長，效率降低。在骨架和蒙皮滿足整體要求的前提下，應該更關心孔與被連接骨架的相對位置關系，在實際裝配過程中通過調整孔的坐標位置，保證孔與被連接骨架的位置關系，通過孔與被連接骨架合理的位置關系保證了孔相對于與被連接骨架的邊距符合規(guī)范，同時保證了孔的位置不會影響鉆鉚操作等。因此，建議采取以下措施。

(1)提高定位孔的位置和尺寸精度；

(2)減少自動鉆鉚過程中二次定位、工裝運動等帶來的位置誤差；

(3)通過照相測量等方法快速獲取自動鉆鉚骨架的位置與理論位置的誤差，實現(xiàn)快速補償，這個問題一直是國內沒有得到很好解決的問題，也是影響實際應用的關鍵問題。

2.3 加工路徑規(guī)劃與鉆鉚仿真

制孔和連接編程包括制孔和連接末端執(zhí)行器運動的路徑、制孔和連接工藝過程的實施等，末端執(zhí)行器運動的路徑和工藝實施過程直接影響到加工質量、加工效率以及加工的安全性[5,8-9,21]。目前研究最多的是根據(jù)使用的刀具進行分組(在孔位加工路徑規(guī)劃時應對孔位進行分組，類型相同并使用同種刀具的孔位應分在一組按順序加工，這樣可以減少換刀次數(shù)，保證加工效率),末端執(zhí)行器運動的路徑最短,安全避讓等因素，將這些因素作為約束元素進行加工路徑規(guī)劃[3-4]。對于加工安全性中避讓問題需要通過后續(xù)的仿真進行進一步的確認，工藝相關的安全性問題一般沒有充分考慮，比如在制孔過程中制孔順序對制孔中構件的剛性影響和制孔質量的影響。實際自動鉆鉚一般采用雙向夾緊的方法，這種情況容易保證制孔的基本剛度要求，由于空間限制等原因，有時在沒有支撐的情況下制孔，該情況下制孔順序會影響制孔時的剛度。

如圖9所示為無支撐制孔，為了保證制孔的基本剛度要求，預先在1、7位置進行了預先連接，在自動制孔過程中每制一個孔就會造成局部剛度下降，在這種情況下，對于圖9中的制孔問題，如果按2、3、4、5、6的順序進行制孔，4位置制孔時剛度低，采用4、3、5、6、2的順序，可以優(yōu)化制孔時的剛度。蒙皮在連接過程中存在變形，在鉚接過程中如果沿著一個方向順序鉚接，也可能造成蒙皮變形的積累，蒙皮沿一個方向變長等問題，影響裝配質量。因此，編程中加工路徑規(guī)劃是一個復雜問題，需要綜合考慮加工工藝、連接剛度、安全避讓、效率等問題[22-26]，路徑最短不是關鍵問題，具體如下。

(1)按制孔和連接工藝相同的原則進行分組；

(2)充分考慮連接結構的開放性，蒙皮裝配連接的骨架一側是避讓考慮的重點；

(3)考慮制孔和連接過程中的剛度和變形，制定制孔和連接順序相關的工藝方案；

(4)在充分考慮前面3個問題的基礎上優(yōu)化加工路徑，提高效率；

(5)雖然路徑規(guī)劃考慮了碰撞等安全性避讓問題，不能作為最后的安全保證依據(jù)，需要通過制孔和連接幾何仿真進行最后的安全確認；

(6)考慮分站式機器人分區(qū)優(yōu)化和協(xié)調問題。

圖9 制孔與連接示意圖

制孔和連接仿真技術主要解決加工過程中的干涉和碰撞問題，屬于運動仿真和幾何仿真范疇，它包括運動仿真與干涉檢測兩部分內容。通過加工過程仿真，操作人員可以直觀觀察整個鉆鉚加工過程，有利于對整個加工過程的把握，避免加工過程中出現(xiàn)干涉和碰撞現(xiàn)象[3,5]。制孔與連接仿真過程中涉及的物理對象不同，例如采用的自動鉆鉚設備不同、工裝結構不同、裝配部件不同等，一般基于Delmia或CATIA進行仿真，因此需要根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有自動鉆鉚設備的情況，建立自動鉆鉚設備的幾何模型，基于Delmia或CATIA開發(fā)專用的裝配仿真軟件。

3 裝配工裝的設計與制造

大飛機蒙皮制孔與連接的工裝設計與采用的制孔和連接設備有關，針對不同的設備在設計裝配工裝時需要特殊考慮?？傮w而言工裝設計所考慮的問題基本相同，包括被連接骨架、蒙皮的定位和夾緊方式，建立制孔連接設備的坐標系與工裝坐標系和飛機全局坐標系的基準等。

對于基于托架的自動鉆鉚機，工裝設計時需要考慮托架的結構和提供的連接接口、擺放位置和姿態(tài)等，通過基于托架的工裝將需要裝配的部件通過定位基準整合在一起，工裝以托架為框架設計定位卡板和定位基準，如圖10所示。制孔和連接時部件和工裝的整體剛度取決于托架的剛度。對于長度超出托架范圍的部件，需要二次定位。在制孔和連接過程中通過托架的運動調整部件的姿態(tài)，以便保證法線與制孔鉆頭軸線一致。這種方式中部件和托架不停的運動改變姿態(tài)，需要進行反復的坐標變化，會帶來計算誤差和累計誤差。另外，骨架在裝配過程中存在位置誤差，這種位置誤差可能較大，會造成邊距不足或干涉等問題，因此在實際的制孔過程中不能完全按理論位置進行工作，需要經(jīng)常進行修正，快速自動修正制孔位置是自動制孔和連接有效應用的關鍵。

圖10 基于托架的工裝

對于非基于托架的自動鉆鉚機，工裝一般為固定式，也就說工裝本身完全固定，不需要運動改變姿態(tài)。在制孔和連接過程中末端執(zhí)行器在機器人和數(shù)控平臺的帶動下，完成位置和姿態(tài)調整。這種方式中部件固定在工裝上，不需要運動，運動誤差主要來源于末端執(zhí)行器。工裝的形式分為兩種，即固定工裝和柔性工裝，柔性工裝更適合數(shù)字化制造，提高效率。工裝可以通過工裝定位基準與數(shù)控系統(tǒng)整合在一起，而部件通過定位基準將工裝和部件整合在一起。該方式一般不存在部件二次定位問題，但為了提高精度，數(shù)控系統(tǒng)可以根據(jù)設立的高精度基準進行多次校準。骨架位置也是一個關鍵問題，需要解決快速自動修正制孔位置。

現(xiàn)階段飛機工裝的數(shù)字化設計與制造一般分為模具、裝配工裝、焊接夾具三部分。在數(shù)字化設計與制造裝配型架工裝的時候，應該特別注意裝配工裝零件材料的選擇，應選擇膨脹系數(shù)相近的。支撐件選用大型鑄鐵制作，具有較高的剛性和減震功能。對于大型的裝配型架工裝，應該考慮設計與制造的模塊化、標準化，可以節(jié)省大量時間，在此基礎上還可以建立品種齊全的標準件和成品件庫。工裝的設計與制造要實現(xiàn)一體化，既要進行組織體系上的人員分工，也要處理好設計與制造單位的溝通協(xié)調。

4 結論

我國在智能化、數(shù)字化發(fā)展的背景下，大飛機的研制直接上了快車道，各種新技術得到應用，總體發(fā)展良好。但是由于我們的發(fā)展跨越了一些發(fā)展過程，在技術積累和技術內涵方面與國外還存在差距，因此我國在大飛機技術發(fā)展過程中更應注重技術體系的研究和完善，從大局把控具體的技術發(fā)展方向。本文分析和研究了基于蒙皮的機身、機翼、壁板等部件自動制孔、連接的相關技術和體系，提出了整體方案，希望對該方面的技術發(fā)展有所幫助。