曲面自動(dòng)化制孔技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

何鳳濤， 陳雪梅， 熊衍龍， 張德遠(yuǎn)， 劉艷強(qiáng)， 李 軍， 馬 廣

(1.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 成都 610031； 2.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100191)

隨著科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展，航空工業(yè)技術(shù)水平進(jìn)步顯著，對(duì)飛機(jī)整體的可靠性和耐久性提出了更高的要求。在各類飛行器故障中，在部件疲勞失效中約70%左右的疲勞裂紋來(lái)自緊固件孔，統(tǒng)計(jì)學(xué)研究表明出現(xiàn)在孔邊緣破壞的故障超出了整架飛機(jī)疲勞破壞的90%[1]。由此可以看出，緊固孔的加工精度很大程度地影響了飛機(jī)的可靠性以及安全性[2]。如何在制造過(guò)程中提高緊固孔的質(zhì)量、改善構(gòu)件的抗疲勞性能、延長(zhǎng)飛機(jī)壽命、提高飛機(jī)的質(zhì)量是飛機(jī)制造廠商關(guān)注的重要課題[3-5]。

目前，制造廠商都在尋求采購(gòu)自動(dòng)化鉆削機(jī)床進(jìn)行精密制孔，滿足對(duì)飛機(jī)的高性能要求[6-8]。這一方面，國(guó)外經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的研究，自動(dòng)化制孔技術(shù)較于中國(guó)更為成熟，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用在飛機(jī)制造和裝配中，成為航空工業(yè)中的主流技術(shù)[9-12]。

隨著機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、伺服控制以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，針對(duì)飛機(jī)生產(chǎn)不同的需求以及應(yīng)用范圍，各國(guó)的研究院所和飛行器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)制造了相應(yīng)的自動(dòng)化機(jī)床。現(xiàn)介紹常見(jiàn)的自動(dòng)化制孔設(shè)備的研究現(xiàn)狀，并預(yù)測(cè)未來(lái)可能的研究方向。

1 蒙皮制孔技術(shù)特點(diǎn)

飛機(jī)蒙皮是指包圍在飛機(jī)骨架結(jié)構(gòu)外且用黏接劑或鉚釘固定于骨架上，形成飛機(jī)氣動(dòng)外形的維形構(gòu)件[13]。蒙皮與機(jī)身骨架形成蒙皮結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的重量輕，卻有很好的剛度和承載力，可以承受并且傳遞大的氣動(dòng)載荷[14]。常見(jiàn)的飛機(jī)使用的蒙皮材料主要是高性能鋁合金材料，某些軍用特殊性能飛機(jī)采用了鈦合金材料與復(fù)合材料。

蒙皮是一種具有自由曲面形狀的結(jié)構(gòu)板材，也是構(gòu)成飛行器外形的主要零件。蒙皮形狀復(fù)雜且容易變形，其加工質(zhì)量對(duì)飛機(jī)的安全性有很大影響[15]。飛機(jī)飛行中蒙皮與氣流直接接觸，所以對(duì)其表面質(zhì)量有很高的要求。一般蒙皮結(jié)構(gòu)的尺寸較大，相對(duì)厚度較小，造成其剛度較差，加工時(shí)需要保證形狀準(zhǔn)確，減小變形。隨著現(xiàn)在飛機(jī)的提速和增重，蒙皮的尺寸與厚度增加，外形的精確度要求也更高[16]。

飛機(jī)蒙皮按外形特點(diǎn)可以分成單曲度蒙皮、雙曲度蒙皮和復(fù)雜形狀蒙皮3種類型。單曲度蒙皮的形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，僅單一方向上存在曲度，多用于飛機(jī)機(jī)身剖面段和機(jī)翼上。雙曲度蒙皮指的是兩個(gè)方向上存在曲度的蒙皮，用在機(jī)身上的大多零件以及進(jìn)氣道上。復(fù)雜形狀蒙皮是指那些形狀極不規(guī)則的蒙皮，包括翼尖、機(jī)頭罩等部位使用的蒙皮。

由于蒙皮結(jié)構(gòu)的特殊性，增加了其加工和裝配難度。在傳統(tǒng)的人工制孔中，制孔水平受工人水平影響較大，加工出的孔質(zhì)量參差不齊，無(wú)法準(zhǔn)確保證裝配時(shí)的精度要求。需求使用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)制孔與裝配可以保證蒙皮結(jié)構(gòu)上孔的質(zhì)量，確保裝配時(shí)的精度要求是非常關(guān)鍵的。這對(duì)于提高最終產(chǎn)品的整體穩(wěn)定性以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能與可靠性都十分重要[17]。

2 大型專用機(jī)床制孔

在航空蒙皮曲面自動(dòng)化制孔技術(shù)中，對(duì)于一些裝配制造中大孔的加工，需要設(shè)計(jì)一些專門的大型自動(dòng)化制孔設(shè)備以保證高標(biāo)準(zhǔn)的加工要求。美國(guó)波音公司的B-747、C-17等型號(hào)客機(jī)的機(jī)艙地板都使用了自動(dòng)化制孔設(shè)備與工藝，相比之前人工鉆孔不僅大大縮短工藝流程時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，而且提高了制孔的精度和質(zhì)量[18]。德國(guó)寶捷公司研發(fā)的鉆鉚機(jī)與多壁板裝配機(jī)床如圖1所示[19]。

北京航空制造工程研究所開(kāi)發(fā)了一款飛機(jī)翼面類部件柔性裝配五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備，該設(shè)備由五坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和末端自動(dòng)制孔設(shè)備構(gòu)成，可以滿足雙曲度飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)需求[20]。這是中國(guó)首臺(tái)飛機(jī)翼面類部件柔性生產(chǎn)裝備，其末端自動(dòng)鉆削工具的研制為中國(guó)其他院所及團(tuán)隊(duì)的研究提供了經(jīng)驗(yàn)[21]。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，此設(shè)備可以減少平尾制孔生產(chǎn)周期近一半時(shí)間。

從外形來(lái)看，大型落地式鉆削機(jī)床體積大，重量大、設(shè)備需要占用很大空間；從成本來(lái)看，落地式龍門機(jī)床大多造價(jià)高，且為專用機(jī)床，生產(chǎn)成本高；從應(yīng)用效果來(lái)看，大型機(jī)床的使用較為笨重，受限于機(jī)床體積，只能用于飛機(jī)開(kāi)闊外表面的制孔，對(duì)于飛機(jī)表面上的復(fù)雜曲面對(duì)機(jī)床的定位精度要求以及工裝的安裝精度都極高。此外，大型機(jī)床不適用于飛機(jī)上一些狹小空間的制孔需求，機(jī)床笨重的體積難以進(jìn)入那些狹小空間，如軍用飛機(jī)的進(jìn)氣道。

3 機(jī)械臂機(jī)器人制孔

機(jī)械臂式制孔設(shè)備通常包括機(jī)械適配導(dǎo)軌、機(jī)械臂以及末端鉆削設(shè)備等部分，可以用在航空鋁、復(fù)合材料以及鈦合金等蒙皮結(jié)構(gòu)的制造裝配。

美國(guó)EI公司與波音公司合作利用KUKA KR305/2串聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)和伺服控制多功能末端執(zhí)行器(MFEE)組合，研制了一套機(jī)械臂自動(dòng)鉆削系統(tǒng)(ONCE)，該系統(tǒng)用在了波音F/A-18E/F型號(hào)客機(jī)的機(jī)翼后緣的制孔加工、孔質(zhì)量檢測(cè)上[22-23]。瑞典Novator公司采用Orbital鉆頭和KUKA機(jī)器人研制出了一種多功能鉆削系統(tǒng)Orbital E-D100，用于在鈦合金與復(fù)合材料等部件的精密鉆削制孔[24-25]。波音公司澳大利亞分公司使用KUKA KR360-2機(jī)械平臺(tái)與單側(cè)制孔-修剪末端執(zhí)行器結(jié)合，研制了一種機(jī)械臂制孔系統(tǒng)(737 aileron robot cell)[26-27]。德國(guó)寶捷公司利用一種工業(yè)機(jī)械臂組合新型自動(dòng)鉆削工具，設(shè)計(jì)制造了一款新型生產(chǎn)設(shè)備，這種裝備了多功能制孔工具且高精定位的制孔系統(tǒng)，可以用在飛機(jī)艙門結(jié)構(gòu)的制孔加工和鉚釘安裝，如圖2(a)所示[28-29]。意大利BC公司已經(jīng)成功地為 Airbus、Boeing、EADS等知名廠家研制了多套龍門式機(jī)械臂自動(dòng)化鉆鉚機(jī)床，并參與了Airbus A380和A340型客機(jī)以及Boeing B787新型客機(jī)、歐洲戰(zhàn)機(jī)機(jī)身等核心部分的制造[30-31]。美國(guó)波音公司和EOA公司合作設(shè)計(jì)了一種用于對(duì)鈦合金、航空鋁、復(fù)合材料及其疊層等蒙皮機(jī)構(gòu)加工的多功能機(jī)械臂鉆削設(shè)備，能夠進(jìn)行各種制孔加工工作，如圖2(b)所示[32-33]。洛克希德·馬丁公司研發(fā)的制孔設(shè)備主要用在了大型落地式龍門鉆孔機(jī)床(JGADS)中，主要對(duì)F-35型號(hào)戰(zhàn)機(jī)的碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料制作的機(jī)翼上壁板進(jìn)行制孔加工[34-35]。

圖2 工業(yè)機(jī)械臂式機(jī)器人制孔設(shè)備Fig.2 Industrial machinery arm type robot drilling equipment

落地式龍門機(jī)床機(jī)械臂機(jī)器人在體積、重量上有大幅減小，因而可以適應(yīng)飛機(jī)上的一些內(nèi)表面的加工操作，如軍用飛機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的制孔加工。但是機(jī)械臂多關(guān)節(jié)伸展的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致機(jī)器人本身的剛性差，對(duì)于新型復(fù)合材料/航空鋁組合的疊層材料或者鈦合金材料很難保證很高的加工精度與可靠性；從控制角度來(lái)看，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)靈活程度高，自由度大，需要對(duì)加工過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行緊密監(jiān)控，防止機(jī)械臂撞傷加工部件，安全性較差，這也是機(jī)械臂機(jī)器人難以在飛機(jī)制孔中廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。

4 柔性軌道的自動(dòng)化設(shè)備制孔

在飛機(jī)制造工業(yè)中，隨著飛機(jī)制造的周期縮短，自動(dòng)化制孔設(shè)備呈現(xiàn)小型、輕便精密制孔的趨勢(shì)。此外，由于當(dāng)下大型飛機(jī)上復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的采用，裝配孔精度比以往要求更精密。這些都使制孔空設(shè)備向柔性及鉆鉚裝配一體化的趨勢(shì)發(fā)展[36-37]。

作為一種小型輕便的自動(dòng)化加工裝備，基于柔性導(dǎo)軌的自動(dòng)化制孔裝備的最突出的特點(diǎn)就是自帶吸附機(jī)構(gòu)可以附著在待加工工件上，利用柔性導(dǎo)軌適配部件的自由曲面，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在附著狀態(tài)下制孔加工[38-40]。通常飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼有較多緩曲面，裝備的導(dǎo)軌可以吸附在這些表面上供機(jī)器人在軌上行走制孔。這種加工狀態(tài)降低了工藝對(duì)導(dǎo)軌部件的精度要求，并可節(jié)省工裝的裝配時(shí)間，調(diào)高加工效率。目前此方案已經(jīng)用在了飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼的自動(dòng)化加工工藝中，相較于常規(guī)的多軸機(jī)床制孔，優(yōu)點(diǎn)是成本低、效率高、操作便捷[41]。

目前應(yīng)用柔性導(dǎo)軌技術(shù)比較成熟的廠商有美國(guó)Electroimpact 公司(EI)和美國(guó)Advanced Integration Technology 公司(AIT)。EI公司和Boeing公司合作開(kāi)發(fā)了一款基于柔性導(dǎo)軌的機(jī)器人制孔設(shè)備(Flex Track)，用在了波音飛機(jī)機(jī)身筒段的自動(dòng)制孔[42]。AIT公司設(shè)計(jì)的一款基于柔性導(dǎo)軌的爬壁制孔機(jī)器人[43]已經(jīng)在F/A-22 Wing major、F-15 Rear fuselage等生產(chǎn)實(shí)踐中得到了應(yīng)用，如圖3所示。

圖3 EI柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)Fig.3 EI hole making system of flexible guide rail

2009年北京航空制造工程研究所設(shè)計(jì)了BAA300柔性軌道制孔機(jī)器人[44-45]，如圖4(a)所示。經(jīng)工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此制孔系統(tǒng)的定位精度可靠，所制孔質(zhì)量達(dá)標(biāo)，達(dá)到了實(shí)用級(jí)別。

陶永等[46]、李軍等[47]設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種基于柔性軌道的爬壁機(jī)器人制孔平臺(tái)，如圖4(b)所示。此航空制孔機(jī)器人系統(tǒng)在進(jìn)行的系列工藝實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)良好，設(shè)計(jì)者提出了自動(dòng)鉆鉚與當(dāng)前機(jī)器人智能控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)合點(diǎn)，提升了飛機(jī)制造裝配過(guò)程中的自動(dòng)制孔的一致性及表面粗糙度與法線垂直度等加工指標(biāo)，但仍處于試驗(yàn)階段，并未在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)主要適用的加工對(duì)象是大型民用飛機(jī)機(jī)身對(duì)接段與機(jī)翼平整段的復(fù)鋁疊層小孔， 其加工質(zhì)量與精度都能達(dá)到生產(chǎn)的要求。但是現(xiàn)在研制的導(dǎo)軌式爬壁機(jī)器人系統(tǒng)的制孔單元體積較大，所以對(duì)于空間有一定的要求；柔性導(dǎo)軌未成網(wǎng)絡(luò)，需要人工進(jìn)行機(jī)器人的換位；加工前在飛機(jī)表面鋪設(shè)導(dǎo)軌，工序比較煩瑣。

5 自主移動(dòng)式機(jī)器人系統(tǒng)制孔

自主移動(dòng)式制孔裝備是在柔型導(dǎo)軌式制孔裝備之后最新發(fā)展起來(lái)的一種的小型自動(dòng)化設(shè)備[48-51]。自主移動(dòng)式機(jī)器人與柔性軌道機(jī)器人同屬于小型自動(dòng)化加工設(shè)備，兩者都自帶吸附機(jī)構(gòu)，可以將自身附著在部件表面進(jìn)行行走和加工操作，這也是它們與傳統(tǒng)大型落地式數(shù)控機(jī)床最主要的區(qū)別。但兩者又有一定的不同，自主移動(dòng)式制孔設(shè)備還具有特別的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需導(dǎo)軌，可直接吸附在部件表面并行走，設(shè)備安裝更加簡(jiǎn)單，節(jié)省了設(shè)備使用時(shí)的準(zhǔn)備時(shí)間；無(wú)需鋪設(shè)軌道，設(shè)備的使用靈活性更高，適應(yīng)的工況更加廣泛，更加符合自動(dòng)化設(shè)備輕型化、柔性化、模塊化的發(fā)展前景。

自主移動(dòng)式爬壁機(jī)器人的吸附方式主要有爪式吸附、真空吸附和磁吸附3種[52-54]；行走方式包括輪式、履帶式、足式和組合式[55-58]。靈活組合不同的吸附和行走形式，各國(guó)學(xué)者研制出了適用于不同工況下的爬壁機(jī)器人。

M.Torres公司研制的自主移動(dòng)式制孔裝備，包括了行走機(jī)構(gòu)、制孔執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制硬件部分和軟件系統(tǒng)，具有模塊化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，方便定制化系統(tǒng)，它無(wú)需在飛機(jī)上加裝任何附加導(dǎo)向系統(tǒng)[59-60]。該機(jī)器人包含2臺(tái)相機(jī)組成的圖像采集系統(tǒng)，激光傳感儀器以及M.Torres控制軟件以保證輕型制孔機(jī)器人在飛機(jī)上的行走和定位，具有識(shí)別和攀爬30 mm臺(tái)階的能力。能對(duì)航空鋁合金、鈦合金以及碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行鉆孔加工。對(duì)于10 mm厚度的鋁合金板，鉆孔效率為6～8孔/min。該機(jī)器人具有經(jīng)過(guò)測(cè)試的H10精度的鉆孔能力，最大鉆孔直徑為 6.25 mm。主軸的轉(zhuǎn)速?gòu)?03r/min到104r/min不等，同時(shí)集成了微型潤(rùn)滑裝置，可以對(duì)鉆頭進(jìn)行氣體內(nèi)部冷卻。目前該機(jī)型的質(zhì)量為55 kg, 還處于研制階段，正在生產(chǎn)原型機(jī)。該輕型制孔機(jī)器人尚未應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)，可靠性、制孔效率、制孔精度等技術(shù)指標(biāo)尚未成熟。

自主移動(dòng)爬壁系統(tǒng)作為一種新的小型自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)備簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，對(duì)于飛機(jī)上狹小空間、復(fù)雜曲面的工況的適應(yīng)能力更好，是未來(lái)航空制造業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的主要方向[61]。

6 結(jié)論與展望

目前，飛機(jī)制孔研究多集中于開(kāi)發(fā)大型加工設(shè)備，成本高、技術(shù)難度大，對(duì)飛機(jī)復(fù)雜曲面缺乏適應(yīng)性，通用的柔性導(dǎo)軌式制孔系統(tǒng)由于體積較大，適用于開(kāi)闊的制孔空間，自主移動(dòng)式制孔機(jī)器人由于技術(shù)復(fù)雜程度高，其制孔加工的可靠性與制孔的質(zhì)量都有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

軌道式和自主移動(dòng)式爬壁機(jī)器人由于成本低以及自身的靈活性將成為今后航空制造自動(dòng)化方向的研究熱點(diǎn)。導(dǎo)軌式爬壁制孔機(jī)器人是一種基于柔性導(dǎo)軌網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化爬壁制孔設(shè)備，在現(xiàn)有裝配工藝中大量使用的剛性鉆模板的基礎(chǔ)上研制而成，使其大規(guī)模應(yīng)用于自動(dòng)化制孔生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，可對(duì)大型自動(dòng)化制孔裝備進(jìn)行補(bǔ)充完善，突破了以往工件在機(jī)床上進(jìn)行定位的加工方法。自主移動(dòng)爬壁系統(tǒng)利用自身的吸附組件將自身吸附在工件表面，設(shè)備組成較為簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了安裝工作及安裝系統(tǒng)所用的工裝，因此投入生產(chǎn)前的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短，應(yīng)用的靈活性也更高，更加符合輕型化、柔性化、模塊化的發(fā)展方向。

如何使爬壁機(jī)器人系統(tǒng)更加適用于飛機(jī)制造與裝配過(guò)程，對(duì)于爬壁機(jī)器人系統(tǒng)在飛機(jī)部件上的吸附、行走以及驅(qū)動(dòng)方式的研究將成為爬壁研制的重要方向。

6.1 吸附方式

為提高爬壁系統(tǒng)的吸附能力，科學(xué)家將目光集中到了自然界的生物體上，模仿生物界中典型動(dòng)物的吸附機(jī)理研制出了多種形式的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)，如模仿壁虎腳趾結(jié)構(gòu)制作的仿生吸附材料，并且正在研制適應(yīng)于各種材質(zhì)(如玻璃，粉墻和金屬等)和任意形狀的表面的吸附裝置。

6.2 行走方式

移動(dòng)機(jī)器人中，常見(jiàn)的行走方式有輪式、履帶式、足式及其組合式。這3種形式各有優(yōu)劣：輪式和履帶式行走速度更快，行走平穩(wěn)；足式運(yùn)動(dòng)更加靈活，可以相對(duì)較容易地跨過(guò)比較大的障礙(如溝、坎等)。在爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)中合理地運(yùn)用不同的行走方式可以提高機(jī)器人的適應(yīng)性。

6.3 驅(qū)動(dòng)裝置

對(duì)于爬壁系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的選擇是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的又一關(guān)鍵技術(shù)。中外研制的爬壁系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式常見(jiàn)的有電驅(qū)、氣動(dòng)兩種，根據(jù)爬壁機(jī)器人應(yīng)用工況和工作條件，在滿足體積與質(zhì)量要求前提下綜合考慮機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)形式是非常必要的。

在航空制造中，研制適用于不同曲率蒙皮制孔的新型導(dǎo)軌網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)發(fā)具有高安全、高可靠性及高機(jī)動(dòng)性的自動(dòng)化制孔系統(tǒng)是中外學(xué)者未來(lái)需要解決的重要課題。此外，降低設(shè)備使用過(guò)程中的準(zhǔn)備時(shí)間對(duì)于飛機(jī)制造裝配效率的提高具有重大意義。