飛機(jī)交點(diǎn)孔鏜孔精加工自動(dòng)調(diào)刀技術(shù)*

劉 春，高文翔，詹有河，余立強(qiáng)，李世杰，茍德森

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

0 引言

飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上分布了一些關(guān)鍵連接特征孔，如翼身連接導(dǎo)孔，起落架安裝導(dǎo)孔，垂尾安裝孔等，這些都稱為飛機(jī)交點(diǎn)孔[1-3]。飛機(jī)交點(diǎn)孔對(duì)于飛機(jī)的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明約60%的飛機(jī)主起落架失效源于其連接部位[4]。在飛機(jī)裝配中，機(jī)身、機(jī)翼等大部件裝配完成后需要對(duì)機(jī)身、機(jī)翼上的交點(diǎn)孔進(jìn)行精加工，以便于減少部件裝配誤差，保證翼身裝配的協(xié)調(diào)性。傳統(tǒng)飛機(jī)裝配過程中，交點(diǎn)孔精加工主要通過操作人員手持自動(dòng)進(jìn)給鉆并借助鉆模完成定位加工。隨著飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)方式已難以適應(yīng)裝配自動(dòng)化、柔性化技術(shù)的需求，基于數(shù)控加工中心或工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控鏜孔加工方式在交點(diǎn)孔精加工工序中得到越來越廣泛的應(yīng)用[5-7]。Sun L[8]等研究了工業(yè)機(jī)器人鏜孔加工，建立了系統(tǒng)剛度模型和動(dòng)力學(xué)微分方程，并研究了機(jī)器人剛度和固有頻率的分布。董輝躍[1]等針對(duì)機(jī)器人精鏜飛機(jī)交點(diǎn)孔系統(tǒng)進(jìn)行了顫振分析，并提出了基于Hilbert-Huang變換的顫振特征提取方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人鏜孔顫振的快速識(shí)別。陸垚垚[9]針對(duì)機(jī)器人正反向鏜孔的振動(dòng)和表面形貌進(jìn)行研究，并提出了一種反向鏜孔的加工方法用于抑制或減小系統(tǒng)振動(dòng)。Som A[10]等針對(duì)大長(zhǎng)徑比鏜桿顫振問題，提出了一種新型半主動(dòng)減振器。

在現(xiàn)有飛機(jī)交點(diǎn)孔鏜孔精加工過程中，采用鏜削進(jìn)給循環(huán)，每次鏜孔循環(huán)結(jié)束，操作人員需要手動(dòng)完成鏜孔調(diào)刀，即調(diào)整鏜刀切削刃尖與主軸軸線間距以保證規(guī)定的切削用量，然后進(jìn)行下一次鏜孔循環(huán)[11-12]。目前，手動(dòng)調(diào)刀的方式是采用專用扳手旋轉(zhuǎn)鏜刀頭上的碼盤，通過鏜刀內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)刀，碼盤刻度調(diào)節(jié)量即為調(diào)刀量。這種手動(dòng)調(diào)刀方式對(duì)于調(diào)刀量無法精確控制，通常依靠操作人員記錄碼盤刻度及調(diào)刀圈數(shù)來計(jì)算，且調(diào)刀過程需要目測(cè)調(diào)節(jié)，使得調(diào)刀出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)較高，一旦調(diào)節(jié)碼盤刻度或圈數(shù)出錯(cuò)，會(huì)導(dǎo)致交點(diǎn)孔加工孔徑超出目標(biāo)值，影響加工質(zhì)量[13-14]。通常飛機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其交點(diǎn)孔數(shù)量不少于60個(gè)，單孔加工余量約為6 mm，目標(biāo)孔徑精度為H8。為保證交點(diǎn)孔鏜孔加工質(zhì)量，粗鏜切削量不超過0.5 mm，精鏜切削量不超過0.2 mm，單個(gè)交點(diǎn)孔鏜孔加工調(diào)刀次數(shù)約為15 次，全機(jī)調(diào)刀及孔徑檢測(cè)約900余次，使得現(xiàn)有的手動(dòng)調(diào)刀方式效率低、工作量大、易出錯(cuò)，且存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，針對(duì)飛機(jī)交點(diǎn)孔鏜孔調(diào)刀提出了一種鏜孔精加工自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)并集成于鏜孔加工中心，實(shí)現(xiàn)交點(diǎn)孔鏜孔加工的自動(dòng)調(diào)刀，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)。所提出的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①自動(dòng)調(diào)刀系統(tǒng)可以通過“數(shù)字輸入調(diào)刀量”和“離線編程”兩種方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)刀，操作簡(jiǎn)單方便，響應(yīng)速度更快；②自動(dòng)調(diào)刀系統(tǒng)可以在操作手柄上顯示調(diào)刀量，對(duì)調(diào)刀過程進(jìn)行監(jiān)控，增加可控性；③自動(dòng)調(diào)刀系統(tǒng)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑板移動(dòng)完成調(diào)刀，更快捷省力，調(diào)刀范圍也不再局限于碼盤刻度；④交點(diǎn)孔數(shù)量多，減少調(diào)刀次數(shù)，降低調(diào)刀工作量，改善工作環(huán)境；⑤視覺檢測(cè)功能能夠滿足粗加工和半精加工時(shí)孔徑檢測(cè)要求；⑥自動(dòng)調(diào)刀系統(tǒng)可通過調(diào)整偏心用同一把鏜刀加工不同孔徑的孔。

1 自動(dòng)調(diào)刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)刀結(jié)構(gòu)分析

在常見的鏜孔加工應(yīng)用中，鏜刀直接安裝在機(jī)床主軸上，通過手動(dòng)調(diào)刀實(shí)現(xiàn)零件的加工。為了實(shí)現(xiàn)鏜孔加工過程中的自動(dòng)調(diào)刀，則需要在鏜刀與主軸之間設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)刀功能的機(jī)構(gòu)。因此，自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)應(yīng)具有以下功能模塊：①主軸連接接口，用于在主軸上安裝自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)；②裝刀接口，用于在自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)上安裝鏜刀；③自動(dòng)調(diào)刀驅(qū)動(dòng)模塊，用于實(shí)現(xiàn)鏜刀與主軸軸線間距(即調(diào)刀量)的自動(dòng)調(diào)整，這也是自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵模塊。

1.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)主體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，主軸連接接口設(shè)計(jì)與主軸接口形式一致，選用HSKA100接口。裝刀接口設(shè)計(jì)專用刀座，采用4顆高強(qiáng)度螺釘及定位鍵固定在滑板上，鏜刀桿則通過H7精度的孔定位配合在刀座上，然后再通過刀座側(cè)面兩個(gè)緊固螺釘頂住刀桿，實(shí)現(xiàn)鏜刀安裝。自動(dòng)調(diào)刀驅(qū)動(dòng)模塊則是采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)滑板的滑移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏜孔自動(dòng)調(diào)刀。

圖1 自動(dòng)調(diào)刀主體結(jié)構(gòu)

1.3 調(diào)刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是自動(dòng)調(diào)刀的關(guān)鍵，通過將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成滑板的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高等特性，并能適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的鏜孔加工環(huán)境。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用錐齒輪錐齒盤嚙合的形式，滿足結(jié)構(gòu)緊湊和適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的要求；采用連環(huán)齒盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，基于誤差平均效應(yīng)這一原理來實(shí)現(xiàn)較高的傳動(dòng)精度，并通過絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線平移運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，其傳動(dòng)鏈如圖3所示，伺服電機(jī)通過錐齒輪1、錐齒盤、雙面錐齒盤帶動(dòng)錐齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪2與絲桿保持同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母與滑板通過定位連桿固持，通過絲桿螺母副將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成滑板的直線移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)基于伺服電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)鏜孔自動(dòng)調(diào)刀的目的。

1.伺服電機(jī) 2.錐齒輪1 3.錐齒盤 4.雙面錐齒盤 5.錐齒輪2 6.絲桿 7.螺母 8.定位連桿 9.滑板 10.刀座 11.鏜刀 12.固定支座 13.殼體 14.旋轉(zhuǎn)體 15.軸承

圖3 傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D

鏜孔加工是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的過程，加工過程中伺服電機(jī)必須保持穩(wěn)定狀態(tài)而不能隨主軸旋轉(zhuǎn)，且滑板滑移后會(huì)對(duì)調(diào)刀機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡特性造成影響并導(dǎo)致在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可能產(chǎn)生加工振動(dòng)，因此，在自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)上述問題采取了兩項(xiàng)針對(duì)性措施：①為伺服電機(jī)設(shè)置了專門的固定和支撐裝置，伺服電機(jī)與殼體固連并通過固定支座固定在主軸固定端面，且殼體與旋轉(zhuǎn)體通過軸承支承連接，其結(jié)構(gòu)安裝如圖4所示，確保主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)伺服電機(jī)可保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。②為確保主軸在高速旋轉(zhuǎn)加工中無減小振動(dòng)，確保加工系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩個(gè)平衡塊，在滑板平移時(shí)，使平衡塊向滑板相反方向移動(dòng)，平衡原理及平衡過程示意圖如圖5所示。

圖4 自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)與機(jī)床集成示意圖

(a) 平衡原理 (b) 平衡過程圖5 平衡原理及平衡過程示意圖

2 調(diào)刀控制系統(tǒng)

自動(dòng)調(diào)刀過程是通過控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)滑板的滑移，其控制方式只需采用一個(gè)U軸驅(qū)動(dòng)模塊，通過數(shù)控系統(tǒng)單軸驅(qū)動(dòng)控制其輸出即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)刀控制。具體的調(diào)刀流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)調(diào)刀流程圖

自動(dòng)調(diào)刀控制系統(tǒng)硬件由以下幾部分組成：①控制模塊NCU：主控模塊；②軸驅(qū)動(dòng)模塊：控制伺服軸運(yùn)動(dòng)的模塊；③軸編碼器：軸的信號(hào)反饋，是控制系統(tǒng)對(duì)軸進(jìn)行控制的依據(jù)；④I/O模塊：數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過PROFINET或PROFIBUS與控制模塊連接；⑤電源模塊：給以上所有模塊供電使用；⑥濾波器與電抗器：調(diào)整電流，保護(hù)模塊作用；其系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D

為便于實(shí)際調(diào)刀操作，在其主控模塊上設(shè)計(jì)了兩種調(diào)刀量控制模式：①調(diào)刀量在線輸入模式，即每次鏜孔循環(huán)結(jié)束后在主控模塊人機(jī)交互界面輸入調(diào)刀數(shù)字量，通過軸驅(qū)動(dòng)模塊完成自動(dòng)調(diào)刀，該模式可結(jié)合實(shí)際情況靈活設(shè)置調(diào)刀量，適合于終孔前的精鏜加工；②調(diào)刀量離線規(guī)劃模式，在主控模塊中編制調(diào)刀程序，提前規(guī)劃后續(xù)多次鏜孔循環(huán)的調(diào)刀量，每次鏜孔循環(huán)結(jié)束后主控模塊按照規(guī)劃值控制軸驅(qū)動(dòng)模塊完成下一次鏜孔循環(huán)的自動(dòng)調(diào)刀，該模式調(diào)刀效率較高，但為了避免終孔超差風(fēng)險(xiǎn)，通常在粗鏜加工時(shí)使用。在鏜孔加工時(shí)，操作人員按下調(diào)刀啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)即可按照該次鏜孔循環(huán)規(guī)劃值完成自動(dòng)調(diào)刀，使得調(diào)刀效率大幅提升，且調(diào)刀量和目標(biāo)孔徑數(shù)字顯示，有效降低調(diào)刀出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。有關(guān)的自動(dòng)調(diào)刀系統(tǒng)功能參數(shù)，包括運(yùn)動(dòng)功能管理參數(shù)、程序參數(shù)設(shè)置、機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)置分別如表1、表2、表3所示。

表1 運(yùn)動(dòng)功能管理參數(shù)

表2 程序參數(shù)

表3 機(jī)構(gòu)參數(shù)

3 精度控制系統(tǒng)

交點(diǎn)孔鏜孔精加工的目的是消除部件裝配誤差,以保證翼身協(xié)調(diào)，一般要求交點(diǎn)孔孔徑公差不超過0.02 mm，對(duì)調(diào)刀精度也提出了較高的控制要求。結(jié)合自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)鏈短、精度高且需要進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。因此，調(diào)刀機(jī)構(gòu)精度控制采用半閉環(huán)位置控制模式，位置檢測(cè)元件與伺服電機(jī)連成一體，其安裝、調(diào)試方便，且快速性好，動(dòng)態(tài)精度高，可獲得比較穩(wěn)定的控制特性[4]。

半閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服進(jìn)給系統(tǒng)組成如圖8所示，電機(jī)軸上的角度傳感器輸出數(shù)字脈沖，反饋至控制系統(tǒng)接口電路，通過對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣值與插補(bǔ)程序輸出的結(jié)果比較，得到位置偏差，經(jīng)軟件運(yùn)算增益放大，輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)，從而為伺服裝置提供控制電壓，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)滑板向減小偏差的方向移動(dòng)，但由機(jī)械傳動(dòng)引起的誤差不能被伺服驅(qū)動(dòng)半閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償。

圖8 半閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服進(jìn)給系統(tǒng)

半閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖9所示，其中，Xi為位置輸入信號(hào)，K為整個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)增益，K由4部分組成，即：

K=KcKdaKMKa

其中，Kc為軟件增益，Kda為數(shù)模轉(zhuǎn)換系數(shù)，KM為伺服裝置的放大系數(shù)，Ka為位置傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)。將伺服驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，以突出開環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)。ω為電動(dòng)機(jī)速度指令控制信號(hào)，θ為電動(dòng)機(jī)角位移輸出信號(hào)。積分環(huán)節(jié)描述了伺服驅(qū)動(dòng)輸出的速度量經(jīng)位置反饋計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成位置量的過程。將機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)化為一個(gè)表示滾珠絲杠螺距系數(shù)的比例環(huán)節(jié)KJ和一個(gè)非線性環(huán)節(jié)M(x)。Xo表示沒有考慮非線性環(huán)節(jié)時(shí)工作臺(tái)位置輸出，Xo為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角位置θ與絲杠螺距系數(shù)KJ的乘積。Xor表示考慮非線性環(huán)節(jié)后工作臺(tái)位置輸出，可通過激光干涉儀檢測(cè)得到。

圖9 半閉環(huán)位置控制模型

為提高半閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服進(jìn)給系統(tǒng)位置精度，采用激光干涉儀檢測(cè)獲得自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)在某軸全行程上機(jī)械傳動(dòng)誤差的分布規(guī)律，獲得該軸誤差的非線性映射關(guān)系，并將誤差補(bǔ)償值輸入到數(shù)控系統(tǒng)，構(gòu)成半閉環(huán)補(bǔ)償型控制環(huán)路。當(dāng)控制該軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。其中，差補(bǔ)償裝置原理如圖10所示。

圖10 誤差補(bǔ)償裝置原理

圖11為補(bǔ)償前后傳動(dòng)誤差曲線對(duì)比，從圖中可以看出補(bǔ)償后，機(jī)械傳動(dòng)誤差基本控制在±0.5 μm以內(nèi)。

(a) 補(bǔ)償前 (b) 補(bǔ)償后圖11 補(bǔ)償前后傳動(dòng)誤差曲線對(duì)比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)的調(diào)刀精度，本文開展了自動(dòng)調(diào)刀加工試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)條件如下：(1)加工設(shè)備：采用臥式加工中心，其中自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)安裝如圖12所示；(2)試件材料：鋁合金7050，材料厚度20 mm；(3)孔徑檢測(cè)工具：數(shù)顯三爪內(nèi)徑千分尺。

結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際加工要求，試驗(yàn)共設(shè)置了7組加工孔，所設(shè)置的目標(biāo)孔徑基本覆蓋產(chǎn)品加工范圍。通過自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)完成鏜孔調(diào)刀，其加工效果如圖13所示，孔徑檢測(cè)結(jié)果如表4所示。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)各組加工孔均滿足產(chǎn)品公差要求，結(jié)果表明自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)能夠滿足交點(diǎn)孔鏜孔精加工精度要求。

圖12 自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)安裝示意圖 圖13 試驗(yàn)驗(yàn)證加工效果圖

表4 試驗(yàn)驗(yàn)證加工檢測(cè)結(jié)果 (mm)

5 結(jié)論

本文提出了一種鏜孔精加工自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)并集成于鏜孔加工中心，實(shí)現(xiàn)交點(diǎn)孔鏜孔加工的自動(dòng)調(diào)刀，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的自動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)，其孔徑加工誤差不超過+0.015 mm，能夠滿足交點(diǎn)孔鏜孔精加工精度要求。

在后續(xù)的研究中，將針對(duì)所提出的鏜孔精加工自動(dòng)調(diào)刀系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化改進(jìn)，以便于能夠進(jìn)一步提高自動(dòng)調(diào)刀系統(tǒng)的效率，以及整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于零件的加工精度。