無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)孔系裝配技術(shù)研究

湯朝旺，付超，丁峰，郭宏偉

（中航成飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，成都 610092）

0 引言

無(wú)人機(jī)具有成本低、損耗低、無(wú)傷亡、能重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。在軍事方面可用于監(jiān)視、偵查、誘導(dǎo)、早期預(yù)警等；在民用方面可用于大地測(cè)量、城市環(huán)境檢測(cè)、森林防火、人工降雨等[1]。無(wú)人機(jī)操作簡(jiǎn)單，任務(wù)、用途廣泛，成本低，正在被越來(lái)越多的行業(yè)所關(guān)注。無(wú)人機(jī)的基本機(jī)構(gòu)相似，制造原理相同。無(wú)人機(jī)裝配是根據(jù)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)要求將無(wú)人機(jī)零件、組件、部件進(jìn)行定位、連接并形成高層次裝配體或整機(jī)的復(fù)雜過(guò)程[2]。裝配環(huán)節(jié)所用的時(shí)間在無(wú)人機(jī)制造過(guò)程中占比最大，無(wú)人機(jī)裝配中用到的零件數(shù)量眾多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外形異常復(fù)雜，裝配時(shí)的勞動(dòng)量占整個(gè)無(wú)人機(jī)制造勞動(dòng)量的50%以上[3]。本文從裝配角度出發(fā)，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有制造能力，利用孔系實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)裝配效率的提升。

無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的裝配孔系主要分為3類，分別為工藝定位孔（即零件在工裝上的定位孔）、裝配定位孔（即在連接件安裝位置制出的用于零件與零件之間、零件與組件之間、組件與組件之間協(xié)調(diào)定位的孔）、導(dǎo)孔（即在零件制造過(guò)程中在連接件孔位制出的初孔）。本文基于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配孔系進(jìn)一步提出優(yōu)化方案，以提升裝配效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低裝配勞動(dòng)量。

1 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配的孔系

傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配主要是依托于工裝進(jìn)行裝配，以骨架或蒙皮外形為定位基準(zhǔn)進(jìn)行裝配，在組部件形成足夠的剛度、強(qiáng)度后，轉(zhuǎn)移至工裝外進(jìn)行補(bǔ)鉚。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配，對(duì)孔系的使用并不靈活，對(duì)工裝依賴較高，因此會(huì)使用大量的工裝，提高相應(yīng)的制造成本，占用相應(yīng)的擺放場(chǎng)地，而加強(qiáng)對(duì)孔系的使用，將一定程度上解決以上問(wèn)題。根據(jù)不同的孔系及其使用場(chǎng)景，現(xiàn)針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配與無(wú)人機(jī)孔系裝配進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 工藝定位孔的使用

工藝定位孔是在零件制造階段，根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣的公差要求完成加工的，主要位于框、蒙皮、梁、接頭等，且工藝定位孔的位置不能影響零件自身的可靠性，又因工藝定位孔的定位準(zhǔn)確度高，能保證零件、組件之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，是無(wú)人機(jī)裝配的重要基準(zhǔn)。在前期工藝準(zhǔn)備階段的工裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常根據(jù)工藝定位孔的位置來(lái)設(shè)計(jì)工裝定位器，以此來(lái)保證無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配的精度和協(xié)調(diào)要求。傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配與無(wú)人機(jī)孔系裝配對(duì)工藝定位孔的使用要求是一致的。

1.2 裝配定位孔的使用

裝配定位孔實(shí)際上使用的是零件、組件的連接件安裝孔，利用此種類型的孔來(lái)定位十分迅速和方便，無(wú)需使用工裝或僅需使用簡(jiǎn)易的輔助工裝，且其定位的準(zhǔn)確度高于手工劃線定位的準(zhǔn)確度。在裝配定位孔的使用上，傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配往往通過(guò)劃線或基準(zhǔn)件傳遞的方式，按一定的協(xié)調(diào)路線，在零件、組件之間分別制出裝配定位孔，再以此孔完成相互之間的定位，此方法對(duì)于工人的操作技能要求比較高。而無(wú)人機(jī)孔系裝配對(duì)裝配定位孔的使用將更加廣泛，要求更高、更嚴(yán)格，這也給裝配工藝流程策劃提出了更高的要求。在工藝審查階段，裝配工藝人員需與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員緊密溝通，在保證裝配協(xié)調(diào)關(guān)系和容差分配的情況下，提前策劃出裝配流程，針對(duì)不需要使用工裝保證精度的定位零件，要求設(shè)計(jì)人員直接在零件上畫(huà)出裝配定位孔。隨著零件制造能力的提升，我國(guó)在航空零部件的制造方面已經(jīng)取得了很大成績(jī)，并逐步開(kāi)始開(kāi)拓和占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)，成為航空制造領(lǐng)域的一支重要力量[4]。零件生產(chǎn)車間根據(jù)零件設(shè)計(jì)圖樣，可生產(chǎn)出帶有裝配定位孔的零件。裝配車間在安裝這些零件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)“積木式”裝配，操作人員利用裝配定位孔像搭積木一樣完成零件的定位工作，極大地減少了操作人員的定位時(shí)間，提升了裝配效率，同時(shí)避免手工劃線定位所造成的精度誤差，提升了裝配質(zhì)量。

1.3 導(dǎo)孔的使用

導(dǎo)孔是根據(jù)裝配連接件孔來(lái)確定的，因此其可以快速地確定引孔基準(zhǔn)。在傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配中，導(dǎo)孔主要用于區(qū)分相似件，在相似件的不同位置畫(huà)出導(dǎo)孔，可以起到很好的防錯(cuò)作用，但受限于研制過(guò)程中各項(xiàng)可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不完善，有可能需要更改結(jié)構(gòu)或連接件的排布，并不會(huì)大面積地在零件上畫(huà)出導(dǎo)孔。在無(wú)人機(jī)孔系裝配中，需要強(qiáng)度設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并行開(kāi)展工作，在滿足可靠性要求的同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需大面積地在零件上畫(huà)出導(dǎo)孔。零件車間根據(jù)零件設(shè)計(jì)圖樣要求生產(chǎn)出這些帶有導(dǎo)孔的零件，裝配車間在完成零件定位后，可以根據(jù)導(dǎo)孔直接制孔，省去了操作工人對(duì)連接件孔位的劃線時(shí)間，該步驟所花費(fèi)的時(shí)間往往在無(wú)人機(jī)的裝配流程中占比最大。同時(shí)，導(dǎo)孔的孔位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于劃線精度，不僅提升了裝配效率，還提升了裝配質(zhì)量。

2 孔系裝配技術(shù)的要求

無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的孔系裝配主要是在機(jī)加件和鈑金件上的孔系優(yōu)化使用，對(duì)于復(fù)材件、塑料件、橡膠件等，可根據(jù)安裝情況和零件加工難度按需采用本文技術(shù)要點(diǎn)。一般情況下，3類孔系需設(shè)置成不同孔徑以示區(qū)分（如圖1）：工藝定位孔孔徑＞裝配定位孔孔徑＞導(dǎo)孔孔徑。

2.1 基于MBD的技術(shù)應(yīng)用

無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的孔系裝配是基于MBD（Model Based Definitian，基于模型的數(shù)字化定義）技術(shù)開(kāi)展的。MBD技術(shù)改變了由三維實(shí)體數(shù)模來(lái)描述幾何形狀信息的傳統(tǒng)方法，而采用二維工程圖樣來(lái)定義尺寸、公差和工藝信息的分布產(chǎn)品數(shù)字化定義方法[5]。通過(guò)MBD技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將零件生產(chǎn)和裝配生產(chǎn)的各類產(chǎn)品定義都體現(xiàn)在三維數(shù)模中，以三維數(shù)模作為生產(chǎn)制造的依據(jù)。無(wú)人機(jī)孔系裝配需將所有的孔系直接畫(huà)在三維數(shù)模中，不僅可以快速地審查裝配之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，確定裝配工藝流程，也可以審查出不開(kāi)敞區(qū)域連接件的干涉情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供幫助。

2.2 孔系公差分配原則

在無(wú)人機(jī)孔系裝配中，零件上的各類孔系都已實(shí)例體現(xiàn)，而傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配中的零件大部分是不帶孔系的，在裝配過(guò)程中可以通過(guò)手工劃線的形式調(diào)整連接件的裝配位置，因此孔系裝配面對(duì)的零件、組件之間的協(xié)調(diào)關(guān)系更加復(fù)雜，也對(duì)各類孔系提出了更嚴(yán)格的公差要求。裝配端在對(duì)零件提出交接狀態(tài)時(shí)，應(yīng)當(dāng)按以下公差分配原則明確要求，存在部分裝配協(xié)調(diào)關(guān)系特別復(fù)雜的情況時(shí)，可壓縮公差區(qū)間。

機(jī)加類零件的工藝定位孔孔徑公差為0～+0.20 mm，位置度公差為±0.10 mm；鈑金類零件的工藝定位孔孔徑公差為0～+0.20 mm，位置度公差為±0.30 mm。

機(jī)加類零件的裝配定位孔孔徑公差為±0.10 mm，位置度公差為±0.10 mm；鈑金類零件的裝配定位孔孔徑公差為±0.10 mm，位置度公差為±0.30 mm。

機(jī)加類零件的導(dǎo)孔孔徑公差為±0.20 mm，位置度公差為±0.40 mm；鈑金類零件的導(dǎo)孔孔徑公差和位置度公差按一般公差執(zhí)行。

2.3 孔系的孔位布置原則

2.3.1 工藝定位孔的孔位布置原則

1）工藝定位孔的位置不影響零件、組件本身的可靠性。

2）1個(gè)零件上一般先布置2個(gè)工藝定位孔，并應(yīng)靠近零件的兩端，距端頭約100 mm，但同時(shí)應(yīng)考慮該零件與所在組件的位置關(guān)系，并結(jié)合裝配工裝形式及裝配操作空間綜合布置孔位。對(duì)于尺寸大的零件（如框、肋），工藝定位孔不僅布置在兩端頭，還需間隔500 mm左右增加工藝定位孔，如圖2所示。

圖2 工藝定位孔布置示意圖

3）零件尺寸不大于1 m時(shí)，可僅布置2個(gè)工藝定位孔（如圖3）；零件尺寸大于1 m時(shí)，必須布置3個(gè)及3個(gè)以上工藝定位孔。

圖3 工藝定位孔布置示意圖

4）在工藝定位孔周圍φ50 mm內(nèi)，不應(yīng)有筋條、R區(qū)、下陷、加強(qiáng)槽等影響工裝定位器定位零件的障礙。圖4所示的這種布置是不合適的。

圖4 不合適的工藝定位孔布置示意圖

5）蒙皮類零件是首先在蒙皮側(cè)面增加輔助零件加工的工藝耳片或搬運(yùn)耳片。較大零件選用2種耳片，較小零件僅選用工藝耳片。工藝定位孔取在工藝耳片或搬運(yùn)耳片上，需要注意的是，這些耳片上本身有輔助零件加工或搬運(yùn)的銷釘孔，如果這些孔在加工或搬運(yùn)過(guò)程中變形，那么不能直接或通過(guò)補(bǔ)加工的形式將這些孔作為裝配使用的工藝定位孔，必須在耳片的其他位置重新布置。

2.3.2 裝配定位孔的孔位布置原則

1）應(yīng)結(jié)合裝配總方案整體考慮裝配定位孔位置，采用工裝定位和手工定位的零件不能布置裝配定位孔；2）裝配定位孔分布在互相協(xié)調(diào)的零件、組件間的共同連接件位置上，2個(gè)零件、組件需在同一連接件位開(kāi)出相同孔徑的孔，如圖5所示。

圖5 裝配定位孔布置示圖

2.3.3 導(dǎo)孔的孔位布置原則

1）導(dǎo)孔應(yīng)布置在有連接件邊距要求的零件上，如蒙皮與長(zhǎng)桁連接，導(dǎo)孔應(yīng)開(kāi)在長(zhǎng)桁上，如圖6所示。2）導(dǎo)孔布置在厚度、強(qiáng)度、剛度較大的零件上。3）導(dǎo)孔布置在結(jié)構(gòu)開(kāi)敞的那一面的零件上。如圖7所示，零件3左側(cè)存在其他零件阻擋，零件4右側(cè)無(wú)其他零件，空間開(kāi)敞適合布置導(dǎo)孔。4）多層零件中靠?jī)?nèi)層的零件不布置導(dǎo)孔。5）作為裝配補(bǔ)償?shù)牧慵粦?yīng)布置導(dǎo)孔。6）對(duì)于對(duì)稱零件及其它易混淆零件布置導(dǎo)孔時(shí)，注意增加防錯(cuò)措施。7）布置導(dǎo)孔時(shí)，注意在起吊接頭、支撐或頂起裝置處留位，起吊接頭、支撐或頂起裝置的位置及其涉及的連接件牌號(hào)、數(shù)量、大小均需整體規(guī)劃。

圖6 蒙皮與長(zhǎng)桁導(dǎo)孔布置示圖

圖7 結(jié)構(gòu)開(kāi)敞性導(dǎo)孔布置示圖

2.4 零件加工原則

2.4.1 機(jī)加件制造原則

機(jī)加件均需采用數(shù)控加工完成，帶有理論外形的機(jī)加件還應(yīng)使用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。機(jī)加件的孔系應(yīng)在數(shù)控加工時(shí)制出，避免鉆孔樣板的使用，同時(shí)有孔系定位要求的零件，需嚴(yán)格按照裝配交接要求控制公差。對(duì)于大型機(jī)加件和有高精度要求的機(jī)加件還應(yīng)解決和控制制造精度及零件在制造過(guò)程中的變形，以保證零件在裝配時(shí)的使用要求和協(xié)調(diào)要求。

2.4.2 鈑金件制造原則

鈑金件制造原則上采用全數(shù)字量來(lái)傳遞協(xié)調(diào)，確保零件的制造精度。大型復(fù)雜鈑金件的制造、檢驗(yàn)及工裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，使用三維產(chǎn)品數(shù)模上的零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。對(duì)于簡(jiǎn)單的鈑金件，除利用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)以外，也可以根據(jù)零件自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)建立適合零件制造、檢驗(yàn)用的基準(zhǔn)。為保證裝配協(xié)調(diào)要求，對(duì)于鈑金件表面有精度要求和裝配協(xié)調(diào)的孔，原則上必須在熱處理（即T狀態(tài)）后使用數(shù)控加工或者鉆孔工裝制出。

2.5 裝配關(guān)注點(diǎn)

合理利用裝配孔系，特別是裝配定位孔，以此來(lái)優(yōu)化裝配工藝流程，可以縮減工裝的數(shù)量，節(jié)約成本。同時(shí)，在設(shè)計(jì)工裝時(shí)，應(yīng)充分利用裝配定位孔的功能，減少工裝定位器的使用，提升裝配空間的開(kāi)敞度。在提升裝配效率方面，裝配定位孔可實(shí)現(xiàn)零件、組件之間的快速定位，有一定的裝配效率提升效果，但是主要還是得益于導(dǎo)孔的使用，可以大大縮減劃線所用的時(shí)間，對(duì)于手工定位的零件，也可以以導(dǎo)孔孔位作為參考基準(zhǔn)，縮減定位時(shí)間。但擁有裝配補(bǔ)償和預(yù)留孔位的零件上是未布置導(dǎo)孔的，操作工人裝配時(shí)應(yīng)注意將這些孔位補(bǔ)齊，并在最后完成連接件的安裝，避免漏裝。

3 發(fā)展與展望

在國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)的制造中，孔系裝配的方法并不普及。無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)于工藝分離面和裝配工藝方法并不熟悉，因此不能大規(guī)模地畫(huà)出孔系。為解決此問(wèn)題，必須采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)并行的模式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，工藝人員需全程參與工藝性審查，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員分享裝配方案，以項(xiàng)目研制成功為目標(biāo)，并與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員充分溝通每個(gè)零件上的孔系布置需求。這也對(duì)工藝人員的能力提出了較高的要求，注重工藝能力培養(yǎng)是至關(guān)重要的。在未來(lái)，孔系裝配必定會(huì)成為無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)裝配的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)孔系裝配進(jìn)行了分析，對(duì)于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和無(wú)人機(jī)制造都具有一定指導(dǎo)意義。但3類孔系的運(yùn)用也需結(jié)合無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的形式而定，需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累。