大型薄壁舱体的自动钻铆技术分析_孙曦.pdf

工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究135作者简介：孙曦，女，江苏常州人，助理工程师；研究方向：自动钻铆技术在飞机大部件上的应用。大型薄壁舱体的自动钻铆技术分析孙 曦（上海飞机制造有限公司，上海 201324）摘要：大型薄壁舱体钻铆工艺难度较大，需要进行工艺流程及参数上的控制，保证自动钻铆技术的有序开展。基于此，本文将从系统组成、工艺参数、自动编程、装配仿真、质量控制等方面对大型薄壁舱体的自动钻铆技术进行分析，确定钻铆技术的具体应用情况，保证工艺流程配置方法的有效性，提高钻铆质量的控制效果，使大型薄壁舱体能够铆接完成。关键词：大型薄壁舱体；自动钻铆技术；工艺参数自动铆接技术具有较高要求，需要明确技术应用的指标，在工序上合理进行控制，提高精度控制方法的有效性。自动钻铆采用高精度控制方式，采用仿真方式对参数进行校验，根据精度控制情况对参数进行调整，确保精度控制能够发挥作用。自动钻铆技术采用自动装配的方式，需要确保各部分系统的稳定运行，提高精度控制上的可靠性，使钻铆工艺能够满足性能指标要求。一、大型薄壁舱体中自动钻铆技术优势大型薄壁舱体钻铆零件具有一定的复杂性，需要针对具体结构进行钻铆，难以采用通用的钻铆方法，需要对钻铆参数进行调整，使钻铆方法更具有适用性。通过自动钻铆技术可实现舱体的自动生产，提高了钻铆过程的连续性，缩短舱体的加工周期，有助于生产效率的提升。大型薄壁舱体具有大曲面、低刚性的特征，钻铆装配时定位较为困难，而且钻铆过程具有精度控制要求。自动钻铆技术采用柔性工装对复杂零件进行定位，大幅度提高了零件装配的精度，实现了钻铆精度的有效控制。自动钻铆技术由系统展开控制，可对钻铆过程进行编程操作，采用匹配的工序进行钻铆，对钻铆过程进行实时控制，采用自动送钉、自动压铆的方式，确保自动钻铆技术的应用效果。二、大型薄壁舱体中自动钻铆技术分析（一）自动钻铆系统组成1.定位工装系统采用柔性定位方式，实现装配时钻铆件的固定，用于对钻铆精度展开控制，提高自动钻铆过程的稳固性。定位工装由固定端框、中间框、桁条组成，将装配过程中舱体固定牢固，便于从不同角度采取钻铆操作，使工装设计更具实效性。定位工装采用固定端框对舱体上下端进行夹紧，中间框采用 8 根立柱的方式，通过立柱的调整实现对舱体角度及位置进行调整，保证定位过程的自动化水平。定位工装采用上下盘进行支撑，上下盘结构上可进行拆卸，由轴心与盘体进行连接，在拆卸控制上更具有便捷性，定位工装更易于进行控制，满足工装系统对各种零件的定位要求1。2.钻铆机构由铆接机械手和行星钻顶机构组成，注重操作过程中的灵活性，提高机械传动方式的稳定性。铆接机械手需要注重参数上的设计，确保运动行程不低于 300mm，定位精度达到 0.05mm，压控精度达到 0.1kN，通过参数控制使机械手操作更具柔性，提高机械手操作的运行控制效果。铆接机械手装有压力传感器，可对受压状况进行检查，对压力传导情况进行判断，有助于压力控制的连续监测。压力传感器与受力反馈系统建立连接，在线对压力情况进行诊断，实现铆压上的自动调整。行星钻顶机构采用三自由度控制方式，针对垂直、旋转、水平三个方向进行控制，在操作方面更具有灵活性。钻铆机构采用伺服电机作为驱动单元，速度具有无级可调的特点，降低惯性对压力控制的影响，保障钻铆机构满足精准定位要求。3.钻铆过程采用自动送钉的方式，需要注重送钉系统的实现，控制铆钉的输送精度，精准识别铆钉，将铆钉压入指定位置。送钉系统需要对加持精度进行控制，对扩孔、送料、顶压进行一体化处理，提高精度控制的准确性。送钉系统采用气动送料机进行送料，将铆钉喷送至弹性卡头，对其进行夹紧与固定，保障送钉系统能够同步送钉。送钉系统具有可靠性要求，需要避免出现卡钉的情况，可在铆钉与接触工 程 技 术产业创新研究 2023.7 第14 期136面之间增加润滑油，减少铆钉输送过程中产生的摩擦，确保送钉系统具有良好的铆接效率。4.控制系统是实现钻铆控制的核心，在功能上应具有高度可控的特点，对控制状态能够进行快速响应，实现各个部分系统的协调控制。自动钻铆系统采用大量的伺服电机进行驱动，不仅具有控制顺序的要求，还有着控制精度的要求，需要结合控制效果展开分析，防止控制效率上受到影响。控制系统采用模糊自整定 PID 控制算法，在精度控制上采用闭环控制方式，实现精度上的自动校正，在偏差控制方面更具有可靠性。控制系统采用可编程控制器，可对操作流程进行配置，使钻铆系统按照预设的程序执行，同时可在精度方面进行实时控制，发挥出精度控制的调节作用。自动钻铆系统采用现场总线控制方式，实现对系统的集成化控制，形成高效化的数控形式，提高控制系统设计的合理性2。（二）钻铆工艺整体把控自动钻铆技术需要把控工艺整体，掌握钻铆工艺的核心操作，使数控加工程序具有针对性，保证钻铆工艺能够顺利进行。钻铆工艺分为钻孔、送钉、压铆三大工序，需要注重工序上的综合控制，使钻铆过程的能够持续进行，提高钻铆工艺的整体控制水平。钻铆工艺整体把控应注意以下内容：第一，对钻孔精度进行控制，确保钻孔与铆钉规格相匹配，提高钻孔方法的合理性，避免钻孔的质量下降。第二，需要对送钉压力进行控制，防止对蒙皮造成损伤，导致钻铆工艺产生额外的质量问题，使得钻铆控制不够规范。第三，钻铆过程应注重径向偏差的控制，控制好翻边毛刺的大小，实现送钉过程的有效装配，加强对钻铆工艺的细节控制。（三）钻铆工艺参数设置自动钻铆技术需要对工艺参数进行配置，基于铆接情况对参数进行调节，保证铆接过程具有准确的参数。以压铆力与墩头成型控制为例，一般采用线性控制的方式，4mm 的LY10 铆钉蔡应采用 15kN 压力，对压铆参数进行配置，防止压铆参数影响到工艺质量。钻铆工艺参数配置较为严格，需要考虑到参数的适用性，如钻轴转速、进给量、夹紧力需要配平，避免存在夹紧力不足的情况，出现孔边毛刺较高的情况。通常情况下，钻轴在 8000r/min、100mm/min 进给量的情况下，夹紧力需要达到 100N，对钻进参数进行配置，将毛刺高度控制在 0.127mm 以下。钻铆工艺参数根据设备的不同，在参数配置上具有差异性，需要与理论基础进行调整，采用试验法对参数进行匹配，得到符合要求的参数设置形式，保障参数配置能够符合要求。（四）自动编程钻铆控制舱体钻铆过程采用指自动编程方式，结合实际钻铆需求设计自动编程界面，以界面方式对编程代码进行封装，而不是直接采用代码进行编程。通过这种编程方式，可降低编程的控制的难度，仅需懂得钻铆运行逻辑即可，略过编程时的代码编译阶段，便于焊接工艺的系统化实现。通过自动编程可对操作步骤进行规定，使钻铆过程能够自动进行，通过数控程序对运行状态进行分析，采用软件对编程过程进行干涉。自动编程注重钻铆装配控制的协调性，编程核心在于逻辑控制和参数设置，形成高效匹配的控制方案。自动编程软件是实现自动编程的关键，对各个模块进行组合编程，并且自动生成铆接程序，因而具有较高的编程效率，在自动钻铆技术中具有应用价值3。（五）钻铆流程装配仿真钻铆流程应反映在控制界面中，用于对钻铆状态进行直观分析，提高装配过程的仿真效果。装配仿真基于模型展开分析，主要包含以下模型：第一，舱体模型。将舱体以三维模型的方式进行描述，掌握铆接对象的整体情况，实现铆接控制的对接过程，基于实体模型对钻铆过程进行仿真。第二，设备模型。对设备的具体运行状况进行判断，有助于钻铆系统工作状态的分析，通过仿真界面反映出参数的变化情况，对不协调的钻铆参数进行优化处理，提高钻铆参数的匹配性。第三，工装模型。反映工装参数的变化情况，合理对工装进行配置，使工装状态与模型相匹配，确保工装能够与钻铆配合运行，实现对工装的有效应用。通过上述仿真模型的相互配合，可提高仿真模型的有效性，对钻铆系统的整体运行情况进行判断，使仿真控制基于实际情况展开。通过仿真模型可对控制参数进行检验，判断参数的合理性并进行调整，而不是直接在实际环境中调整，减少参数调整中的成本投入，同时提高钻铆参数的调整效率。钻铆流程装配仿真是实现工艺模拟的关键，有助于解决系统中的碰撞问题和装配不协调问题，实现对装配流程上的优化，构建装配控制的基础条件。装配仿真与自动编程具有密切管理，通过仿真确定编程的实现情况，判断自动钻铆系统是否能够稳定运转，保障大型薄壁舱体的钻铆装配效果。钻铆装配仿真流程如下：第一，钻上下端框桁条固定位孔仿真，确定定位孔的大小情况。第二，钻上下端框其他孔仿真，将钻孔规格与参数绑定，对控制参数进行预设。第三，定位连接蒙皮及内部框架，组成完整的框架结构，在仿真数据方面进一步匹配。第四，设置钻桁条与蒙皮安装孔的大小，实现全部孔的安装和定位，实现铆钉与钻孔的就位。第五，生成铆接程序，结合仿真效果调整参数，重新进行上述过程，直至参数调整后符合要求。（六）自动钻铆质量控制1.偏差识别。大型薄壁舱体钻铆采用自动运行方式，需要严格做好偏差识别工作，对铆接过程中的变形量进行校验，提高铆接精度的控制效果。偏差识别采用小功率激光发射装置，属于一种非接触检测方式，不会对自动钻铆系统的运行造成影响，在偏差检测上具有可靠性。激光发射器使用过程中，需要对发射功率进行控制，不能超过 5mw，否则容工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究137易对舱体造成损伤，导致钻铆控制的质量下降。偏差识别过程中，由主轴中心发射出“十字线”，通过“十字线”进行偏差检验，提高偏差识别精度的控制效果。2.偏差控制。舱体钻铆偏差控制是保证工艺流程质量的关键，在装配过程中，偏差控制主要分为三个阶段，各个阶段均需要进行精准控制，使偏差控制能够发挥作用。具体控制过程如下：第一，制孔阶段。制孔过程需要注重工装的使用，将舱体固定在夹具上，确保各部分零件的长度尺寸，提高偏差的测量方法的有效性。制孔过程需要具有统一的基准，防止装配过程中制孔产生偏移，提高制孔控制的准确性。通常情况下，制孔偏差应控制在 0.1mm 以内，避免造成偏差上的累积，导致制孔偏差逐渐增大，不利于制孔阶段的偏差控制。第二，定位阶段。舱体铆接前需要进行预定位，数控精度上应符合高精度的条件，确保蒙皮与中心框的协调性，将装配孔定位到中心框上，确保装配骨架具有一定的强度，完成装配精度控制的基础条件。第三，铆接阶段。铆接阶段需要做好误差方面的控制，确保铆接端能够有效对接，提高铆接控制方法的合理性，满足铆接阶段的精度控制要求。如直线度为 3mm 的桁条铆接过程中，需要将误差控制在1mm 以内，提高铆接误差的控制效果4。3.偏差补偿。偏差补偿是处理铆接偏差的重要形式，可对偏差问题进行纠正，采用钻铆程序对偏差进行控制，实现对偏差的自动纠正。在激光扫描设备的作用下，可对偏差情况进行实时显示，每次识别后结合偏差情况进行调整，保证偏差控制能够发挥作用。实际加工过程中，通过程序可对偏差情况进行实时记录，便于对偏差累积情况进行后续检验，为偏差控制程序的编写提供依据。偏差补偿属于自动钻铆中的核心技术，在偏差校正上具有良好成效，将偏差补偿融入数控程序中，实现偏差控制的合理化分析。偏差补偿将偏差识别与偏差控制结合起来，实现对偏差的一体化控制，提高偏差控制方法的有效性，使制孔操作具有良好的精度，便于后续铆接操作的进行，发挥出偏差补偿的实际作用。（七）产品工程化应用1.铆钉成型质量检测。自动钻铆工艺下，需要对铆钉成型质量进行控制，采用规范化的检测形式，提高质量检测的标准化程度。以 4mm 的铆钉成型过程为例，墩头直径控制为 6.00.4mm，高度控制为 2.00.4mm，确保铆钉具有良好的成型状态，让铆钉与壁板密切接触，通过墩头质量控制防止出现铆钉脱落的情况。此外，铆钉成型质量与制孔参数具有密切关系，钻头材质选用硬质合金，提高钻孔表面的平整度，使钻头材质选择具有合理性。钻尖顶角选用 120，进给量为 0.1mm/r，对钻孔的成型效果进行控制，实现铆钉成型质量的间接控制，提高铆钉成型效果的控制能力5。2.壁板表面质量检测。舱体钻铆工作完成后，需要对壁板表面质量进行检测，具体检测内容如下：第一，铆钉应具有良好一致性，间距及边距具有统一性，壁板应满足整体外观上的要求。第二，周边蒙皮不能出现压痕或鼓包，否则视为表面质量未满足要求，属于不合格的钻铆情况。第三，需要进行表面指标性检验，具体要求如下：平整度 1.5mm；圆度 3mm；纵轴垂直度 3mm；基准偏扭 1.5mm。壁板表面质量检测是舱体质量检测的最终环节，标志着自动钻铆技术的可行性，需要提高壁板表面质量的控制效果，为舱体质量控制提供实测依据。（八）自动钻铆技术成效自动钻铆技术需要对成效进行分析，对自动铆接与人工铆接耗时情况进行对比，具体分析过程如下：在相同铆接量的情况下，在桁条制孔时间方面，自动铆接耗时是人工铆接的 1/4；在钻孔时间方面，自动铆接耗时是人工铆接的 1/4；在铆接时间方面，自动铆接耗时是人工铆接的 1/3。由此可见，大型薄壁舱体中自动钻铆技术具有显著的成效，大幅度提高了钻铆工艺的整体效率，在效率方面至少是人工铆接的3 倍，具有缩短钻铆工艺周期的作用。而在作业人数方面，自动钻铆技术仅需 1 人便可完整，人工铆接方式需要至少 4人才能保证工艺的进行，作业人数上存在较大的差距，因而自动钻铆技术可降低劳动强度的投入量。此外，相对于人工钻铆而言，自动钻铆的环境噪音要小很多，能够在很大程度上改善工作环境，营造相对稳定的环境氛围。三、结语综上所述，大型薄壁舱体中自动钻铆技术应用具有可行性，属于高质量的钻铆工艺形式，需要注重技术的规范使用。自动钻铆技术具有精度控制要求，需要将精度控制在准许范围内，消除精度控制中的不利因素，在标准条件下对精度展开分析，对钻铆工艺参数进行设置，对钻铆工艺自动编程和仿真，使参数控制上更具成效，形成高效化的精度补偿参数，确保舱体钻铆质量能够达到标准。参考文献：1 王岩，肖子学，李继鹏，等.2.25m 助推器筒形壳段高精度装配及自动钻铆技术 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