自动钻铆技术及其在数字化装配中的应用.pdf

51航空制造技术2 0 0 5年第5期飞机装配中的自动钻铆技术是指在装配过程中自动完成装配件的定 位、夹紧、钻孔/ 锪窝、涂胶、 送钉、 铆接/ 安装等工作的过程 自动钻铆 系统主要包括自动钻铆机和托架两部自动钻铆技术及其在数字化装配中的应用北京航空制造工程研究所 许国康自动钻铆技术可有效提高飞机装配质量及生产效率，世界各航空工业发达国家均已广泛应用分 托架系统用来进行装配件的定位和夹持; 自动钻铆机用于完成制孔、 铆接和双件紧固件( 如螺栓、 环槽钉) 安装等工作 采用自动钻铆技术的目的， 首先是为了保证连接的质量， 提高机体的疲劳寿命 据统计， 7 0 ％的飞机机体 疲劳失效事故起因于结构连接部位， 其中8 0 ％的疲劳裂纹发生于连接孔 处， 可见连接质量极大地影响着飞机自 动 钻 铆 技 术Automatic Drilling and Riveting Technology的寿命 现代军机、 干线飞机的寿命 分别要求达到8 0 0 0 和5 0 0 0 0 飞行小时以上， 而手工铆接由于受工人熟练程 度和体力等因素的限制， 难以保证稳 定的高质量连接 因此， 国外飞机设 计部门在设计手册中明确规定: 为确保铆接质量， 设计时应考虑使自动钻 铆获得最大限度的使用。

其次， 在大 批量生产中提高生产效率， 也是采用 自动钻铆技术的一个重要原因表1列出了人和机器两种系统的工作特 性 从表中可以看出， 在提高装配质量和效率等方面， 特别是在大批量生 产中，机器工作（如自动钻铆技术） 的方式比人工生产的方式具有很大的 优势 因此， 世界各航空工业发达国家都广泛采用了自动钻铆技术自上世纪5 0 代以来， 美 国、前苏联、德国等国发展了一系列的自动钻铆设备和 系统，见表2 自动钻铆机需与相应的 托架系统相配套， 才能发挥自动钻铆技术的优势表2 显示， 较大尺寸及复杂的结 构， 尤其是大型飞机机身和 机翼壁板、 双曲度壁板的自动钻铆， 需要配备全自动托 架（C N C ）系统以实现工件 的自动定位和调平( 还包括 批量生产的因素) 但并不是所有的自动钻铆机都要配 备昂贵的全自动托架， 外形 较平直的中小尺寸的壁板、 翼肋等结 构大多配置手动、半自动托架( N C /C N C ) 系统 从表2 中还可看出，近1 0 年来， 国外自动钻铆技术的发展呈现如下两 大趋势：( 1 ) 由传统的液压驱动型向电磁 力 （脉冲磁场力） 驱动和全电驱动( 采 用电伺服滚珠丝杠技术) 的方向发展。

后两者具有铆接效率高、 设备占地面系统的特性表1 人与机器两种系统的工作特性比较[ 1 ]人机 器灵巧性活动范围力/ 力矩速度加速度记忆能力1 ) 过程序列2 ) 定位精度成本( 每小时费用)抗疲劳能力低( 自动化由程序控制)由机器结构和运动特性决定Fm a x= 4 5 5 ～4 5 5 0 k g 所能施力矩大、时间长V线性≈3 0 5 m / m i n V旋转≈3 6 0 °/ s 2 g高不易疲劳高( 手指/ 手/ 眼/ 大脑的灵活性)水平方向：无穷大垂直方向：由身高和提升装置决定Fm a x= 1 3 . 5 k g （短时）所能施力矩大小和时间有限V足≈8 0 m / m i n V手≈1 8 0 °/ s 0 . 2 g有限( 1 0 ～1 0 0 个操作) ， 需要培训有限( 需要导引)低容易疲劳国内外自动钻铆技术的发展情况FORUM论坛无限( 取决于计算机的存储能力)很高( 可达±0 . 0 0 1 ″， 取决于运动机构)德国加拿大类 别表2 国外自动钻铆机发展简况型 号铆接动力适用范围托架控制方式制造国小型( 铆接力 小于5 0 k N )А К- 2 . 2 - 0 . 5 , А К- 2 . 2 - 0 . 6 ПУКПА- 1 , У2 . 5 А К- 3 . 4 - 0 . 8А В Н- С К П- 3 . 4 - 8 0 0 - 2 / 3G 1 0 0 B H , G 2 0 0 B H XА К- 5 . 5 - 2 . 4 , А К З- 5 . 5 - 1 . 2У1 8 - А К Ф- 5 . 5G 3 0 0 B , G 4 0 0 Ｂ, G 4 0 0 / 3 9 AG 9 1 , G 9 3ММК- 6А К- 1 6 - 3 , А К Д- 1 6 - 2У1 8 - А К Д- 1 6 - 2 , У3 0 - 2 А К Д- 1 6 - 2G 6 6 6 - 1 2 0 , G - 7 4 7G 9 0 0 B C H VG 8 6 / G 9 5G 2 0 0 0G E M C O R W R SE 4 0 0 0 / 4 1 0 0 / 4 1 5 0 / 4 3 8 0A S A T / A S A T Ⅱ/ A S A T Ⅲ/ A S A T I V ( E 5 0 0 0 )B r o e t j e I P A CA v c o r p 双机器人装配系统液压机翼壁板机身壁板机身壁板机翼壁板机翼壁板机翼大梁机身壁板尾翼CNC装配系统大型( 铆接力 大于8 0 k N )中型( 铆接力 5 0 ～8 0 k N )小型和中型平面骨架构件小边距装配件大型平面骨架构件电动力电动力电磁力液压力电磁力液压力机翼壁板机翼、中央翼、机身壁板手动NC手动/ N C手动手动/ N CCNCNCNC俄罗斯( 前苏联)美国俄罗斯( 前苏联)美国俄罗斯俄罗斯( 前苏联)美国积小、无油污染、易于控制等优点；( 2 ） 由自动钻铆机/ 托架系统的 配置向由数控自动钻铆机 /加工单 元、 柔性装配工装( 夹具) 、 数字化定 位和检测系统、 机器人系统、 自动物料传送系统等集成的柔性数字化装配系统发展。

空客A 3 8 0 零阶段壁板装配有4 条用于上下机翼壁板的柔性装配生产 线 2 条用于上壁板， 2 条用于下壁板每条生产线长1 6 5 m ，装有３套柔性装配夹具每条生产线都配有 1台 E 4 3 8 0 自动钻铆/ 安装设备，对在装 配夹具中的壁板上进行装配E 4 3 8 0 配置如下：自 动 钻 铆 技 术Automatic Drilling and Riveting Technology广告索引号0 5 - 0 6 5·H S K 5 0钻孔动力头; ·用于修整/ 铰孔的次级主轴; ·电磁铆接动力头; ·密封胶注入器; ·螺栓插入工具; ·冷加工工具 （开缝衬套挤压孔 强化） ; ·2 个孔探测器 （1 个用于钻孔, 1 个用于冷加工） ; ·同步照相机; ·紧固件自动供应系统 E 4 3 8 0 可安装直径达1 2 . 7 m m 的 铆钉和环槽铆钉 紧固进给系统可进 行铆钉、环槽铆钉和环圈的自动进给 近2 0 年来，国内引进了近1 0 台 自动钻铆设备， 自动钻铆技术在转包 生产中也已局部应用 但由于所生产的产品结构简单， 且大多配置的是简 单的手工托架， 部分应用了半自动托 架，全自动化托架技术基本未采用。

因此， 国内自动钻铆技术的应用跟航空制造技术先进国家相比还处于一个 较低的水平， 目前各主机厂还很难进 行大型壁板及双曲度壁板的自动钻 铆北京航空制造工程研究所于上世 纪9 0 年代以中法合作的形式研制了一台P 3 0 0 型自动钻铆机，随后又自 主研制成功了一套吊挂式半自动托架系统， 有待推广应用 国内柔性装配 系统的研究基本处于起步阶段推行数字化装配技术是飞机制造 业发展的必然趋势， 而数字化装配技术离不开先进的自动钻铆技术 但在 飞机结构装配中， 自动钻铆技术要合理运用下文以典型的三段式机翼 （包括左、右机翼和中央翼盒）结构的装配为例来进行分析 机翼结构的装配等级可分为４个 级别( 壁板/ 梁/ 肋→骨架→翼盒→机 翼) 国外资料[ 2 ]对制造三段式机翼（包括接头、系统安装所需的零件和 前后缘的连接） 所需的可自动化安装 的铆钉/ 紧固件的理论数量进行了分 析: 约5 7 % 的铆钉/ 紧固件用于第一左 右 机 翼 和 中 央 翼 盒表3 目前应用的机翼装配系统第二级装配 ( 梁、 肋→骨架)第三级装配 ( 翼 盒 )第四级装配 ( 机 翼 )第一级装配 ( 组合件)·3 ～5 自由度卧式C 型框架系统 ·3 ～5 自由度立式C 型框架系统 ·人工操作—壁板人工操作·人工操作 ·6 自由度机 器人系统人工操作·3 ～5 自由度卧式C 型框架系统 ·5 自由度立式C 型框架系统 ·人工操作 ·6 自由度双机器人系统·单自由度C 型框架系统 ·人工操作壁梁壁肋自动钻铆技术的应用分析及在国内飞机数字化装配中 的发展建议FORUM论坛机翼壁板铆接机级组件（壁板、梁、肋）装配；在第 二级装配中， 将梁和肋组合成骨架所 用的铆钉/紧固件数只占6 % ；在第 三级装配中， 将壁板和骨架连接成翼盒大约需3 4 % 的铆钉/ 紧固件；最后 的翼盒对接（第四级）仅需要3 % 的 紧固件。

因此， 表３中所反映的现有 机翼装配系统中， 自动钻铆技术集中在第一级和第三级的装配中 事实上， 到目前为止， 绝大多数 的自动钻铆系统用于第一级组合件如 机翼（机身情况类似）壁板、翼梁和翼肋的装配上，原 因是在此阶段可自动化安装的紧固件 比重大， 结构开敞， 容易实现自动化 在第三阶段壁板与骨架的装配中，可 自动化安装的紧固 件比重也较大，但 在装配时只是一面开敞，实现自动钻 铆相对较难，故成 效不太理想，采用 机器人系统进行自动装配是一个主要的发展方向 基于以上分析， 笔者对提高国内 飞机装配的数字化和自动化水平， 发 展自动钻铆技术提出以下建议:( 1 ) 根据国外发展自动钻铆技术 的成熟经验及国内的发展现状， 在数 字化装配生产线中， 自动化装配应首 先 （这里不考虑对接） 在机身机翼壁板、 翼梁等组合件装配中实现， 壁板 和翼梁的自动钻铆系统同时集成柔性 装配工装系统， 从而实现无型架的柔 性、 数字化装配 对于新发展的自动装配项目， 自动钻铆机配备传统全自 动托架的方案应尽量不采用， 因为它仍然离不开传统的型架装配技术， 与 数字化装配不协调 ( 2 ) 应大力发展柔性装配工装、 自动化的低压电磁铆接（磁脉冲铆接）/ 全电动铆接、数字化定位系统 等技术， 为自动钻铆技术在数字化装 配中的应用打下技术基础。

( 3 ) 在第三级装配即机身机翼壁板与骨架的装配中， 应发展以机器人 为平台的自动钻铆技术 由于先进飞 机结构中采用金属和复合材料整体壁 板是一种发展趋势， 所以在第三级装配中自动钻铆/装配的需求将更迫 切 ( 4 ) 为发挥国内已引进的自动钻 铆机的潜力， 建议采用以配备半自动托架系统为主的方案进行应用1 B r a n k o S a r h . A s s e m b l y t e c h n i q u e s f o r s p a c e v e h i c l e s . S A E , 2 0 0 0 - 0 1 - 3 0 2 8 2 B r a n k o S a r h . W i n g s t r u c t u r a l a s-s e m b l y m e t h o d o l o g y . S A E , 9 8 2 1 5 6( 责编 晋娆)参考文献自 动 钻 铆 技 术Automatic Drilling and Riveting Technology机翼壁板铆接机广告索引号0 5 - 0 6 5。