飞机装配自动钻铆技术研究与分析

飞机装配自动钻铆技术研究与分析

孙非,郑立凡

中航沈飞民用飞机有限责任公司 辽宁省沈阳市 110000

摘要：自动钻铆设备主要由电气系统、自动控制系统、液压系统等组成。可以用于航空、航天产品的紧固件自动制孔和安装的自动化设备。该设备可以自动完成产品定位，通过软件控制系统完成制孔、锪窩、湿安装、送钉和压紧整个过程的自动铆接，或者按要求完成上述操作过程中的一步或几步，是现代飞机、航天飞机等产品装配常用的自动化设备。该设备可以完成各种材料的制孔和紧固件安装，例如铝合金、不锈钢、钛合金以及复合材料制孔等，针对普通铆钉、干涉配合铆钉等紧固件可以完成铆接，其他紧固件，例如高锁螺栓等可完成送钉操作并压紧。相对传统现场操作人员铆接，自动钻铆可以有效提高工作效率，同时减少由于个人原因引起的质量波动，提高产品铆接质量，提高产品安全性能。本文主要对国内外飞机装配中自动钻铆技术现状进行研究。

关键词：自动钻铆机；飞机装配；国内外现状

0  引言

铆接作为飞机装配的主要连接形式，是影响飞机装配质量的重要因素，直接影响飞机的使用寿命。据统计，由于机体结构疲劳导致飞机失事事故中的70％是源于部件与部件连接的部位，同时疲劳裂纹产生的位置80％位于连接部位。特别是近年来随着复合材料、钛合金等轻型材料的用量大幅度增加（波音787复合材料用量达到50%以上，钛合金用量达到15%；空客A350改进型复合材料用量达到52%，A380钛合金用量也接近10%），对飞机铆接技术提出了更高的要求。传统的手工铆接技术已经很难满足现代新型结构材料的连接要求，大型飞机装配过程必须广泛采用先进的数字化自动铆接技术。

1  国外发展现状及趋势

目前，国外航空制造企业已广泛应用全自动钻铆技术，设备具有自动找正对准位置进行自动钻铆，铆接效率非常高，铆接质量稳定。近几十年的自动钻铆技术的应用证明，通过自动钻铆技术的普及可以较人工装配效率提升至少10倍，有效节约了装配成本，改善员工劳动环境和条件。最重要的是自动化装配可以减少由于人为因素造成的质量缺陷，保证产品装配质量。因此，国外应用自动钻铆设备进行铆接已然成为提高飞机各项性能质量的重要措施。纵观波音、空客等先进航空制造企业自动钻铆技术的发展，其技术先进性主要体现在了以下先进的设计制造技术：

(1)先进的结构设计技术

针对目前民用飞机壁板尺寸大、曲率大、结构复杂的特点，普遍采用了具有特殊结构设计（如大型龙门卧式结构）的钻铆托架，具有行程大、精度高、自由度多等优点，满足了不同类型的机身、机翼、尾翼壁板及大梁、中央翼等不同部件的自动铆接需求。

(2)先进的控制技术

为了实现自动托架多轴高精度联动控制，采用了先进的NC/CNC控制系统（如西门子840D数控系统等），不仅实现了自动编程、高精度插补、多轴联动控制等数控功能，而且还引入实时反馈数据，实现闭环控制，大大提高了控制准确度和效率。

(3)先进的测量及检测技术

为了提高钻铆托架的定位精度与钻铆方向的准确性，采用了先进的数字化测量技术，如基于照相定位的托架位姿监控技术、基于激光测量的钻铆向量自动找准技术。不仅保证了钻孔位置的准确性，而且实现了垂直方向上的准确铆接，大大提高了铆接质量。

(4)高度的集成应用

为了提高现场设备的有效利用，采用了集成控制系统，实现了钻铆机、自动托架及相关辅助工具的有效集成，实现了装卡、制孔、铆接、检测等一体化，大大提高了钻铆机的工作效率。

2  国内发展现状及趋势

目前，国内一些飞机制造厂所已经开始逐步引进国外先进的自动铆接设备，但大多数没有配套的自动托架系统，不仅没能大幅度提高钻铆效率，而且铆接质量的提高也受到很大限制。实际上，全自动托架技术是制约我国飞机装配铆接的关键。突破大型飞机自动钻铆全自动托架研制的关键技术，开发具有自主知识产权的全自动钻铆系统，形成自动钻铆技术体系，不但能使已有的钻铆机的使用率和钻铆质量得到大幅度提高，而且对于全面提高民用飞机壁板的装配精度、效率和质量，推动我国民用飞机装配技术的发展，提高自行研制民机的市场竞争力都具有积极意义。

近20 年来，国内一些飞机制造厂和研究机构陆续引进了十多台自动钻铆设备，如西飞、成飞、625 所等，均引进了自动钻铆机，并在转包生产中局部应用。但是由于相应的产品结构较为简单，即使采用了自动化设备，也只是配置了结构简单的手工铆接托架，仅部分设备配备了半自动气动托架，全自动托架技术并无应用。因此，国内自动钻铆技术的应用跟世界先进的航空制造技术相比还处于一个较低的水平，具体体现在如下几个方面：

(1)技术指标差别明显

国外的大型自动钻铆机在设计、制造阶段综合考虑了影响性能的各种因素，进行了多学科优化，可实现长达十几米的壁板自动钻铆，定位精度高达0.02mm/1000mm，钻铆速率可达15个/秒；国内目前的水平基本在于尺寸不超过10米的中等部件，定位精度在0.05 mm/1000mm左右，钻铆速率不超过5个/秒。

(2)集成化程度差别大

国外基本上实现了自动钻铆机与托架的集成设计与制造，控制系统已经比较完善，实现了装卡、定位、钻铆、检测等一体化控制；国内基本上在引进自动钻铆机的基础上进行托架的设计，需要对两者的控制系统进行整合和集成，降低了控制精度和效率。

(3)使用普及程度差别大

波音等先进厂商，大型飞机壁板机器钻铆比例已经高达80%，装配现场已经批量化应用，适用于机身、机翼、中央翼、大梁等各种部件不同曲率壁板的自动铆接；而国内还基本上处于技术探索和样机试制阶段，只有个别飞机部件铆接过程中进行技术试验和验证。

3  总结

随着国产大飞机生产项目日益增多，包含较多的壁板类组件：国产飞机C919壁板、CR929大飞机壁板、ARJ21飞机壁板、MA700飞机壁板等，这些壁板组件结构较为简单、但紧固件数量大、铆接质量要求高，现有产品的交付速率不断加快，新项目不久即将开工，因此迫切需要提高飞机壁板装配的国产自动化率，通过高质高效向客户交付满意的产品应对世界民用飞机制造竞争日益加剧的严峻形式，从制造技术和加工能力方面来满足国际化生产的要求，更有利于参与国际化竞争和占据有利地位。

参考文献

[1]宣东军,曲家辰.飞机壁板自动钻铆路径规划及仿真研究[J].电子技术与软件工程,2021(20):90-91.

[2]申少泽. 五轴并联自动钻铆机在线逆向编程系统设计[D].电子科技大学,2021.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2021.002560.