面向飞机复杂部件的钻铆机床自动避障技术
王珉,陈文亮,郝鹏飞-飞机数字化自动钻铆系统及其关键技术_王珉
低。
送钉、插钉、顶紧、连接（铆接或螺接） 2 龙门式自动钻铆系统
龙门自动钻铆系统适用于壁板
和端头铣平等功能。
龙门式自动钻铆系统，包括龙门 装配，龙门立式钻铆系统适合机翼壁
基于全自动托架的自动钻铆系 式五坐标定位系统、末端执行器和柔 板装配，龙门卧式钻铆系统适合机身
统主要系统供应商有美国的捷姆科 性工装组成。根据工件摆放位置（也 壁板、超级壁板的装配，机身半筒段
王 珉 南京航空航天大学机电学院航空
宇航制造工程系教师。主要从事飞机 自 动 化 装 配 工 艺、飞 机 自 动 化 装 配 系 统等方向的研究。
飞机装配技术面临着自动化、数 字化、集成化和柔性化的发展趋势， 面对日益激烈的竞争，在研制飞机自 动化装配系统时需要综合考虑装配 效率、系统柔性和设备成本等因素。 作为最早实现的领域，壁板自动钻铆 成为飞机自动化装配最成熟、应用最 广泛的领域。随着自动化程度的提
内外双机器人筒段钻铆系统主 要系统供应商有美国 EI 公司、意大 利 B&C 公司等。该系统较为复杂，内目前未见相应系统的 研发。
优势为自动化程度高，往往还可 以实现角片等部件自动定位功能。
弱点为产品复杂，控制难度大， 成本相对较高，龙门系统的 A、B 角 运动不利于实现较大的铆接力。钻 铆效率相对较低。
的因素。
（2）孔 位 检 测 精 度 要 求。 孔 位
检测精度涉及整个制孔坐标系的确
定，也就决定了孔位精度。
（3）法 向 检 测 精 度 和 传 感 器 标
定。决定了制孔垂直度，是制孔最重
要的性能指标之一，要考虑传感器精 度、传感器布置和传感器标定等多种 因素。
（a）上末端执行器
（b）下末端执行器
图3 南京航空航天大学设计的末端执行器
柔性自动化钻铆系统在飞机部件制造中的应用
发展过程。自动钻铆系统相 比手工铆接技术 ， 已提 门钻铆机避免了以往在 ｃ框型和 Ｄ型 自动钻铆机所 虽 高铆接结构 的疲劳寿命 ，在一定程度上提高了装配 采用的大型塔架和旋转工作框 ， 使整个定位系统的运 效 率 ，但 由于采用的数控托架无法满足当今飞机快 动速度更 快 ，因此 已逐渐成为未 来主流 的 自动钻 铆设 速研制 、 生产及低成本制造 的柔性制造需求 ， 已全 备之一。 现 国外铆接装配技术几十年的应用证明， 采用 自 动钻铆机 ， 是改善飞机性能的重要工艺措施之一。 面转 向柔性 自动化钻铆系统方向发展 。
摘 要： 对柔性 自动化钻铆 系统构成进行 了简单介 绍 ， 阐述 了当 两大主流柔性 自 着重 今 动化钻铆 系统 ， 并展望 了未 来 自
动化钻铆 系统 的发展趋 势。 关键词 ： 柔性 自动化钻铆 系统 ； ｔ ｒ装 ： 柔， － 自动钻铆机 ； ￣＿ 机器人 中图分类号 ： ２ １２ Ｖ ６ ．９ 文献标 识码 ： Ｂ 文章编号 ：６ ２ ５ ５ ２ １ Ｏ — ２ ８ Ｏ １ ７ — ４ Ｘ（０ ２）６ ０ ４ 一 ２
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ６， ０ ２ ｎ ｆ ｅｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｉ ２ １
．
柔性 自动化钻铆 系统在 飞机部件 制造 中的应用
范 斌 。 润 军 牛 （ 中航工业陕西飞机工业 （ 团） 集 有限公司， 陕西 城固 ７３ １ ） ２２ ３
１５ 控 制 系统 ．
触发 ， 对整个钻铆过程进行管理和控制 ， 实现流程控 器人 驱动末端执行 器来 补偿实 际产 品的位 置和姿 态， 以实现精确定位后 ， 末端 执行器完成钻铆作业 ， 制 的准 确化 、 自动 化 、 晰化 。 清 并对作业 过程 和定 位精度进 行实时检测和标定 ， 并
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发布时间：2023-02-16T05:40:40.457Z 来源：《中国科技信息》第2022年第9月第17期作者：孙非郑立凡[导读] 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。
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。
自动钻铆
第一章前言1.1 前言飞机制造中铆接装配占有十分重要的地位，据估算，飞机装配劳动量约占整个飞机制造劳动量的40%～50%，其中铆接占30%。
随着对飞机性能要求的不断提高，人们愈来愈重视铆接质量，使其适应质量稳定、生产速率高、疲劳寿命长的要求。
在这样的背景下，自动钻铆技术开发成功并首先在世界著名的航空企业波音、空中客车公司中得到应用，由此迈开飞行器装配自动化的步伐，并逐渐显示出其强大技术优势，促进了飞机装配的历史性变革。
随着我国航空工业军民用飞机性能、水平等方面的不断提高，航空企业在铆接装配中也在不断地探索应用自动钻铆技术。
1.2 自动钻铆技术概述自动钻铆技术从上个世纪50年代开始起步，经历了手动、半自动化、全自动化等阶段，在其发展过程中，不断吸收了其他技术，如自动控制、传感器、计算机仿真、计算机远程控制和远程通信以及机器人等领域中的新技术和新工艺。
自动钻铆技术也因此成为一门综合多学科、多技术的专用技术，并逐渐向多任务集成、智能化、网络化方向发展。
当今世界飞机制造技术的发展趋势表明，在很长一段时间内，铆接技术仍将是飞行器结构部件最可靠的连接技术。
然而旧的铆接方法手工作业劳动强度高，铆接质量差，己不能满足现代飞机生产制造的要求。
自动钻铆技术已成为飞机制造业发展的必然趋势。
当代飞机制造技术的发展，对疲劳寿命、密封、防腐的要求越来越高，为了满足飞机对各种性能的要求，航空制造领域发展了各种先进技术，其中机械连接的干涉配合无头铆钉自动钻铆技术就是其中之一(图1-1为国外自动钻铆机)。
早期的自动钻铆技术仅限于单机的过程自动化，只能完成自动的切削加工和铆接等过程，尚不具备自动化定位的特点，可以看作是单台的加工机床。
随着现代工程技术、自动化技术、数字制造技术和人工智能技术的日益完备和发展，自动钻铆技术实现了实质性的突破，已经初步形成了自动化装配系统。
该系统的出现不仅大大提高了飞机制造的经济效益、社会效益和环境生态效益，而且对改进飞机设计方式和提高工艺技术水平也有明显的促进和推动作用，主要表现在以下几个方面：(1)通过数字化模型和智能化定位控制来完成飞行器组件的自动化装配。
飞机自动钻铆技术研究现状及其关键技术
飞机自动钻铆技术研究现状及其关键技术发布时间：2022-11-07T05:47:54.026Z 来源：《中国科技信息》2022年第13期7月作者：周华[导读] 随着计算机、信息和自动化技术的发展，数字飞机的组装技术迅速发展。
数字装配技术被周华中航飞机股份有限公司陕西西安 710089摘要：随着计算机、信息和自动化技术的发展，数字飞机的组装技术迅速发展。
数字装配技术被空客、波音等大型飞机制造商平等使用。
我国大型飞机研究项目的实施将加快数字飞机的装配。
自动钻铆技术是数字装配技术不可或缺的组成部分，可以大大提高飞机装配效率，有效保证装配质量，提高疲劳强度。
关键词：航空壁板；自动钻铆；高精度定位随着现代飞机制造技术的发展，对飞机性能、密封性和耐腐蚀性的要求越来越高。
为了满足飞机的性能要求，航天工业开发了一系列先进技术，如机械连接与自动钻铆的应用。
几十年来国外铆接装配技术的应用表明，自动自动钻铆机的效率至少是手工铆接的十倍，节省了安装成本，改善了工作条件。
最重要的是保证安装质量，大大减少人为缺陷。
自动钻铆机的使用是目前提高飞行效率的主要技术措施之一。
一、自动钻铆技术的发展现状1.设备开发。
针对不同类型的飞机设计，开发了各种数控自动钻铆系统，不仅壁板铆接，而且肋、框、梁、翼面、前缘铆接。
因此，自动钻铆系统的作用范围明显扩大，铆接整体性能得到显着提高。
2.自动安装紧固件。
添加附件后，可自动安装两件型紧固件(槽、高锁、锥形螺栓)，从而使无头铆钉铆接干涉配合。
因此，铆接结构的疲劳可以增加5至6倍，改进油箱的密封铆接至关重要。
3.自动钻铆。
整个过程是通过数字程序编程的，自动钻铆程序是一个连续的过程，用于夹紧、钻孔、锪窝、注胶、铣平。
机床配有高速旋转轴，可同时钻至0.005mm钻孔精度高，埋头窝深度精确控制在±0．0lmm范围内。
此外，机床还通过数字控制系统和自动化化工装夹具。
无论人为影响因素如何，铆钉镦头的高度都是恒定的。
面向现代飞机装配的长寿命机械连接技术
面向现代飞机装配的长寿命机械连接技术尽管各种新型连接技术（如变形连接，胶接等）在飞机制造中不断被采用，但机械连接仍是现代飞机制造的主要连接形式，约占飞机结构连接的70%以上，且主要采用铆接和螺接形式。
Long-Life Mechanical Connecting Technology for Modern Aircaft Assembly飞机装配是根据尺寸协调原则，将飞机零组件按照设计进行组合、连接，形成更高一级的装配件或整机的过程。
在飞机制造业中，机械连接技术是一项量大、面广的航空制造基础技术。
尽管各种新型连接技术（如变形连接，胶接等）在飞机制造中不断被采用[1]，但机械连接仍是现代飞机制造的主要连接形式，约占飞机结构连接的70%以上，且主要采用铆接和螺接形式。
飞机寿命即是从投入使用开始，在经过中修或大修后恢复使用，直到由于造成产品破坏的原因不可能再予以排除，使得产品必须终止使用的这段时间[2]。
据统计，在飞机的全部安全故障总数中，机体损伤的故障数量约占12%～30%，因此可以认为飞机机体的寿命决定了飞机的总寿命，而其中疲劳破坏是飞机机体损伤的基本原因。
据统计，多达75%～80%的疲劳破坏发生在机体连接部位，因此研究长寿命连接技术在现代飞机制造中的应用变得更加重要。
当代飞机制造技术的发展，对飞机结构疲劳寿命、密封、防腐的要求越来越高，为了满足现代飞机对各种性能的严格要求，航空制造领域发展了各种先进连接技术，如自动钻铆技术、电磁铆接技术、机器人钻铆技术、干涉连接技术、难加工材料连接技术等。
自动铆接技术自20世纪50年代始，美国、德国等国家就发展了一系列飞机装配生产线上应用的自动钻铆机（如图1所示）[3]。
国内外几十年的应用证明，采用自动钻铆设备，装配效率可比传统的手工铆接提高7倍以上，并能节约安装成本、改善劳动条件、保证装配质量、减少人为造成的缺陷。
现在世界各航空工业发达国家都已广泛采用这项技术，如波音767机身的机铆率为97%[4]。
王珉,陈文亮,郝鹏飞-飞机数字化自动钻铆系统及其关键技术_王珉
1 所示。
于实现较大铆接力。
以实现超级壁板的钻铆；机身半筒
典型的五坐标全自动托架由 X、
弱点为能加工壁板的弧度相对 段环铆系统可以实现超过 180°半筒
Y、两个 Z 轴和一个 A 轴组合实现 X、 较小（一般小于 60°）；产品上下架时 段环铆。
Y、Z、A（绕 X 轴旋转）、B（绕 Y 轴旋 间设备闲置，不利于自动化设备效率
（4）送钉插钉精度和插入、顶紧 对紧固件信息的定义必须严格规范。 部的技术升级。尤其是对于龙门式
力的提供。
目前国外主流飞机制造商均有规范 钻铆系统和内外双机器人钻铆系统，
（5）铆接力和行程的控制。
的定义，国内近年也重视这项工作， 其合理应用还涉及定位方法和基准
复杂钻铆功能末端执行器设计 目前 MBD 技术规范体系已经初步形 选择、生产线规划、部件的装配质量
弱点为产品复杂、控制难度大、
转）五坐标定位功能。
的发挥。
成本相对较高，龙门系统的 A、B 角
典型的自动钻铆机由设备本体
全自动托架自动钻铆系统适用 运动不利于实现较大的铆接力。机
（C 框或 D 框）、上下钻铆功能执行器 于壁板装配，尤其是机翼壁板的装 身半筒段环铆系统钻铆效率相对较
（末端执行器）组成，实现钻孔、锪窝、 配。
（1）短 期 内 通 过 采 用 成 熟 国 外 运动控制系统，实现功能精度为主要 目标，如 MPAC 采用的西门子 840D；
（2）长 期 目 标 是 通 过 自 主 研 发 运动控制系统，降低成本，获取更好 的定制性能，同时取得自主知识产权 的控制系统。 3 复杂钻铆功能末端执行器设计
技术 3 种形式自动钻铆系统都必须 用到末端执行器，考虑飞机装配连接 的零部件特点和装配精度要求，末端 执行器的研制面临很多技术难点从 而成为一项关键技术。主要体现在： （1）飞 机 装 配 的 锪 窝 精 度 要 求 很高。这种精度要求体现在从蒙皮
飞机自动钻铆仿真技术_王仲奇
一个铆钉的安装过程，研究了轴对称 模型下铆钉安装仿真的 F E 模型，精 确 地 预 测 了 铆 接 成 形 过 程 中 的 力。 V Blanchot[3] 等人以不同途径建立 可调整数值模型来仿真铆钉连接，并 建立了部分、轴对称和 3D 三种模型。
国内在仿真技术方面相对起 步较晚，但发展迅猛。刘斌 [4] 运用 C A T I A 中 的 D M U（数 字 样 机 模 块） 调用建模参数进行优化分析，实现了 汽车总体设计中相关部件运动机构 仿真分析。西安飞机设计研究所在 飞机研制中采用并行工程和无纸设 计技术，应用 C A T I A V 5 进行三维 外形建模、三维结构设计、数字化结 构件和主要飞机系统件的预装配，首 次在中国设计了飞机全机规模数字 样 机。 陈 国 华 [5] 等 人 先 在 C A T I A 的零件模块中构造各个零件的三维 实体模型，然后在 C A T I A 的装配模 块中建立零件之间的链接关系，同时 介绍了基于 CATIA 的三维实体装 配的基本方法以及装配模型的干涉 检验等全过程。
后的 X、Y 向导轨变形分析结果。通 过计算，最大变形在 15μ m 以下，完 全可以满足设计需要。
（2）壁板自动钻铆过程仿真。 通过自动钻铆关键技术的研究， 在 C A T I A V5 的 D M U（数 字 样 机 模块）中通过设定装配约束、编辑命 令和机制的方法，设置参数控制自动 钻铆系统的运动，实现自动钻铆系统 的运动仿真，检查干涉。基本实现了 减少编程工作人员工作量、提高加工 效率、节约时间的要求，并应用于壁 板自动钻铆过程的仿真。
图2 自动铆接工艺过程
离开
2008 年第 20 期·航空制造技术 45
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图3 某机型壁板3D模型
成飞攻克飞机大型蒙皮高难批加工技术 填补空白
成飞攻克飞机大型蒙皮高难批加工技术填补空白
中航工业成飞自主研制的大型塔式五轴数控法向钻铆系统日前正式交付使用，标志着成飞已成为能够全自主开发制造全刚性自动化钻铆系统的厂家，该系统应用于飞机大型蒙皮的批量钻铆装配，填补了国内空白。
在积累了大量设计、制造技术和经验后，成飞公司决定自行研制一台塔式五轴数控法向钻铆系统。
该系统由自动钻铆机、定位系统（托架）、工装系统、控制系统等组成。
自动钻铆机采用了GEMCOR公司的C型全电动钻铆机，托架定位系统采用XY轴分离塔式全钢性结构。
工装系统是由两个约15米的细长纵梁和两个约4米的横端梁通过螺栓装配连接成一个长矩形框结构，负责飞机蒙皮的支撑与定位。
控制系统主要采用了SIEMENS840D 数控系统、GEFANUC控制器等，完成了对托架定位、钻铆机动作等的控制，通过硬件连接和软件通信将托架控制系统与钻铆机控制系统进行集成，组合成为一套数控法向钻铆系统。
塔式五轴数控法向钻铆系统是成飞公司迄今为止承担的费用最大、规模最大的设备研制项目，同时也是技术含量最高、难度最大的项目之一。
该系统技术在国内处于领先水平，目前已申请了多项发明专利和实用新型专利，部分已被受理。
该系统的成功研制，表明中航工业成
飞具备了承担大型航空专用设备研制的能力，为今后继续承担其他航专设备的研制任务奠定了坚实的技术基础。
（据中国工业报报道）。
航空器自主避障与路径规划技术研究与应用
航空器自主避障与路径规划技术研究与应用随着航空技术的不断发展，无人机、无人驾驶飞机等航空器已逐渐走入人们的生活。
然而，为了确保航空器的安全飞行和避免与其他航空器和障碍物的碰撞，航空器自主避障与路径规划技术的研究与应用是至关重要的。
本文将深入探讨航空器自主避障与路径规划技术的研究进展和应用现状。
航空器自主避障技术是指航空器通过感知、判断和决策等过程，自主地避开空中和地面上的障碍物。
这项技术旨在确保航空器飞行路线的安全和避免碰撞事故的发生。
为此，航空器需要配备各种传感器来感知周围的环境，并对传感器获得的信息进行处理和分析，以便做出相应的决策进行避障。
在航空器自主避障技术中，常用的传感器包括激光雷达、摄像头、红外传感器等。
激光雷达可以通过测量激光束的反射时间来获取周围物体的距离和位置信息，从而判断是否有障碍物存在。
摄像头可以通过图像识别和处理算法来检测并识别周围的物体，从而判断是否需要进行避障。
红外传感器则可以检测物体的红外辐射，从而判断是否有障碍物存在。
在感知到障碍物后，航空器需要根据感知到的信息做出决策并选择合适的避障策略。
常见的避障策略包括绕行、避让和避障等。
绕行是指航空器通过调整飞行路径来绕过障碍物，以确保安全通行。
避让是指航空器主动调整航向和高度，以避让其他航空器或避免与其他物体相撞。
而避障是指航空器通过主动避开障碍物的方法来确保安全飞行。
除了自主避障技术，路径规划技术也是航空器安全飞行的重要环节。
路径规划技术可以根据航空器的起点、终点和约束条件等信息，自动计算出最佳的飞行路径。
常见的路径规划算法包括最短路径算法、A*算法和蚁群算法等。
最短路径算法是一种基于图论的算法，通过计算每个节点之间的最短路径来确定航空器的最佳飞行路径。
A*算法是一种启发式搜索算法，它综合考虑了路径的代价和启发函数的估计值，从而找到最佳路径。
蚁群算法则是一种仿生算法，通过模拟蚂蚁在寻找食物过程中的行为，来确定航空器的最佳飞行路径。