一种应用于飞机内襟翼前后梁的三轴制孔设备研究与应用

一种应用于飞机内襟翼前后梁的三轴制孔设备研究与应用

郭峰,周健,彭超,陈程,李莹,吴远东

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089

摘要：开发了应用于内襟翼前后梁的三轴制孔设备，设备通过挂载到产品工装上实现装配制孔。三轴制孔设备采用轻量化设计，结构紧凑，布置方便。设备包括工装导轨系统、三轴运动机构、制孔末端执行器、设备控制系统与软件系统。本文提出了设备的设计方案，并对关键参数进行设计和校核， 实现方案的设计和关键器件选型。最后，通过制孔实验测试了设备的精度和稳定性，满足使用要求，实现了内襟翼前后梁的自动化制孔。

关键词：三轴制孔设备；工装；自动化制孔；参数校核

内襟翼作为飞机的一个关键重要部件，它的作用主要是提高飞机起飞、降落、转弯过程稳定性的一个部件，内襟翼制造质量的好坏会影响到飞机操作性能和乘坐舒适性。所以内襟翼在设计制造过程中对其外形有严格的控制要求，且分析得知外形主要超差区域主要分布在前、后梁位置，那么前、后梁组件的装配质量对飞机的气动性能及整体性能有着至关重要的影响，通过自动化制孔提高内襟翼前、后梁组件连接质量和效率对于提高飞机装配技术水平具有巨大意义。

文献[1]分析了国内外自动制孔的应用趋势，研究现如今机身壁板自动制孔设备的关键技术，在机身尾端壁板及部件上应用研究了机床的精密制孔；文献[2]开发了便携式变参数自动进给设备，同时探究合适的钻削工艺方案并将其与设备结合，给出了一套狭小空间高质高效自动化制孔解决方案；文献[3]通过自动制孔设备，解决了传统制孔工艺方法效率和精度相对较低的问题，提高自动化水平，并将其应用到飞机装配过程，将压紧力、主轴转速、进给速度等加工参数数字化，还解决了产品制孔过程中变形，产品孔位信息导入繁琐等问题。

由于受到产品结构和生产空间等因素的限制，内襟翼前、后梁制孔主要依赖人工制孔。本论文把三轴制孔设备挂载到工装上，通过工装上的轨道实现设备入位，实现了前后梁的自动化制孔，提升制孔的效率、精度和质量稳定性。设备布置灵活，通过改造现有工装即可应用，不需要占用新的生产场地；设备使用简单，操作方便，通过软件上的一键按钮，即可高效保质制孔，对工人技能要求低；设备制孔一次成形，无需制小孔、终孔、铰孔的过程，提升了制孔效率。本项目的三轴制孔设备以其灵活布置、不占用新的生产场地、方便应用的特点，提升自动化覆盖率，实现装配生产的提质增效。

1 制孔设备的总体规划

基于对内襟翼前、后梁组件及工装的分析，提出移动式三轴自动制孔解决方案，该方案包括工装导轨系统、三轴运动机构、制孔末端执行器、设备控制系统与软件系统。

工装导轨系统主要由2根高精度直线导轨、导轨滑块以及4组零点定位装置和4套导轨制动钳组成。提供制孔设备的水平运动定位并锁紧，为整个制孔设备提供稳固的支撑基础。通过如图1所示的底板锁紧孔和调节螺纹孔处的螺钉利用一顶一拉的原理来调整两根导轨安装底板的垂直度，再通过底板顶紧调整块的顶紧螺钉和底板拉紧固定块处的螺钉同样利用一顶一拉的原理来实现导轨安装底板的平行度调节。当平行度和垂直度调整满足导轨安装要求后，可以通过焊接的方式将到导轨安装底板和工装固定，也可以通过螺接的方式固定，不过需要在工装上加工数量众多的螺纹孔。

图1 工装导轨系统结构图

XYZ三轴运动机构主要由设备底座、X轴、Y轴、Z轴、X轴直线导轨滑块组合等组成。机构中的XYZ三轴均由高精度直线模组构成，直线模组由伺服电机驱动高精度滚珠丝杆实现高精度的直线传动运动，保证制孔时的孔位精度。XYZ三轴运动机构主要作用是实现制孔末端执行器在行程范围内的水平运动，X轴为工件长度方向的进给，Y轴为工件宽度方向的进给，Z轴为工件厚度方向的进给，并为制孔末端执行器提供安装基础。

图2  XYZ三轴运动机构

制孔末端执行器安装在XYZ三轴运动机构上，它是三轴自动制孔设备的核心部件，主要由气动主轴、吸尘模块、视觉模块、进给气缸、排屑管道、末端底座等组成。制孔末端执行器集成了基准孔视觉找正、自动排屑等功能模块可实现钻孔加工。制孔末端采用无级调速的气动主轴代替传统的电主轴，可大大减轻制孔末端的整体重量和体积，同时工作安全，防爆，操作简便，使用寿命长，维修成本低。

集成工艺管理软件是自动制孔工艺的控制中枢，运行于上位机，软件可根据加工程序对设备发出指令，实现拍照、位置补偿、钻孔功能。软件实时显示了加工相关的工艺参数和设备状态，操作员可以修改对应的工艺参数或更改设备参数。软件提供了数据库存储功能，可将加工数据和操作实时采集并存储到数据库。

2 关键参数设计与校核

2.1 三轴运动机构的设计与校核

三轴运动机构选用用高精度直线模组其滚珠丝杆直径=15mm，导程=10mm，传动效率为0.9，额定动载3140N，额定静载6760N,精度为±0.01mm。

滑动负载部分质量M=23Kg，速度V1=1m/min，丝杆长度

=0.5m，丝杆直径=0.01m, 联轴器质量=0.06kg，联轴器直径=0.03m，摩擦系数μ=0.1，移动距离L=0.3m，机械效率η=0.9，定位时间t=1s，加减速时间比A=50%，外力=0N,移动方向与水平轴夹角a=90°；

① 加速时间=t*A=0.5s

②电机转速= V1/=100rpm

③负荷转矩计算：

轴向负载F=                      =225.4N

负载转矩   =    =0.4Nm

④克服惯量的加速转矩计算（也称做：启动转矩）：

直线运动平台与负载惯量           =5.8294E-05 kgm²

滚珠丝杠惯量              =1.57055E-05 kgm²

连轴器惯量          =0.00000768 kgm²

总负荷惯量              =8.1645E-05 kgm²

启动转矩                =0.0022545Nm 

⑤必须转矩计算：             =1.2025Nm

⑥ 电机选择：根据计算，初步选定德国KEBA伺服电机，电机额定转矩1.22Nm＞要求，电机转动惯量2.5E-05 kgm²。

⑦负荷与电机惯量比：I==8.855713 E-05/2.5E-05≈3.3，满足要求。

2.2 制孔主轴切屑力计算

主轴切削力核算选用材料：7075，硬度：150HB，刀具材料：硬质合金。 制6的载荷计算： 初选主轴转速范围：3000r/min~5000r/min；初选进给量范围：300mm/min~500mm/min；初选气缸的进给量：300mm/min，则。

钻孔时轴向力的计算

加工材料7075，其硬度为150HB，刀具材料为硬质合金，

。

kF的选择：

选kMF 0.9 ，kxF  1.33，kVBF 1.0 。

将各参数代入计算公式得：

F  32061.2 0.10.75 (0.91.331.0)  584.82N

钻孔时转矩的计算

计算公式      

加工材料7075，其硬度为150HB，刀具材料为硬质合金，查表得：

系数CM   0.098，zM  2.2 ，yM  0.8。

选kMM0.9，kxM1.0，kVBM1.0。

将各参数代入计算公式得：

M  0.098 62.2  0.10.8 (0.91.01.0)  0.72N m。

3 实验验证

将三轴制孔设备挂载至内襟翼横梁工装上， 采用Φ4.21mm的刀具，5mm厚测试件制孔，测试件材料2A12-T4铝合金。制孔加工参数：

钻孔转速：4000rpm

锪窝转速：2000rpm

线速度：53m/min

进给速度：250mm/min

夹紧力：200N

测试件连续制孔40个，使用0.005mm精度的高精度蓝光扫描仪测量孔的参数，测量值如表1所示：

图3 孔径、法向检测试板

表1  测试板制孔数据

测试板单板制孔40个，法向角度波动为0.3423°，其中最大法向角度为90.4658°，满足法向角度≤0.5°的要求，孔径4.21H9（0.03），实测孔径最大4.2283，满足制孔精度H9要求。

4 结  论

(1) 三轴制孔设备直接挂载到现有制孔工装上，方便应用、不占用新的空间、布置方便，实现了内襟翼横梁自动化制孔。

(2) 通过整体结构和制孔末端的轻量化设计，挂载三轴制孔设备后工装的稳定性可控，不影响产品的制孔精度。

(3) 经过实验验证，设备的制孔质量和稳定性满足使用要求，可推广应用于产品生产。

参考文献：

[1]周新宇. 机身尾段上自动制孔技术的应用研宄[D]，沈阳：沈阳航空航天大学，2020.

[2]王小鞑. 便携式变参数自动进给钻设备开发[D]，大连：大连理工大学，2020.

[3]李海伟，潘新，张辉等. 自动制孔技术在某飞机装配中的应用研究[J] . 航空制造技术，2021(21)：84-89.