飞机梁类产品高效制孔技术研究与应用

飞机梁类产品高效制孔技术研究与应用

陈彩虹

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市阎良区710089

摘要：本文提出了一种用于飞机内襟翼梁类产品自动制孔的三轴制孔设备，设备通过工装导轨系统安装在通用平台上实现装配制孔。三轴制孔设备采用轻量化设计，结构紧凑，操作简单。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，并通过制孔实验确定了最优的制孔参数，保证了制孔效率和质量，实现了飞机梁类产品自动化制孔。

关键词：三轴制孔设备；通用平台；梁类产品；自动制孔

1  引言

飞机内襟翼的制孔部分对襟翼的设计装配制造过程十分重要，制孔是一种机翼表面的细小缝隙或小孔，通常位于襟翼的内襟翼前、后梁组件部分。制孔的设计允许大量的空气流过襟翼并附着在机翼上，从而延迟失速的发生，使飞机在慢速飞行状态下更加稳定[1]。这对于降落过程中的安全性和稳定性非常关键，襟翼制孔技术在现代航空界中扮演着不可或缺的角色，为飞机的飞行提供了更大的灵活性和安全性。采用自动化制孔技术，提升内襟翼前、后梁组件的装配制造效率和质量，这将显著提高整体飞机装配技术的水平，这对我们的飞机设计装配而言具有极为重要的意义[2]。

由于受到产品结构和生产空间的限制，内襟翼前、后梁的制孔通常需要依赖人工操作。针对此问题，本文通过将自主设计的三轴制孔设备安装在通用平台上，利用平台上的轨道实现设备的精确定位，从而实现了前后梁的自动制孔，显著提高了制孔的效率、精度和质量一致性。这套设备结构设计紧凑轻便，操作简单，只需点击软件上的一键按钮，即可高效率高质量制孔，对工人技能要求低，并且提高了制孔效率，提升自动化覆盖率，实现装配生产的提质增效。

2  三轴制孔设备结构

2.1 三轴制孔设备的总体结构

制孔设备整体结构如图1所示，其主要包括工装导轨系统、三轴运动机构、制孔末端执行器、设备控制系统与软件系统。制孔站位为卧式加工形式，4个待加工产品并排布置在通用平台上。三轴设备底座安装在通用平台上，X/Y/Z三方向均可实现自动移动，制孔末端可沿通用平台X/Y方向自动制孔。

图1 制孔设备整体结构图

2.2 工装导轨系统

工装导轨系统为设备提供坚固的支撑基础，主导轨的一侧装有齿条安装面，采用X轴齿条传动系统，使制孔设备能够在X轴方向上自由移动到任意位置进行制孔。制孔设备与导轨连接处装有X轴齿轮、齿条、减速机、电机、驱动、拖链以及底座等组件，使其能够在X轴全行程上运动。

图2  工装导轨系统结构图

2.3 XYZ三轴运动机构

XYZ三轴运动机构如图3所示，其主要由设备底座、辅助侧底座、X轴齿轮齿条驱动零件及底座、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，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，沿着Y轴方向，产品可以4个并排布置，Y轴行程约为900mm左右，Y轴增加辅助导轨，增强Y轴驱动抗弯刚度。导轨滑块通过支架和Z轴底座安装板连接，增强Z轴底座抗弯刚度，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3  XYZ三轴运动机构

2.4 制孔末端执行器

制孔末端执行器如图4所示，安装在XYZ三轴运动机构上，是三轴自动制孔设备的关键组成部分。它包括气动主轴、吸尘模块、视觉模块、进给气缸、排屑管道和末端底座等核心元素。该制孔末端执行器整合了基准孔视觉定位、刀具冷却润滑和自动排屑等功能模块，以实现高效的钻孔加工。与传统的电主轴相比，制孔末端采用了无级调速的气动主轴，减轻了整体重量和体积，同时具备安全、防爆、简便操作和长寿命等特点，同时维修成本也更低。

图4  制孔末端执行器

2.5 设备控制系统

自动制孔设备控制系统主要由集成工艺管理软件系统，KEBA运动控制系统，人机交互及检测显示单元等组成。其他功能模块包括智能相机视觉模块，超低温油雾冷却与润滑模块，碎屑抽吸单元模块，主轴转速测量模块等。控制系统组成及通信原理如图5所示。

图5  控制系统组成原理图

2.6设备软件系统

自动制孔设备软件系统由离线编程及仿真软件和集成工艺管理软件组成。本系统离线编程与仿真软件运行于高性能图形工作站，根据CATIA/DELMIA二次开发，通过与CATIA/DELMIA进行交互式操作，提取工件模型的点位信息，根据用户需求生成和排序路径，经过基准孔补偿，生成可供设备加工的程序代码；根据生成的程序代码，在DELMIA环境中实现自动仿真和碰撞检测。

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。

3  三轴制孔设备自动制孔工艺过程及工艺参数

三轴制孔设备自动制孔工艺过程如下：

（1）设备自检初始化，通过校刀台进行设备校准（设备回零），在试刀板上试刀，人工检验孔的质量，确认合格后，转入工件制孔；

（2）制孔前，设备根据离线编程及仿真软件生成的孔位坐标，在相机的辅助下，检测每个基准孔的位置，并对所有需要加工的点位进行预走，检测设备末端执行器的可达性和孔位的大致位置。在对所有需要加工的点位完成预走之后，开始设备制孔；

（3）加工子程序控制末端执行器按编程设定的顺序及参数完成本工位同一孔径孔的加工。具体过程为：控制系统处理基准孔检测结果后，控制末端执行器移至该零件上所要制孔的正前方，气动主轴正转，进给气缸通过稳速器实现匀速的进给制孔，待刀具伸出工件另一侧外，气动主轴作短暂停留后退离回零，末端执行器移至另一孔位进行加工，直至完成该工件上所有孔的加工；

（4）重复上述工艺过程依次完成本工位其他相同孔径孔的加工，直至完成该工位程序所设定的所有孔的加工。

为获取最优制孔工艺参数，通过在试板上进行4组不同工艺参数的试验，最终得出，针对3mm厚7050-T7451材料和1.6～2mm厚2024-T3材料叠层平板制孔的最优制孔参数如下：

4  结论

（1）梁类产品三轴制孔设备集成“基准孔视觉定位、刀具冷却润滑、自动排屑”等自动制孔功能。该设备布置灵活，操作简单，只需点击软件上的一键按钮，即可高效而精准地进行制孔，显著提高制孔的效率、精度和质量一致性，实现装配生产的提质增效。

（2）通过试验确定并固化了一套可靠的设备自动制孔参数，减少了因人工操作不规范、钻模定位不当、工具使用错误等原因造成的产品质量问题。

（3）经过实验验证，我们的制孔设备在制孔质量和稳定性方面均符合使用要求，可广泛应用于产品生产。

进一步的工作将研究该制孔设备在其它飞机产品高效制孔上的应用，向更加自动化的方向发展研究。

参考文献：

[1]王春岩.某型飞机襟翼结构分析与装配设计[J].中国科技信息,2023(14):38-41.

[2]陈帅,刘绪乐,陈磊. 一种应用于飞机装配制孔的紧凑型末端执行器[J].现代制造技术与装备,2023,59(04):80-82.