飛機(jī)壁板的連接質(zhì)量對飛機(jī)的氣動外形及其疲勞壽命有至關(guān)重要的影響，鉚接作為一種傳統(tǒng)的機(jī)械連接技術(shù),，由于其連接可靠,、質(zhì)量輕、成本低等特點(diǎn)被廣泛用于航空航天領(lǐng)域,，因此鉚接質(zhì)量對飛機(jī)的安全性能有重要的影響,。

采用自動鉆鉚技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)壁板的制孔和鉚接是提高飛機(jī)裝配質(zhì)量與效率的有效途徑。資料顯示,，手工鉆鉚效率平均為15s/ 釘,，自動鉆鉚效率最快能達(dá)到3s/ 釘，效率提高5 倍；手工鉚接鐓頭高度公差為±0.5mm,，自動鉆鉚所形成鐓頭高度公差能達(dá)到±0.05mm,，精度提高10倍。自動鉆鉚設(shè)備按結(jié)構(gòu)形式可分為龍門式自動鉆鉚系統(tǒng),、C 型架式自動鉆鉚系統(tǒng)以及機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng),。前兩種設(shè)備剛性好，精度高,，提供的鉚接力大,，可用于開敞性好的大型結(jié)構(gòu)件的自動鉆鉚；機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)成本低,，運(yùn)動靈活,，空間利用率高，可達(dá)性高,，適用于開敞性差的壁板的自動鉆鉚裝配,。

自動鉆鉚設(shè)備按鉚接驅(qū)動方式又可分為氣動錘鉚、伺服壓鉚和電磁鉚接,。氣動錘鉚結(jié)構(gòu)簡單,，體積小，鉚接力小,，易于集成,，與工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢。伺服壓鉚采用伺服電機(jī)驅(qū)動,，行星滾珠絲杠傳動,，可實(shí)現(xiàn)高精度、大負(fù)載的伺服壓鉚,，較傳統(tǒng)的氣動鉚接具備更高的控制精度與柔性化的速度調(diào)節(jié)能力,，能夠按照設(shè)定的位移曲線或力曲線進(jìn)行加載，目前已成功取代液壓鉚接廣泛運(yùn)用在飛機(jī)裝配中,。電磁鉚接是在電磁成形工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型鉚接工藝,，能夠?qū)崿F(xiàn)鈦合金和復(fù)合材料的連接，以及大直徑和難成形材料鉚釘成形,。

自動鉆鉚技術(shù)起源于20 世紀(jì)50 年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展,，已成為能夠自動完成定位,、制孔、送釘,、鉚接及檢測功能的先進(jìn)制造技術(shù),。國外自動鉆鉚設(shè)備主要供應(yīng)商以美國捷姆科（GEMCOR）、EI（Electroimpact）、德國寶捷（BROETJE）,、意大利B&C（BISUACH & CARRU）為代表,，各公司的典型產(chǎn)品型號及其應(yīng)用情況如表1 所示。此外,，西班牙M.TORRES公司,、法國ALEMA 公司等在自動鉆鉚設(shè)備方面也有自己的產(chǎn)品。

1　GEMCOR公司

GEMCOR（通用電氣機(jī)械公司）是美國最早的自動鉆鉚設(shè)備制造商,，已有超過75 年的歷史,，也是世界各大飛機(jī)制造公司的自動鉆鉚設(shè)備主要供應(yīng)商之一。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,，GEMCOR 已研制出以機(jī)身,、機(jī)翼、發(fā)動機(jī)吊艙等為加工對象的系列化自動鉆鉚系統(tǒng)（見圖1）,。

其中,，機(jī)身自動鉆鉚系統(tǒng)最新型號包括G12、G86 及G2000,。G12 采用全5 軸CNC 系統(tǒng),，集成全電驅(qū)動末端執(zhí)行器、自適應(yīng)控制氣動壓腳,、自動點(diǎn)膠裝置,、自動送釘系統(tǒng)及法向測量與調(diào)整裝置，最大壓鉚力達(dá)到7t,，鉚釘安裝效率19 顆/min,，能夠?qū)崿F(xiàn)長度達(dá)到9.75m 的機(jī)身壁板自動裝配。G86 在G12 的基礎(chǔ)上增加了機(jī)床尺寸及承載能力,，采用G2000的C 型架后可用于半機(jī)身裝配,。G2000 采用7 軸CNC 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)180°半機(jī)身壁板鉚接,。

GEMCOR 機(jī)翼自動鉆鉚系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)中央翼盒,、機(jī)翼前緣等處的多規(guī)格無頭鉚釘?shù)淖詣鱼@鉚。采用“squeeze-squeeze”雙擠壓的鉚接方式,，能夠保證鉚釘沿頂桿方向均勻膨脹,，增加鉚接干涉量，顯著提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,，并獲得良好的密封性,。G14 為GEMCOR 新型機(jī)翼自動鉆鉚系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)翼翼梁及中央翼盒等特定機(jī)翼部件的裝配,，如圖2 所示,。

此外,，GEMCOR 還研制了發(fā)動機(jī)短艙自動鉆鉚系統(tǒng)和機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)短艙鉆鉚系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機(jī)短艙處多規(guī)格材料的鉚接,，包括鉻鎳鐵合金,、鈦合金以及碳纖維復(fù)合材料等。GEMCOR 機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)采用雙編碼器與視覺再同步技術(shù)提高機(jī)器人運(yùn)動精度,，從而滿足飛機(jī)機(jī)身,、登機(jī)門等飛機(jī)部件的自動鉆鉚裝配。

2　EI公司

EI 公司成立于1986 年,，以低壓電磁鉚接技術(shù)為核心,，研制了一系列的自動鉆鉚系統(tǒng)，并已廣泛運(yùn)用在飛機(jī)裝配中,。經(jīng)過30 年的發(fā)展,，EI已經(jīng)成為世界自動裝配領(lǐng)域最具競爭力的公司之一。其開發(fā)的自動鉆鉚系統(tǒng)包括E3000~E7000 系列及機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng),。

E3000~E7000自動鉆鉚系統(tǒng)

E3000 是專用于飛機(jī)翼梁自動裝配生產(chǎn)線ASAT（Automatic SparAssembly Tool）上的自動鉆鉚系統(tǒng),。為滿足不同飛機(jī)機(jī)翼裝配需求，EI 已經(jīng)研制出6 套自動翼梁裝配生產(chǎn)線ASAT1-ASAT6,，最新的ASAT6 能夠兼容包括鈦合金高鎖螺栓,、有頭鉚釘、無頭鉚釘及航空螺母等100 多種緊固件,，極大地提高了機(jī)翼翼梁裝配效率,。E3000 采用一次裝夾夾具（One-up AssemblyFixture），集成BUCA 夾緊系統(tǒng)（BUCA Clamp-up System）,、自動送釘技術(shù),、孔檢測技術(shù)、電磁鉚接技術(shù)EMR(Electromagnetic Riveter) 等,， 能夠完成機(jī)翼翼梁的高精度裝配,。

E4000 系列自動鉆鉚系統(tǒng)用于空客A320、A340,、A380 等飛機(jī)機(jī)翼壁板的自動鉆鉚裝配,，其加工對象為NAS1321AD 系列無頭鉚釘、ABS0550VHK 高鎖螺栓以及EN6114螺栓,。E4000 和E4320 用于空客A320 的機(jī)翼裝配,，E4320 是E4000 的發(fā)展型號，該設(shè)備采用新型低壓電磁鉚接設(shè)備LVER（Low-Voltage Electromagnetic Riveting）,，無頭鉚釘安裝效率為12 顆/min,，高鎖螺栓及螺母安裝8 顆/min。

E4150Flex 能夠?qū)Τ^30 種不同類型的機(jī)翼進(jìn)行自動鉆鉚裝配,，具備高速,、高柔性的特點(diǎn)。E4100 用于連接機(jī)翼縱梁和機(jī)翼壁板,，以及完成機(jī)翼搭接接頭處的緊固件連接,，實(shí)現(xiàn)空客A340-600 機(jī)翼上下壁板的裝配。E4380 在前期E4000 系列機(jī)床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,，增加了一個(gè)Z 軸,，A 軸和B 軸的最大行程達(dá)到±15°，能夠?qū)崿F(xiàn)大曲率壁板自動鉆鉚裝配,，最大緊固件連接直徑達(dá)12.7mm,，用于空客A380 機(jī)翼裝配，如圖3 所示,。

E5000 用于波音787 機(jī)身整體桶段的自動鉆鉚裝配,。由于機(jī)身整體桶段開敞性差，體積,、重量較大,，變形嚴(yán)重，且緊固件類型復(fù)雜,，為此優(yōu)化鉚接作業(yè)空間,，采用內(nèi)外兩個(gè)分離式的鉚頭，通過一套CNC 控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制,，實(shí)現(xiàn)機(jī)身的高精度裝配,。此外，采用偏心式鉚頭設(shè)計(jì),，增加末端執(zhí)行器的可達(dá)性,，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉚接設(shè)備無法完成的鉚接。

E6000 為新一代機(jī)翼自動鉆鉚系統(tǒng),，相比于E4000,，其速度更快，重量更輕,，采用最新的LVER 技術(shù),，能夠?qū)崿F(xiàn)對無頭鉚釘16 顆/min 的鉚接速度。支線客機(jī)ARJ21 的機(jī)翼自動裝配系統(tǒng)采用的便是E6000,。

E7000是EI 為滿足土耳其航空對于大曲率壁板高速裝配而研制的最新龍門式機(jī)身自動鉆鉚系統(tǒng)（見圖4）,，號稱世界上最快的自動鉆鉚設(shè)備，其無頭鉚釘鉚接速率達(dá)到20顆/min,。采用FANUC 定制數(shù)控系統(tǒng)及全伺服驅(qū)動定位器,，不僅能實(shí)現(xiàn)高精度位置控制鉚接，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)可靠的力控制鉚接,；研制的鉚釘自動排除裝置,，增加了系統(tǒng)的可靠性,；設(shè)計(jì)了鉚釘未入孔檢測裝置，防止對壁板造成損傷,；并優(yōu)化了法向測量,、鉚釘長度檢測、鐓頭高度檢測等智能檢測功能,。

機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)

伴隨著工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展,，機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)在航空制造領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。EI 早在2001 年就研制了一套機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)ONCE（One-sided CellEnd Effector）,，用于波音F/A-18E/F 的機(jī)翼后緣襟翼的制孔和锪窩,。并于2008 年研制出一臺用于波音787 機(jī)翼后緣裝配的自動鉆鉚機(jī)器人。此后又分別在2012 年和2014 年推出新型機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng),，用于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼,、機(jī)身部段、襟翼等其他飛機(jī)部件的高精度制孔,、檢測與鉚接,。該機(jī)器人采用第二反饋系統(tǒng)，高階動力學(xué)模型以及集成式CNC 系統(tǒng),，使得機(jī)器人定位精度達(dá)到±0.25mm,，滿足飛機(jī)裝配精度需求。此外,，優(yōu)化設(shè)計(jì)多功能末端執(zhí)行器,，實(shí)現(xiàn)工件單側(cè)夾緊、自動法向調(diào)整,、真空排屑,、自動送釘、高精度制孔與鉚接等先進(jìn)功能,，極大地?cái)U(kuò)展了機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)功能,，如圖5 所示。

3　BROETJE自動化公司

BROETJE 自動化公司是全球航空航天領(lǐng)域自動鉆鉚設(shè)備的主要供應(yīng)商之一,，其自動鉆鉚設(shè)備功能強(qiáng)大,，種類齊全，廣泛運(yùn)用在空客,、波音的裝配生產(chǎn)線上,，國產(chǎn)大飛機(jī)C919機(jī)身壁板裝配采用的就是BROETJE的MPAC 自動鉆鉚系統(tǒng)。

BROETJE 公司已形成多功能自動鉆鉚設(shè)備體系,，包括MPAC（MultiPanel Assembly Cell） 通用壁板裝配單元,、IPAC（Integrated PanelAssembly Cell）集成式壁板裝配單元、CPAC（C-frame Panel AssemblyCell）C 型架式壁板裝配單元,、RACe（Robot Assembly Cell）機(jī)器人裝配單元,、WPAC（Wing Panel AssemblyCell）機(jī)翼裝配單元等多種壁板自動鉆鉚系統(tǒng),。其中MPAC 最具代表性，能夠適應(yīng)不同類型飛機(jī)壁板的裝配,，該系統(tǒng)采用全電驅(qū)動鉚接系統(tǒng)（AEFS）,、智能化緊固件輸送系統(tǒng)、柔性工裝等先進(jìn)制造技術(shù),，保證飛機(jī)壁板的高速、高精度裝配,。AEFS 能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)部件諸如壁板,、桁條、框,、筒段等部件的自動鉆鉚,，相比于傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動鉚接，其加工范圍更廣,、無泄漏危險(xiǎn),、維護(hù)性更好、鉚接效率更高（17 顆/min）,。智能化緊固件輸送系統(tǒng)能夠避免卡堵現(xiàn)象,，降低設(shè)備停機(jī)成本；儲料盒采用電子編碼牌,，紀(jì)錄儲料盒中的緊固件信息（型號,、直徑、長度等）,，實(shí)現(xiàn)緊固件全自動加載,；此外，采用智能檢測裝置,，能夠?qū)崟r(shí)檢測儲料盒中緊固件的數(shù)量,，防止出錯(cuò)（見圖6）。

BROETJE 在機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)方面也實(shí)現(xiàn)了很大突破,。2009 年,，BROETJE 采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人，為歐洲直升機(jī)公司（Eurocopter）研制了一臺飛機(jī)貨艙門自動鉆鉚裝配系統(tǒng)RACe,。RACe 在KUKA KR360工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上,，通過機(jī)器人校準(zhǔn)及壓力補(bǔ)償、網(wǎng)格補(bǔ)償,、溫度補(bǔ)償,，使得機(jī)器人的定位精度提高到±0.3mm。采用新型多功能末端執(zhí)行器,，集自動制孔,、涂膠,、送釘、鉚接功能于一體,，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)貨艙門高效率自動鉆鉚裝配,。該系統(tǒng)最大壓鉚力達(dá)到3t，自動鉆鉚循環(huán)時(shí)間為10.25s,。

我國早在20 世紀(jì)70 年代初就對自動鉆鉚設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)研制工作,，包括沈飛、哈飛及北京航空制造工程研究所等,，但受限于工業(yè)水平,，所研制的自動鉆鉚設(shè)備存在諸多缺陷，使得其無法在航空制造領(lǐng)域廣泛運(yùn)用,。80 年代后期隨著改革開放與轉(zhuǎn)包生產(chǎn)模式的發(fā)展,，國內(nèi)各大航空制造廠開始引進(jìn)國外的自動鉆鉚設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上與國內(nèi)高校合作進(jìn)行自主研發(fā),，取得了一定的成果,。如西飛公司引進(jìn)了GEMCOR 公司G4026SXX-120 自動鉆鉚機(jī)，并在1995 年與西工大聯(lián)合研制了機(jī)翼托架系統(tǒng),。成飛公司在引進(jìn)G4026 型自動鉆鉚機(jī)后,，與西南交大聯(lián)合開發(fā)了數(shù)控托架系統(tǒng)。隨著新支線客機(jī)ARJ21,、國產(chǎn)大飛機(jī)C919 等新飛機(jī)的研制與生產(chǎn),，以及更廣泛的國際合作，國內(nèi)自動鉆鉚技術(shù)迎來新的發(fā)展機(jī)遇,，浙大,、北航、南航,、哈工大,、西工大等國內(nèi)各大高校及相關(guān)飛機(jī)制造商對自動鉆鉚技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并取得了一定的成就,。如北航2011 年將機(jī)器人與自動鉆鉚技術(shù)相結(jié)合,，開發(fā)了用于飛機(jī)部件自動裝配的機(jī)器人制孔系統(tǒng)。成飛2013 年成功研制出塔式五軸數(shù)控法向鉆鉚系統(tǒng),。南航2014 年采用龍門結(jié)構(gòu),，設(shè)計(jì)了POGO 柱托架調(diào)姿系統(tǒng)，并在UMAC 控制器的基礎(chǔ)上開發(fā)了自動鉆鉚機(jī)的控制系統(tǒng),。上海拓璞數(shù)控依靠在五軸數(shù)控加工領(lǐng)域的多年經(jīng)驗(yàn),，與上海交通大學(xué)合作，于2015 年成功研制出中央翼自動鉆鉚設(shè)備（見圖7），該設(shè)備集法向測量與調(diào)整,、自動涂膠,、多規(guī)格自動送釘、力/ 位伺服壓鉚等功能于一體,，能夠?qū)崿F(xiàn)對中央翼上壁板處無頭鉚釘?shù)乃欧恒T,，其最大壓鉚力能夠達(dá)到10t，自動鉆鉚循環(huán)效率達(dá)8s/ 顆,。

總地來說,，雖然我國在自動鉆鉚技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)過多年的發(fā)展取得了顯著的進(jìn)步，但由于缺乏對自動鉆鉚技術(shù)的系統(tǒng)研究及高精度機(jī)床制造水平較低,，所研制的自動鉆鉚設(shè)備精度低,、穩(wěn)定性差、可靠性無法保證,，因此還沒有廣泛應(yīng)用到實(shí)際的飛機(jī)裝配中，國內(nèi)自動鉆鉚技術(shù)從研制到實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走,。

摘自《航空制造技術(shù)》雜志,，原題目：飛機(jī)自動鉆鉚技術(shù)研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)