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[摘 要]某型机活动翼面加工区域比较广，分为了14个组件，制孔任务繁重，且各组件材料为复合材料，依靠手工制孔效率低，并且加工精度难以保证，需采用自动制孔技术进行产品加工。如果采用专用机床费用昂贵，在此背景下提出采用机器人制孔系统加工活动翼面组件的自动制孔技术。
[关键词]活动翼面;复合材料;自动制孔技术;机器人制孔系统
[中图分类号]V262.4 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–00–02
[Abstract]The processing area of the movable wing surface of a certain type of aircraft is relatively wide， which is divided into 14 components. The drilling task is heavy， and the component materials are composite materials. The manual drilling efficiency is low， and the processing accuracy is difficult to guarantee， so the automatic drilling technology is needed for product processing. If it is expensive to use special machine tools， this paper proposes a set of automatic drilling technology of robot drilling system for machining movable wing components.
[Keywords]movable wing; composite material; automatic drilling technology; robot drilling system
1 活动翼面自动化制孔方案
活动翼面组件的自动化制孔工艺流程需要包含前期准备：骨架的连接和安装，蒙皮安装以及临时紧固钉的安装。在自动制孔过程中涉及基准孔找正、自动化加工、自动换刀、自动测孔，在自动制孔完成后，还要进行清理、补铆、涂胶等工作。
1.1 准备
按照活动翼面自动化制孔工装布局，在传统工装骨架上，建立相应的坐标位置快速匹配基准孔。在制孔控制系统中，以配置文件的形式记录工装匹配基准孔在产品坐标下的三维空间位置。按照活动翼面自动化制孔工装布局，以产品坐标系统为机器人工件坐标系，建立机器人工件坐标与机器人基坐标系统的关系。在制孔控制系统中，以配置文件的形式记录该关系矩阵及工装匹配基准孔在机器人机器坐标系下的三维空间位置。对于每个制孔终端执行器，建立机器人工具坐标系与机器人基坐标系统之间的关系;在制孔控制系统中以配置文件的形式记录该终端执行器对应的机器人工具坐标系与机器人机器坐标系统之间的关系。
1.2 机器人移动和定位
将机器人制孔系统移动到产品工装旁边设置好的位置;按定位操作规程完成机器人制孔系统的定位及其与地面的连接;接上电源、气源，启动机器人制孔系统，根据制孔终端执行器编号、制孔对象类型配置机器人工作坐标系;运行制孔系统位置校准程序，让机器人视觉系统自动测量工装上相应的匹配基准孔，结合基准孔在机器人机器坐标系下实测位置值、标定值及基准孔在工件坐标系统的标定值，快速检查并校准机器人的工件坐标系。
1.3 人工制参考孔及预连接孔
根据某飞机活动翼面连接孔孔位布局形式及产品的结构，以梁、肋为制孔分区依据，对不同翼面的制孔部位进行分区。每区首末端各设置一个孔位为参考点以适应梁、肋的轴线装配偏差，翼面上每300 mm左右设置1个预连接孔以实现制孔零件夹层的紧密贴合。参考孔与预连接孔的孔径应小于终孔1 mm以上。离线编程时，按此原则定义参考孔和预连接孔定义文件。根据参考孔定义文件，人工制作参考孔;制参考孔时要根据梁、肋的装配位置合理控制孔边距;编辑并修改参考孔定义文件，以符合现场实际装配关系。根据预连接孔定义文件，制预连接孔并用紧固件在预连接孔位将制孔零件紧密连接;编辑并修改参考孔定义文件，以符合现场实际装配关系。
1.4 基准孔孔位测量
依据离线编程生成的基准孔测量程序，通过程序运行，利用末端执行器上的相机找正模块，即可以排到基准钉的坐标值，从而保存在数控系统中，用于与理论值进行对比和修正。
1.5 孔位修正
可选择程序修正功能，根据参考孔测量报告文件和预连孔定义文件进行孔位统一修正，形成新的制孔程序并在修正过的文件中加注相应标志。如果参考孔、预连接孔的实际选取与离线编程有区别，则需根据参考孔测量报告文件和预连接孔定义文件，以原始的区块制孔程序，重新标记自动参考孔、预连接孔制孔程序。
1.6 自动化标记制孔孔位
以标记模式运行制孔程序，载入参考孔测量报告文件（有自动载入/人工载入两种模式）。对于相应的制孔区域，制孔控制系统首先检查是否有合适的参考孔测量信息，如缺少参考孔测量信息，系统会提示用户去测量参考孔或载入参考孔测量报告文件或放弃孔位修正继续操作。如果有合适的参考孔测量信息，系统会根据参考孔测量信息建立孔位修正模型，然后進行孔位标记操作（包括终端执行器定位、法向测量和自动调整、孔位标记等操作）。机器人对终端执行器定位时，会根据孔位修正模型逐点修正制孔孔位。完成修正后，自动生成修正过的制孔程序。完成孔位标记后，应检查孔位布置情况并提出孔位修正建议，并根据建议修改编辑参考孔定义文件，重新进行孔位标记。 1.7 自动化制孔
以制孔模式运行经过孔位修正的制孔程序，制孔控制系统将逐孔指挥机器人及终端执行器完成自动换刀、终端执行器定位、法向测量、自动调整、旋转主轴、压脚压紧、分阶段进给、窝深控制及快速退刀等操作完成制孔任务。
2 自动制孔设备设计
2.1 工业机器人
工业机器人具有六关节六个自由度，能在其可达空间内将制孔终端执行器定位到任意空间位置，并调整制孔终端执行器的空间姿态。根据产品特点对制孔空间适应性、工作范围及制孔所需有效载荷等要求，选用德国KUKA公司的KR360-3 L280-3型工业机器人。
KR360-3L280-3型机器人是KUKA公司的一款重载、高精工业机器人，主要用于重载堆垛、焊接、机械加工等工业领域。机器人系统包括机器人硬件、控制器及控制软件、手持式人机界面三个部分。其性能参数见表1。
KUKA KR360-3L280-3型机器人为6旋转关节串联机器人，通过6个关节的伺服运动，可以精确实现其末端的三维空间定位及空间运动轨迹。它由机器人底座、机械臂、手腕、末端法兰、平衡装置组成（图1）。
2.2 末端执行器
末端执行器是自动制孔设备的核心部件，是加工精度、可靠性的保证。末端执行器包含了制孔主轴、法向测量装置、压紧装置、相机找正单元，同时集成了吸尘装置以提高产品加工质量。具备制孔、锪窝、孔径、窝径检测等功能。本文设计的自动制孔系统，孔径精度达到H9，窝深可以达到±0.05 mm以内。能够实现200～5 000 r/min的自动制孔转速。
3 自动制孔设备应用
3.1 应用于活动翼面的制孔方案
活动翼面的制孔区域主要集中在蒙皮部分，包含了上下翼面与前后梁、肋等的骨架部分的连接。用图2说明其自动化制孔布局方案，梁、肋和接头的定位工装基本上不变，要求工装调整水平并且与车间地面固定连接，增加移动式自动化制孔设备。
选用Kuka重载精密工业机器人（KR360L280-3）在进行规划布局时，保证机器人活动范围能够覆盖壁板上的制孔区域，采用两台相互独立且顺次工作的机器人制孔系统，1台机器人可以在6个不同位置定位，完成自动化制孔。
3.2 实现活动翼面自动化制孔的车间布局
通过自动制孔单元布局，结合车间空间以及多个活动翼面的制孔需求，通过在车间统一规划，配备能源与电气接口，根据生產节拍以及产品数量，规划整个车间布局。为了保证制孔效率，建议至少配置2台移动式自动化制孔设备，设备在车间地面相对固定。设备和工装布局也可以由甲方根据车间使用情况自行定义，只要考虑到设备移动和相对定位的要求即可。
3.3 加工范围仿真
通过Delmia的仿真分析，对14个活动翼面产品制孔，机器人加工范围总结见表2，内主襟翼及外主襟翼的加工时，有较多孔位不能完成，其余工件制孔率均较高。
4 结论
目前该方案已经应用于某机型活动翼面的自动制孔，其加工质量和稳定性相对于人工制孔得到了大幅度提高，可以提高制孔效率50%，降低产品缺陷90%以上。通过应用，深入掌握了面向自动制孔的工艺装备设计、工艺流程规划、自动化加工过程控制、自动化仿真等技术。面对目前国内装配技术还是主要靠人工的现状，本文研究的制孔技术不仅能够用于国内大型飞机活动翼面的自动制孔技术，还缩短了与国外技术的差距，具有重要的战略意义。
参考文献
[1] 罗群，黄敏，杨超.自动制孔接触式法向调平结构应用试验研究[J].航空制造技术，2018，61（20）：69-77.
[2] 刘顺涛，陈雪梅，郭喜锋，等.飞机蒙皮自动制孔工艺设计研究[J].制造业自动化，2017（4）：87-90.
[3] 陈海峰，李海伟，徐戬，等.自动制孔设备在某飞机尾翼装配中的应用研究[J].航空制造技术，2015（10）：68-72.
[4] 刘军.机器人自动制孔技术在飞机装配中的应用[J].航空制造技术，2014（17）：104-107.
[5] 卜泳，许国康，肖庆东.飞机结构件的自动化精密制孔技术[J].航空制造技术，2009（24）：61-64.
[关键词]活动翼面;复合材料;自动制孔技术;机器人制孔系统
[中图分类号]V262.4 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–00–02
[Abstract]The processing area of the movable wing surface of a certain type of aircraft is relatively wide， which is divided into 14 components. The drilling task is heavy， and the component materials are composite materials. The manual drilling efficiency is low， and the processing accuracy is difficult to guarantee， so the automatic drilling technology is needed for product processing. If it is expensive to use special machine tools， this paper proposes a set of automatic drilling technology of robot drilling system for machining movable wing components.
[Keywords]movable wing; composite material; automatic drilling technology; robot drilling system
1 活动翼面自动化制孔方案
活动翼面组件的自动化制孔工艺流程需要包含前期准备：骨架的连接和安装，蒙皮安装以及临时紧固钉的安装。在自动制孔过程中涉及基准孔找正、自动化加工、自动换刀、自动测孔，在自动制孔完成后，还要进行清理、补铆、涂胶等工作。
1.1 准备
按照活动翼面自动化制孔工装布局，在传统工装骨架上，建立相应的坐标位置快速匹配基准孔。在制孔控制系统中，以配置文件的形式记录工装匹配基准孔在产品坐标下的三维空间位置。按照活动翼面自动化制孔工装布局，以产品坐标系统为机器人工件坐标系，建立机器人工件坐标与机器人基坐标系统的关系。在制孔控制系统中，以配置文件的形式记录该关系矩阵及工装匹配基准孔在机器人机器坐标系下的三维空间位置。对于每个制孔终端执行器，建立机器人工具坐标系与机器人基坐标系统之间的关系;在制孔控制系统中以配置文件的形式记录该终端执行器对应的机器人工具坐标系与机器人机器坐标系统之间的关系。
1.2 机器人移动和定位
将机器人制孔系统移动到产品工装旁边设置好的位置;按定位操作规程完成机器人制孔系统的定位及其与地面的连接;接上电源、气源，启动机器人制孔系统，根据制孔终端执行器编号、制孔对象类型配置机器人工作坐标系;运行制孔系统位置校准程序，让机器人视觉系统自动测量工装上相应的匹配基准孔，结合基准孔在机器人机器坐标系下实测位置值、标定值及基准孔在工件坐标系统的标定值，快速检查并校准机器人的工件坐标系。
1.3 人工制参考孔及预连接孔
根据某飞机活动翼面连接孔孔位布局形式及产品的结构，以梁、肋为制孔分区依据，对不同翼面的制孔部位进行分区。每区首末端各设置一个孔位为参考点以适应梁、肋的轴线装配偏差，翼面上每300 mm左右设置1个预连接孔以实现制孔零件夹层的紧密贴合。参考孔与预连接孔的孔径应小于终孔1 mm以上。离线编程时，按此原则定义参考孔和预连接孔定义文件。根据参考孔定义文件，人工制作参考孔;制参考孔时要根据梁、肋的装配位置合理控制孔边距;编辑并修改参考孔定义文件，以符合现场实际装配关系。根据预连接孔定义文件，制预连接孔并用紧固件在预连接孔位将制孔零件紧密连接;编辑并修改参考孔定义文件，以符合现场实际装配关系。
1.4 基准孔孔位测量
依据离线编程生成的基准孔测量程序，通过程序运行，利用末端执行器上的相机找正模块，即可以排到基准钉的坐标值，从而保存在数控系统中，用于与理论值进行对比和修正。
1.5 孔位修正
可选择程序修正功能，根据参考孔测量报告文件和预连孔定义文件进行孔位统一修正，形成新的制孔程序并在修正过的文件中加注相应标志。如果参考孔、预连接孔的实际选取与离线编程有区别，则需根据参考孔测量报告文件和预连接孔定义文件，以原始的区块制孔程序，重新标记自动参考孔、预连接孔制孔程序。
1.6 自动化标记制孔孔位
以标记模式运行制孔程序，载入参考孔测量报告文件（有自动载入/人工载入两种模式）。对于相应的制孔区域，制孔控制系统首先检查是否有合适的参考孔测量信息，如缺少参考孔测量信息，系统会提示用户去测量参考孔或载入参考孔测量报告文件或放弃孔位修正继续操作。如果有合适的参考孔测量信息，系统会根据参考孔测量信息建立孔位修正模型，然后進行孔位标记操作（包括终端执行器定位、法向测量和自动调整、孔位标记等操作）。机器人对终端执行器定位时，会根据孔位修正模型逐点修正制孔孔位。完成修正后，自动生成修正过的制孔程序。完成孔位标记后，应检查孔位布置情况并提出孔位修正建议，并根据建议修改编辑参考孔定义文件，重新进行孔位标记。 1.7 自动化制孔
以制孔模式运行经过孔位修正的制孔程序，制孔控制系统将逐孔指挥机器人及终端执行器完成自动换刀、终端执行器定位、法向测量、自动调整、旋转主轴、压脚压紧、分阶段进给、窝深控制及快速退刀等操作完成制孔任务。
2 自动制孔设备设计
2.1 工业机器人
工业机器人具有六关节六个自由度，能在其可达空间内将制孔终端执行器定位到任意空间位置，并调整制孔终端执行器的空间姿态。根据产品特点对制孔空间适应性、工作范围及制孔所需有效载荷等要求，选用德国KUKA公司的KR360-3 L280-3型工业机器人。
KR360-3L280-3型机器人是KUKA公司的一款重载、高精工业机器人，主要用于重载堆垛、焊接、机械加工等工业领域。机器人系统包括机器人硬件、控制器及控制软件、手持式人机界面三个部分。其性能参数见表1。
KUKA KR360-3L280-3型机器人为6旋转关节串联机器人，通过6个关节的伺服运动，可以精确实现其末端的三维空间定位及空间运动轨迹。它由机器人底座、机械臂、手腕、末端法兰、平衡装置组成（图1）。
2.2 末端执行器
末端执行器是自动制孔设备的核心部件，是加工精度、可靠性的保证。末端执行器包含了制孔主轴、法向测量装置、压紧装置、相机找正单元，同时集成了吸尘装置以提高产品加工质量。具备制孔、锪窝、孔径、窝径检测等功能。本文设计的自动制孔系统，孔径精度达到H9，窝深可以达到±0.05 mm以内。能够实现200～5 000 r/min的自动制孔转速。
3 自动制孔设备应用
3.1 应用于活动翼面的制孔方案
活动翼面的制孔区域主要集中在蒙皮部分，包含了上下翼面与前后梁、肋等的骨架部分的连接。用图2说明其自动化制孔布局方案，梁、肋和接头的定位工装基本上不变，要求工装调整水平并且与车间地面固定连接，增加移动式自动化制孔设备。
选用Kuka重载精密工业机器人（KR360L280-3）在进行规划布局时，保证机器人活动范围能够覆盖壁板上的制孔区域，采用两台相互独立且顺次工作的机器人制孔系统，1台机器人可以在6个不同位置定位，完成自动化制孔。
3.2 实现活动翼面自动化制孔的车间布局
通过自动制孔单元布局，结合车间空间以及多个活动翼面的制孔需求，通过在车间统一规划，配备能源与电气接口，根据生產节拍以及产品数量，规划整个车间布局。为了保证制孔效率，建议至少配置2台移动式自动化制孔设备，设备在车间地面相对固定。设备和工装布局也可以由甲方根据车间使用情况自行定义，只要考虑到设备移动和相对定位的要求即可。
3.3 加工范围仿真
通过Delmia的仿真分析，对14个活动翼面产品制孔，机器人加工范围总结见表2，内主襟翼及外主襟翼的加工时，有较多孔位不能完成，其余工件制孔率均较高。
4 结论
目前该方案已经应用于某机型活动翼面的自动制孔，其加工质量和稳定性相对于人工制孔得到了大幅度提高，可以提高制孔效率50%，降低产品缺陷90%以上。通过应用，深入掌握了面向自动制孔的工艺装备设计、工艺流程规划、自动化加工过程控制、自动化仿真等技术。面对目前国内装配技术还是主要靠人工的现状，本文研究的制孔技术不仅能够用于国内大型飞机活动翼面的自动制孔技术，还缩短了与国外技术的差距，具有重要的战略意义。
参考文献
[1] 罗群，黄敏，杨超.自动制孔接触式法向调平结构应用试验研究[J].航空制造技术，2018，61（20）：69-77.
[2] 刘顺涛，陈雪梅，郭喜锋，等.飞机蒙皮自动制孔工艺设计研究[J].制造业自动化，2017（4）：87-90.
[3] 陈海峰，李海伟，徐戬，等.自动制孔设备在某飞机尾翼装配中的应用研究[J].航空制造技术，2015（10）：68-72.
[4] 刘军.机器人自动制孔技术在飞机装配中的应用[J].航空制造技术，2014（17）：104-107.
[5] 卜泳，许国康，肖庆东.飞机结构件的自动化精密制孔技术[J].航空制造技术，2009（24）：61-64.