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

《一种3自由度自动钻铆机构的运动学分析与优化设计》篇一一、引言随着制造业的飞速发展，对于机械装置的性能与精度的要求不断提高。

3自由度自动钻铆机构作为一种广泛应用于航空航天等高精度加工领域的关键设备，其性能与稳定性的重要性不言而喻。

本文将对一种3自由度自动钻铆机构的运动学进行分析，并对其设计进行优化，以提高其工作效率和精度。

二、3自由度自动钻铆机构概述3自由度自动钻铆机构主要由驱动系统、执行机构、传感器等部分组成。

该机构具有沿X轴、Y轴和Z轴的移动能力，能够实现对工件的精确定位和钻铆操作。

该机构广泛应用于航空航天、汽车制造等领域，具有较高的加工精度和效率。

三、运动学分析1. 坐标系建立为了便于分析和计算，首先建立笛卡尔坐标系。

原点O设定为机构初始位置，X轴、Y轴和Z轴分别代表机构的三个移动方向。

2. 运动学模型建立根据机构的运动特点，建立相应的运动学模型。

该模型应包括机构的各个部件的尺寸、位置、速度和加速度等参数。

通过该模型，可以分析机构的运动轨迹、速度和加速度等运动特性。

3. 运动学仿真与分析利用运动学仿真软件对机构进行仿真分析。

通过输入机构的各项参数，可以得到机构在各个方向上的运动轨迹、速度和加速度等数据。

通过对这些数据的分析，可以评估机构的性能和稳定性。

四、优化设计1. 设计目标与约束条件根据实际需求，确定优化设计的目标。

例如，提高机构的加工精度、降低能耗、提高工作效率等。

同时，需要考虑机构的尺寸、重量、成本等约束条件。

2. 优化算法选择根据设计目标和约束条件，选择合适的优化算法。

例如，遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。

这些算法可以通过搜索空间中的最优解来提高机构的性能。

3. 优化设计实施利用优化算法对机构进行优化设计。

通过调整机构的尺寸、形状、材料等参数，使机构达到最优的性能。

在优化过程中，需要不断进行仿真分析和实验验证，以确保设计的可行性和有效性。

五、实验验证与结果分析1. 实验装置与方案为了验证优化设计的有效性，搭建实验装置并进行实验。

飞机数字化装配技术发展现状陈文亮;潘国威;丁力平【摘要】近年来,随着飞机制造技术的不断发展,以数字化、柔性化为特征的飞机先进装配技术已成为航空制造企业的发展追求.基于数字量协调技术,已突破飞机制造过程中自动化的工艺规划、检测、定位、制孔和铆接等技术,实现了飞机制造的自动化装配.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2016(000)008【总页数】5页(P26-30)【关键词】飞机装配;工艺规划;定位;制孔;铆接;集成控制【作者】陈文亮;潘国威;丁力平【作者单位】南京航空航天大学机电学院,南京210016;南京航空航天大学机电学院,南京210016;南京航空航天大学机电学院,南京210016【正文语种】中文陈文亮南京航空航天大学机电学院教授，博士生导师。

主要从事飞机自动化装配技术及装备研究。

飞机产品结构复杂、零件数目较多、协调关系复杂，使得飞机装配工作占飞机制造的50%～60%[1-2]。

飞机装配涉及大量工装设备，装配环节较多且工艺要求较高，因此，飞机装配是整个飞机制造过程中的关键和核心。

为了改善传统装配工装准备周期长、柔性差和占用空间多等缺点，国内外航空制造研究机构及企业，已经开展了大量关于飞机数字化柔性装配技术的研究工作。

近年来，以波音、空客为代表的欧美先进航空企业在飞机装配领域取得了长足的进步。

在波音 777、波音 787、A380、F-22和F-35等机型的研制过程中大量使用了数字化设计技术、柔性化装配工装技术、自动化钻铆技术、数字化检测技术等，大大提高了飞机的装配效率，有效保证了装配质量[3-4]。

飞机先进装配技术及装备是保证飞机研制质量与效率的关键环节。

对飞机产品而言，无论是组件、部件还是大部件的数字化装配过程，其关键装配环节都可以简化为[5]：工件定位装夹、制孔、铆接（螺接）、检测等过程，即由以下若干关键技术与装备组成：（1）工艺规划技术与仿真。

（2）数字化测量技术与装备。

（3）柔性装配工装技术与装备。

飞机结构连接采用的主要方法是机械连接，一架大型飞机上大约有150万~200万个铆钉和螺栓。

传统的飞机装配是采用手工装配的方法，其制孔过程是先对装配件钻初孔，之面向飞机自动化装配的单向压紧制孔毛刺控制技术南京航空航天大学机电学院 王　珉　薛少丁　陈文亮上海飞机制造有限责任公司航空制造技术研究所 陈　磊　蒋红宇 采用自动化制孔技术不仅仅是对传统工艺的自动化改造，而是进行装配工艺的整体提升，传统手工装配工艺中，拆开去毛刺和涂胶固化过程，都无法简单实现自动化，因此先进自动化装配技术采用无毛刺制孔工艺和湿胶装配方法，以真正实现自动化制孔工艺。

王　珉博士，中国商飞博士后，南京航空航天大学机电学院航空宇航制造工程系教师。

主要从事飞机装配工艺、自动化装配系统、信息系统开发与应用等方向的研究。

One-Side Pressed Burrless Drilling Technology forAircraft Automatic Assembly命和装配生产率。

我国大型运输机和大型客机项目要想达到高质量、高安全性、高效率等指标，也必须大量采用先进的自动化装配技术，使主要机体结构的装配以自动制孔和自动铆接工艺为主，取代手工作业方式。

采用自动化制孔技术不仅仅是对传统工艺的自动化改造，而是进行装配工艺的整体提升，传统手工装配工艺中，拆开去毛刺和涂胶固化过程，都无法简单实现自动化，因此先进自动化装配技术采用无毛刺制孔工艺和湿胶装配方法，以真正实现自动化制孔工艺。

需要说明的是，本项后拆开去毛刺，然后涂胶固化，最后扩铰孔。

对于飞机装配的制孔量来说，这种方法的质量和精度都不尽人意，效率低，使得飞机装配的周期和成本占用飞机制造中较大比例。

为了满足现代飞机高寿命的要求（世界上许多先进飞机的疲劳寿命已达到8万飞行小时）并降低装配周期，首先要保证机械连接的质量和效率，因此需要采用先进自动化装配系统来提高装配的质量、精度和效率。

国外先进飞机制造商广泛采用了自动化制孔和铆接等自动化装配技术，大大提高了机体结构的疲劳寿目所说“无毛刺”是指毛刺高度满足要求（不同的供应商规定有所不同，一般阈值在0.1~0.15mm之间），从而不需要额外的去毛刺工序[1-2]。

《一种3自由度自动钻铆机构的运动学分析与优化设计》篇一一、引言自动钻铆技术作为航空、汽车、轨道交通等制造领域的重要工艺，其效率与精度直接关系到产品的质量与生产效率。

3自由度自动钻铆机构是实现复杂空间运动轨迹、精确控制钻铆过程的关键设备。

本文将详细分析一种3自由度自动钻铆机构的运动学特性，并对其结构进行优化设计，以提高其工作性能和效率。

二、3自由度自动钻铆机构概述3自由度自动钻铆机构主要由驱动系统、执行机构、传感器等部分组成。

其中，执行机构是本文研究的重点，其具备沿X、Y、Z轴的移动自由度，可实现空间内的任意位置和姿态调整。

该机构通过精确控制各轴的移动，完成钻铆过程中的定位、钻孔、铆接等操作。

三、运动学分析1. 运动学模型建立为准确描述3自由度自动钻铆机构的运动特性，建立其空间运动学模型。

该模型以各轴的位移、速度和加速度为基本参数，通过数学方程描述机构的空间运动轨迹。

2. 运动学仿真分析利用专业仿真软件对3自由度自动钻铆机构的运动过程进行仿真分析。

通过模拟实际工作过程中的各种工况，分析机构的运动轨迹、速度、加速度等参数，评估机构的运动性能。

四、结构优化设计1. 设计目标与约束条件针对3自由度自动钻铆机构的实际工作需求，设定优化目标为提高工作效率、降低能耗、提高钻铆精度。

同时，考虑机构的制造、安装、维护等因素，设定一系列约束条件。

2. 结构优化方法（1）材料选择：选用高强度、轻质材料，降低机构重量，提高运动速度。

（2）驱动系统优化：采用高性能电机和控制器，提高驱动系统的响应速度和精度。

（3）执行机构优化：通过优化各轴的布局和传动方式，减小运动过程中的摩擦阻力，提高运动平稳性。

（4）传感器优化：采用高精度传感器，实时监测机构的位置、速度和加速度等参数，为精确控制提供依据。

五、实验验证与结果分析1. 实验验证为验证优化后的3自由度自动钻铆机构的性能，进行实际工况下的实验验证。

通过对比优化前后机构的工作效率、能耗、钻铆精度等参数，评估优化效果。

飞机轻型自动化制孔系统及关键技术
王珉;陈文亮;张得礼;屠晓伟;蒋红宇;小城;依然
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2012(000)019
【总页数】6页(P38-43)
【作者】王珉;陈文亮;张得礼;屠晓伟;蒋红宇;小城;依然
【作者单位】南京航空航天大学机电学院;南京航空航天大学机电学院;南京航空航天大学机电学院;上海飞机制造有限责任公司航空制造技术研究所;上海飞机制造有限责任公司航空制造技术研究所
【正文语种】中文
【相关文献】
1.用于飞机部件自动制孔的机器人制孔系统 [J], 杜宝瑞;冯子明;姚艳彬;毕树生
2.用于飞机部件自动制孔的机器人制孔系统研究 [J], 王婕
3.飞机轻型自动化制孔系统及关键技术 [J], 范兴瑞
4.用于飞机部件自动制孔的机器人制孔系统研究 [J], 王婕;
5.基于冗余基准孔的轻型移动制孔系统定位方法 [J], 张浩伟;陈文亮;王珉;潘劲伟;黄稳
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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]。

飞机机身壁板自动钻铆离线编程过程优化研究黎明; 邱楠; 汪静【期刊名称】《《航空制造技术》》【年(卷),期】2019(062)015【总页数】7页(P68-74)【关键词】机身壁板; 装配; 自动钻铆; 离线编程; 二次开发【作者】黎明; 邱楠; 汪静【作者单位】航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司南昌330096【正文语种】中文飞机壁板主要由蒙皮、长桁等零件铆接或螺接装配而成，是飞机外形的重要组成部分，具有尺寸大、薄壁且变厚度的特点，其装配效率和精度要求很高，其进度和质量直接影响整机的生产进度与装配质量。

自动钻铆系统能够自动完成壁板的定位、夹紧、钻孔／锪窝、涂胶、送钉、铆接／安装、铣平等一系列装配工艺操作，实现飞机大型壁板快速、高效、精确装配[1]。

随着国家大飞机项目的实施，我国的自动钻铆技术发展迎来了新的契机，作为先进机械连接技术的自动钻铆技术也得到了越来越广泛的应用，目前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。

尽管自动钻铆技术能够显著提高飞机机身壁板的装配效率及装配质量，但由于自动钻铆设备拥有复杂的运动系统，在自动钻铆过程中，运动件极易发生相互干涉碰撞，引起铆接问题。

同时，由于飞机机身壁板的结构复杂，铆接点数量较大，为减小铆接设备的无效机构运动及调整机构姿态，需对铆接过程中的铆接路径进行最优规划设置[2]。

在飞机机身壁板的实际铆接中，若仅依靠操作人员现场进行不断调试，会极大增加生产周期，降低生产效率，且随着工作量的增加，操作人员发生失误的几率也会持续增加[3]。

编程作为自动钻铆应用的关键环节之一，须将产品的设计制造要求、工艺规划、干涉碰撞等问题进行综合考虑，并最终体现在自动钻铆设备运行的程序中。

根据相关自动钻铆设备应用统计情况，自动钻铆离线编程和仿真时间约占壁板类产品自动钻铆整个制造周期的50%以上。

离线编程的效率将直接影响整个壁板自动钻铆制造周期的长短。

因此在自动钻铆过程中选择合适的编程方法至关重要，其对于自动钻铆的装配效率，装配精度及装配质量均有较大的影响[4–5]。