采用自動鉆鉚技術實現飛機壁板的制孔與鉚接是提高飛機裝配質量和效率的有效途徑[1]. 自20世紀50年代起源,經過幾十年的發展,自動鉆鉚設備已能自動完成定位、制孔、锪窩、送釘、插釘、鉚接及檢測等一系列工序,已是先進航空制造中不可或缺的重要裝備。
國外對自動鉆鉚設備的研究起步較早,西方航空工業發達的國家已經擁有成熟的自動鉆鉚設備,例如德國BROTJE公司的MPAC自動鉆鉚機、美國EI公司的E4000系列自動鉆鉚機等[3-4].中國早在20世紀70年代初就嘗試研制自動鉆鉚設備,但由于當時工業技術落后,自動鉆鉚設備未能研制成功. 近年來,國內各大航空制造廠在引進國外自動鉆鉚設備的同時,加強了與國內科研院所的合作,成功研發出一些較為先進的自動鉆鉚設備,例如西飛研發的基于E7000型自動鉆鉚設備的柔性裝配托架,成飛研發的塔式五軸數控鉆鉚系統。
自動鉆鉚系統在實際鉚接時受到大載荷的循環施加,鉆鉚系統的結構會出現一定的彈性形變,導致加工精度下降. 自動鉆鉚系統需要具有較強的剛度以抵抗這種彈性形變,這就需要定量地分析鉆鉚系統末端的變形,研究其末端剛度,為其后的控制反饋提供一定的數據支持. Kim等[8]研究了多體系統中工作空間內的剛度矩陣、Salgado等[9]將機床刀具、夾具、壓緊機構等機床部件的剛度矩陣合成為系統整體剛度矩陣加以分析、閆蓉等[10]提出了一種多軸加工系統剛度場半解析方法,用以分析工作空間中的剛度特性分布規律、Gao等[11]通過解析法建立了機床工作空間內的剛度模型,并利用該模型對不同位姿下的加工誤差進行了分析、吳石等[12]利用多體小變形理論建立了機床的綜合剛度模型,并通過力橢球分析了加工各要素對加工系統綜合剛度性能的影響.
以往對機床剛度的研究大多采用多體運動學的方法進行分析,很少全面地考慮機床變形的所有來源、對于本研究臥式雙機聯合鉆鉚系統,需要綜合考慮機床變形的各個來源建立其末端剛度模型. 針對這一情況,本文運用機器人學相關理論建立其運動學模型,并使用雅克比矩陣法、點傳遞法、有限元分析法逐一對其柔性運動軸、運動關節、末端執行器等關鍵部件建立剛度矩陣,在此基礎上基于彈性小變形原理建立多軸機床的末端綜合剛度模型. 這種末端綜合剛度模型可分析不同位姿下系統所產生的變形,以便優化結構設計,必要時通過控制系統給出補償量,提高鉚接精度.
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結 論
(1)在其余位置參數不變時,變換X軸位置參數對末端變形量的影響并不大;變換Y軸或者Z軸位置參數時,末端變形量變化較為明顯. 因此,后續的結構優化工作可重點關注Y軸與Z軸,以提高自動鉆鉚設備的末端剛度.
(2)在鉆鉚力一定時,試驗所得的末端變形量最大值與最小值的差異約為32%,表明該多軸機床具有良好的整體剛度,其末端剛度對位姿變化的影響不太敏感.
(3)利用本文所述末端綜合柔度矩陣所得到的機床末端變形量與實際實驗所得結果誤差不超過10%,說明該末端綜合柔度矩陣具有相當高的精度,并且在鉆鉚系統受重載的情況下仍適用.這對于臥式雙機聯合鉆鉚系統的設計與后續的改進具有重要的參考意義