飞机自动钻铆技术研究现状及其关键技术

连接技术，由于其连接可靠、质量轻、 手工钻铆效率平均为 15s/ 钉，自动
成本低等特点被广泛用于航空航天 钻铆效率最快能达到 3s/ 钉，效率提 领域 [2]，因此铆接质量对飞机的安全 高 5 倍；手工铆接镦头高度公差为
性能有重要的影响。1988 年阿罗哈 ±0.5mm，自动钻铆所形成镦头高度
航空 243 号班机事故（Aloha Airlines 公差能达到 ±0.05mm，精度提高 10
专稿 FEATURE
飞机自动钻铆技术研究现状 及其关键技术*
喻 龙 1，章易镰 1，王宇晗 1，刘 钢 2
（1. 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240; 2. 上海拓璞数控科技有限公司，上海 201111）
[ 摘要 ] 飞机自动钻铆技术能够实现飞机机身、机翼等处壁板的自动钻铆装配，极大地提高飞机装配质量与装配效 率。经过几十年的发展，自动钻铆技术在国外已广泛运用于航空航天制造领域，而国内在这一方面正处于起步阶段， 技术水平普遍较低。为此调研国外先进自动钻铆技术的研究应用现状，以 GEMCOR、Electroimpact、BROETJE 三大 国外自动钻铆设备供应商为代表，介绍各自技术特点及在自动钻铆技术方面最新的进展。同时，对国内自动钻铆技 术的发展进行简要介绍，指出国内在这一技术发展中存在的问题。此外，对自动钻铆技术中包括高精度定位技术、制 孔质量在线检测技术、自动送钉技术、离线编程与仿真技术在内的四大关键技术进行详细分析，总结其研究难点，为 国内自动钻铆技术的发展提供参考。 关键词：航空壁板；自动钻铆；高精度定位；制孔质量在线检测；自动送钉；离线编程与仿真 DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2017.09.016
16 航空制造技术·2017 年第 9 期
专稿
FEATURE
压铆采用伺服电机驱动，行星滚珠丝 1 GEMCOR公司
杠传动，可实现高精度、大负载的伺
GEMCOR（通用电气机械公司）是
服压铆，较传统的气动铆接具备更高 美国最早的自动钻铆设备制造商 ， [18]
的控制精度与柔性化的速度调节能 已有超过 75 年的历史，也是世界各 力 [10]，能够按照设定的位移曲线或 大飞机制造公司的自动钻铆设备主
大直径和难成形材料铆钉成形 。 [11-16] 号包括 G12、G86 及 G2000。G12 采
本文将以国外三大主要自动钻 用全 5 轴 CNC 系统，集成全电驱动
铆系统供应商的产品为例，论述自动 末端执行器、自适应控制气动压脚、
钻铆技术研究现状，并对国内自动钻 自动点胶装置、自动送钉系统及法向
铆技术的发展、应用现状做简要分 测量与调整装置，最大压铆力达到
Flight 243 incident）发生的主要原因 倍。自动钻铆设备按结构形式可分 之一就在于铆接结构的疲劳失效 [3]。 为龙门式自动钻铆系统、C 型架式自
影 响 铆 接 质 量 的 主 要 因 素 有 两 个： 动钻铆系统以及机器人自动钻铆系
制孔与铆接。据统计，70% 的飞机机 统。前两种设备刚性好，精度高，提
喻 龙 上海交通大学机械与动力工程学
院博士研究生，主要从事航空航天装配 设备研制及其主要功能模块研发，包括 法向测量与调整、基准孔位置识别与定 位及力控制等。
* 基 金 项 目：国 家 重 大 科 技 专 项（2013ZX 04001101）。
飞机壁板的连接质量对飞机的
采用自动钻铆技术实现飞机壁
气动外形及其疲劳寿命有至关重要 板的制孔和铆接是提高飞机装配质 的影响 [1]，铆接作为一种传统的机械 量与效率的有效途径 [5]。资料显示，
析，最后总结其研制所需攻克的关键 7t，铆钉安装效率 19 颗 /min，能够实
技术。
国外自动钻铆技术研究 应用现状
现长度达到 9.75m 的机身壁板自动 装配 [19]。G86 在 G12 的基础上增加
了机床尺寸及承载能力，采用 G2000 的 C 型架后可用于半机身装配 。 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ20]
自 动 钻 铆 技 术 起 源 于 20 世 纪 G2000 采 用 7 轴 CNC 系 统，可 实 现 50 年代，经过几十年的发展，已成为 180°半机身壁板铆接 。 [21]
德国宝捷（BROETJE）、意大利 B&C 式，能够保证铆钉沿顶杆方向均匀 （BISUACH & CARRU）为代表，各公 膨胀 [22]，增加铆接干涉量，显著提高
司的典型产品型号及其应用情况如 结构的疲劳寿命，并获得良好的密
表 1 所示。此外，西班牙 M.TORRES 封性 [23]。G14 为 GEMCOR 新型机翼
体疲劳失效事故源于结构连接部件 供的铆接力大，可用于开敞性好的大
的疲劳失效，其中 80% 的疲劳裂纹 型结构件的自动钻铆；机器人自动 发生于连接孔处 [4]。传统的手工制 钻铆系统成本低，运动灵活，空间利
孔质量一致性差，效率低，制孔精度 用率高，可达性高，适用于开敞性差
难以保证，铆接连接件的质量受铆接 的壁板的自动钻铆装配。自动钻铆
方法、铆接干涉量及铆钉种类等多种 设备按铆接驱动方式又可分为气动
因素的影响。手工铆接所提供的铆 锤铆、伺服压铆和电磁铆接。气动锤
接力小，镦头尺寸难以控制，成形后 铆结构简单，体积小，铆接力小，易于
铆钉钉杆膨胀量分布不均匀，无法实 集成，与工业机器人构成机器人自动
现均匀干涉配合铆接。
钻铆系统已成为发展趋势 [6-9]。伺服
能够自动完成定位、制孔、送钉、铆接
GEMCOR 机翼自动钻铆系统能
及检测功能的先进制造技术。国外 够实现中央翼盒、机翼前缘等处的
自动钻铆设备主要供应商以美国捷 多规格无头铆钉的自动钻铆。采用
姆科（GEMCOR）、E（I Electroimpact）、 “squeeze-squeeze”双挤压的铆接方
力曲线进行加载，目前已成功取代液 要供应商之一。经过几十年的发展，
压铆接广泛运用在飞机装配中。电 GEMCOR 已研制出以机身、机翼、发
磁铆接是在电磁成形工艺的基础上 动机吊舱等为加工对象的系列化自
发展起来的一种新型铆接工艺，能够 动钻铆系统（见图 1）。
实现钛合金和复合材料的连接，以及
其中，机身自动钻铆系统最新型