摘要:随着科学技术的发展,制造业的传统格局被彻底打破,计算机信息化技术的引入使机械加工行业从理论研究到实际应用及生产管理方面都发生了巨变,本文对飞机焊接导管数字化装配工装、自动焊接等关键技术进行了研究。
关键词:导管;数字化装配工装;自动焊接
在现代制造行业中,导管以其轻量化、强韧化、低消耗等特点在航空航天、船舶制造、能源输送等领域得到了广泛运用。随着市场需求对导管的使用越来越多,且提出了更高的精度要求,对相关制造技术也提出了更高的标准。由此,也加速了在导管数字化制造技术的科学研究。
一、导管数字化制造技术的研究现状
1.国外研究现状。导管数字化制造技术的最初开发起始于飞机制造的需求。20世纪70年代,美国惠普公司(P&W)就开始了利用计算机辅助系统进行涡轮喷气发动机的管路设计改进工作,通过在计算机上构建飞机发动机的三维导管模型,得出导管形状的三维坐标数据,进而检查相关导管设计是否满足飞机发动机的设计要求,如果有问题,可以直接在计算机上进行修改,而不需要将修改的工作留在样机完成阶段,从而节约50%的设计成本,同时将设计速度提升一倍。经过10年的技术研发,相关技术已实现了交互式构型设计系统的构建,ICDS的出现攻克了更复杂的构型设计难题。人们在计算机上就可以完成包括发动机机匣、附件、管路等所有部件的建模,形成电子样机,同时还能在计算机上对电子样机内各部件之间的关联性进行检查。这项新的技术减少了相关设计对物理样机的制造投入成本,有效的缩短了设计周期。但是ICDS在管路设计方面还处于半自动状态,需要在指定的几个顶点的基础上进行管路的敷设设计。在此基础上,美国伊利诺伊州大学推出了GAPRUS系统,该系统可以实现在的障碍物的虚拟环境中进行管路路径的自动敷设,并将三维模型中导管坐标数据值直接传送到数控弯管机进行生产,这是导管数字化制造技术的突破性进展。但是该设计系统也有一定的缺陷,那就是忽略了导管的力学性能要求和可制造性问题。为实现相关技术在导管制造中的作用,针对导管弯曲加工中的变形问题,许多学者都进行了研究。计算机畏助工艺规划CAPP系统的出现对于导管数字化技术在实际生产中的运用有着重大意义。该系统分为变异式和创成式两类,两者的区别在于,变异式CAPP系统的工作原理是从工艺库里找到具有相似性零件的工艺规程,而创成式CAPP系统则是能过自身的逻辑判断相关产品的数据对其加工工艺进行规划。随着人工智能技术的不断发展,产品加工制造中的各种复杂问题都很到了较好的解决,最终也实现了导管数字化制造技术在实际生产中的运用和推广。目前,这项技术广泛运用于航天导管产品从产品、工艺设计到生产和故障诊断分析以及质量检测等各个环节。数控弯管机就是相关技术运用于产品生产的重要产物。为保证其在降低生产成本的基础上完成高效、安全的生产任务,相关技术人员进行了大量的软件程序开发工作。NC程序很好的解决了相关设备对导管切削过程的控制,但对于弯管加工过程的仿真并没有太大作用。虽然意大利推出了款针对弯管加工过程的仿真软件——VGP3D,但在产品的生产中并不具备通用性。
2.国内研究现状。随着导管数字化制造技术的日渐成熟和我国航天航空行业的快速发展,我国已开始进行相关技术的引进和研发工作。20世纪90年代,北京航空航天大学开始进行航空发动机管路系统的设计研究,并推出了AEPRS和IRSAEP管路设计系统,并利用其进行了发动机电子样机的设计和管路检查。在此基础上,相关专家提出了层面法管路敷设、模式法管路敷设等方法。在导管计处机辅助工程分析方面同,重庆大学利用限元分析法进行了相关研究,西北大学则将限元分析法与能更紧起皱准则相结合,提出了薄壁管数控弯曲成形过程中起皱的能量预测方法。同时,西北工业大学在数控弯管加工过程仿真研究中针对VB系统数控弯管机开发出了具有一定实用性的仿真软件。
二、焊接导管数字化装配关键技术
焊接导管数字化制造依据是导管数模,通过焊接方法将单管、标准半管、非标准半管、管接头等装配在一起,焊接前利用工装使单管、标准半管、非标准半管、管接头保持正确的相对位置并通过夹紧器进行同定:传统的导管焊接工装利用样管进行焊机工装的装配制造,焊接采用人工焊接方式。由于焊接导管数字化制造采用导管数模作为依据,焊接导管数字化制造中单管、标准半管、非标准半管、管接头的定位件和夹紧件等的安装方式发生了变化,主要体现在焊接工装的设计、制造方面,同时采用数控自动焊接设备进行焊接。因此,导管装配焊接导管从_丁-装设计、制造到焊接均不同于传统以模拟量为依据的制造方法,其关键技术包括工装设计技术、工装制造技术和自动焊接技术等。
1.焊接导管装配工装设计技术。焊接导管数字化制造中,工装设计采用数字化设计方法,建立焊接丁装的数学模型,同时在丁装数字化设计中考虑后续的数字化制造的工艺和方法,在结构形式、定位方法等方面考虑制造工艺的可行性。导管焊接工装装配过程中可以采用孔定位方法或激光跟踪仪测量定位方法,由于导管焊接丁装的定位和夹紧件尺寸小,不适合工具球的安装和激光跟踪仪的测量,建议尽量避免采用激光跟踪仪定位的方法。孔定位的方法完全可以满足焊接导管装配的精度要求,焊接丁装的定位件采用数控加工的方法,保证基准和定位面的正确的相对位置关系。为了保证导管焊接工装规范性和降低成本,焊接工装采用多孔基础板作为基础部件,将焊接导管的定位件、夹紧件连接在一起,通过孔的精确定位,保证焊接导管丁装的各个零件之间的正确位置,同时通过基准孔将导管焊接工装的坐标系与焊机的坐标系拟合在一起,保证自动焊接的轨迹正确性。
2.焊接导管装配工装制造技术。焊接导管工装设计采用了标准的基础板,基础板的孔用于保证零件的准确位置。对于批量生产的导管。设计一套专用的焊接定位件可使导管制造的效率高,一致性好。在制造时采用数控加工方法对定位件进行制造,保证定位件定位部分与定位孔的相对位置关系,定位件与基础板通过两个孔进行定位,以便保证制造的工装符合数模要求。
3.导管自动焊接技术。导管组装焊接采用熔焊方法,焊接设备可以采用工业机器人作为主体,完成焊接动作。首先通过焊接工装的基准将焊机和工装坐标系统一,以便按数模进行焊接编程。导管的自动焊接难度大,主要因为焊缝为空间曲线,因此,焊接过程中需要解决坐标系拟合、焊缝跟踪和修正、焊接参数选择、焊条进给控制等问题。
在飞机数字化制造的大环境下,导管数字化制造势在必行,目前单管已经基本实现数控弯管,组合焊接管在数字化制造方面进展缓慢。本文阐述了焊接导管数字化制造的体系,对关键问题进行了论述,在焊接导管数字化制造方面具有一定的指导意义。实现焊接导管的数字化制造,不仅缩短导管工装设计周期,提高了导管的生产效率,使导管制造摆脱实样的牵制,而且保证飞机导管质量的稳定,实现了导管的快速生产,在实际生产中具有一定的使用价值。
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