1身份证号码：21132219891015XXXX；2身份证号码：21088119880804XXXX
摘要：随着各国航空航天事业的持续推进与深入，对飞机的性能也提出了更高的要求，提高紧固孔的加工质量以及构件的抗疲劳特性、延长飞行器的服役寿命、确保航空航天器的可靠与安全是航空制造工业中的重要研究课题。分析了蒙皮制孔技术的特点，综述了中外精密制孔设备研究现状，对多种自动化制孔设备进行重点分析。结果表明，研制适用于不同曲率蒙皮制孔的导轨及机器人是新兴的研究方向。
关键词 曲面制孔；航空；导轨；研究现状
随着科学技术水平的快速发展，航空工业技术水平进步显著，对飞机整体的可靠性和耐久性提出了更高的要求。在各类飞行器故障中，在部件疲劳失效中约70%左右的疲劳裂纹来自紧固件孔，统计学研究表明出现在孔边缘破坏的故障超出了整架飞机疲劳破坏的90%。由此可以看出，紧固孔的加工精度很大程度地影响了飞机的可靠性以及安全性。如何在制造过程中提高紧固孔的质量、改善构件的抗疲劳性能、延长飞机寿命、提高飞机的质量是飞机制造厂商关注的重要课题。
1 蒙皮制孔技术特点
蒙皮是一种具有自由曲面形状的结构板材，也是构成飞行器外形的主要零件。蒙皮形状复杂且容易变形，其加工质量对飞机的安全性有很大影响。飞机飞行中蒙皮与气流直接接触，所以对其表面质量有很高的要求。一般蒙皮结构的尺寸较大，相对厚度较小，造成其刚度较差，加工时需要保证形状准确，减小变形。随着现在飞机的提速和增重，蒙皮的尺寸与厚度增加，外形的精确度要求也更高。
飞机蒙皮按外形特点可以分成单曲度蒙皮、双曲度蒙皮和复杂形状蒙皮3种类型。单曲度蒙皮的形状相对简单，仅单一方向上存在曲度，多用于飞机机身剖面段和机翼上。双曲度蒙皮指的是两个方向上存在曲度的蒙皮，用在机身上的大多零件以及进气道上。复杂形状蒙皮是指那些形状极不规则的蒙皮，包括翼尖、机头罩等部位使用的蒙皮。
由于蒙皮结构的特殊性，增加了其加工和装配难度。在传统的人工制孔中，制孔水平受工人水平影响较大，加工出的孔质量参差不齐，无法准确保证装配时的精度要求。需求使用自动化设备进行自动制孔与装配可以保证蒙皮结构上孔的质量，确保装配时的精度要求是非常关键的。这对于提高最终产品的整体稳定性以及产品结构的抗疲劳性能与可靠性都十分重要。
2 大型专用机床制孔
在航空蒙皮曲面自动化制孔技术中，对于一些装配制造中大孔的加工，需要设计一些专门的大型自动化制孔设备以保证高标准的加工要求。从外形来看，大型落地式钻削机床体积大，重量大、设备需要占用很大空间；从成本来看，落地式龙门机床大多造价高，且为专用机床，生产成本高；从应用效果来看，大型机床的使用较为笨重，受限于机床体积，只能用于飞机开阔外表面的制孔，对于飞机表面上的复杂曲面对机床的定位精度要求以及工装的安装精度都极高。此外，大型机床不适用于飞机上一些狭小空间的制孔需求，机床笨重的体积难以进入那些狭小空间，如军用飞机的进气道。
3 机械臂机器人制孔
机械臂式制孔设备通常包括机械适配导轨、机械臂以及末端钻削设备等部分，可以用在航空铝、复合材料以及钛合金等蒙皮结构的制造装配。
美国波音公司和EOA公司合作设计了一种用于对钛合金、航空铝、复合材料及其叠层等蒙皮机构加工的多功能机械臂钻削设备，能够进行各种制孔加工工作。洛克希德·马丁公司研发的制孔设备主要用在了大型落地式龙门钻孔机床（JGADS）中，主要对F-35型号战机的碳纤维环氧复合材料制作的机翼上壁板进行制孔加工。
落地式龙门机床机械臂机器人在体积、重量上有大幅减小，因而可以适应飞机上的一些内表面的加工操作，如军用飞机进气道内的制孔加工。但是机械臂多关节伸展的结构导致机器人本身的刚性差，对于新型复合材料/航空铝组合的叠层材料或者钛合金材料很难保证很高的加工精度与可靠性；从控制角度来看，机械臂各关节灵活程度高，自由度大，需要对加工过程中的状态进行紧密监控，防止机械臂撞伤加工部件，安全性较差，这也是机械臂机器人难以在飞机制孔中广泛应用的一个重要原因。
4 柔性轨道的自动化设备制孔
在飞机制造工业中，随着飞机制造的周期缩短，自动化制孔设备呈现小型、轻便精密制孔的趋势。此外，由于当下大型飞机上复杂整体结构的采用，装配孔精度比以往要求更精密。这些都使制孔空设备向柔性及钻铆装配一体化的趋势发展。
作为一种小型轻便的自动化加工装备，基于柔性导轨的自动化制孔装备的最突出的特点就是自带吸附机构可以附着在待加工工件上，利用柔性导轨适配部件的自由曲面，实现设备在附着状态下制孔加工。通常飞机的机身和机翼有较多缓曲面，装备的导轨可以吸附在这些表面上供机器人在轨上行走制孔。这种加工状态降低了工艺对导轨部件的精度要求，并可节省工装的装配时间，调高加工效率。目前此方案已经用在了飞机机身、机翼的自动化加工工艺中，相较于常规的多轴机床制孔，优点是成本低、效率高、操作便捷。
研发了一种基于柔性轨道的爬壁机器人制孔平台，此航空制孔机器人系统在进行的系列工艺实验中表现良好，设计者提出了自动钻铆与当前机器人智能控制的实验结合点，提升了飞机制造装配过程中的自动制孔的一致性及表面粗糙度与法线垂直度等加工指标，但仍处于试验阶段，并未在实际应用中得到验证。
柔性导轨制孔系统主要适用的加工对象是大型民用飞机机身对接段与机翼平整段的复铝叠层小孔，其加工质量与精度都能达到生产的要求。但是现在研制的导轨式爬壁机器人系统的制孔单元体积较大，所以对于空间有一定的要求；柔性导轨未成网络，需要人工进行机器人的换位；加工前在飞机表面铺设导轨，工序比较烦琐。
5 自主移动式机器人系统制孔
自主移动式制孔装备是在柔型导轨式制孔装备之后最新发展起来的一种的小型自动化设备。自主移动式机器人与柔性轨道机器人同属于小型自动化加工设备，两者都自带吸附机构，可以将自身附着在部件表面进行行走和加工操作，这也是它们与传统大型落地式数控机床最主要的区别。但两者又有一定的不同，自主移动式制孔设备还具有特别的优点：无需导轨，可直接吸附在部件表面并行走，设备安装更加简单，节省了设备使用时的准备时间；无需铺设轨道，设备的使用灵活性更高，适应的工况更加广泛，更加符合自动化设备轻型化、柔性化、模块化的发展前景。
自主移动式爬壁机器人的吸附方式主要有爪式吸附、真空吸附和磁吸附3种；行走方式包括轮式、履带式、足式和组合式。灵活组合不同的吸附和行走形式，各国学者研制出了适用于不同工况下的爬壁机器人。
自主移动爬壁系统作为一种新的小型自动化设备，设备简单，应用灵活，对于飞机上狭小空间、复杂曲面的工况的适应能力更好，是未来航空制造业自动化发展的主要方向。
结论
目前，飞机制孔研究多集中于开发大型加工设备，成本高、技术难度大，对飞机复杂曲面缺乏适应性，通用的柔性导轨式制孔系统由于体积较大，适用于开阔的制孔空间，自主移动式制孔机器人由于技术复杂程度高，其制孔加工的可靠性与制孔的质量都有待进一步实验研究。
参考文献：
[1]王 珉，左敦稳，孙 喧.抗疲劳制造原理与技术[M].南京：江苏科学技术出版社，2019.
[2]袁红璇.飞机结构件连接孔制造技术[J].航空制造技术，2017，50（1）：96-99.