自动钻铆机托架结构设计.docx

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自动钻铆机托架结构设计

编号

南京航空航天大学

毕业设计

题目

自动钻铆机托架结构设计

学生姓名

沈兴辉

学号

050610527

学院

机电学院

专业

机械工程及自动化

班级

0506105

指导教师

高长水副教授

二〇10年六月

南京航空航天大学

本科毕业设计（论文）诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）（题目：

自动钻铆机托架结构设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：

年月日

（学号）：

自动钻铆机托架结构设计

摘要

本文主要是对自动钻铆机的托架结构进行了设计，这种托架目前主要多用于对飞机机翼的自动钻铆，不管是在航空还是天领域都有很大的用处。

在本文的设计过程中考虑和分析了一些问题并完成了以下一些工作：

（1）对X,Y,Z三个方向上的传动进行分析，设计出在X,Y两轴上采用齿条传动方式，而在Z轴上则采用螺杆传动方式。

两种传动都是由电机带动的。

（2）对于围框沿轴线正负摆动30°的问题，经过分析，我采用将围框固定在滑块上，让后者用电机来带动滑块进行前后摆动。

关键词:

自动，钻铆，托架结构。

DesignofTheAutomaticaugerrivetingmachinebracketstructure

Abstract

Inthispaper,wemakeadesignoftheautomaticaugerrivetingmachine,thiskindofbracketismainlyusedfortheautomaticaugerrivetwingaircraft，whetherinaviationordaysfieldsareveryuseful.Betweenthedesignofthispaper,weconsiderationandanalysissomequestionandcompeterthosequestion:

（1）weanalysisthetransmissionofthedirectionofX,Y,Z,decidetochoicethewayofrackinthewayofX,Y,ButintheZaxisadoptsscrewtransmissionmode.Twokindsoftransmissionisdrivenbymotor.

（2）Forthequestionoftheswingof30°,throughtheanalysis,weletthearoundtheboxdoptsfixedontheslideblock,andtheslideblockisdrivenbymotor.

KeyWords：

Automatic,augerriveting,bracketstructure

1.1自动钻铆技术概述------------------------------------------------------------------------------------1

1.2自动钻铆机技术的研究现状------------------------------------------------------------------------2

1.2.1国内的研究现状-------------------------------------------------------------------------------3

1.2.2国外的研究现状--------------------------------------------------------------------------------6

1.3论文研究的目的和意义------------------------------------------------------------------------------8

1.3.1论文研究的目的--------------------------------------------------------------------------------8

1.3.2论文研究的意义--------------------------------------------------------------------------------8

1.4本章小结------------------------------------------------------------------------------------------------9

2.2.1进给机械结构和围框--------------------------------------------------------------------------12

2.3本章小结----------------------------------------------------------------------------------------------14

3.1.2Y轴坐标进给设计------------------------------------------------------------------------------16

3.1.3Z轴坐标进给设计-------------------------------------------------------------------------------17

4.1.1围框框架间距设计------------------------------------------------------------------------------20

4.1.2围框框架尺寸设计------------------------------------------------------------------------------21

4.1.3围框制作过程------------------------------------------------------------------------------------21

4.3角板的设计----------------------------------------------------------------------------------------------24

4.4本章小结-------------------------------------------------------------------------------------------------24

5.2.1改进--------------------------------------------------------------------------------------------------25

5.2.2展望--------------------------------------------------------------------------------------------------25

第一章绪论

1.1自动钻铆技术概述

当今世界飞机制造技术的发展趋势表明，在很长一段时间内，铆接技术仍将是飞行器结构部件最可靠的连接技术。

然而旧的铆接方法手工作业劳动强度高，铆接质量差，己不能满足现代飞机生产制造的要求[1]，自动钻铆技术已成为飞机制造业发展的必然趋势[2]。

当代飞机制造技术的发展，对疲劳寿命、密封、防腐的要求越来越高，为了满足飞机对各种性能的要求，航空制造领域发展了各种先进技术，其中机械连接的干涉配合无头铆钉自动钻铆技术就是其中之一。

（图1-1为国外自动钻铆机）国外铆接装配技术几十年的应用证明，采用自动钻铆机后装配效率至少比手工铆接装配提高10倍，并能节约安装成本，改善劳动条件，更主要的使能够确保安装质量，大大减少人为因素造成的缺陷。

现在采用自动钻铆机已成为改善飞机性能的主要工艺措施之一[3]。

图1-1

自动钻铆技术主要包含以下几个内容：

（1）设备的研制、开发。

以不同飞机的结构为对象，发展多种型号的数控自动钻铆系统，不仅能铆接壁板，而且还可铆接各种组件，如肋、框、梁、翼面、前缘等，从而使自动钻铆系统的工作覆盖面大幅度增加，使整个飞机的铆接工作有较大的改观[4]。

（2）对各种干涉配合新型紧固件进行自动安装。

通过增加附件，可以对两件型紧固件进行自动安装，如环槽钉、高锁螺栓、锥形螺栓等，也可对无头铆钉进行干涉配合铆接，从而提高铆接结构疲劳寿命5～6倍，对提高飞机整体邮箱的密封铆接质量有重大意义。

（3）自动钻铆工艺。

结构铆接的整个过程通过预先编程全部由CNC程序控制，自动钻铆工艺是在一台设备上一次性地连续完成夹紧、钻孔、锪窝、注胶、放铆、铣平等工序。

由于机床带有高速、高精度的转削主轴头，一次进给即能钻出0.005mm以内高精度的孔，同时埋头窝的深度也可精确控制在±0.01mm以内，再加上机床由数控系统控制各轴运动，并采用精密自动化工装夹具，使得铆钉镦头高度保持一致，不受人为因素的影响。

所有这些因素均使钉杆在孔中充填质量大为改善，从而有利于提高细节疲劳强度许用值。

此外，由于钻孔时铆接件处在高的夹紧力下，层间不会产生毛刺和进入切削，可以减小疲劳载荷下发生磨蚀损伤的程度，这些均有利于提高接头的疲劳强度。

（4）数字化铆接的实现。

现代飞自动钻铆技术不只是工艺机械化、自动化的要求，更主要的还是飞机本身性能的要求。

目前世界各航空工业发达国家都已广泛采用自动钻铆技术。

随着我国航空工业研制的新机种的性能、水平不断提高，在铆接装配中发展自动钻铆技术已经势在必行机设计已实现数字化，开发应用脱机编程系统使得飞机各组件的数模通过脱机编程系统生成数控铆接程序，实现各种组件的铆接数字化，对实现飞机制造数字化具有重大意义。

目前，波音、空客的有关飞机结构设计手册中明确规定:

为确保连接质量，设计时应使自动化铆接获得最大限度的使用。

由此可以看出，自动钻铆技术不只是工艺机械化、自动化的要求，更主要的还是飞机本身性能的要求。

由于设计上的这一要求，就使得自动钻铆技术的发展具有生命力。

所以近20年来，自动钻铆技术得到迅速发展[5]。

1.2自动钻铆技术的应用现状

飞机机械连接技术是量大面广的航空制造技术之一机械连接连同钣金和机械加工技术，号称飞机制造业的三大技术。

早期飞机的机械连接工作量占机械制造工作量的40％～50％左右随着新技术不断发展，整体结构、胶接蜂窝结构、超塑成形扩散组合结构和复合材料结构逐渐增多，飞机连接件的数量有减少的趋势，但铆接和螺接等机械连接不仅不会被其它结构形式所代替，而且对机械连接技术提出，更高的要求。

从目前的实际情况看，各种飞机中的连接仍然以机械连接为主，机械连接的工作量仍占飞机机体制造工作量的20％左右。

从飞机连接件的数量来看，波音747每架有铆钉200万个；依尔86每架有铆钉148万个，螺栓12万个，A300“空中客车”和MD一90皆有100万个连接。

据统计，一架飞机连接件的成本占飞机总成本的3％～5％，其重量占飞空重的5％～6‘‰左右：

因而成为航空制造业中三大关键技术之一。

飞机机械连接自动钻铆技术的发展前途当代飞机的发展，时疲劳性能、飞行寿命的要求越来越高。

如F一15的设计飞行寿命为4000小时，而新一代歼击机的飞行寿命指标已提高到8000小时；民用飞机的无裂纹飞行寿命要求达到3万小时，经济寿命要求达到6万小时。

为满足飞机对疲劳性能的要求，航空制造技术采取了各种措施，干涉配合无头铆钉自动钻铆技术就是其中之一。

和普通的铆钉卡相比，疲劳寿命可提高5～6倍。

且不需使用密封胶，从而能减轻飞机的结构重量。

目前在国外无论军机还是民机，都大量采用干涉配台无头铆钉连接结构干涉配合连接技术要求有较高的钉孔精度和垂直度．保证钉杆和钉孔间的严格干涉量，用

手工放置铆钉会很困难，所以把钻孔、锪窝、放钉、压铆、钉头铣平等工序．放在同一设备即自动钻铆机来完成这样不仅保证干涉配合铆接质量，而且比手工铆接提高效率6倍左右降低成本50％。

自动钻铆技术发展到今天，各国生产的近代飞机，几乎毫无例外地采用干涉配合无头铆钉自动钻铆技术。

如F—I5、B一747飞机大量采用无头的钛合金铆钉，全部用自动钻铆机施铆。

B一747飞机机铆率达62％，依尔86飞机机铆率达54．5％。

“空中客车”A300机铆率为45％，B一767飞机机身的机铆率为97％。

随着计算机技术的发展，钻铆自动化已从

单台数控钻铆机同多台自动钻铆机或钻铆装置、托架、钉传递装置、真空集屑装置、传感控制装置等组成的计算机集成控制的柔性自动装菖己系统方向发展。

如波音公司在B一767机翼制造中，采用了由4台自动装置机组成的翼粱自动装配系统泼系统能自动定位零件、自动确定孔位、自动测厚、自动钻铆。

每个工作循环只需8秒钟[6]。

1.2.1国内研究现状

我国自动钻铆机的研制起步较早，上世纪70年代初开始研制自动钻铆机，研制出大型、中型自动钻铆机若干台，由于设备本身运行的稳定性以及配套产品应用需求等方面存在问题，全部中断了研制和使用。

到了80年代中期，随着对外转包生产项目的增加，各飞机制造厂开始从国外引进自动钻铆机并将其应用于实际生产中[7]。

西飞公司分别于1985和1992年引进G400及G900自动钻铆机。

这两台机床均配以手动托架，分别用于加工美国波音公司和麦道公司（已于1997年并入波音公司）的垂尾平尾及法航、意航、加航的零件。

随着国际间技术交流的不断深入，我国又同美国麦道公司合作生产干线客机旧一90一30。

西飞公司的两台自动钻铆机已满足不了生产的需求。

1993年从GEMc0R公司引进了G4026Sxx一120型自动钻铆机，用于MD一90一30等飞机的机翼壁板的铆接装配生产。

由于没有引进与之配套的托架系统，1995年西飞公司与西北工业大学联合研制数控托架（见图1-2）[8]。

该托架采用z坐标两立柱支撑的结构形式。

由于受当时工艺制造水平的限制，围框刚性不足，存在一定闯题。

随着麦道干线机合作生产项目的终结，数控托架的研制工作也宣告终止。

1998年西飞公司引进APS公司的刚S335钻铆机，取代G400机床。

图1-2西飞和西工大联合研制的托架

随着新型号飞机研制项目的立项，西飞公司以现有的G4026SXx_120自动钻铆机为基础，重新研制出与之配套的数控托架，见图1-3。

目前，自行研制的数控托架在定位方面仍未实现自动化，不能根据表面形状和铆钉的位置自动确定法线方向和连接件间距，必须进行手动调平，依然无法实现机翼壁板的高效、高质量自动钻铆。

图1-3西飞自行研制并改进的托架

成飞公司先后从国外引进了G4026、RMS335钻铆机，并自行研制出半自动托架（其x轴采用电机拖动、无级变速系统），在托架／托框（即围框）的设计、工艺方法控制、刀具转换以及压力脚树套的设计和改制等方面形成了一套较为完整的自动钻铆技术工艺管理方法。

但是，也没有实现全自动定位，仍然需要进行人工干预[9]。

沈飞公司也引进法国的PREcA300和BROTJE的BA96，并配备了相应的托架系统，但至今仍未投入实际生产。

目前我国航空领域使用的自动钻铆机已经有一定的数量，但这项技术的应用仅限在转包生产民机部件装配中，在国内自己研制的飞机上还没有得到应用，并存在以下问题：

（1）自动钻铆技术没有自主的知识产权。

我国航空制造领域使用的自动钻铆技术均从国外引进，国内设计薄弱，也不能按自主产权方式生产自己的产品。

（2）自动钻铆技术应用存在较大的差距。

我国目前由国外引进的自动钻铆机中，最先进的定位系统仅为半自动，尚没有一台真正意义上的全自动钻铆机。

对于先进的自动钻铆系统，基本上依赖国外专业公司的技术支持，包括备件和刀具等。

对于设备的维护和使用也只是在实际中摸索，没有能力进行大的设备故障的检修和改造。

1.2.2国外研究现状

美国自动钻铆机的最早制造厂商是GEMCOR（通用电气机械公司），它是向世界各国飞机制造行业提供自动钻铆机的主要厂商之一。

该公司生产的系列化产品质量可靠，并配套有各种型号的数控托架。

到现在为止，销售的自动钻铆机数量已达2000台以上，其中190台具有定位系统。

公司生产的自动钻铆机主要型号有G200、G300、G400、G900、G666、G39A、G4013、G4026、G5013。

其中G200、G400型是较早的型号，G300为比较通用的型号，而G900型的功能比较齐全。

具有无头铆钉钻铆功能的型号有G900、G666、G39A、G4013、G4026、

G5013。

近几年无头铆钉的工作原理有所发展，机床采用GEMCOR专利的SQUEEZE/

SQUEEZE双挤铆方式，先预挤铆，再进行挤铆，不仅能保证上下铆头同步成形上下镦头，而且铆接质量大大提高。

各种型号机床可通过改变下铆砧形状和尺寸来适应各种结构的要求。

GEMCOR公司生产的数控托架（也称自动定位系统）主要型号有G63、G79、G86、747WRS、

G2000等。

（1）G63自动定位系统。

G63的工作原理是：

钻铆机固定不动，托架的框架固定在两端的架车上，架车在地面导轨上纵向移动，所有X、Y、Z轴方向的运动由伺服控制的液压马达通过滚珠丝杠来带动，而绕X向的旋转则依靠伺服操作液压作动筒。

该系统应用于空客公司A300机翼壁板的装配中，与G666Sp-145无头铆钉钻铆机配套组成自动钻铆系统。

在美国VOUGHT公司的波音747机身壁板的装配中，它与G400B/39A-120钻铆机配套组成自动钻铆系统。

（2）G79自动定位系统。

它与G400BH/39A-120自动钻铆机配套用于MITSUBISHI公司转包生产波音767机身段的装配。

G79为CNC控制、六坐标、中型自动定位系统。

它是GEMCOR产品中最通用、最多功能的定位系统。

铆接机作X向运动，而托架作Y、Z和a、b、c向的运动（a、b、c为绕X、Y、Z轴的转动）。

所有的动作均由自动和手动控制的电伺服马达驱动。

（3）G86自动定位系统。

它可以与G200、G300、G400、G900、G4013、G4026、G5013等配套组成自动钻铆系统。

G86的CNC定位系统有独特的低重心设计，这样可以保证即使在高速运行的状态下也具有稳定性和可重复性。

托架可以通过宽度调节容纳不同大小的夹具。

目前，该机型已发展成全电动自动铆接系统，铆接方式也从液压镦铆发展为SQUEEZE/SQUEEZE的双挤铆方式;10/32"以下的铆钉铆接驱动采用全电动方式，用滚柱丝杠传动，并配有自动换刀装置。

近两年开发了脱机编程系统，可与CATIAV5进行数据交换，实现数字化铆接。

（4）ROUSIER机翼钻铆系统。

该钻铆机作X、Y、Z、a、b向运动，而工件的支持结构固定不动。

X、Y轴的定位由数控系统控制，而Z、a、b的运动则通过法向传感器/伺服系统来控制。

该系统用于钻铆波音747/767机翼壁板。

世界各航空工业发达国家的自动钻铆技术基本上都是从美国引进的，然后再进行国产化，以适应本国航空工业发展的需要。

如原苏联在70年代从美国引进GEMCOR的G300型和G666型自动钻铆机，并在此基础上研制出自己的系列自动钻铆机及数控托架[10]，并已广泛装备于各飞机工厂，主要产品有AK-5.5-2.4、AK-2.2-0.5等，用于飞机机身、机翼的装配，机铆系数可达70‰。

但其自动钻铆机的控制系统较落后，故其产品未打入国际市场。

此外，法国在从美国引进各种型号自动钻铆机的基础上，从80年代起也开始进行国产化，其产品曾打入国际市场与美国产品竞争，法国自动钻铆机在国外推销较多的产品为recoulesetfils公司的PRECA300和PRECA600，其性能与美国G300相当，上动力头也为3个主轴。

该公司现已倒闭。

德国在发展自动钻铆技术方面走的是另一条道路，在此项技术的应用与发展中，凭借其雄厚的资金、技术力量，一方面大量引进先进的自动钻

铆系统和柔性装配系统，另一方面自己也积极研制开发高自动化的铆接装配系统。

故德国的自动钻铆技术虽然起步较晚，但已比较先进，脱机编程系统已应用成熟，可与CATIAV5进

行数据交换，实现数字化铆接。

目前BR歍JE公司的机身铆接柔性工装和柔性装配生产线在世界处于领先地位。

美国ELECTROIMPACT（EI）公司是一家1986年成立的、迅速发展的研制开发高自动化卧式铆接装配系统的有潜力的公司。

公司生产的E4000型系列自动钻铆系统用于空客公司的A320、A340、A380机翼的铆接。

EI公司采用电磁铆接，特点是电

磁力大，速度快，更适合大铆钉、大型机翼壁板的铆接。

由于采用卧式主轴结构，铆接时几乎没有后坐力，同时工件不动，故铆接质量高。

EI公司直接在CATIAV5平台上开发的脱机编程系统可实现数字化铆接。

2003年，EI公司为空客建立了两条165m长的生产线，共8台E4380设备，分别加工A380上下壁板[11]。

自上世纪50代以来，美国、俄罗斯（前苏联）、德国等国家发展了一系列的自动钻铆设备和系统，见表1-1。

而要发挥自动钻铆技术的优势，必须有与自动钻铆机相配套的托架系统。

对于外形较平直的中小尺寸的壁板、翼肋等结构大多配置手动／半自动（NC／cNc）托架系统,而对于较大尺寸及复杂的结构，尤其是大型飞机机身和机翼壁板、双曲度壁板的自动钻铆，需要配备全自动托架（CNC）系统以实现工件的自动定位和调平。

从表1-1中可看出，近lO年来，国外自动钻铆技术的发展呈现两大趋势:

1．由传统的液压驱动型向电磁力（脉冲磁场力）驱动和全电驱动（采用电伺服滚珠丝杠技术）的方向发展，后两者具有铆接效率高，设备占地面积小、无油污染、易于控制等优点；

2．由自动钻铆机／托架系统的配置向由数控自动钻铆机／加工单元、柔性装配工装（夹具）、数字化定位和检测系统、机器人系统、自动物料传送系统等集成的柔性数字化装配系统发展[12]。

以空客A380为例，A380零阶段壁板装配有4条用于上下机翼壁板的柔性装配生产线。

其中，2条用于上壁板的装配，2条用于下壁板的装配。

每条生产线长165m，装有3套柔性转装配夹具。

每条生产线都配有l台E4380自动钻铆／安装设备，对在装配夹具中的壁板进行装配。

E4380配置如下[12]：

·HsK50钻孔动力头；

·用于修整／铰孔的次级主轴；

·电磁铆接动力头；

·密封胶注入器；

·螺栓插入工具；

·冷加工工具（开缝衬套挤压孔强化）；

·2个孔探测器（1个用于钻孔，1个用于冷加工）；

·同步照相机；

·紧固件自动供应系统。

E4380可安装直径达12．7哪的铆钉和环槽铆钉。

紧固进给系统可进行铆钉、环槽铆钉和环圈的自动进给[12]。

1.3论文研究的目的和意义

1.3.1论文研究的目的

改造后的G402