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 学 号 学 院 专 业 班 级 指导教师
沈兴辉 050610527 机电学院 机械工程及自动化
0506105 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）：
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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。
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Design of The Automatic auger riveting machine
bracket structure
Abstract
In this paper, we make a design of the automatic auger riveting machine, this kind of bracket is mainly used for the automatic auger rivet wing aircraft，whether in aviation or days fields are very useful. Between the design of this paper, we consideration and analysis some question and competer those question:
(1) we analysis the transmission of the direction of X,Y,Z, decide to choice the way of rack in the way of X,Y, But in the Z axis adopts screw transmission mode. Two kinds of transmission is driven by motor.
(2) For the question of the swing of 30°, through the analysis, we let the around the box dopts fixed on the slide block, and the slide block is driven by motor.
Key Words：Automatic,auger riveting, bracket structure
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目录
摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------------i Abstract-----------------------------------------------------------------------错
误！未定义书签。
第一章 绪论----------------------------------------------------------------------------------------------------1
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
第二章 自动钻铆机的整体设计-----------------------------------------------------------------------11
2.1 自动钻铆机的基本组成----------------------------------------------------------------------------11 2.1.1 自动钻铆机-------------------------------------------------------------------------------------11 2.1.2 自动钻铆机的托架结构----------------------------------------------------------------------12 2.2 钻铆机的机械结构----------------------------------------------------------------------------------12 2.2.1 进给机械结构和围框--------------------------------------------------------------------------12
2.3 本章小结----------------------------------------------------------------------------------------------14
第三章 自动钻铆系统的进给机构设计-------------------------------------------------------------15
3.1 直线坐标进给机构设计------------------------------------------------------------------------------15 3.1.1 X轴坐标进给设计------------------------------------------------------------------------------15 3.1.2 Y轴坐标进给设计------------------------------------------------------------------------------16
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3.1.3 Z轴坐标进给设计-------------------------------------------------------------------------------17 3.2 A摆传动设计--------------------------------------------------------------------------------------------18 3.3 本章小结--------------------------------------------------------------------------------------------------19
第四章 钻铆机托架的围框设计------------------------------------------------------------------------20
4.1 围框设计-------------------------------------------------------------------------------------------------20 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 4.2 托板的设计----------------------------------------------------------------------------------------------23 4.3 角板的设计----------------------------------------------------------------------------------------------24 4.4 本章小结-------------------------------------------------------------------------------------------------24
第五章 总结与展望------------------------------------------------------------------------------------------25
5.1 全文总结--------------------------------------------------------------------------------------------------25 5.2 改进与展望-----------------------------------------------------------------------------------------------25 5.2.1 改进--------------------------------------------------------------------------------------------------25 5.2.2 展望--------------------------------------------------------------------------------------------------25
参 考 文 献---------------------------------------------------------------------------------------------------------27 致 谢--------------------------------------------------------------------------------------------------------------29
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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
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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C N C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
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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]。
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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
[8]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）。
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。
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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PREcA 300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。
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1.2.2 国外研究现状
美国自动钻铆机的最早制造厂商是G E M C O R (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G E M C O R 专利的S Q U E E Z E / S Q U E E Z E 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S Q U E E Z E /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CATIA V5 进行数据交换，实现数字化
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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 recoules et fils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CATIA V5 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E L E C T R O I M P A C T ( E I ）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CATIA V5 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。
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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]：
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·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G4026sxx一120自动钻铆机数控托架由于自身重力以及工件重力的作用会发生
变形，造成工件上各点的实际位置和理论位置存在偏差；由于无法实现自动调平，严重影响了加工的效率和质量；在铆接过程中，诸如钉孔配合尺寸、干涉量、钻孔速度、铣平速度以及设备之间的误差补偿等工艺问题也必须通过人工手动试验或计算的方式获取，操作人员需要耗费大量的精力。为此，本文将在分析自动钻铆过程中存在的问题的基础，对数控托架变形进行分析，并将变形分析结果与实际测量结果进行比较；根据变形分析的结果，对托架的变形进行补偿；建立自动钻铆铆接数据库，实现大量数据的自动统计、分析、优化，从而提高壁板的铆接质量和加工效率[13]。
1.3.2 论文研究的意义
全自动钻铆技术改变了传统的铆接技术，使得典型部件装配周期缩短60％，铆接成本减
少20％一30％，大大提高飞机铆接质量和飞机的密封性能：广泛应用于大型飞机的机翼壁板、机身壁板、翼肋的自动铆接。它可用来装配轻合金、耐热合金、钢件、铝合金材料。
自动钻铆技术是新一代飞机研制的关键技术，对于提高我国的飞机制造水平，增强国防能力具有深远的意义。飞机制造中铆接装配占有十分重要的地位，据估算，飞机装配劳动量约占整个飞机制造劳动量的40％-50％，飞机装配中铆接占30％，随着对飞机性能要求的不断
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提高，人们愈来愈重视铆接质量，使其适应质量稳定，生产效率高，疲劳寿命长的要求。自动钻铆机技术开发成功并应用于世界著名的航空企业波音、空中客车，由此自动钻铆技术在国际上得到广泛的应用[14]，并逐渐显示出其强大技术优势，促使了飞机装配的历史性变革。随着我国航空工业军民用飞机性能水平的需求的不断提高，航空企业也在不断地探索应用自动钻铆技术。
早期自动钻铆技术仅限于单机的过程自动化，只能完成自动的切削加工和铆接等过程，尚不具备自动化定位的特点，可以看作是单台的加工机床。随着现代工程技术、自动化技术、数字制造技术和人工智能技术的目益完备和发展，自动钻铆技术实现了实质性的突破，已经初步形成了自动化装配系统。该系统的出现不仅大大提高了飞机制造的经济效益、社会效益和环境生态效益，而且对改进飞机设计和提高工艺技术水平也有明显的促进和推动作用。同时在大批量生产中提高生产效率，也是采用自动钻铆技术的一个重要原因。
1993年西飞公司从GEMCOR公司引进了G4026SXX-120型自动钻铆机，用于麦道公MD-90．30等飞机的机翼壁板的铆接装配生产。该机床引进时，未引进托架装置，于1995年开始同西工大联合研究、设计制造该机翼托架。机翼托架采用Z坐标两立柱支撵的结构形式，两立柱的中心距是22615nun；托架长为17800ram，宽为3000ram，自动钻铆机系统运动方式采用x、Y、ZI、Z2，A五个坐标。工艺部门根据结构的铆接变形、光点定位和制造精度，进行一系列工艺试验研究，以便在制造工艺加工路线时采取相应措施。由于受当时工艺制造水平的限制[15]，围框刚性不足均存在一定问题，并且麦道干线机生产的下马，使该项科研最终未进行下去。
该设备于1996年技改科研暂停至今一直未用，因西飞公司急需将该设备用于ARJ21飞机机翼壁板的铆接，将该设备再次改造。该设备存在问题比较复杂，对存在问题的解决是自动钻铆机再次改造的重点。
1.4 本章小结
本章介绍了国内外自动钻铆技术发展现状，说明了对自动钻铆机托架变形进行研究以及
建立铆接数据库系统的必要性和意义；提出了本文的研究目的，阐述了本文的主要研究内容，最后对本文的章节结构进行安排。
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第二章 自动钻铆机的整体设计
推行数字化装配技术是飞机制造业发展的必然趋势，而数字化装配技术离不开先进的自动钻铆技术。自动钻铆技术的实现大大提高了自动化装配系统的可靠性和实用性。
2.1 自动钻铆机的基本组成
自动钻铆系统主要包括自动钻铆机和托架两部分。自动钻铆机用于完成制孔、铆接、铣平等工作；托架系统用于进给系统的运动和工作围框的调平，实现装配件的定位和夹持[16]。
2.1.1 自动钻铆机
自动钻铆机由钻铆机本体和PLC控制器组成。钻铆机本体结构示意图是图2．1，钻铆机
的上铆头组件和下铆头组件分别固定在c型框架上，并且上铆头和下铆头与C型框架的结构中心线垂直。上铆头组件内部装有一块传动板，在该板上固定着钻轴、摄像头、铣轴、涂胶器、镦铆五个工位，它们由一个传动油缸在五个工位之间驱动和压力脚来实现加紧运动。下铆头由一个液压升降的转台装置和一个液压镦铆油缸组成。图2．1钻铆机结构图PLC控制器用于实现钻铆机五个工位的位置控制和实现装配零件铆接功能[16,17]。
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2.1.2 钻铆机托架
钻铆机托架系统包括机械结构和数控系统组成。机械结构分为进给运动和工作围框两部
分。进给运动包括X坐标进给运动、Y坐标进给运动、z坐标迸给运动、A坐标进给运动。其中x向导轨固定在床身底座上[18]；Y向机构固定在X坐标的滑板上；自动钻铆机本体安装在Y向机构固定板上；z向驱动机构分别安装在两端立柱并且与工作围框相连。工作围框是A坐标驱动绕着x轴旋转。托架示意图是图2-2
图2-2 托架结构示意图
2.2 钻铆机的机械结构 2.2.1 进给运动机构和围框
自动钻铆机系统是全自动控制设备，钻铆机对其进给传动的要求是：钻铆机进给速度变
化范围大，以适应高速高效加工的需要[19]；进给系统的刚性高，所有零部件要求有足够的刚度、精度、抗振性和热变性特性稳定；进给运动的重复定位精度高，以满足大型机翼壁板零件的稳定加工。
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自动钻铆机系统进给运动的设计依据表2-1的坐标进给运动参数，确定设计方案。其中x坐标进给运动系统采用交流伺服电动机带齿轮变速机构，驱动齿条实现x坐标运动。
项目 名称 X坐标 Y坐标 Z坐标 A坐标
表2-1 坐标进给运动参数
X坐标驱动采用齿轮齿条驱动，x坐标运动精度有很大的影响。设计时采用双齿条预紧方式并且施加一定的预紧力，达到无间隙传动。X坐标的传动时靠齿轮齿条来传动的，而定位则是由导轨和滑块来实现的，X坐标有两条导轨，每根直线滚动导轨上具有两个滑块，直线滚动导轨与滑块之间用压板预紧方式进行预紧。同时滚动导轨和滑块的侧面均采用压板预紧方式起到防止松动作用，保证了精度的稳定性。
Y坐标的传动跟X坐标的进给方式一样。
Z坐标进给行程由于较短，所以采用交流伺服电动机直接驱动滚珠丝杠螺母副，实现坐标的进给运动。因为滚珠丝杠副是数控机床的理想的运动转换装置。Z坐标的传动是由滚珠丝杆来实现的，定位则也是由导轨来实现的的。Z坐标导轨采用直线滚动导孰副，实现Z坐标运动时噪音小、克服低速爬行的现象。
A坐标的运动是将电机连接在滑块上，而将滑块于围框固定在一起，然后通过电机的转动来带动围框一起转动，从而实现在A坐标上的30°的运动。
围框的刚性差和变形量大是在设计中考虑的主要因素，因为Z坐标的立柱间距越大围框的变形也越大，所以在满足产品零件的加工范围的前提下，尽量将z坐标立柱间距减少。设计的框架的长度尽量缩短尺寸，截面形状采用矩形界面，端部结构设计为等轻度箱型结构．提高
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外形尺寸 导轨长度 行程范围 8000mm 2500mm 1500m 7500mm 2000mm 1000mm 3000mm 1500mm 200mm 30° 毕业设计（论文）报告纸
其刚性。同时将A摆支撑结构进行改善[20]，将支撑座的结构进行优化，提高支撑座的刚性和强度，减少支撑座的悬出长度，加大支撑座和围框框架的连接尺寸，使得围框框架的整体剐性得以提高。
2.3 本章小结
本章阐述了自动钻铆机、托架系统和自动钻铆机；分别分析了进给运动、工作围框的工
作原理和意义。
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第三章 自动钻铆系统的进给机构设计
自动钻铆机的各坐标进给运动是该设备的重要基础件[21]，它的动态特性和静态特性直接影响自动钻铆机的加工精度和精度稳定性。
3.1 直线坐标进给机构设计
自动钻铆机的直线坐标进给共有三种：X轴，Y轴，Z轴，三种进给各有不同。下面将分别对三种直线坐标进给进行分析[22]。
3.1.1 X轴坐标进给运动设计
自动钻铆机的X坐标行程其范围为3000mm,考虑到工作行程长,而且钻铆机整体的重量很
重，加上机翼的重量，要是之在X轴运动因此进给运动方式设计为齿轮齿条的传动结构,除此，机翼的铆接精度要求很高，所以采用双齿轮配合齿条传动，由交流伺服电动机通过带动齿条的运动来带动托架在X轴方向上运动。设计时，齿条固定在底座上，底座的长度为8000mm（如图3-1），导轨也是规定在底座上[23]。
图3-1 底座
齿轮是与滑块上用螺栓固定在一起，他们一起沿着导轨和齿条运动，如图3-2
图3-2 X轴传动示意图
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滑块部分，滑块部分作为汽缸的第一执行构件，要承受拉与压力，本身必须具有一定的强度，同时与底座配合形成移动副[24]，因此侧面和底面应有较高的耐磨性，可以选用合金材料 ZCuZn38Mn2pb2。如图3-3：
图3-3 滑块
3.1.2 Y轴坐标进给运动设计
Y轴的方向的尺寸的2500mm，行程范围了1500mm，由于行程也是较大，而且要带动
托架和机翼一起在Y轴上运动，初步的选择方案是让围框沿着Y轴运动，这样虽然简单，但是在Z轴传动和A轴转动上则会出现问题，既要让围框在Y轴运动又要它沿Z轴运动和绕A轴转动，三种运动很困难[23]。为了简化围框的运动，所以Y轴的传动也选用与X轴一样的传动方式，齿轮齿条的传动方式，让支架整体沿Y轴运动，齿轮是固定在支架上随支架一起运动，而导轨和齿条则固定在底座上。由于行程比X轴的行程短，不采用双齿轮齿条传动。其传动方式如图3-4：
图3-4 Y轴传动示意图
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3.1.3 Z轴坐标进给运动设计
自动钻铆机Z坐标的行程范围为200mm，由于工作行程较短，所以选择由交流伺服电动机与滚珠丝杠直联方式。这种连接方式可以提高滚珠丝杠、交流伺服电动机及其控制单元的性能，而直接用交流伺服电动机与滚珠丝杠连接，整个系统结构简单，减少了产生误差的环节。滚珠丝杆的特点是在具有螺旋槽的丝杆滑块装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦[25]。如图3-5:
图3-5 滚珠丝杆传动
在丝杆和滑块上都加工油圆形的螺旋槽，当它们对合起来就形成了螺旋轨道，在轨道内装有滚珠，当丝杆与滑块相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，带动滑块向前走动。为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。滚珠丝杆主要承受轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杆的自重，因此滚珠丝杆的轴向精度和刚度要求高。滚珠丝杆常见的支承结构如图所示[26]。
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由于钻铆机所要求的精度和钢度都很高，所以我们采用两段固定的支承结构来实现在Z轴向的运动。交流伺服电动机带动滚珠丝杆转动，使得滑块能沿着Z轴上下移动，而滑块又是与围框连接在一起的，所以围框也就能在Z轴方向上下移动，从而实现了在Z轴的进给。如图3-6:
图3-6 Z轴传动示意图
3.2 A摆传动设计
围框框架A摆传动是钻铆机托架设计的关键部件。钻铆机数控托架所存在的致命问题就
是A摆的传动太单薄，引起整个工作框架刚性不足，振动幅度比较大，运动不平稳[27]。 A摆传动形式的设计，A摆传动形式采用大直径的转盘轴承。大直径的转盘轴承具有较大的抗倾覆性，而且轴向尺寸小，对于提高A摆的传动有很大的帮助，A摆传动采用大齿轮传动，大直径齿圈直接和围框框架的端梁相连，增大了传动半径，大大的提高了驱动框架传动的驱动扭矩，提高了传动刚性，使传动过程平稳，可靠。大直径齿圈的质心就在其转动中心，与扇型齿轮相比解决了转动过程中偏载的问题，使工作框架转到任何位置时，自身引起的负载扭矩是个恒值。在设计过程中，采用了带有外齿圈的转盘轴承，使支撑元件和传动元件成为 一体，减少了安装引起的误差，提高了整体传动刚性。在选型时，充分的考虑了转盘轴承的垂直安装其径向的承载能力的要求。转盘轴承常规的安装形式是水平安装，它有很高的轴向承载能力和抗倾覆能力，很少有垂直安装的。通过受力情况的分析，必须将转盘轴承的保持架材料作以更改，才能满足使用要求。如图3-7
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图3-7 A轴转动示意图
3.3 本章小结
本章分别对直线运动坐标(X、Y、Z)和A坐标进行了结构设计，合理选择了它们的传动方式，并对之进行了一定的分析。
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第四章 钻铆机托架的围框设计
在托架工作围框结构的设计时，需要在满足刚性和强度的条件下尽可能地减少重量。工
作围框结构的动态特性是影响机床性能的关键因素，因此工作围框结构框架的设计显得尤为重要[28]。在围框中还有托板，角板的零件，用于壁板的支撑、夹紧、移动、定位。
4.1 围框的设计
4.1.1 围框框架间距的设计
围框框架的刚性差是引起框架振动的主要原因，因此围框设计需要提高框架的刚性和减
少振源的产生。立柱间距较大是框架发生变形的主要因素，在满足产品零件的加工范围的前提下，应尽量减少Z向立柱间距进行确定，相应的围框框架进行设计
立柱间距的确定。钻铆机围框框架的运动形式是以矩形围框框架两端为转动轴，整个的围框框架受力状态可能简化为两端铰支的简支梁结构，通过承载简支梁变形量计算公式的分析，可以看出：简支梁的变形与梁的长度的4次方成正比，与梁的惯性矩I和刚的弹性模量E成反比。所以要想提高梁的刚性(梁的长度L是影响刚性的最大因素)，就必须减小梁的长度，增大梁的惯性矩，而且减小梁的长度对于梁的刚性的提高帮助很大。因此，在满足产品零件加工范围要求的前提下应尽量缩短两个Z向立柱的间距。本毕设Y轴的外形尺寸长度为2500mm， 导轨长度为2000mm，行程要求为1500mm，我们选定两立柱间的距离为270mm。如图4-1
图4-1 两立柱间距示意图
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4.1.2 围框框架尺寸的设计
(1)工作围框尺寸确定
从图4．2可以看出围框框架的整体尺寸为：外形为：1600mm×1830mm×140mm，内腔宽为：1450mm×1730mm×140mm。
(2)围框框架横梁截面形状的确定
围框框架刚性的好坏决定着钻铆机工作的精度和钢度，在这次设计中，我把围框框架的横截面设计成矩形如图4-2
图4-2 围框框架
4.1.3 围框框架的制作过程
工作围框的框架外形尺寸较大，在制造过程控制材料外形校平、焊接的变形、部件的组
装和外形表面处理尤为关键，具体步骤和方法如下[29]：
a) 施工准备：施工前应保证加工制作平台平整，施工机收集检测工具，要求齐全完好。 b) 下料：条形部件的下料采用半自动切割机。为防止条形部件两边受热不均匀，铜板边缘20mm必须割去，保证条形部件边缘平直。
c) 组对：组对前敷设15m场钢板平台，钢板厚度应为18-20mm，不平处应采用钢板垫平，用水平仪对平台进行测量找平。
d) 横梁条形部件的拼接，钢板对接处应打坡口，焊接后条形部件边缘直线度小于2mm，侧板上的垫板焊接后，调直侧板边缘不直度不大于2mm。
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e) 横梁的组对：(1)将下部底板水平放置于平台上：(2)内加强板点焊在底板上由内加强板来控制箱体的垂直度；(3)组对两个侧板，并将内加强板与侧板点焊；(4)焊接内加强扳的3个边(上部边缘的焊接待组队完成后通过减轻孔焊接)；(5)组对上都底板；(6)横梁两端用临时直角板固定。组对完成后的直线度不大于3mm，各平面度不大于2mm，相临面的直角度不大于2mm。方形连接板暂不组对。
f） 端梁的组对；(1)外侧板水平放置在平台上；(2)内加强板点焊在外侧板上；(3)组对两个底板；(4)焊接内加强板；(5)组对内侧板；(6)组对端头侧板；(7)箱体端梁焊接完成后组对连接板。将方形连接板，按实际间距放置于平台上，先将端梁放置于方形连接板上，找平、点焊，在将圆形连接板放置于端梁上，找准中心点，点焊固定，确认中心无误然后焊接。 g) 焊接：焊接设备采用交流电焊机，焊材采用E4303(T422)点焊条，焊条使用前应烘至150℃，保温1小时方能使用。
h) 对接焊缝的坡口形式应为V形，钝角边为2mm，角度为30。，焊缝应无气孔、夹渣、裂纹等缺陷。
i) 横梁四个角焊缝的焊接，采取同电流，同速度对成跳焊，由梁中心向两端施焊，跳焊长度为l根焊条的焊接长度。顺序为(1)下底板两侧堆成跳焊；(2)上底板两侧应对称的跳焊；(3)上底板应对称的满焊，第一遍焊接完成后进行第二遍跳焊，焊接方法同上，共焊两遍，再焊接过程中应控制焊接变形。
j) 端梁的焊接应从梁中心向两端施焊，采取同电流，同速度，对称焊接，第一遍焊接完成后，在进行第二遍的焊接。
k) 方形连接板和圆形连接板的焊接，应按钢板厚度焊接牢固。
1) 调整、打磨、刷漆：焊接完成后出现的弯曲变形，采取加热、焊接、机械调直。横梁长度的余量用气割割去。打磨飞溅物和棱角，达N#I-表面光滑。除锈、刷漆，完成制作。吊装运输工程中，作好防护和保护工作，防止碰撞及吊装变形。图4-3立柱与围框连接示意图
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图4-3 立柱与围框连接示意图
m)组装：两端梁安装在钻铆机上，调好水平和间距，横梁连接板采用螺栓全部紧固，再将横梁对准连接板进行调整平面度和间距，确认无误然后焊接横梁连接板，完成安装。组装时需用吊车或行车配合[30]。
4.2 托板设计
托板也称卡板，根据蒙皮(壁板的一部分)理论内形制造而成，用于支撑工件即壁板。对于不同的壁板，所选用的托板数量、形状以及托板的安装位置也不一样。图4-4所示是其中一块托板的CAD模型。
图4-4 托板示意图
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托板通过角板和螺栓固定于两根横梁之间，随围框一起运动。托板的定位如图4-5所示。1是螺栓孔，2是定位销。托板和定位销贴合以后，用螺栓将托板和角板连接起来。托板的定位准确度主要由角板保证。
图4-5 托板定位示意图
4.3 角板设计
角板用于托板的定位，其质量和尺寸比较小。在理论模型中，如果将角板简化为质点，则所有角板处于同一个平面内[31]。角板的CAD模型见图4-6
图4-6 角板CAD图
4.4 本章小结
本章主要对自动钻铆机工作围框的框架间距和框架尺寸进行了分析设计，对围框中的托
板角板也进行了一定的分析。除此还介绍了自动钻铆机工作围框制造过程的顺序、方法和在安装工作围框时的注意事项。
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第五章 总结与展望
5.1 全文总结
本文的主要工作如下：
（1）首先，文章开始对自动钻铆的概念，技术进行了分析了解。并查阅相关资料对国内国外的自动钻铆技术的发展状况进行比较分析。然后总结出论文的研究目的和意义。 （2）通过设计自动钻铆机的X,Y,Z以及A摆进给机构的进给轴，考虑并选择合适的传动方式，并进行一定的验证和误差分析，从而改善了自动钻铆机的动态特性和静态特性，提高了自动钻铆机的加工精度和精度稳定性。
（3）通过设计托架的围框几何尺寸，并介绍围框制造过程的工艺，增加自动围框的强度和刚度，提高了自动钻铆机工作围框的稳定性，减少了工作围框的重量。
5.2 改进和展望 5.2.2 改进
在这次自动钻铆机托架结构设计和论文的撰写过程中，因为时间，经验和资料等众多 因素的影响，还需要从以下方面进行改进和提高：
(1) 自动钻铆机托架的X坐标中由交流伺服电动机驱动齿轮齿条法，双齿轮其间隙采用预紧消除间隙法来满足X向的间隙。但是齿条加工精度较差，现场实际安装齿条、导轨的形位公差误差过大，同时设计中采用预紧力较小，造成X向的间隙较大，运动中不平稳，因此还需在双齿轮预紧中进行改善。
（2） 在Z轴方向上的传动时由螺杆副来实现的，但是由于Z轴是沿两端的支架一起运动的，两端一起不可能总是达到同步的地步，一旦有一边的速度不一样，就会出现卡住的现象，甚至会卡死导致出现意外事故。所以，在两端的同步问题上还需要进行改善。
（3）A轴方向上的转动时靠电机的转动来实现的的，在现实的加工过程中，围框的重量是比较大的，而且放在围框上的机翼重量也很重，需要的铆接精度会很高，而围框角度的转动不是很好把握，不可能完全转到所需要的角度，从而影响铆接的精度，所以在这方面还需要有所改善。
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5.2.3 展望
目前国外有关飞机结构设计手册中巳明确规定：为确保铆接质量，提高飞机疲劳性能，设计时应使自动钻铆技术获得最大限度的使用。因此，国外自动钻铆技术发展极为迅速。按照当前国外的发展趋势，自动钻铆技术主要是向托架系统与自动钻铆机实现CNC系统控制，自动钻铆机与托架系统作为一个整体实现五坐标联动的方向发展。而我国与国际先进水平差距较大，我们必须面对现实，从自身的技术／经济实力出发，结合国情走自己的路，逐步缩小与国际先进水平的差距。设计出经济上实用，在我国自动钻铆技术领域中能迈出坚实的一步，使成飞在飞机装配制造方面的技术跨上一个更高的台阶。总之，我们必须顺应国际航空装配制造的技术潮流，努力提高自身的自动钻铆技术水平和实力，才能适应新世纪国际、国内航空制造业的要求[30,31]。
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参 考 文 献
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致 谢
本论文是在导师高长水副教授的悉心指导下完成的。高老师渊博的学识、严谨求实的科学态度、认真负责的工作作风以及积极向上的人生观，都深深的感染和教育了我，使我终身受益。在此谨向导师表达我最诚挚的感谢！
在此我还要感谢在毕设过程中给予我大力帮助的研究生朱孝峰。 感谢父母和亲友多年来给予的关怀和支持，使我能顺利完成学业。 感谢同学和朋友在此期间对我的支持和帮助。
最后，再次向所有关心和支持我的老师、家人和朋友们表示最诚挚的谢意！.
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