摘要
为保证运载火箭舱段钻铆过程质量稳定性，减少人为因素造成的缺陷，开展了机器人自动钻铆技术在卫星整流罩应用技术研究。针对机器人自动钻铆设备，通过阐述结构组成及相应的关键技术、开展钻孔和铆接等工艺研究为手段，实现了某运载火箭Φ3 800 mm卫星整流罩的试制。结果表明，采用主轴转速12 000 r/min，进给速度500 mm/min时，能有效控制钻孔出口毛刺高度；通过控制插钉深度、扭矩、悬停时间等工艺参数，可提高铆钉送钉成功率；试制产品加工精度均满足设计要求，验证了机器人自动钻铆技术在运载火箭舱体研制中的可行性与可靠性。
自动铆接技术从20世纪70年代起就在国外普遍采用，其发展一直未曾间断。自动钻铆技术是指在装配过程中自动完成装配件的定位、夹紧、钻孔/锪窝、涂胶、送钉、铆接/安装等工作的过
针对铆接对象的特点以及后期产品扩展性要求，整个铆接系统结构组成如
图1 舱体自动化钻铆设备结构组成
Fig.1 Structure of automatic drilling and riveting equipment
针对某运载火箭卫星整流罩产品，在自动钻铆设备研制过程中先后突破了自动钻铆加工路径规划、铆钉孔位累积误差精确控制、机器人与工装集成控制、铆接接头质量控制系统开发与应用等关键技术，成功实现机器人自动化钻铆技术应用。
针对舱体装配CAD模型，借助DEMIA软件，合理规划铆接区域，生成面向西门子控制器的XML数控代码。工作线路，也叫轨迹（trajectory），如
图2 钻铆加工轨迹规划
Fig.2 Track planning of drilling and riveting
针对铆接过程主轴对中调整与法向调姿不同时段的控制要求，利用图像传感器与线位移传感器的良好互补性，设计由一个视觉传感器和三个线位移传感器构成的法向检测系统。采用CCD相机识别制孔标志点，建立工件坐标系和自动钻铆设备坐标系之间的对应关系。在制孔标志点之间，控制系统进行制孔位插值，按预先规划的流程进行制孔。如
图3 铆钉孔位找正工作原理
Fig.3 Alignment principle of fastener holes
在智能化自动钻铆系统中，采用PC-based（Personal Computer based）控制技术确保模块化装夹工装、高效率机器人钻铆设备等设备间能够安全地完成各自的运行，并实现安全、高效、高节拍的生产。控制系统能够与离线仿真编程系统配合，协调、稳定工作。具有自动铆接加工全过程的自动监控功能，工艺参数超限时可自动报警，并能实时显示全部加工数据，如
图4 机器人自动钻铆控制系统
Fig.4 Robot automatic drilling and riveting control system
在自动钻铆机压铆过程中，为了实现对铆接质量的实时监控，开发了对铆缸压铆力-位移数据的实时采集程序，此程序内部嵌入铆接力-位移特征点识别算法和镦头尺寸的经验求解算法，可以计算铆接后铆钉镦头尺寸和最大压铆力等参数，并由此来判定铆接质量是否合格，如
图5 压铆力与铆头位置曲线
Fig.5 Relation curve between riveting force and rivet head position
为验证各机构和自动钻铆设备的工作情况，测量出不同规格铆钉的钻铆工艺参数，开展了相关的工艺试验。
针对3 mm 2A01铝板（与产品工况一致），采用设备自带钻削工艺参数库进行了钻削工艺参数实验，得到有效控制出口毛刺、锪窝深度和内孔表面粗糙度。钻头采用的Φ4.2 mm三尖两刃钻钻头，钻头材料为硬质合金，如
图6 钻孔工艺试验
Fig.6 Drilling test
图7 钻孔试板检测
Fig.7 Measure drilling test sample
在自动钻铆设备使用过程中，插钉模块送钉不到位是影响自动钻铆工作效率的主要原因之一。一旦插钉模块送钉不到位，会导致设备停机并报警，故障排除后才能继续加工，增加了后续铆钉拆除以及补铆的时间。为了减少上述故障出现的次数，需通过钻孔直径、锪窝深度和插钉工艺参数控制等手段进行控制，如
（a） 插钉模块
（b） 送钉工艺试验
图8 送钉工艺试验
Fig.8 Fastener feeding test
如
图9 送钉工艺参数
Fig.9 Fastener feeding parameters
为与产品状态一致，试件采用1/4产品样件进行，铆钉选用HB6230-4×8、-4×9。
图10 铆接工艺试验样件
Fig.10 Riveting test sample
试验完成后，采用专用工具对镦头高度进行抽样测量，范围为2.0～2.1 mm，符合QJ 782A—2005 1.6～2.4 mm的要求。
基于现有的机器人自动钻铆设备，结合钻孔工艺、送钉工艺以及铆接工艺试验成果，完成了某运载火箭卫星整流罩产品试制，验证了该项技术在卫星整流罩产品上应用的可行性和必要性，也满足航天制造企业对产品质量和效益的高要求，如
图11 自动钻铆加工过程
Fig.11 Automatic drilling and riveting process
（1）针对3 mm 2A01铝板，采用Φ4.2 mm硬质合金三尖两刃钻，采用主轴转速12 000 r/min，进给速度500 mm/min钻孔时，孔口毛刺高度小于0.1 mm。
（2）通过控制插钉深度、进给速度、扭矩、悬停时间等工艺参数，可达到较好的送钉效果，成功率达99%以上。
（3）通过对直径4 mm铆钉的镦头高度进行抽样测量，机器人铆接后的镦头高度范围为2.0～2.1 mm，符合QJ 782A—2005 1.6～2.4 mm的要求。
（4）采用机器人自动钻铆技术后，试制产品的精度指标符合设计要求，极大地提高了钻铆质量与效率，同时降低了工人劳动强度，改善了劳动环境。
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