概述

川崎重工(KHI，日本名古屋)設計并制造了波音787夢想飛機的機身筒體43段。整體筒(OPB-one-piece-barrel)機身設計對緊固設備裝配工作提出了新的挑戰。使用傳統方法，圍繞直徑約6米的桶建造的緊固件安裝設備，將非常大重、慢且不準確。解決方案是在兩臺較小的獨立柱狀機器上使用Electroimpact的電磁鉚(EMR-Electromagnetic Riveting)技術，并減少工作范圍其具有更好的速度、可靠性并且仍然保持所需的高精度。優化工作包絡和使用EMR技術是實現可靠緊固所需定位精度的關鍵因素該過程在生產環境中可維護，并增加了對緊固件位置的檢查。

圖1. KHI立柱式緊固件安裝機器

引言

波音787機身的43段筒體，由日本名古屋的川崎重工（KHI）設計和制造。KHI需要一個自動化裝配工作站，用于兩件式緊固件將主要結構部件緊固在筒體內。由于緊固件需要在工件的兩側進行操作，波音公司機身整體筒（OPB）的設計給緊固設備制造商帶來了幾個新的挑戰。

圖2. 波音787整體機筒（OPB）機身

目前有許多技術被考慮用于這種工作站。最適用于這項任務的是大型定制機床、較小的標準柱式機床和機器人工作站。為了確定使用哪種技術，Electroimpact的工程師確定了六個主要問題。解決方案將是最好地解決所有這些問題的方案：

緊固過程力

在兩側或兩個“工作頭-processheads”之間的緊固過程中需要施加力。對于直徑為5/16”的緊固件，所需的力高達3000kg。所使用的緊固工藝類型決定了兩個頭之間所需的反作用力。由此產生的工作站必須有效地對過程力做出反應，并仍然保持頭部之間的對齊。緊固件位于通道受限的區域自動化設備，因為高障礙物甚至筒體的幾何形狀都會使進入變得復雜。某些工藝類型可能會限制進入，因此重點放在緊固工藝上，該工藝提供了更多的工具變體，以便更好地進入每個緊固件位置。

緊固件類型

有幾種類型的緊固件可用于機身緊固，包括螺栓/軸環組合、螺栓/螺母組合或單面緊固件。所需的緊固件也決定了要使用的緊固過程，相反，緊固過程可能會限制可以安裝哪個緊固件的選擇。成本、重量和易于安裝是波音緊固件選擇的主要考慮因素，但易于安裝通常是設備制造商的主要關注點。對于這種工作站，重點將放在最輕、最便宜的緊固件上，而不管安裝是否方便。

工作空間邊界

波音787夢想飛機的整體筒（OPB）機身要求將工作頭放置在一個大的工作包層上。筒體、支撐工具和自動引導車（AGV-automatedguided vehicle）的直徑約為6米，長度約為16米。減少定位器的工作范圍，同時仍能接觸到整個筒體，是首要目標。

此外，封閉的筒體（OPB）橫截面消除了內部定位器的穩定底座，因為定位器不能在整個行程中由基礎支撐。這進一步使兩個定位器之間的誤差補償方案復雜化，因為過程兩側的基礎大不相同。定位器越輕，性能和保持兩側對齊的能力就越好。

準確性

出于接頭強度和間隙的原因，筒體上緊固件位置的準確性值得關注。緊固件必須在工作范圍內和所有不同條件下（即溫度、基礎沉降等）在嚴格的公差范圍內定位。需要兩個螺栓頭之間的對準精度，以便將套環可靠地放置在螺栓尾部。在筒體（OPB）上安裝兩件式緊固件，可以解耦內外工藝頭的定位器，每側都需要一個獨立的定位器。獨立導向系統之間必須保持對齊，并且必須使用獨立的誤差補償方案來糾正由于軸承導向、伺服定位、間隙等對齊而產生的誤差?？紤]了全球和相對補償方案。還必須特別考慮控制熱效應，以便由于工藝內外側的不同條件而保持對齊。考慮到內頭和定位器的支撐結構，熱效應變得更加明顯。名古屋工廠將溫度維持在0至40攝氏度的相對較大范圍內，這加劇了這一問題。

控 制

控制架構對緊固單元的可維護性和性能有重大影響。單個CNC控制器處理內部和外部加工頭的定位和循環操作。維護人員可以從一個簡單的界面訪問完整的信息，因為集成邏輯控制處理了兩個頭和所有過程工具的I/O。高性能的數控伺服功能大大提高了系統的精度。

可靠的套環進給工具

與自動緊固設備相關的停機時間中，很大一部分可歸因于套環進料問題。盡管很大一部分漏料是由于定位器錯位問題造成的，但套環進給工具的可靠性也占停機時間的很大一部分。套環進給系統包括將套環從散裝階段進給到工藝頭，將套環裝載到工作頭上的工具上，最后將套環與工具一起轉移到螺栓尾部。套筒進料系統的每個階段都為套筒漏料提供了可能，因為它們必須在每個整體桶運行數千次。在生產環境中，實現預期的可靠性（1000次進料失誤1次）以及對齊獨立定位器的額外挑戰尚未達到預期的可靠性水平。這個問題不僅需要在精度方面加以解決，還需要在套環進給工具本身加以解決。

主要部分

對于確定的每個問題，都考慮了可用的不同技術。緊固件類型和精度受到高度重視。對進料系統可靠性和機器正常運行時間的預期是基于現有工作站的經驗。

EMR：具有的能力

緊固件類型

所使用的緊固工藝類型決定了兩個頭之間所需的反作用力。定位器看到的反作用力極大地影響了機器的尺寸和類型。在三種領先的耐生產緊固工藝中，與液壓和滾珠絲杠工藝相比，電磁鉚接（
EMR-ElectromagneticRiveting）緊固的反作用力最低。EMR反作用力限制在100-150公斤，而其他兩個過程的反作用力高達3000公斤。因為使用EMR的反作用力很低，所以可以使用更輕、更小的定位平臺。

內部和外部機器的最終重量分別為10000公斤和20000公斤。軸承和支撐構件只需要適應鉆孔過程中所需的夾緊載荷。這對支撐工藝內部機器部分的結構影響最大。EMR技術還允許使用真正的偏置緊固，其中緊固件的中心可以偏離端部執行器的中心，甚至偏離內頭部輪廓。這增加了使用其他緊固工藝的工作站無法接觸到的緊固件。

圖3. 真正的補賞緊固

最后，EMR末端執行器本身體積小、重量輕，消除了系統部件的大部分慣性。這些小部件用于測量套環和螺栓的位置。緊固件的位置可以快速準確地測量，以檢測每側在緊固前是否正確就位。這大大提高了緊固過程的可靠性和質量。干式防火-dry-fire protection（防止形成錯位或缺失的緊固件）已在世界各地的EMR系統上得到證明。

理想情況下，最輕、最便宜的緊固件將是KHI和波音公司的首選緊固件。EMR技術能夠將套環鍛造到Hi-lok螺栓上。與下文詳述的其他緊固件類型相比，這種組合具有最佳的間隙、重量、成本和可用性優勢。

帶鈦套環的銷尾鎖緊螺拴

考慮到螺栓尾部的額外長度可能有助于減少對齊誤差對套環放置的影響，銷尾鎖緊螺栓可能最容易用于套環進給，一旦安裝，它們也是最輕的緊固件組合。然而，這些螺栓價格昂貴，而且會造成浪費。廢物也必須自動處理，從而在工作站的整個生命周期內產生可靠性和維護問題。另一個缺點是，由于額外的銷釘長度，它們無法安裝在機身的某些區域。對于在緊固過程中斷裂的超長尾部，針尾鎖緊螺栓在緊固件后面需要更多的間隙。尾部防止了這種特定的螺栓在某些區域的使用，例如門周圍，這些區域位于凸緣或其他結構組件下方。

單面緊固件

這些緊固件的優點是消除了內側緊固工作。與雙面工藝相關的許多可靠性、維護和成本問題都會減少，但這些緊固件在機身的許多區域都沒有經過認證，而且它們的成本比其他緊固件類型高。

帶鈦螺母的Hi-lok螺栓

Hi-lok螺栓是螺栓類型中最便宜的，可以從各種來源獲得。螺母部分的成本高于軸環，安裝后重量重。自動安裝螺母也很困難，當安裝在有表面密封劑的區域時，螺母需要重新擰緊。然而，與放置套環相比，螺母更容易放置在銷釘上，對機器內外對齊不那么敏感。

帶鈦環的Hi-lok螺栓

如上所述，Hi-lok螺栓是螺栓類型中最便宜的，可以從多個來源獲得（與專有銷尾鎖緊螺栓相比）。與鈦螺母相比，套環更輕、更便宜，不需要重新擰緊。結合鈦套圈，它們為客戶提供了最佳的價格和重量組合。然而，Hi-lok/套圈組合需要最精確的定位精度，才能將套圈可靠地放置在尾巴上。本文下文的“套環進給精度”部分詳細介紹了進給這些緊固件的挑戰。

減少機器行程

波音787機身的整體筒（OPB）設計需要一個16米長的工作包層，以及360度進入直徑約6米的通道。試圖實現360度甚至180度的運行需要非常大和重型的機器。在整個工作范圍內、在不同的工作環境中以及在一段時間的正常磨損期間，很難保持機器對齊。然而，已經確定，相對于框準確定位緊固件的最佳方法是將緊固件位置相對于定位緊固件位置進行基礎定位，以實現自動緊固。還確定，支撐筒體的工具將使筒體旋轉360度。因此，通過限制定位器的行程，使其只能在定位緊固件之間進行幾度的旋轉，并使用筒體旋轉軸來接觸筒體的每個“段”，定位器的工作范圍大大減小。當考慮零件編程和定位緊固件位置時，工作包絡線縮短到19米長，在3米半徑處僅旋轉30度。

圖4. 減少機器行程

減小的包絡還減小了支撐軸承的尺寸和/或長度，使其更容易維護和對齊。內部和外部機器的最終重量分別為10000公斤和20000公斤。較小的定位器可以加速得更快，從而提高速度。分段工作對循環時間或速度的減少最小，因為定位器的尺寸較小，機器速度會提高。此外，內部定位器由一個稱為內部地板的結構支撐，該結構必須跨越零件的整個長度。機身筒體段長度與支撐筒體的工具間隙相結合，維護活動的額外行程總計超過16米。因此，內地板必須橫跨零件、工具，并伸出兩端的支撐，總長度略超過22米。

圖5. 內部地板結構

這種結構不僅支撐內部定位器和頭部的重量，還必須對夾緊載荷和緊固力做出反應。保持地板固定對于補償偏轉引起的誤差非常重要。該結構是固定的，內部機器大致位于跨度中心時的最大設計撓度為0.338mm（0.0133英寸），在實踐中，最大撓度為0.330mm（0.0130英寸）。通過使用較小的定位器和EMR工藝，內部地板結構的尺寸和重量也減小了。這些減少也會滲透到基礎，并可能滲透到所需的占地面積，具體取決于實際的工作站要求。

準確性

精度要求可分為兩個主要部分，一是需要在機身上的正確位置鉆孔并安裝緊固件，二是需要將套環安裝并型鍛到螺栓尾部以完成緊固過程。

緊固件定位精度

精度的第一個組成部分，緊固件定位，受到機身變化和外部定位器精度的影響。由于鉆孔是從外側安裝緊固件的，因此內部定位器的精度不會影響緊固件的定位精度。外部定位器上的四個法線傳感器確定機身蒙皮和機器之間的相對角度和距離。在所有條件下，外部機器的整體精度為0.200mm（0.008英寸）。最終驗收測試結果顯示，機器在整個行程中的精度為0.150mm（0.006英寸）。視覺系統用于自動測量釘扣的位置。通過從測量的位置減去該定位緊固件的已知標稱位置，計算位置和偏移。通過這種偏移，定位器將相對于定位緊固件準確地放置緊固件。為了進一步提高精度，測量了兩個定位緊固件，為補償增加了一個比例因子。無論全局定位器的精度如何，都必須間隔測量定位緊固件，以補償安裝框的公差。因此，在定位緊固件上重新同步的方法消除了許多影響全機定位精度的誤差，如熱增長、導軌直線度、軸線正交性等。然而，補償方案以保護下文詳述的兩臺機器之間的精度。

套環進給精度

對于套環進料和型鍛所需的第二個精度組件，內部定位器必須在整個工作范圍內與外部定位器對齊。這是因為套環的內徑與緊固件尾部的外徑非常匹配。如果在進料前套環沒有與緊固件尾部對齊，套環將無法進料，或者會彎曲導致進料失誤。停機時間和緊固件安裝質量對工作站的生產率有很大影響，這些因素的可預測性通常決定了工作站的價值。已經發現，從內到外的定位精度是套環喂入可靠性的最大貢獻因素。

整體筒（OPB）是一種封閉的橫截面幾何形狀，可實現內外緊固過程的分離。機身蒙皮在大多數位置阻礙了獨立定位器之間的直接測量，這使得保持它們之間的對齊變得復雜。由于在這種特殊應用中，在內部定位器上添加重新同步功能是不切實際的（由于定位緊固件位置的尺寸限制），因此兩個定位器必須在整個工作范圍內保持在彼此的公差范圍內。

機器的主要對準是獨立于激光跟蹤器測量的全局參考進行的。這使得每臺機器都可以在不影響另一臺機器的情況下進行更新和糾正。一旦兩臺機器都經過測量和補償，視覺系統和距離傳感器就可以用于提供兩臺機器一起跟蹤的獨立檢查。該檢查可由機器操作員執行，無需任何額外設備或培訓。完成不到5分鐘。檢查可以從單一測量到覆蓋兩臺機器之間整個工作范圍的綜合網格。波音公司的“D6”文件要求有一個檢查程序，用于控制緊固過程的維護檢查。從2006年11月到撰寫本文（2007年6月），機器之間的誤差一直保持在0.200mm以下。所有值都記錄在數據采集系統（DCS-datacollectionsystem）中。如果其中一臺機器可能因碰撞、測量沉降或其他原因而出現錯誤，則此檢查的數據也可用于糾正任何一臺機器?？焖贆C器對機器對齊檢查具有在輕微地震事件后立即快速恢復的額外好處，這在名古屋安裝中很重要。

立柱機器平臺與機器人平臺

由于其商品定價，該單元考慮使用機器人定位器。眾所周知，機器人在其工作范圍內有一個“最佳點”，定位精度更高。整體工作范圍可以限制在“最佳點”區域，但是，即使在進行補償后，機器人的可重復性和剛度不足仍然使機器人的定位公差保持在0.015”。商用機器人定位器有并且現在可以滿足在某些情況下成功緊固所需的精度。然而，當同時使用兩個機器人時，這些誤差是累加的。很明顯，機器人從內到外的定位誤差高于在生產環境中實現穩健的套環進給所能容忍的誤差。這些大的定位誤差沒有留下處理生產環境中出現的熱、沉降和磨損問題的余地。因此，決定使用專門建造的立柱定位平臺，該平臺目前滿足使用螺栓連接過程的精度需求。

溫度補償的作用

溫度補償用于校正自上次視覺系統測量以來發生的任何線性變化。這是必要的，因為冬季間歇性使用加熱器會導致工廠溫度變化，而夏季則會跟隨外部溫度變化。實際溫度記錄在5至33攝氏度之間（規格從2006年10月到2007年6月，名古屋工廠的溫度為0至40攝氏度）。

機器的不同區域具有不同的熱特性，零件質量較大，與基礎相連的零件變化速度較慢。此外，與沿其整個長度支撐的外部機器基礎相反，內部機器由獨立結構支撐。

為了補償內部機器地板的熱增長，視覺系統用于在剛好經過筒體兩端的兩個位置測量內部機器相對于外部機器的位置。然后，這些測量值用于縮放和偏移內部機器相對于外部機器的位置。請注意，這種補償是對測量定位緊固件位置所產生的任何補償的補充。

通過在機器和基礎上的多個位置使用溫度傳感器，理論上可以補償機器位置，以在寬溫度范圍內保持精度。在實踐中，這因溫度增長的時間分量而變得復雜，例如，根據之前的溫度是更高還是更低，機器元件在給定的測量溫度下可能有不同的長度。另一個困難是工廠溫度隨天氣季節變化。補償和補償核實需要分幾個季節進行。出于這些原因，我們通過視覺系統檢查機器之間的相對關系，定期糾正溫度補償中積累的任何誤差。這通常在每個零件程序開始時完成。

其結果是，在半徑為3m、19mx30度的工作范圍內，內外機器之間的定位精度為0.200mm，甚至在內外機器檢查之間也是如此。這將在生產的第一年進行監測，以將檢查要求減少到6個月的檢查。

CNC控制

內部和外部緊固頭在機械上是獨立的，可以看作是單獨的機器。單個CNC或PC可用于控制每個頭，并通過單元級控制器進行協調。然而，近年來，高速、高抗噪總線通信的改進使機床制造商能夠靈活地將電機驅動器放置在遠離控制的地方。在這種應用中，可以在一個緊固頭上進行CNC控制，并將光纖電纜穿過X軸電纜軌道90米，到達另一個頭。單一控制在協調性和可維護性方面具有明顯的優勢。這種布置有效地實現了兩臺機器的“自由”協調運動，因為所有軸都通過一組運動學。內頭和外頭的插值移動，包括所有軸補償，在CNC位置循環的更新率上進行協調。這意味著頭部保持對齊，并準確地遵循編程路徑?？刂葡到y由一個Fanuc30iCNC控制18個伺服電機組成，其中10個在外頭，8個在內頭。CNC在物理上安裝在外部系統上。有一根用于伺服通信的光纖電纜和一根用于I/O的光纖電纜。這兩個光纖系統都以菊花鏈排列配置，每個伺服驅動器或每個I/O機架都是鏈中的節點。

由于內外頭廣泛相互作用以夾緊面板并安裝兩件式緊固件，因此使用單個控制器有助于實現高度集成。對于維護，將緊固循環編程在一個位置非常有幫助，而不需要在單獨的系統之間進行循環水平手抖動。錯誤檢查或報警共享由開發良好且記錄良好的低級系統功能處理。從一個點可以獲得整個單元的完整、最新信息，而不僅僅是系統之間通信的一個小“窗口”。

除了協調性和可維護性優勢外，CNC還具有機器人控制無法實現的伺服控制功能的優勢。例如，TorqueTandem是一種非常有效的防反沖功能，用于內部和外部系統的齒輪齒條X軸。每個X軸由兩個電機驅動，每個電機都有自己的變速箱和小齒輪，以電子方式相互預加載。這個簡單的功能完全消除了反沖誤差，但目前市面上的任何機器人都沒有。同樣，線性標尺等次級位置反饋在機床上很常見，但在機器人上卻沒有。在某些情況下，當高負載導致驅動系統偏轉時，這種反饋對于保持精度至關重要。

可靠的套環進給工具

減少與套環安裝相關的停機時間需要可靠的工具。降低對錯位的敏感性，將套環從散裝物可靠地送入頭部，將套環可靠地裝載到工具點，最后將套環轉移到螺栓尾部。

降低獨立緊固頭對錯位的敏感性將提高套環進給的可靠性。為了降低對準靈敏度，采用了一種獨特的機械補償系統，當螺栓與套環接合時，該系統允許背面套環型鍛模具徑向移動+/-0.75mm。由于套環和模具必須符合螺栓尾部確定的位置，我們稱這種方法為“合規模具”套環進給系統。合規模具已在包括KHI工作站在內的生產機器上得到證明。在安裝在3號筒體上的數千個緊固件中，只有兩個套環進料系統未進料。這種合規性還消除了損壞螺栓、套環或鉆孔的可能性。

當兩個機頭夾緊工件并在材料堆上鉆孔時，套環進給循環開始。該步驟如圖6至圖13所示。在緊固循環的夾緊和鉆孔步驟中，內部機器型鍛模具從工件上縮回，套環進給路徑的一部分被啟動到位，以便套環可以呈現在型鍛模具的中心軸上。單個套環從振動碗中脫離，并通過氣動方式輸送到一對指狀物上，以阻止套環在工具中心線上的運動。當套環到達手指時，感應式接近傳感器會檢測到套環的法蘭端。除了進給路徑的方向外，套環在所有自由度上都受到限制。這對于防止套環滑落至關重要，套環滑落是該系統這一部分套環坍塌的主要原因。

當氣動空氣沖擊將套環保持在抵靠指狀物的位置時，型鍛模具隨后朝向進給管移動，并且模具中間的定心銷進入套環中間的孔中。將套環成功裝載到模銷上后，可以縮回進料管，并將用硬彈簧保持閉合的指狀物從套環上取下。這確保了在將套環裝載到模銷上的整個過程中，套環受到約束，防止套環漏料。

通常，將套環裝載到模銷上的過程比夾緊和鉆孔過程快得多。這部分序列不會增加總緊固時間。鉆孔后，套環就可以放置在工件上，伺服EMR系統可以測量并驗證套環是否正確放置和定向。EMR系統的低慣性允許對套環進行精確測量和快速檢測，因為組件較小。此時，螺栓同時通過孔和套環從筒體外部插入。

孔和套環內徑之間的徑向錯位通過上段所述的柔性模具工藝進行校正。當螺栓安裝在工件和套環中時，EMR型鍛過程開始，模具從形成的套環上剝離。然后，機器松開，移動到下一個緊固件位置，重復緊固件循環。

套環進料系統于去年獲得認證（測試于11月初完成，認證函日期為2006年12月11日），該系統已在生產整體筒中安裝了7000多個緊固件。

圖6.從AS40系統送進套環

圖7.套環送進到指狀工具

圖8.套圈在指狀工具上

圖9.模銷拾取套環

圖10.手狀工具縮回

圖11.套圈移動到零件內表面

圖12.釘桿插入零件，并通過套圈

圖13.鍛造套圈

結論

選擇EMR技術是因為它能夠減少（幾乎消除）緊固過程中產生的力。這反過來又減少了定位器的重量和由于力引起的偏轉。此外，EMR系統的較小組件在型鍛前對測量緊固件位置更敏感。這種靈敏度消除了漏料緊固件發生“干火-dry-fire”的可能性。

此外，EMR真偏置工具增加了難以到達位置的緊固件的可及性。KHI決定將貨物地板梁留在工作站中，要求機器使用真正的偏置工具到達零件周圍。

EMR工作站安裝了帶鈦環的Hi-lok螺栓，這是飛機最具成本效益和重量最輕的螺栓。

定位器的行程減少到30度分段，依靠槍管旋轉軸進行分段間的訪問。這減少了由于重量和速度增加而導致的偏轉，因為機器更輕，更容易設置、補償和維護。

在生產過程中，緊固件放置的精度保持在規定的公差以下。定位緊固件重新同步過程進一步減少了定位誤差，定位誤差因零件而異。在整個工作范圍內和生產的所有條件下，內外機器之間的精度保持在0.200mm。

該工作站于2007年12月獲得生產資格，迄今為止已用于每個產品整體筒。截至2007年6月，整體筒中已安裝了7000多個緊固件。生產中記錄的循環時間為典型和間距的每個循環11.25-11.5秒。地板到地板的速度預計約為每分鐘3個緊固件。地板到地板的速率包括整體筒裝載、旋轉和重新同步。ATC允許離線設置鉆孔埋頭孔，因為CFRP上的鉆孔磨損可能很高。

自2006年12月開始生產以來，套圈飼料的可靠性一直保持在規定水平。

編后語

雙通道、寬體客機裝配中，復合材料結構鉆孔、锪窩、安裝鈦合金螺栓/鈦合金套圈的緊固件自動化設備，時至今日只有美國Electroimpact公司和德國Bortle公司能夠制造。

原文，《onePiece Barrel Fastening 》2007.1

楊超凡 2025.2.28