概述

川崎重工(KHI，日本名古屋)设计并制造了波音787梦想飞机的机身筒体43段。整体筒(OPB-one-piece-barrel)机身设计对紧固设备装配工作提出了新的挑战。使用传统方法，围绕直径约6米的桶建造的紧固件安装设备，将非常大重、慢且不准确。解决方案是在两台较小的独立柱状机器上使用Electroimpact的电磁铆(EMR-Electromagnetic Riveting)技术，并减少工作范围其具有更好的速度、可靠性并且仍然保持所需的高精度。优化工作包络和使用EMR技术是实现可靠紧固所需定位精度的关键因素该过程在生产环境中可维护，并增加了对紧固件位置的检查。

图1. KHI立柱式紧固件安装机器

引言

波音787机身的43段筒体，由日本名古屋的川崎重工（KHI）设计和制造。KHI需要一个自动化装配工作站，用于两件式紧固件将主要结构部件紧固在筒体内。由于紧固件需要在工件的两侧进行操作，波音公司机身整体筒（OPB）的设计给紧固设备制造商带来了几个新的挑战。

图2. 波音787整体机筒（OPB）机身

目前有许多技术被考虑用于这种工作站。最适用于这项任务的是大型定制机床、较小的标准柱式机床和机器人工作站。为了确定使用哪种技术，Electroimpact的工程师确定了六个主要问题。解决方案将是最好地解决所有这些问题的方案：

紧固过程力

在两侧或两个“工作头-processheads”之间的紧固过程中需要施加力。对于直径为5/16”的紧固件，所需的力高达3000kg。所使用的紧固工艺类型决定了两个头之间所需的反作用力。由此产生的工作站必须有效地对过程力做出反应，并仍然保持头部之间的对齐。紧固件位于通道受限的区域自动化设备，因为高障碍物甚至筒体的几何形状都会使进入变得复杂。某些工艺类型可能会限制进入，因此重点放在紧固工艺上，该工艺提供了更多的工具变体，以便更好地进入每个紧固件位置。

紧固件类型

有几种类型的紧固件可用于机身紧固，包括螺栓/轴环组合、螺栓/螺母组合或单面紧固件。所需的紧固件也决定了要使用的紧固过程，相反，紧固过程可能会限制可以安装哪个紧固件的选择。成本、重量和易于安装是波音紧固件选择的主要考虑因素，但易于安装通常是设备制造商的主要关注点。对于这种工作站，重点将放在最轻、最便宜的紧固件上，而不管安装是否方便。

工作空间边界

波音787梦想飞机的整体筒（OPB）机身要求将工作头放置在一个大的工作包层上。筒体、支撑工具和自动引导车（AGV-automatedguided vehicle）的直径约为6米，长度约为16米。减少定位器的工作范围，同时仍能接触到整个筒体，是首要目标。

此外，封闭的筒体（OPB）横截面消除了内部定位器的稳定底座，因为定位器不能在整个行程中由基础支撑。这进一步使两个定位器之间的误差补偿方案复杂化，因为过程两侧的基础大不相同。定位器越轻，性能和保持两侧对齐的能力就越好。

准确性

出于接头强度和间隙的原因，筒体上紧固件位置的准确性值得关注。紧固件必须在工作范围内和所有不同条件下（即温度、基础沉降等）在严格的公差范围内定位。需要两个螺栓头之间的对准精度，以便将套环可靠地放置在螺栓尾部。在筒体（OPB）上安装两件式紧固件，可以解耦内外工艺头的定位器，每侧都需要一个独立的定位器。独立导向系统之间必须保持对齐，并且必须使用独立的误差补偿方案来纠正由于轴承导向、伺服定位、间隙等对齐而产生的误差。考虑了全球和相对补偿方案。还必须特别考虑控制热效应，以便由于工艺内外侧的不同条件而保持对齐。考虑到内头和定位器的支撑结构，热效应变得更加明显。名古屋工厂将温度维持在0至40摄氏度的相对较大范围内，这加剧了这一问题。

控 制

控制架构对紧固单元的可维护性和性能有重大影响。单个CNC控制器处理内部和外部加工头的定位和循环操作。维护人员可以从一个简单的界面访问完整的信息，因为集成逻辑控制处理了两个头和所有过程工具的I/O。高性能的数控伺服功能大大提高了系统的精度。

可靠的套环进给工具

与自动紧固设备相关的停机时间中，很大一部分可归因于套环进料问题。尽管很大一部分漏料是由于定位器错位问题造成的，但套环进给工具的可靠性也占停机时间的很大一部分。套环进给系统包括将套环从散装阶段进给到工艺头，将套环装载到工作头上的工具上，最后将套环与工具一起转移到螺栓尾部。套筒进料系统的每个阶段都为套筒漏料提供了可能，因为它们必须在每个整体桶运行数千次。在生产环境中，实现预期的可靠性（1000次进料失误1次）以及对齐独立定位器的额外挑战尚未达到预期的可靠性水平。这个问题不仅需要在精度方面加以解决，还需要在套环进给工具本身加以解决。

主要部分

对于确定的每个问题，都考虑了可用的不同技术。紧固件类型和精度受到高度重视。对进料系统可靠性和机器正常运行时间的预期是基于现有工作站的经验。

EMR：具有的能力

紧固件类型

所使用的紧固工艺类型决定了两个头之间所需的反作用力。定位器看到的反作用力极大地影响了机器的尺寸和类型。在三种领先的耐生产紧固工艺中，与液压和滚珠丝杠工艺相比，电磁铆接（
EMR-ElectromagneticRiveting）紧固的反作用力最低。EMR反作用力限制在100-150公斤，而其他两个过程的反作用力高达3000公斤。因为使用EMR的反作用力很低，所以可以使用更轻、更小的定位平台。

内部和外部机器的最终重量分别为10000公斤和20000公斤。轴承和支撑构件只需要适应钻孔过程中所需的夹紧载荷。这对支撑工艺内部机器部分的结构影响最大。EMR技术还允许使用真正的偏置紧固，其中紧固件的中心可以偏离端部执行器的中心，甚至偏离内头部轮廓。这增加了使用其他紧固工艺的工作站无法接触到的紧固件。

图3. 真正的补赏紧固

最后，EMR末端执行器本身体积小、重量轻，消除了系统部件的大部分惯性。这些小部件用于测量套环和螺栓的位置。紧固件的位置可以快速准确地测量，以检测每侧在紧固前是否正确就位。这大大提高了紧固过程的可靠性和质量。干式防火-dry-fire protection（防止形成错位或缺失的紧固件）已在世界各地的EMR系统上得到证明。

理想情况下，最轻、最便宜的紧固件将是KHI和波音公司的首选紧固件。EMR技术能够将套环锻造到Hi-lok螺栓上。与下文详述的其他紧固件类型相比，这种组合具有最佳的间隙、重量、成本和可用性优势。

带钛套环的销尾锁紧螺拴

考虑到螺栓尾部的额外长度可能有助于减少对齐误差对套环放置的影响，销尾锁紧螺栓可能最容易用于套环进给，一旦安装，它们也是最轻的紧固件组合。然而，这些螺栓价格昂贵，而且会造成浪费。废物也必须自动处理，从而在工作站的整个生命周期内产生可靠性和维护问题。另一个缺点是，由于额外的销钉长度，它们无法安装在机身的某些区域。对于在紧固过程中断裂的超长尾部，针尾锁紧螺栓在紧固件后面需要更多的间隙。尾部防止了这种特定的螺栓在某些区域的使用，例如门周围，这些区域位于凸缘或其他结构组件下方。

单面紧固件

这些紧固件的优点是消除了内侧紧固工作。与双面工艺相关的许多可靠性、维护和成本问题都会减少，但这些紧固件在机身的许多区域都没有经过认证，而且它们的成本比其他紧固件类型高。

带钛螺母的Hi-lok螺栓

Hi-lok螺栓是螺栓类型中最便宜的，可以从各种来源获得。螺母部分的成本高于轴环，安装后重量重。自动安装螺母也很困难，当安装在有表面密封剂的区域时，螺母需要重新拧紧。然而，与放置套环相比，螺母更容易放置在销钉上，对机器内外对齐不那么敏感。

带钛环的Hi-lok螺栓

如上所述，Hi-lok螺栓是螺栓类型中最便宜的，可以从多个来源获得（与专有销尾锁紧螺栓相比）。与钛螺母相比，套环更轻、更便宜，不需要重新拧紧。结合钛套圈，它们为客户提供了最佳的价格和重量组合。然而，Hi-lok/套圈组合需要最精确的定位精度，才能将套圈可靠地放置在尾巴上。本文下文的“套环进给精度”部分详细介绍了进给这些紧固件的挑战。

减少机器行程

波音787机身的整体筒（OPB）设计需要一个16米长的工作包层，以及360度进入直径约6米的通道。试图实现360度甚至180度的运行需要非常大和重型的机器。在整个工作范围内、在不同的工作环境中以及在一段时间的正常磨损期间，很难保持机器对齐。然而，已经确定，相对于框准确定位紧固件的最佳方法是将紧固件位置相对于定位紧固件位置进行基础定位，以实现自动紧固。还确定，支撑筒体的工具将使筒体旋转360度。因此，通过限制定位器的行程，使其只能在定位紧固件之间进行几度的旋转，并使用筒体旋转轴来接触筒体的每个“段”，定位器的工作范围大大减小。当考虑零件编程和定位紧固件位置时，工作包络线缩短到19米长，在3米半径处仅旋转30度。

图4. 减少机器行程

减小的包络还减小了支撑轴承的尺寸和/或长度，使其更容易维护和对齐。内部和外部机器的最终重量分别为10000公斤和20000公斤。较小的定位器可以加速得更快，从而提高速度。分段工作对循环时间或速度的减少最小，因为定位器的尺寸较小，机器速度会提高。此外，内部定位器由一个称为内部地板的结构支撑，该结构必须跨越零件的整个长度。机身筒体段长度与支撑筒体的工具间隙相结合，维护活动的额外行程总计超过16米。因此，内地板必须横跨零件、工具，并伸出两端的支撑，总长度略超过22米。

图5. 内部地板结构

这种结构不仅支撑内部定位器和头部的重量，还必须对夹紧载荷和紧固力做出反应。保持地板固定对于补偿偏转引起的误差非常重要。该结构是固定的，内部机器大致位于跨度中心时的最大设计挠度为0.338mm（0.0133英寸），在实践中，最大挠度为0.330mm（0.0130英寸）。通过使用较小的定位器和EMR工艺，内部地板结构的尺寸和重量也减小了。这些减少也会渗透到基础，并可能渗透到所需的占地面积，具体取决于实际的工作站要求。

准确性

精度要求可分为两个主要部分，一是需要在机身上的正确位置钻孔并安装紧固件，二是需要将套环安装并型锻到螺栓尾部以完成紧固过程。

紧固件定位精度

精度的第一个组成部分，紧固件定位，受到机身变化和外部定位器精度的影响。由于钻孔是从外侧安装紧固件的，因此内部定位器的精度不会影响紧固件的定位精度。外部定位器上的四个法线传感器确定机身蒙皮和机器之间的相对角度和距离。在所有条件下，外部机器的整体精度为0.200mm（0.008英寸）。最终验收测试结果显示，机器在整个行程中的精度为0.150mm（0.006英寸）。视觉系统用于自动测量钉扣的位置。通过从测量的位置减去该定位紧固件的已知标称位置，计算位置和偏移。通过这种偏移，定位器将相对于定位紧固件准确地放置紧固件。为了进一步提高精度，测量了两个定位紧固件，为补偿增加了一个比例因子。无论全局定位器的精度如何，都必须间隔测量定位紧固件，以补偿安装框的公差。因此，在定位紧固件上重新同步的方法消除了许多影响全机定位精度的误差，如热增长、导轨直线度、轴线正交性等。然而，补偿方案以保护下文详述的两台机器之间的精度。

套环进给精度

对于套环进料和型锻所需的第二个精度组件，内部定位器必须在整个工作范围内与外部定位器对齐。这是因为套环的内径与紧固件尾部的外径非常匹配。如果在进料前套环没有与紧固件尾部对齐，套环将无法进料，或者会弯曲导致进料失误。停机时间和紧固件安装质量对工作站的生产率有很大影响，这些因素的可预测性通常决定了工作站的价值。已经发现，从内到外的定位精度是套环喂入可靠性的最大贡献因素。

整体筒（OPB）是一种封闭的横截面几何形状，可实现内外紧固过程的分离。机身蒙皮在大多数位置阻碍了独立定位器之间的直接测量，这使得保持它们之间的对齐变得复杂。由于在这种特殊应用中，在内部定位器上添加重新同步功能是不切实际的（由于定位紧固件位置的尺寸限制），因此两个定位器必须在整个工作范围内保持在彼此的公差范围内。

机器的主要对准是独立于激光跟踪器测量的全局参考进行的。这使得每台机器都可以在不影响另一台机器的情况下进行更新和纠正。一旦两台机器都经过测量和补偿，视觉系统和距离传感器就可以用于提供两台机器一起跟踪的独立检查。该检查可由机器操作员执行，无需任何额外设备或培训。完成不到5分钟。检查可以从单一测量到覆盖两台机器之间整个工作范围的综合网格。波音公司的“D6”文件要求有一个检查程序，用于控制紧固过程的维护检查。从2006年11月到撰写本文（2007年6月），机器之间的误差一直保持在0.200mm以下。所有值都记录在数据采集系统（DCS-datacollectionsystem）中。如果其中一台机器可能因碰撞、测量沉降或其他原因而出现错误，则此检查的数据也可用于纠正任何一台机器。快速机器对机器对齐检查具有在轻微地震事件后立即快速恢复的额外好处，这在名古屋安装中很重要。

立柱机器平台与机器人平台

由于其商品定价，该单元考虑使用机器人定位器。众所周知，机器人在其工作范围内有一个“最佳点”，定位精度更高。整体工作范围可以限制在“最佳点”区域，但是，即使在进行补偿后，机器人的可重复性和刚度不足仍然使机器人的定位公差保持在0.015”。商用机器人定位器有并且现在可以满足在某些情况下成功紧固所需的精度。然而，当同时使用两个机器人时，这些误差是累加的。很明显，机器人从内到外的定位误差高于在生产环境中实现稳健的套环进给所能容忍的误差。这些大的定位误差没有留下处理生产环境中出现的热、沉降和磨损问题的余地。因此，决定使用专门建造的立柱定位平台，该平台目前满足使用螺栓连接过程的精度需求。

温度补偿的作用

温度补偿用于校正自上次视觉系统测量以来发生的任何线性变化。这是必要的，因为冬季间歇性使用加热器会导致工厂温度变化，而夏季则会跟随外部温度变化。实际温度记录在5至33摄氏度之间（规格从2006年10月到2007年6月，名古屋工厂的温度为0至40摄氏度）。

机器的不同区域具有不同的热特性，零件质量较大，与基础相连的零件变化速度较慢。此外，与沿其整个长度支撑的外部机器基础相反，内部机器由独立结构支撑。

为了补偿内部机器地板的热增长，视觉系统用于在刚好经过筒体两端的两个位置测量内部机器相对于外部机器的位置。然后，这些测量值用于缩放和偏移内部机器相对于外部机器的位置。请注意，这种补偿是对测量定位紧固件位置所产生的任何补偿的补充。

通过在机器和基础上的多个位置使用温度传感器，理论上可以补偿机器位置，以在宽温度范围内保持精度。在实践中，这因温度增长的时间分量而变得复杂，例如，根据之前的温度是更高还是更低，机器元件在给定的测量温度下可能有不同的长度。另一个困难是工厂温度随天气季节变化。补偿和补偿核实需要分几个季节进行。出于这些原因，我们通过视觉系统检查机器之间的相对关系，定期纠正温度补偿中积累的任何误差。这通常在每个零件程序开始时完成。

其结果是，在半径为3m、19mx30度的工作范围内，内外机器之间的定位精度为0.200mm，甚至在内外机器检查之间也是如此。这将在生产的第一年进行监测，以将检查要求减少到6个月的检查。

CNC控制

内部和外部紧固头在机械上是独立的，可以看作是单独的机器。单个CNC或PC可用于控制每个头，并通过单元级控制器进行协调。然而，近年来，高速、高抗噪总线通信的改进使机床制造商能够灵活地将电机驱动器放置在远离控制的地方。在这种应用中，可以在一个紧固头上进行CNC控制，并将光纤电缆穿过X轴电缆轨道90米，到达另一个头。单一控制在协调性和可维护性方面具有明显的优势。这种布置有效地实现了两台机器的“自由”协调运动，因为所有轴都通过一组运动学。内头和外头的插值移动，包括所有轴补偿，在CNC位置循环的更新率上进行协调。这意味着头部保持对齐，并准确地遵循编程路径。控制系统由一个Fanuc30iCNC控制18个伺服电机组成，其中10个在外头，8个在内头。CNC在物理上安装在外部系统上。有一根用于伺服通信的光纤电缆和一根用于I/O的光纤电缆。这两个光纤系统都以菊花链排列配置，每个伺服驱动器或每个I/O机架都是链中的节点。

由于内外头广泛相互作用以夹紧面板并安装两件式紧固件，因此使用单个控制器有助于实现高度集成。对于维护，将紧固循环编程在一个位置非常有帮助，而不需要在单独的系统之间进行循环水平手抖动。错误检查或报警共享由开发良好且记录良好的低级系统功能处理。从一个点可以获得整个单元的完整、最新信息，而不仅仅是系统之间通信的一个小“窗口”。

除了协调性和可维护性优势外，CNC还具有机器人控制无法实现的伺服控制功能的优势。例如，TorqueTandem是一种非常有效的防反冲功能，用于内部和外部系统的齿轮齿条X轴。每个X轴由两个电机驱动，每个电机都有自己的变速箱和小齿轮，以电子方式相互预加载。这个简单的功能完全消除了反冲误差，但目前市面上的任何机器人都没有。同样，线性标尺等次级位置反馈在机床上很常见，但在机器人上却没有。在某些情况下，当高负载导致驱动系统偏转时，这种反馈对于保持精度至关重要。

可靠的套环进给工具

减少与套环安装相关的停机时间需要可靠的工具。降低对错位的敏感性，将套环从散装物可靠地送入头部，将套环可靠地装载到工具点，最后将套环转移到螺栓尾部。

降低独立紧固头对错位的敏感性将提高套环进给的可靠性。为了降低对准灵敏度，采用了一种独特的机械补偿系统，当螺栓与套环接合时，该系统允许背面套环型锻模具径向移动+/-0.75mm。由于套环和模具必须符合螺栓尾部确定的位置，我们称这种方法为“合规模具”套环进给系统。合规模具已在包括KHI工作站在内的生产机器上得到证明。在安装在3号筒体上的数千个紧固件中，只有两个套环进料系统未进料。这种合规性还消除了损坏螺栓、套环或钻孔的可能性。

当两个机头夹紧工件并在材料堆上钻孔时，套环进给循环开始。该步骤如图6至图13所示。在紧固循环的夹紧和钻孔步骤中，内部机器型锻模具从工件上缩回，套环进给路径的一部分被启动到位，以便套环可以呈现在型锻模具的中心轴上。单个套环从振动碗中脱离，并通过气动方式输送到一对指状物上，以阻止套环在工具中心线上的运动。当套环到达手指时，感应式接近传感器会检测到套环的法兰端。除了进给路径的方向外，套环在所有自由度上都受到限制。这对于防止套环滑落至关重要，套环滑落是该系统这一部分套环坍塌的主要原因。

当气动空气冲击将套环保持在抵靠指状物的位置时，型锻模具随后朝向进给管移动，并且模具中间的定心销进入套环中间的孔中。将套环成功装载到模销上后，可以缩回进料管，并将用硬弹簧保持闭合的指状物从套环上取下。这确保了在将套环装载到模销上的整个过程中，套环受到约束，防止套环漏料。

通常，将套环装载到模销上的过程比夹紧和钻孔过程快得多。这部分序列不会增加总紧固时间。钻孔后，套环就可以放置在工件上，伺服EMR系统可以测量并验证套环是否正确放置和定向。EMR系统的低惯性允许对套环进行精确测量和快速检测，因为组件较小。此时，螺栓同时通过孔和套环从筒体外部插入。

孔和套环内径之间的径向错位通过上段所述的柔性模具工艺进行校正。当螺栓安装在工件和套环中时，EMR型锻过程开始，模具从形成的套环上剥离。然后，机器松开，移动到下一个紧固件位置，重复紧固件循环。

套环进料系统于去年获得认证（测试于11月初完成，认证函日期为2006年12月11日），该系统已在生产整体筒中安装了7000多个紧固件。

图6.从AS40系统送进套环

图7.套环送进到指状工具

图8.套圈在指状工具上

图9.模销拾取套环

图10.手状工具缩回

图11.套圈移动到零件内表面

图12.钉杆插入零件，并通过套圈

图13.锻造套圈

结论

选择EMR技术是因为它能够减少（几乎消除）紧固过程中产生的力。这反过来又减少了定位器的重量和由于力引起的偏转。此外，EMR系统的较小组件在型锻前对测量紧固件位置更敏感。这种灵敏度消除了漏料紧固件发生“干火-dry-fire”的可能性。

此外，EMR真偏置工具增加了难以到达位置的紧固件的可及性。KHI决定将货物地板梁留在工作站中，要求机器使用真正的偏置工具到达零件周围。

EMR工作站安装了带钛环的Hi-lok螺栓，这是飞机最具成本效益和重量最轻的螺栓。

定位器的行程减少到30度分段，依靠枪管旋转轴进行分段间的访问。这减少了由于重量和速度增加而导致的偏转，因为机器更轻，更容易设置、补偿和维护。

在生产过程中，紧固件放置的精度保持在规定的公差以下。定位紧固件重新同步过程进一步减少了定位误差，定位误差因零件而异。在整个工作范围内和生产的所有条件下，内外机器之间的精度保持在0.200mm。

该工作站于2007年12月获得生产资格，迄今为止已用于每个产品整体筒。截至2007年6月，整体筒中已安装了7000多个紧固件。生产中记录的循环时间为典型和间距的每个循环11.25-11.5秒。地板到地板的速度预计约为每分钟3个紧固件。地板到地板的速率包括整体筒装载、旋转和重新同步。ATC允许离线设置钻孔埋头孔，因为CFRP上的钻孔磨损可能很高。

自2006年12月开始生产以来，套圈饲料的可靠性一直保持在规定水平。

编后语

双通道、宽体客机装配中，复合材料结构钻孔、锪窝、安装钛合金螺栓/钛合金套圈的紧固件自动化设备，时至今日只有美国Electroimpact公司和德国Bortle公司能够制造。

原文，《onePiece Barrel Fastening 》2007.1

杨超凡 2025.2.28