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专利名称：一种大直径飞机导管数字化制造方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211225103.9

专利申请（专利权）人：陕西飞机工业有限责任公司
权利人地址：陕西省汉中市柳林镇

专利发明（设计）人：黄卫,秦海军,李文强,吴锐,王楠,王梅,黄红,曹文斌,王宏明,崔毅达

专利摘要：本发明公开了一种大直径飞机导管数字化制造方法，由自动化数控设备按照导管数字化模型加工，解决了传统手工操作依据导管实样加工，产品质量不稳定、精度低的问题，提高了大直径组焊飞机导管的加工精度高和产品质量；通过自动化数控设备替代人工操作，降低了操作者的劳动强度，提高了生产效率；大直径飞机导管数字化制造方法中利用了数控柔性拼装夹具替代传统的检验夹具，减少了传统飞机导管制造中所用的夹具数量及存储夹具所需的库房面积，降低了生产成本。

主权利要求：
1.一种大直径飞机导管数字化制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将待加工导管数字模型转化为管坯或导管加工数据，并选择管坯加工的原材料；
步骤二、由激光切割机完成管胚胚料切割；
步骤三、由数控卷管机将管胚胚料卷制成管坯；
步骤四、导管纵缝自动焊机将管坯焊接成管材；
步骤五、航空导管端面数控成形机对各段管材进行端面加工；
步骤六、可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置自动拼装成待加工导管的定位模型；
步骤七、完成端面加工的各段管材在可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置上进行定位组焊；
步骤八、环缝自动焊接装置对定位组焊的各环缝进行自动焊接；
步骤九、对导管外形质量进行检验；
步骤八中，环缝自动焊接装置包括工装底盘(13)、工装支柱(14)、升降器底盘(15)、升降器底座(16)、减速器调位电机(17)、涡轮蜗杆升降器(18)、升降缸(19)、三爪卡盘底座(20)、三爪卡盘(21)、工装顶盘(22)、从动盘(23)、连接柱(24)、焊枪移动底座(25)、焊枪焊丝夹紧器(26)、爪(27)、支撑柱(28)、电机联动齿轮(29)、齿轮盘(30)、轮盘电机(31)、连接杆(32)和焊枪移动电机(33)；
在工装底盘(13)上通过焊接3根工装支柱(14)与一个空心工装顶盘(22)组成工装外形结构，然后在工装支柱(14)上焊接升降器底盘(15)，在升降器底盘(15)中心处连接升降器底座(16)，升降器底座(16)上装配有减速器调位电机(17)及涡轮蜗杆升降器(18)，在升降器底座(16)周边焊接3组升降缸(19)，升降缸(19)的升降柱与三爪卡盘底座(20)焊接，同时涡轮蜗杆升降器(18)顶部与三爪卡盘底座(20)通过螺栓连接，三爪卡盘底座(20)上装配有三爪卡盘(21)，三爪卡盘底座(20)与涡轮蜗杆升降器(18)及工装顶盘(22)同心，三爪卡盘(21)上有三只较长卡盘爪(27)；工装顶盘(22)焊接有三个支撑柱(28)，支撑柱(28)为哑铃型，在三个支撑柱(28)中间装有空心齿轮盘(30)，空心齿轮盘(30)通过连接柱(24)、连接杆(32)连接从动盘(23)，从动盘(23)上有与空心齿轮盘(30)相应位置的圆孔，在工装顶盘(22)上装有电机联动齿轮(29)与轮盘电机(31)以用来控制从动盘转动，从动盘(23)顶部装配焊枪移动底座(25)，焊枪移动底座(25)含有焊枪焊丝夹紧器(26)以及焊枪移动电机(33)。
2.如权利要求1所述的一种大直径飞机导管数字化制造方法，其特征在于，步骤一通过导管数字化制造系统的计算机软件完成。
3.如权利要求1所述的一种大直径飞机导管数字化制造方法，其特征在于，步骤二、三、四、五、六、七、八均由数控系统控制各设备进行自动化加工。
4.如权利要求3所述的一种大直径飞机导管数字化制造方法，其特征在于，数控系统内包括导管加工程序和工艺参数库，工艺参数库内存有多种材料、管径和管壁厚度的工艺参数，导管加工程序根据导管加工数据自动匹配管坯胚料、管坯、管材、导管的加工参数。
5.如权利要求1所述的一种大直径飞机导管数字化制造方法，其特征在于，步骤二、三、四、五、六、七、八、九间设置有物料自动搬运系统。
6.如权利要求5所述的一种大直径飞机导管数字化制造方法，其特征在于，当某一步骤完成后，物料自动搬运系统的机械手便接收到该步骤的物料搬运指令，机械手根据物料搬运需求移动到相应的位置，并将物料搬运至对应的下一步骤工序位置，并自动装夹到对应的设备或装置上。
7.如权利要求1所述的一种大直径飞机导管数字化制造方法，其特征在于，在进行环缝焊接时，首先对导管进行定位焊，保证整体构型的基础上，再使用环缝焊接装置进行环缝焊接。 说明书 : 一种大直径飞机导管数字化制造方法技术领域[0001] 本发明属于航空技术领域，涉及一种大直径飞机导管数字化制造方法。背景技术[0002] 由于飞机导管的几何形状非常复杂，一般很难用图形将它描绘出来，通常利用飞机定型后的导管标准实样和检验夹具作为制造依据。传统的大直径组焊飞机导管制造工艺是先将板材卷制成管坯或板材落压成标准弯头后焊接纵缝，然后按导管标准实样分段手工修配，再焊接环缝，最后依据导管标准实样和检验夹具进行成品验收。这种方法制造的导管产品质量严重依赖操作者的操作经验，产品质量不稳定，导管加工精度低，成品在验收前大都需要手工校正，难免出现“反复弯曲”、“串弯”等现象。这样，不但弯管质量不易控制，生产效率低，劳动强度大，而且需要相当数量的导管标准实样、检验夹具、配套相应的仓库。[0003] 在已经公开的技术中，专利CN103192234A，公开了一种螺旋成型抗大变形埋弧焊管及其制造方法，该专利技术适用于大直径、厚壁石油管道的加工制造；类似的专利CN110216357A，公开了一种双金属复合焊管的制造方法，这些技术均采用埋弧焊，适用于厚度在3mm以上的厚壁管制造，由于航空类导管通常管壁厚度在2mm以下，公开专利中的方法对于航空类导管均不适用。发明内容[0004] 解决的技术问题[0005] 本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种加工精度高、质量稳定、生产效率高、劳动强度低、节约生产面积的大直径飞机导管数字化制造方法。[0006] 技术方案[0007] 一种大直径飞机导管数字化制造方法包括如下步骤：[0008] 步骤一、将待加工导管数字模型转化为管坯或导管加工数据，并选择管坯加工的原材料；[0009] 步骤二、由激光切割机完成管胚胚料切割；[0010] 步骤三、由数控卷管机将管胚胚料卷制成管坯；[0011] 步骤四、导管纵缝自动焊机将管坯焊接成管材；[0012] 步骤五、航空导管端面数控成形机对各段管材进行端面加工；[0013] 步骤六、可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置自动拼装成待加工导管的定位模型；[0014] 步骤七、完成端面加工的各段管材在可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置上进行定位组焊；[0015] 步骤八、环缝自动焊接装置对定位组焊的各环缝进行自动焊接；[0016] 步骤九、对导管外形质量进行检验。[0017] 进一步的，步骤一通过导管数字化制造系统的计算机软件完成。[0018] 进一步的，步骤二、三、四、五、六、七、八均由数控系统控制各设备或装置进行自动化加工。数控系统内包括导管加工程序和工艺参数库，工艺参数库内存有多种材料、管径和管壁厚度的工艺参数，导管加工程序根据导管加工数据自动匹配管坯胚料、管坯、管材、导管的加工参数。[0019] 进一步的，步骤二、三、四、五、六、七、八、九间设置有物料自动搬运系统，当某一步骤完成后，物料自动搬运系统的机械手便接收到该步骤的物料搬运指令，机械手根据物料搬运需求移动到相应的位置，并将物料搬运至对应的下一步骤工序位置，并自动装夹到对应的设备或装置上。[0020] 有益技术效果[0021] 本发明提供了一种大直径飞机导管数字化制造方法，由自动化数控设备按照导管数字化模型(导管设计数模或3D扫描逆向建模)加工，解决了传统手工操作依据导管实样加工，产品质量不稳定、精度低的问题，提高了大直径组焊飞机导管的加工精度高和产品质量；通过自动化数控设备替代人工操作，降低了操作者的劳动强度，提高了生产效率；大直径飞机导管数字化制造方法中利用了数控柔性拼装夹具替代传统的检验夹具，减少了传统飞机导管制造中所用的夹具数量及存储夹具所需的库房面积，降低了生产成本。附图说明[0022] 本发明包括5张附图，附图及附图说明如下：[0023] 图1为大直径组焊飞机导管数控制造流程图；[0024] 图2为纵缝自动焊机未装夹管坯结构示意图；[0025] 图3为纵缝自动焊机装夹管坯后焊接场景示意图；[0026] 图4为大直径组焊飞机导管端面成形机示意图；[0027] 图5为大直径组焊飞机导管环缝自动焊接装置示意图；[0028] 图6为可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置结构示意图；[0029] 图7为利用可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置进行柔性拼装定位或质量检验的场景示意图；[0030] 其中：1.芯轴；2.对缝轮；3.焊枪；4.管坯；5.导向片；6.送料滑块；7.送料电机；8.管夹套；9.管材；10.手柄；11.切割片；12.主轴电机；13.工装底盘；14.工装支柱；15.升降器底盘；16.升降器底座；17.减速器调位电机；18.涡轮蜗杆升降器；19.升降缸；20.三爪卡盘底座；21.三爪卡盘；22.工装顶盘；23.从动盘；24.连接柱；25.焊枪移动底座；26.焊枪焊丝夹紧器；27.爪；28.支撑柱；29.电机联动齿轮；30.齿轮盘；31.轮盘电机；32.连接杆；33.焊枪移动电机，34.组焊装置，35.数控拼装站，36.已拼装的组焊装置。具体实施方式[0031] 本发明一种大直径组焊飞机导管数控制造方法,使用激光切割机、数控卷管机、3D扫描逆向建模设备以及上述的管坯纵缝自动焊机、大直径组焊飞机导管端面成形机、可重构导管柔性自动化拼装调姿定位装置、大直径组焊飞机导管环缝自动焊接装置，包括以下步骤：[0032] 步骤一、根据待加工导管数字模型(设计数模或3D扫描逆向建模)选择该导管的加工工艺流程，确定管坯加工的原材料，并将待导管数字模型转化为各段管坯、管材以及整根导管的加工数据；[0033] 步骤二、激光切割机根据各段管坯的加工数据对管胚的胚料进行数控切割，物料自动搬运系统将胚料运输自下一步骤的工位；[0034] 步骤三、机械手将各切割完成的胚料运送至数控卷管机的装料部位，数控卷管机根据各段管坯的加工数据将管胚胚料逐一卷制成管坯，物料自动搬运系统将管坯运输自下一步骤的工位；[0035] 步骤四、机械手再将管坯4套装在芯轴1，待对缝处须与导向片5对准，焊接程序控制伺服电机调节对缝轮2的间隙，同时送料电机驱动送料滑块6推动管坯4向前移动，待焊接导管4前部移动至固定的焊枪3下方时，引燃电弧开始焊接，待管坯4后部移动至固定的焊枪下方时，电控系统自动驱动焊枪熄弧焊接停止，管坯纵缝完成自动焊接，形成管材，物料自动搬运系统将管材运输自下一步骤的工位。[0036] 步骤五、机械手将管材9装入管夹套8内，导管端面成形加工程序控制主轴电机12带动切割片11转动，航空导管端面数控成形机按照数控程序完成各段管材的端面精密成形。也可在切割片11转速平稳后，由操作人员按照管材端面成形要求压动手柄10，完成本步骤，物料自动搬运系统将管端成形的管材运输自下一步骤的工位；[0037] 步骤六、可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置根据整根导管的加工数据将导管的定位点转化为各个定位模块的定位坐标，各定位模块移动到相应的坐标点,拼装成待加工导管的定位模型；[0038] 步骤七、物料自动搬运系统的机械手将完成端面加工的各段管材在可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置上进行定位，再由焊工对各环缝进行定位组焊，仅空间形状特复杂的异形管进行本步骤，物料自动搬运系统将定位组焊的管材运输自下一步骤的工位；[0039] 步骤八、从可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置上取下已定位的导管，并用环缝自动焊接装置完成管材与管材、管材与管端附件连接处环缝的自动化焊接；[0040] 步骤九、运用可重构导管柔性自动化拼装、调姿定位装置或3D扫描测量仪对导管外形质量进行检验。[0041] 在具体实施过程中，管坯纵缝自动焊机结构如图2和图3所示，包括芯轴1、对缝轮2、焊枪3、管坯4、导向片5、送料滑块6、送料电机7；同时在出口端设计三个轮组，配合实现同轴定位，焊接后的零件处于一条直线上；[0042] 芯轴1通过芯轴支架架设在底座上，送料装置与底座固定连接并设在芯轴1下方，两个对缝轮2对称设置在芯轴1两侧为一个对缝组件，对缝轮2与底座固定连接，两个对缝组件分别设在芯轴1中段位置和前段位置，两个对缝组件的间距由芯轴1中段位置向芯轴1前段位置收拢；送料电机7连接并控制送料滑块6移动；本装置还可以包括电控系统，电控系统连接对缝电机、送料电机7和焊枪，电控系统内包括导管焊接程序和焊接库，焊接库内存有多种材料、管径和管壁厚度的直导管焊接参数，导管焊接程序根据预设的焊接参数自动控制每组对缝组件的间距、送料滑块6的移动速度和焊枪3的工作时间。[0043] 在具体实施过程中，如图4所示，步骤五中，端面加工时，利用的端面数控成形机包括管夹套8、管材9、手柄10、切割片11、主轴电机12；所述管夹套8夹持所述管材9，所述切割片11上设置有手柄10，所述切割片11在主轴电机12带动下实现管材9的切割。[0044] 在具体实施过程中，图5所设计的焊缝焊接装置用于完成环缝的焊接，环缝焊接时，首先对导管进行定位焊，保证整体构型的基础上，再使用环缝焊接装置进行环缝焊接，使用的自动化环缝焊接装置包括工装底盘13、工装支柱14、升降器底盘15、升降器底座16、减速器调位电机17、涡轮蜗杆升降器18、升降缸19、三爪卡盘底座20、三爪卡盘21、工装顶盘22、从动盘23、连接柱24、焊枪移动底座25、焊枪焊丝夹紧器26、爪27、支撑柱28、电机联动齿轮29、齿轮盘30、轮盘电机31、连接杆32和焊枪移动电机33；[0045] 在装置底盘13上通过焊接3根工装支柱14与一个空心工装顶盘22组成工装外形结构，然后在工装支柱14上焊接升降器底盘15，在升降器底盘15中心处连接升降器底座16，升降器底座16上装配有减速器调位电机17及涡轮蜗杆升降器18，在升降器底座16周边焊接3组升降缸19，升降缸19的升降柱与三爪卡盘底座20焊接，同时涡轮蜗杆升降器18顶部与三爪卡盘底座20通过螺栓连接，三爪卡盘底座20上装配有三爪卡盘21，三爪卡盘底座20与涡轮蜗杆升降器18及工装顶盘22同心，三爪卡盘21上有三只较长卡盘爪27；工装顶盘22焊接有三个支撑柱28，支撑柱28为哑铃型，在三个支撑柱28中间装有空心齿轮盘30，空心齿轮盘30通过连接柱24、连接杆32连接从动盘23，从动盘23上有与空心齿轮盘30相应位置的圆孔，在工装顶盘22上装有电机联动齿轮29与轮盘电机31以用来控制从动盘转动，从动盘23顶部装配焊枪移动底座13，焊枪移动底座13含有焊枪焊丝夹紧器26以及焊枪移动电机33。环缝焊接装置中，连接柱24、连接杆32可作为同一部件，用于将空心齿轮盘与从动盘连接，实现同步转动，因焊接过程中仅需要一定的转速即可，空心齿轮盘与工字型支撑柱之间的摩擦影响可以忽略，当然，在具体实施过程中，可在接触面之间嵌入钢珠，以减小滑动摩擦阻力以更利于实施。[0046] 焊缝焊接时，采用的焊接方法包括以下步骤：[0047] 步骤S1、将焊丝焊枪夹紧器归位及三爪卡盘调整至起始位置即零点；[0048] 步骤S2、使用三爪卡盘固定待焊接导管的支管管接头；具体可以夹持管头还可以涨紧的形式固定管头；[0049] 步骤S3、开启数控系统，选择管接头的焊接数据；[0050] 步骤S4、数控焊接系统启动，控制减速器调位电机调整三爪卡盘高低位置，保证焊接头位置与待焊接导管的管接头焊缝在同一水平面上；[0051] 步骤S5、焊枪移动电机控制焊枪沿丝杠轴运动，达到预定焊接位置；[0052] 步骤S6、轮盘电机与外接焊机同时启动，焊枪引燃电弧开始焊接；[0053] 步骤S7、待轮盘电机带动从动盘运转一圈后，轮盘电机与外接焊机同时停止，焊枪熄弧焊接停止，管接头完成焊接；[0054] 步骤S8、减速器调位电机与焊枪移动电机自动回归起始位置，数控系统停止运行；[0055] 步骤S9、三爪卡盘解除对待焊接导管的管接头固定，取下导管。[0056] 作为一种可以实施的形式，图6、图7是用于辅助完成步骤六、七、八、九中定位、调姿及校准操作，组焊装置34包括主体框架和多组定位模块，多组定位模块通过横向调节机构和纵向调节机构装配在主体框架上，定位模块上设有升降机构，定位模块通过前后角度调节机构和转动角度调节机构连接气爪；还设有多个伺服电机，伺服电机控制多组定位模块的横向调节机构、纵向调节机构、升降机构、前后角度调节机构和转动角度调节机构；装配方法具体包括以下步骤：步骤一，将组焊装置34与数控拼装站35对接；步骤二，通过数控程序对组焊装置34进行测试，并调整组焊装置34内各伺服电机，使各定位模块点位归零；步骤三，在数据控制面板内调取待加工零件信息；步骤四，数控拼装站35内对应定位元件放置盒运行到定位元件速换组件附近，定位元件速换组件按程序抓取相应定位元件并安装在组焊装置的气爪内，组焊装置34按程序驱动各伺服电机，调整组焊装置34内各定位模块的位置，控制定位元件移动和偏移到程序要求的空间位置和角度位置；步骤五，取出组焊装置；步骤六，组焊装置使用完成后，再次将使用完成的组焊装置34与数控拼装站35对接，通过控制程序控制数控拼装站拆解组焊装置的定位元件，并将各定位模块的位置归零。[0057] 具体实施过程中，将组焊装置34与数控拼装站35进行机械对接，调整数控夹具组件位置，使两组件机械原点对正归零。将组焊装置与数控拼装站34进行电缆对接，通过数控程序对组焊装置进行测试，并调整组焊装置内各电机，使各机构点位归零；在数据控制面板内调取待加工零件信息；数控拼装站35内对应定位元件放置盒运行到定位元件速换组件附近，定位元件速换组件按程序抓取相应定位元件并安装在组焊装置气爪内，数控拼装站35按程序驱动伺服电机，调整组焊装置内各构件位置，使定位元件的空间位置、角度满足程序要求，多组定位元件即可定位尺寸结构不同的各类零件；将调整后的组焊装置关机、分离取出待用；将使用后的组焊装置返回拼装站按拼装顺序拆解，并将各构件归零；将归零后的组焊装置复位，待下次使用。对导管外形质量进行检验时，利用上述装置实现外形比对校验，评估产品质量，检验制造合格性。[0058] 本发明的优点是：运用本发明的方法，导管下料、焊接、端面成形等均由自动化加工设备或装置完成，减少了人为因素对产品质量的影响，提高了产品质量的稳定性和加工精度；大直径组焊飞机导管数控制造方法用采用了激光切割、自动焊接、三维成像等高效的先进制造技术，并将各项先进技术串联成导管数字化制造生产线，大幅提高了导管的生产效率；大直径组焊飞机导管数控制造方法中利用了数控夹具替代传统的检验夹具，减少了传统飞机导管制造中所用的夹具数量及存储夹具所需的库房面积，降低了生产成本。[0059] 以上具体实施方式或案例仅用于解释说明本发明的技术方案，并非对本申请进行限制，未详细说明部分均视为本领域常规技术手段或公知常识；本领域的普通技术人员应当理解：基于本申请的设计思想，应当可以对前述实施方式所记载的技术方案进行适应性修改，或对其中部分或全部技术特征进行等同替换，这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

专利地区：陕西

专利申请日期：2022-09-30

专利公开日期：2024-09-13

专利公告号：2024-09-13