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航空航天飞行器制造的末端环节是装配，此环节中各零部件的装配质量直接影响飞行器的服役性能和安全。制孔加工是零部件装配的关键，然而装配现场制孔空间往往极为受限，传统机床、机器人都难以适用，同时涉及多类型难加工材料叠层结构加工，工况极为复杂，人工加工不动、质量不稳，因此目前装配现场采用了大量自动进给钻削装备对连接孔进行加工。此类装备多为进口，精度高、稳定性好，相比之下，现有国产设备精度与稳定性不足，严重影响其推广应用，性能亟待提升。
该设备使用两个伺服电机分别控制主轴的进给运动和旋转运动，其中旋转电机通过同步带将动力传递给滚珠花键螺母，滚珠花键螺母又通过滚珠将动力传递给主轴，进给电机通过同步带将动力传递给在主轴两侧对称布置的滚珠丝杠，滚珠丝杠推动滚珠丝杠滑块轴向移动，对称的两个滚珠丝杠滑块与转接滑块连接，转接滑块通过角接触轴承与短轴连接，短轴通过螺纹与主轴连接，从而将轴向移动传递给主轴，实现主轴的进给运动。转接滑块固定在滑轨滑块上，滑轨滑块则安装在滑轨上，给主轴导向的同时增加主轴刚度。在短轴和主轴之间可以安装低频振子辅助装置，用以解决断削难的问题。两个电机安装在导向结构的上方，进给钻的前段则安装专用钻套。方便与钻模板快速安装固定，钻套侧壁开有孔排削，可以连接吸尘器，及时排削。钻的后方通过气路滑环等连接气泵，气体通过中空的短轴、低频振子辅助装置和主轴到达刀具，从而实现气冷刀具。设备工作时，将钻套插入钻模板的定位孔，然后旋转钻套，使钻套的螺旋面与拉钉的头部卡紧，从而将设备固定在钻模板上，然后根据要钻削的材料在自动进给钻控制箱的控制截面输入钻削参数，启动机器即可加工。加工完成后，反向旋转自动进给钻即可取下，继续安装进下一个定位孔就可进行下一次加工。
自动进给钻的回转运动和进给运动分别由两个伺服电机驱动。大伺服电机通过同步带传动驱动花键轴承内圈，花键轴承内圈则带动花键轴一起转动。5 个传感器测量安装在花键轴末端的标准棒的跳动信号，然后通过数据拟合处理分析花键轴的回转精度并以此评估导向结构的性能。
自动进给钻按照实际加工状态安装在钻模板上，标准棒代替刀具位置安装在花键轴末端。采用 5 个特性非常接近的传感器，其中 4 个径向传感器安装在径向传感器支架上，轴向传感器安装在轴向传感器支架上。径向的两个传感器S1 和S3 在水平方向测标准棒不同位置处信号（分别测标准棒同一截面相差 90°处的信号），传感器S2 和S4 在竖直方向测标准棒不同位置处信号（分别测标准棒另一截面相差 90°处的信号）；传感器S5 测标准棒端部的信号。
主轴回转的运动误差主要有轴向窜动、径向跳动和角度摆动 3 种形式，分别对加工造成不同影响。目前测试机床主轴回转精度的主要方法分为动态测试法和静态测量法。静态测量法是一种在低速旋转环境下测定主轴旋转精度的方法，又称打表法，实际参考价值小。动态测试方法是一种在主轴实际的工作转速之下，采用非接触式测量装置，测出主轴旋转运动精度误差的方法。
本课题对标国际先进产品的技术指标，开展结构创新性设计。为满足钻削单元结构集成紧凑要求，设计分段式主轴与锥柱齿轮传动结构，实现狭小空间内主轴旋转与进给的匹配运动；为保证制孔精度，设计回转式导套结构，提高主轴结构刚度和回转精度；为加强钻削单元的便携性，对整机进行轻量化设计并精选大功率无刷电机进行切削与进给驱动；为适应多种制孔工况，对整机进行创新性的模块化设计，可快速更换主轴导向模块、动力单元模块、机头传动模块，以适应不同材料、孔径、孔深的加工需求。
基于上述创新设计，对各零部件进行三维建模、详细尺寸设计与配合精度设计，并采用理论与仿真相结合的方式对关键零件进行校核；绘制二维零件图和装配图，外协加工设计的结构件并购买标准件，同时搭建钻削单元电控平台，最终实现自动钻削单元的整体装配并进行加工试验测试。研制的紧凑型轻量化电动可控自动钻削单元能够很好地实现碳纤维复合材料样件的钻削制孔。
通过本课题的研究，对自动进给钻高精度高稳定性导向结构进行设计改进。改进后的进给钻加工孔径分布范围变小，可能是由主轴回转精度提高和主轴刚度提升共同造成的，精度的提升会使钻刀偏离平均回转轴线的程度下降，使得孔的直径更加接近刀具直径，刚度的提升则会减小钻头因外力产生的震动和偏移。改进后孔径数值普遍偏大，可能是刚度提升和精度提升共同导致的，刚度较低时，孔壁对刀具的约束作用会对主轴回转精度产生较大的影响，使得刀具径向跳动降低，随着主轴刚度的提升，孔壁对刀具约束作用和对主轴回转精度的影响逐渐下降，使得刀具径向跳动提高，从而使得孔径偏大。
（1）统筹使用多种方法改良主轴运动精度，通过改进结构设计、改良加工方法和优化装配流程等方法共同提高自动进给钻运动精度。
（2）设计主轴回转精度测量系统，在装配中实时测量主轴运动精度，以便及时对装配过程进行调整。
（3）通过对比试验分析导向结构各个部分对主轴运动精度的影响，并以此指导导向结构的改进。
改进后自动进给钻实物如图 1 所示，装配精度在线测量装置实物如图 2 所示，改进前后进给钻精度及制孔效果对比如图 3 所示。
图 1 改进后自动进给钻
图 2 装配精度在线测量与调整
图 3 改进前后进给钻精度及制孔效果对比
高校指导教师：付 饶；企业指导教师：姜振喜