蒙皮柔性夾持數控切邊的工藝設計方法

胡福文 李東升 李小強

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

朱明華

(上海飛機制造有限公司，上海200436)

在數字化柔性制造系統中各類數控機床作為主角在數字化柔性化方面發展非常迅速，而模具、夾具等工裝的數字化柔性化發展卻相對滯后.這嚴重束縛了高性能數控裝備效能的發揮，制約了工藝設計數字化的發展進程.這種現象在品種多、批量小、形狀結構復雜、剛度小的飛機蒙皮加工制造中表現尤為突出.傳統的生產模式中，每項蒙皮零件均需一套專用的剛性工裝(包括拉形模、切鉆樣板、化銑樣板等)用于拉形、切邊和化銑刻線，其制造所耗工時占零件研制周期的60% ～80%.

針對這種情況，自20世紀90年代中期開始國外航空制造企業逐漸采用“Tool-less factory”制造模式［1］，以可重構柔性模具代替實體剛性模具進行拉形，以可重構柔性工裝代替剛性銑切樣板進行化銑刻線和切邊.該制造模式的特點是數字化工藝設計、數字化工藝裝備和數字化精密測量技術緊密結合，CAD/CAE/CAM技術高度集成，從而實現工藝設計、拉伸成形、銑切加工和測量全過程的數字量精準傳遞和控制［2］.切邊作為蒙皮零件制造的關鍵工序，其加工精度直接影響到后續的裝配生產.目前，我國大型客機對蒙皮切邊精度要求為±0.8 mm.傳統的基于切鉆樣板的蒙皮手工銑切工藝已經無法滿足新的精度要求，因此迫切需要發展基于可重構柔性工裝的蒙皮數控切邊技術［3］.國外的先進航空制造企業已經掌握了該項技術并用于型號飛機的生產制造，比如諾斯羅普·格魯曼公司采用2臺五軸龍門銑床和美國CAN制造公司生產的Pogo?柔性工裝進行波音747機身壁板的鉆孔切邊和測量［4］.

商品化的可重構柔性工裝系統價格極為昂貴，依據工作范圍和模塊數量，價格一般為幾百萬美元，而且往往是買來了裝備卻買不來配套工藝.為了推進民族航空制造業的自主發展和產業升級，打破外國的技術壟斷，在國家863計劃的重點支持下，自2007年開始北京航空航天大學與有關飛機制造廠和科研院所進行產學研合作成功開發了工作范圍4 m×2 m×0.45 m的可重構柔性工裝.清華大學、哈爾濱工業大學等從裝備研制方面開展了相關的研究工作［5－6］.

要在生產中應用該項新技術，確保工藝設計一次成功率，僅僅研制出高精度數控工裝還不夠.這是因為多點夾持條件下薄壁蒙皮的高精度切邊工藝衍變成了難加工工藝.數控切邊時伴隨著高速走刀，“刀具+薄壁工件+柔性工裝”三者構成了一個時變剛度的加工工藝系統.薄壁工件振動、切削力變化、目標輪廓逐漸從整體毛坯中分離等物理因素和幾何因素相互耦合作用，將會直接影響到加工精度.

本文從新技術的工藝應用角度出發，針對自主研發的可重構柔性工裝，從合理布局、精確定位和穩定裝夾等3個方面提出了工藝實施解決方案，開發了工藝設計軟件系統，并選取了結構特征復雜的飛機蒙皮零件進行了數控切邊試驗驗證.

1 可重構柔性工裝的工作原理

可重構柔性工裝是新一代先進敏捷工裝，同時又是一個涉及精密機械、真空技術、數字控制、電氣伺服和數字化工藝設計軟件開發等多個技術領域的復雜耦合系統.與模塊式組合工裝相比，可重構柔性工裝結構更加復雜，但柔性化、數字化、自動化程度更高，從而使構型時間大大縮短.

1.1 定位原理

由于弱剛度空間薄殼零件在自重、切削力等載荷的作用下易于發生變形，剛性零件的“3-2-1”定位原理已經不再適合，所以可重構柔性工裝采用了“N-2-1”定位原理.“N-2-1”定位原理最早由Cai等正式提出［7］，其中“N”表示在基準方向上為防止產生過量變形而需要的支撐點的數量.

1.2 結構原理

可重構柔性工裝按照驅動方式可分為被動式和主動式2大類［8］.所謂被動式，是指工裝自身不帶有可控的驅動單元，構型時真空吸盤的目標位置依靠外部作用進行調節，比如手動操作、機器人、數控機床等，文獻［9］中所設計的可重構柔性工裝即是一個典型的被動式可重構柔性工裝.所謂主動式，也可以稱為數控式，是指工裝帶有計算機控制的驅動單元，通過程序控制自動移動到預定目標位置.本文863項目課題組自主研發的可重構柔性工裝則屬于主動式可重構柔性工裝，下面介紹一下其結構原理.

圖1 可重構柔性工裝系統的工作原理示意圖

如圖1所示，所研制的可重構柔性工裝有6個排架，排架安裝在導軌上.每個排架分別在2臺伺服電機的驅動下通過齒輪齒條傳動實現沿導軌x方向的運動.每個排架上有5個可伸縮支撐立柱，每個伸縮立柱在2臺伺服電機→同步齒形皮帶輪→絲杠螺母的順序驅動下，沿y軸和z軸方向獨立移動.所選用的伺服電機均有抱閘裝置，斷電時電機剎車，實現排架和伸縮立柱的鎖緊;通電時剎車機構松開，電機正常運轉.在每個伸縮立柱的頂部安裝有一個可在35°范圍萬向自由回轉的真空吸盤.真空吸盤通過接管與真空發生器接通，與工件下表面接觸后，通過數控指令控制真空設備進行抽吸，使吸盤內產生負壓，從而產生夾緊力.銑切加工完成后，通過數控指令控制真空設備進行吹氣，使真空吸盤內由負氣壓變成零氣壓或正氣壓，吸盤與工件之間即可松開.

控制軟件讀取工藝設計軟件生成的裝夾數據后，采用基于CANOpen現場總線的ELMO多軸智能伺服驅動控制技術控制整個工裝系統，包括x，y和z 3個方向的精準定位，以及每個吸盤真空度的調整.

1.3 基準協調原理

如圖1所示，在柔性工裝上安裝有精加工的基準標定塊，它有3個作用:①通過它可以和數控機床原點建立唯一的位置關系，確定加工坐標系;②基準標定塊也是箱體排架原點(x向)、伸縮立柱原點(y向和z向)的參考基準，箱體排架和伸縮立柱運動到自己原點開關的感應區后，對應的輸入端接到信號，完成回零操作;③用于對刀操作.由于蒙皮零件一般是空間曲面，不方便選取對刀點，因此可選擇基準標定塊上的點作為對刀點.總之，通過基準標定塊可精確協調機床坐標系、工裝坐標系以及數控編程坐標系三者之間的關系.

2 可重構柔性工裝的工藝分析

應用可重構柔性工裝系統，可以大幅度減少用于切邊、化銑和測量的剛性工裝數量，降低制造成本，縮短制造周期;可以充分利用數控機床保證銑切精度和加工質量，避免二次切邊，為后續的無應力無余量精密裝配奠定基礎.但是可重構柔性工裝系統的應用也給工藝設計帶來了許多新挑戰，如果處理不好反而不能充分發揮其優勢.可重構柔性工裝系統工藝設計的本質是協調工件、可重構柔性工裝、數控機床和刀具四者的關系，將零件數模信息轉化為可重構柔性工裝和數控機床的數控信息，保證柔性裝夾和數控加工的準確性、穩定性和可行性，實現形狀信息的精確傳遞及控制，最終得到滿足精度要求的零件.

2.1 精確定位

裝夾工件時，如果真空吸盤吸附位置不準確，就會非常容易改變弱剛度薄殼件的形狀，即會導致裝夾誤差，從而會使實際加工軌跡與理論軌跡之間產生誤差.這類靜態誤差相對于數控機床的加工精度來說，往往是粗大誤差，因此必須通過精確裝夾避免其產生.精確裝夾需要2個方面來保證:①硬件方面，要求可重構柔性工裝的定位精度和重復定位精度必須達到要求，課題組所研發的可重構柔性工裝的定位精度和重復定位精度分別為 ±0.1 mm 和 ±0.05 mm;②軟件方面，要求根據零件CAD模型精確計算出真空吸盤吸附位置以及定位器的調整角度，而蒙皮零件一般是空間自由曲面，因此需要配套的工藝設計軟件快速精確計算出可重構柔性工裝的裝夾數據.

2.2 合理布局

可重構柔性工裝采用“N-2-1”定位原理以點代面后，如何確定“N-2-1”原則的中“N”的問題，即N個支撐點的數量及其位置，衍變成為一個復雜的布局問題.進行吸盤布局時要考慮2方面的約束:①幾何條件約束，要保證支撐立柱之間、吸盤與刀具之間不能發生空間干涉，也就是要找到吸盤布局的幾何可行域;②物理條件約束，即要保證裝夾狀態的穩定性，將切削振動控制在一定的范圍之內，以免發生刀具折損等現象.合理布局是影響裝夾穩定性的一個重要方面必須予以考慮.

2.3 穩定夾持

數控切邊時伴隨著高速走刀，“刀具+薄壁工件+柔性工裝”三者構成了一個時變剛度的加工工藝系統.多點支撐、薄壁工件的弱剛性、切削力的變化、切削參數的調整、目標輪廓逐漸從整體毛坯中分離等幾何因素和物理因素相互耦合作用將不可避免產生切削振動.如果控制不好就有可能產生動態加工誤差，將會直接影響到高速加工的質量，嚴重情況下會導致刀具破損或折斷以及工件的報廢，因此必須實現穩定裝夾來避免這些現象.考慮到工藝系統強烈的時變特征和非線性特征，為了獲得穩定的裝夾狀態，需要對加工過程進行物理仿真.

3 可重構柔性工裝的工藝設計方法

針對五坐標龍門銑床配合可重構柔性工裝實現蒙皮零件數控切邊這一新工藝，為了實現精確定位、合理布局及穩定夾持，突破了有關關鍵算法，開發了工藝設計仿真系統 (flextrimming)，其功能如圖2所示;并采用有限元模擬技術實現了銑切過程的物理仿真，驗證銑切過程的穩定性.

3.1 工藝設計系統的關鍵算法

圖2 Flextrimming系統的功能

工藝設計仿真軟件通過CATIA CAA二次開發工具實現，軟件具有獨立的工作臺、工具欄、菜單欄、對話框等友好操作界面，無縫集成在CATIA軟件中，為在航空制造業中推廣應用奠定了基礎.系統的開發主要包括裝夾姿態定位、立柱升程計算、工裝布局設計等算法.

1)裝夾姿態定位算法.蒙皮零件一般是滿足飛機氣動外形的空間曲面.為了確定蒙皮和柔性工裝的唯一位置關系，即裝夾姿態，必須建立蒙皮零件和柔性工裝z向基準面(水平面)的關系.如圖3所示，首先選取蒙皮數模的4個角點，交叉建立2條不平行的對角線;如果2條對角線在同一平面內，則直接建立曲面姿態調整的基準面;如果2條對角線不在同一平面內，則過一條對角線的端點作另一條對角線的平行線，根據2條平行線建立調整基準面.建立調整基準面后，進行偏置就得到了柔性工裝z向基準面，該平面是工裝z向調形的起始零點;偏置高度H應滿足:

式中，zmax表示柔性工裝支持立柱z向最大升程;δmax表示蒙皮零件的最大橫截面弦高.

圖3 曲面零件裝夾姿態定位原理

2)支撐立柱升程計算原理.為了適應蒙皮零件局部率的變化，夾持吸盤可繞萬向回轉中心在35°范圍內擺動.盡管蒙皮的厚度較薄，整體剛性差，但是其局部剛度足以使吸盤自由回轉，自動適應蒙皮曲率的變化，經過測量檢驗表明定位精度符合要求.

無論吸盤如何擺動，萬向回轉中心卻是恒定

則法向等距曲面可表示為

式中，d表示球副中心到吸盤上表面中心的距離，吸盤加工好并組成球副后它是一個不變量.如圖4所示從柔性工裝z向基準面到等距曲面的垂直距離即為立柱升程.的，且每個吸盤的萬向回轉中心到夾持基準點的距離是不變量.因此夾持吸盤萬向球副的球心分布在蒙皮零件裝夾表面S(u，v)的法向等距曲面S0(u，v)上，若夾持基準點的法矢為

圖4 支撐立柱升程計算原理圖

3)工裝布局設計原理.為了提高設計效率，工藝設計系統提供了初始布局設計功能，初始布局后再由操作者進行局部微調.首先計算出零件最多能夠部署下的工裝的排數M和每排的立柱數N，計算公式如下:

式中，Lpart表示零件毛坯的長度;Wpart表示零件毛坯的寬度;Δxlimit表示排架之間的最小安全距離;Δylimit表示立柱之間的最小安全距離.

計算出M和N后，在前文確定的工裝調形z向基準面上沿x向和y向生成均勻布局，如圖5所示.

圖5 工裝布局原理圖

然后選中表示伸縮立柱位置的圓(圓的直徑是吸盤直徑的1.5倍)，即可以在表示排架的直線上進行拖動，微調立柱位置，只要圓和刀軌之間不相交則吸盤就不會和刀具干涉.如果相鄰圓心的距離小于Δylimit或相鄰直線的距離小于Δxlimit，則圓和直線無法拖動，并彈出警告提示.

3.2 切邊過程的幾何仿真

為了校驗工藝設計軟件生成的夾持定位數據，防止潛在的干涉碰撞現象，工藝設計仿真系統提供了切邊過程仿真校驗功能，如圖6所示.

圖6 工藝設計的幾何仿真校驗

3.3 切邊過程的有限元仿真

為了校驗可重構柔性工裝系統的夾持穩定性，本文采用單元物理失效［10－11］的有限元方法進行切邊過程物理仿真.單元失效的標準采用Johnson-Cook失效準則.該方法與基于單元生死方法的銑削仿真相比較［12－13］，首先避免了事先的銑削力精確計算，其次無需考慮單元生死順序與加載過程的協調，另外考慮了刀具與工件的相互作用.這樣不僅更接近加工實際，對保障模擬精度也具有現實意義［13］.

為了處理銑削仿真中切屑大變形以及切屑分離等問題，網格描述方法采用了任意拉格朗日-歐拉法，該方法繼承了Lagrangian方法和Eulerian方法的優點，將它們的缺陷降到最低.求解輸出的物理量除了應力應變之外，還要輸出銑削力和切削路徑上關鍵點的位移.通過觀察這些物理量可以分析出仿真的可靠性以及夾持穩定性.仿真實例如圖7所示.

圖7 切邊過程的有限元仿真

4 工程應用試驗研究

為了驗證可重構柔性工裝的硬件系統和軟件系統，驗證新的工藝設計分析方法并形成比較成熟實用的工藝規范，選擇了某型號民用飛機的一項鏡面蒙皮零件進行了工程應用驗證試驗.

4.1 試驗儀器及設備

試驗件是在大型柔性多點模具拉伸成形的，材料是2024包鋁板，厚度為1.6 mm.根據零件數模及本文所提出的工藝設計方法，準備好數控柔性工裝的裝夾數據和數控切邊程序.數控機床是QW25-80 HSM五坐標高速銑床.試驗刀具是直徑6 mm的硬質合金銑刀.測量設備是API第三代激光跟蹤儀及手持式激光掃描儀.圖8為銑切現場.對掃描后的點云數據首先在Geomagic Qualify軟件中進行降噪處理和曲面擬合，然后和理論數模進行了誤差比對分析.

圖8 銑切試驗現場

4.2 試驗結果分析

面向無應力無余量的精密裝配，從形狀誤差和關鍵位置尺寸誤差2個方面進行了誤差分析，分別如圖9和圖10所示.

另外人工檢查了邊緣的加工質量，邊緣光順，沒有發現毛刺、凹坑、缺口等現象;觀察了加工過程中機床主軸頭振動測試反饋系統的均方根(RMS)值在0.6～1.2 mm 之間平穩波動，銑切過程平穩.試驗結果表明，所開發的面向可重構柔性工裝的工藝設計仿真軟件，能夠根據零件數模精確計算出調形數據，沒有產生裝夾誤差，能夠有效避免有關的干涉和碰撞，保證銑切過程的安全及穩定.試驗樣件沒有產生裝夾變形，尺寸精度符合技術要求.

圖10 關鍵尺寸誤差

5 結論

1)針對多點夾持條件下薄壁蒙皮高精度數控切邊這一復雜新技術，進行了工藝應用研究，提出了CAD/CAE/CAM集成的工藝設計方法，開發了工藝設計仿真軟件系統，實現了從零件數模到柔性夾持數控切邊全過程數字量的快速精確傳遞.

2)成功進行了集成驗證試驗，試驗結果表明所采用的工藝設計方法能夠解決合理布局、穩定夾持和精確定位等問題，各系統模塊之間能夠有效集成，實現蒙皮零件快速精準數字化切邊.

3)可重構柔性工裝除了應用于飛機蒙皮類薄壁零件的切邊、鉆孔、化銑刻線和測量等工藝，還可以應用于復材壁板的修邊和鉆孔、飛機柔性裝配等工藝中，應用前景十分廣闊.本文所研究的工藝設計方法對于相關應用也具有借鑒意義.

致 謝感謝上海飛機制造有限公司的桑陽、徐應強，北京航空制造工程研究所的鄒方、薛貴軍等在系統集成應用試驗中的支持.

References)

［1］Papazian J M，Anagnostou E L.Tooling for rapid sheet metal parts production［C］//The 6th Joint FAA/DoD/NASA Conference on Aging Aircraft.San Francisco:FAA 2002:16 － 23

［2］李東升，羅紅宇，王麗麗，等.飛機蒙皮的數字化成形制造技術［J］.塑性工程學報，2009，16(1):82－86 Li Dongsheng，Luo Hongyu，Wang Lili，et al.Numerical forming technology of the aircraft skin［J］.Journal of Plasticity Engineering，2009，16(1):82 －86(in Chinese)

［3］李東升，胡福文，李小強，等.基于可重構柔性工裝夾持的飛機蒙皮數控切邊關鍵技術及發展［J］.航空制造技術，2009，23:26－29 Li Dongsheng，Hu Fuwen，Li Xiaoqiang，et al.Key technologies and development of aircraft skins CNC trimming based on reconfigurable flexible tooling［J］.Aeronautical Manuf Tech，2009，23:26－29(in Chinese)

［4］Koelsch J R.Hold it［J］.Machine Shop Guide，1998，3(2):26－33

［5］周凱，錢琪，門延武.機器人化智能工裝系統:中國，200810103813［P］.2008-09-24 Zhou Kai，Qian Qi，Men Yanwu.Intelligent flexible process-equipment:China，200810103813［P］.2008-09-24(in Chinese)

［6］甄瑞，周亮，高棟.飛機蒙皮加工柔性夾具系統的研制［J］.機械制造，2009，47(543):68 －80 Zhen Rui，Zhou Liang，Gao Dong.Development of the flexible fixturing system for aircraft skins［J］.Machinery，2009，47(543):68－80(in Chinese)

［7］Cai W，Hu S J，Yuan J X.Deformable sheet metal fixturing:principles，algorithms，and simulations［J］.J Manuf Sci Eng，1996，118:318 －324

［8］Walczyk F，Longtin R S.Fixturing of compliant parts using a matrix of reconfigurable pins［J］.ASME J Manuf Sci Eng，2000，122(4):766－772

［9］Sela M N，Gaudry O，Dombre E，et al.A reconfigurable modular fixturing system for thin-walled flexible objects［J］.Int J Adv Manuf Technol，1997，13:611 －617

［10］Vaz M Jr，Owen D R J，Kalhori V，et al.Modelling and simulation of machining processes［J］.Arch Comput Methods En，2007，14:173 －204

［11］Tugrul Ozel.The influence of friction models on finite element simulations of machining［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2006，46:518 －530

［12］Rai J K，Xirouchakis P.Finite element method based machining simulation environment for analyzing part errors induced during milling of thin-walled components［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2008，48:629 －643

［13］畢運波.銑削加工過程物理仿真及其在航空整體結構件加工變形預測中的應用研究［D］.杭州:浙江大學機械工程學系，2007:10－14 Bi Yunbo.Physics-based milling process simulation and applications in machining distortion prediction of aeronautical monolithic components［D］.Hangzhou:Department of Mechanical Engineering，Zhejiang University，2007:10 －14(in Chinese)