飛行器大型薄壁件制造的柔性工裝技術(shù)

許建政 李金柏 張恒毅 田浩 唐博

摘要：飛行器的大型薄壁零件加工和裝配過程一直是困擾其發(fā)展的主要因素之一. 柔性工藝技術(shù)是極為重要的組成部分，對于飛行器的運行、優(yōu)化有著極其重要的作用.鑒于此，本文對此開展了飛行器大型薄壁件制造的柔性工裝技術(shù)的研究

關(guān)鍵詞：大型薄壁零件;飛行器;柔性工裝;柔性制造系統(tǒng);飛行器制造

一、飛行器大型薄壁件制造柔性工裝技術(shù)的發(fā)展

1.外國在研究多點陣柔性工裝領(lǐng)域方面的技術(shù)領(lǐng)域，如美國，法國，西班牙和其他西方航空工業(yè)強國在此領(lǐng)域取得了顯著的結(jié)果，薄壁工件的主要部分的身體結(jié)構(gòu)，規(guī)模較大，同時氣動形狀復(fù)雜，與周邊零件也裝配協(xié)調(diào)關(guān)系，精度要求高。當(dāng)復(fù)合材料作為機身結(jié)構(gòu)的主要材料被廣泛應(yīng)用時，復(fù)合材料優(yōu)異的物理化學(xué)性能可以極大地提高飛機的性能。在可重構(gòu)可調(diào)柔性工裝的開發(fā)中，為了滿足零件的特性和工藝要求，引入了液壓技術(shù)、真空技術(shù)、機器人技術(shù)等一些新技術(shù)和方法。這些新技術(shù)的引進，極大地提高了加工的精度和效率。

2.飛機大型薄壁零件柔性工裝制造技術(shù)正在迅速發(fā)展和逐步完善。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，未來柔性工裝技術(shù)將朝著交互與集成的方向發(fā)展，實現(xiàn)工裝與機床的交互，從而降低飛機大型薄壁件的制造成本，提高其綜合效益。

柔性工裝系統(tǒng)和數(shù)控集成敏捷機床，可同時控制工裝和制造過程。通過更系統(tǒng)、更快的方法，將工裝設(shè)計引入柔性制造領(lǐng)域，大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。有許多方法可以實現(xiàn)工具系統(tǒng)的靈活性。第一種方法是建立一個靈活的系統(tǒng)，它由許多稱為模塊的可替換的基本組件組成。工具的配置使用基本模塊構(gòu)造，組件通過標(biāo)準(zhǔn)連接器連接。第二種方法是制作一些基本的可重構(gòu)部件，并促進其內(nèi)部調(diào)整變化，以滿足工件的不同特性;第三種方法是使用相變材料。網(wǎng)絡(luò)化控制信息集成技術(shù)也是柔性工裝技術(shù)的重要組成部分，能夠保證飛機大型薄壁件自主作業(yè)的正常開展。在柔性工裝技術(shù)的發(fā)展中，拉深工藝是大多數(shù)大型薄壁飛行器半成品的必要工藝。采用無基準(zhǔn)面自動定位技術(shù)可以解決這一過程中的一些問題。無數(shù)據(jù)自動定位系統(tǒng)一般由信息處理單元、傳感器陣列、定位制導(dǎo)軟件、控制計算機和執(zhí)行器組成。通過這些部件，可以及時調(diào)整工件和工裝，保證工件的準(zhǔn)確定位。在很多情況下，用拉拔工藝生產(chǎn)的薄壁半成品零件沒有精確的定位數(shù)據(jù)（定位孔等）。給后續(xù)的切割（開窗、修邊等）帶來很大的困難。為了解決這一問題，可以采用無參考的自動定位系統(tǒng)進行自動定位。智能位置搜索和位姿自適應(yīng)控制是實現(xiàn)復(fù)雜飛機零件柔性自動加工與裝配的關(guān)鍵技術(shù)。它主要用于解決復(fù)雜零件難以精確定位的制造和裝配問題。

在飛機大型薄壁件的制造過程中，柔性工裝技術(shù)的應(yīng)用也體現(xiàn)在數(shù)字化自動柔性裝配技術(shù)的應(yīng)用上。作為飛機制造中最薄弱的環(huán)節(jié)，國內(nèi)大部分生產(chǎn)單位在飛機大型薄壁件的制造和裝配中仍然采用手工裝配的方式。這種生產(chǎn)方式不僅效率低，而且質(zhì)量不穩(wěn)定。生產(chǎn)線上的工人長期承受著巨大的工作壓力，不利于行業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展。為此，我國某地區(qū)飛機大型薄壁件制造用柔性工裝技術(shù)研究部門提出了將現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)與柔性裝配技術(shù)相結(jié)合，并提出了數(shù)字化柔性自動化裝配技術(shù)，為行業(yè)發(fā)展開辟了一條新的發(fā)展道路。作為飛機大型薄壁零件制造中的一個重要問題，在實際生產(chǎn)中必須解決回彈問題，其一直影響著設(shè)備制造的質(zhì)量和效率。對此，我國大型飛機薄壁件制造單位的技術(shù)團隊，提出了基于智能預(yù)測的閉環(huán)成形技術(shù)。該技術(shù)的實際應(yīng)用可以有效解決這一問題。在此基礎(chǔ)上，運用柔性物流技術(shù)，也能有效避免飛機制造中大型薄壁件的變形問題?；跈C器人的柔性自動化裝配系統(tǒng)，不僅在原有的基礎(chǔ)上，不僅可以提高靈活性大型薄壁零件的制造工藝和自動化水平，在新系統(tǒng)中，形成皮膚夾緊后可以完成傳統(tǒng)修補的過程中銑削、銑槽、修剪、開放的過程，如消除夾帶的錯誤，既能提高加工精度，又能提高生產(chǎn)效率。另一方面，新系統(tǒng)在加工過程中沒有污染物排放，加工后的廢芯片可回收利用，降低了電耗，環(huán)保節(jié)能效果顯著，可實現(xiàn)綠色制造。更重要的是，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，可以充分保證生產(chǎn)裝配施工的質(zhì)量，提高了飛機大型薄壁件制造的經(jīng)濟效益和社會效益，促進了整個行業(yè)的發(fā)展。

針對傳統(tǒng)的六點定位原理的局限性，定義了大型薄壁零件逐點定位的自由度。提出了一種基于點對點自由度的自適應(yīng)多點定位方法，適用于大型薄壁零件的多點定位。在此基礎(chǔ)上，提出了一種多點定位/支撐算法來求解定位/支撐球在柔性工裝系統(tǒng)中的位置，以生成工件表面包絡(luò)面，避免刀具干涉。根據(jù)自生成原理，提出了一種柔性工裝系統(tǒng)運行方式的優(yōu)化自生成方法?；谧陨硇畔⒑凸ぜ庸すに囆畔⒌姆椒ǎㄟ^有限元分析和遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化方式，隨著自身的進化，實現(xiàn)定位/支撐陣列的全局優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)的通過外部命令，由操作人員根據(jù)經(jīng)驗和存在的問題來調(diào)整系統(tǒng)運行方式的方法。提出了一種多點定位的仿生動力學(xué)優(yōu)化方法。根據(jù)給定的加工軌跡，動態(tài)調(diào)整柔性刀具系統(tǒng)的定位/支撐分布，以保證整體加工變形最小。實例表明，該方法能使柔性工裝系統(tǒng)的支持分配處于最優(yōu)狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)利用。實例加工試驗表明，該方法能有效提高飛機大型薄壁件的加工精度和效率，滿足此類工件的高速高精度加工要求

綜上所述，在大型飛機薄壁件制造中，柔性工藝裝備系統(tǒng)管控運行模式的生成已成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。在現(xiàn)代化建設(shè)管理中，相關(guān)領(lǐng)域的工作人員需要全面、合理地分析飛機大型薄壁件制造的發(fā)展現(xiàn)狀，預(yù)測未來飛機大型薄壁件制造的發(fā)展?fàn)顩r。在此基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用機床裝配集成與交互技術(shù)、智能預(yù)測閉環(huán)成形技術(shù)和全數(shù)字自動柔性裝配技術(shù)，提高行業(yè)發(fā)展水平。

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