CN104400086B - 飞机蒙皮镜像铣削方法及装备 - Google Patents

Abstract

一种飞机蒙皮镜像铣削方法及装备，其特征是所述的装备主要包括机床主体框架、铣削装置、立卧转换装置、耳片夹持装置、柔性吸附装置、顶撑装置、检测装置及测厚装置等。本发明通过立卧转换装置对蒙皮进行立式装夹可以提高蒙皮件的装夹效率，结合真空吸附装置进一步提高蒙皮件的定位精度，避免重力造成的变形；基于激光位移传感器的在机检测，可以在加工前检测蒙皮零件的实际曲面，并根据实际装夹状态调整蒙皮加工刀轨，实现自适应的数控加工；顶撑装置能够在蒙皮铣削过程中，从反面对蒙皮零件进行支撑，避免加工颤振，提高加工的稳定性；加工过程中实现厚度在线监测，提供加工的厚度补偿；集成化的控制系统保证机床各单元的协同运作，避免干涉。

Description

飞机蒙皮镜像铣削方法及装备

技术领域

本发明涉及一种机械加工技术，尤其是一种大型薄壁零件的铣削装夹加工方法，具体地说是一种飞机蒙皮零件的镜像铣削方法及数控铣削装置。

背景技术

蒙皮零件既是飞机的外表零件，又是飞机的重要受力构件。蒙皮零件一般尺寸比较大，形状比较复杂，且厚度薄刚性差。机身蒙皮形状有单曲度的，但是多数呈双曲度。机身头部、尾部以及整流罩的蒙皮，形状则更为复杂。飞机蒙皮零件厚度比较薄(一般在2mm～4mm左右)，根据受力情况，有些蒙皮零件可能是不等厚度的，有的蒙皮甚至是变截面的。为了减重，有的蒙皮零件在受力小的部位还要进行局部厚度的减薄加工。由于蒙皮是飞机的外表零件，所以蒙皮零件外形精确度要求比较高。在采取无余量装配方案情况下，蒙皮边缘需直接加工至设计尺寸、交付时不留余量，因此蒙皮边缘切割也要求比较精确。同时，蒙皮开缺口的位置和缺口形状也要求比较精确。在采取装配孔装配的情况下，装配孔是零件的定位基准，所以蒙皮上的装配孔位置精度要求比较高。而蒙皮本来就很薄，在蒙皮上再进行局部减薄加工，其减薄部位厚度公差控制要求亦比较严。

对于单曲率、薄壁蒙皮件，利用吸附装置将蒙皮展开吸附在平板上，采用展开式数控铣的方式对蒙皮件进行数控铣削。随着航空制造业的发展，蒙皮零件越发趋于复杂，多数双曲，或者厚蒙皮，无法通过展开吸附进行数控铣削。对于不可展开的蒙皮零件，主要利用传统电化学腐蚀的加工技术，对不加工区域贴上保护膜，将零件在电解质溶液中浸泡，通过控制时间对不可展开的零件进行化学铣削。但由于化学污染、耗电量大和消耗铝材无法回收等固有弊病而成为该行业的一项困扰，尤其是蒙皮存在不同加工厚度的时候，要分步加工，效率较低。对于加工新一代铝锂合金蒙皮来说，化铣还需采取防燃防爆的特别措施，从而增加了工艺复杂性、成本及安全风险。目前国家发展机械铣，然而机械铣依然无法代替化铣，因为机械铣只能对蒙皮曲面进行多点离散支承夹持。蒙皮是薄板零件，在刀具对夹持点之间的悬空区域，特别是较薄蒙皮施加切削力时，该部位蒙皮会不可避免地发生颤振，使铣切深度和表面粗糙度无法控制，达不到精度要求，无法完全替代化铣。

综上所述，需要一种新的加工方法及装备对复杂双曲蒙皮进行数控加工，加工过程需要保证加工材料的去除速率及零件加工精度，并且满足新一代绿色加工的背景。为了达到目标，提出了一种蒙皮镜像铣削方法及装备，采用立式夹持框架从周边对被加工蒙皮进行固定，并通过随动支撑头对工件被加工部位进行支撑。支撑头和刀具位于被加工工件两侧，成镜像布局。支撑头采用无划痕设计，可在计算机控制下保持与工件曲面接触并随刀具运动，其位置和姿态与刀具位置姿态时刻成镜像关系，从而实现对工件加工部位的高刚度支撑，同时铣削装置的顶撑盘与顶撑装置互相支撑，可以有效抑制颤振，保证加工顺利进行。

发明内容

本发明的目的是针对现有的飞机蒙皮由于刚性差难以进行铣削加工，精度难以保证的问题，发明一种随动镜像铣削加工方法，同时提供一套对应的铣削夹紧装置。

本发明的技术方案之一是：

一种飞机蒙皮镜像铣削方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将立卧转换装置水平置于装夹区域，根据蒙皮实际尺寸调整装置间距及耳片装置位置，对蒙皮进行机外装夹；

其次，利用立卧转换装置将蒙皮进行立卧转换，使蒙皮处于竖直状态，并移动到加工位置；

第三，根据蒙皮零件的刚性选取适当的真空吸附排架进行辅助定位与吸附；

第四，在机检测蒙皮零件实际外形，根据实际检测结果判断是否调整加工刀轨；

第五，分区域加工，加工过程中至少有一个主轴用于蒙皮加工区域的铣削操作；至少一个顶撑部件支撑蒙皮件加工面的反面；用于加工的加工主轴需要保证其加工刀具法向垂直于零件表面，同时顶撑装置保证垂直于蒙皮零件表面用来支撑反面，使机床上的铣削装置与顶撑头形成随动的镜像加工；加工的同时，对蒙皮件进行实时厚度监测，计算厚度补偿值，实现实时的厚度补偿；加工后的退刀操作要关闭顶撑头的随动，避免出现加工事故。

所述的分区域加工，指当蒙皮由耳片装夹及多排架真空吸附共同定位时，排架会影响顶撑装置的移动区域，因此需要结合蒙皮实际尺寸进行区域划分。每个加工区域通过排架的移动吸附定位，进行镜像铣削。加工过程保证顶撑头与排架的距离，避免碰撞。在区域变换的真空排架移动过程中，至少保证2个排架固定，保证零件在机床上的定位精度，其他排架根据加工区域进行X向调整，因此排架数量不得少于3个。

所述的顶撑装置包括移动导轨、立柱及可至少五坐标移动的机架；在加工过程中，顶撑装置要在铣削装置的顶撑盘所在的对应区域的法向上提供一个反向支撑力，并且保证顶撑装置与加工刀具周围的滚珠相顶，同步运动，形成镜像；顶撑头采用顶撑面板，面板上以一圈滚珠的形式支撑在蒙皮背面；滚珠支撑可以减少支撑头对零件表面的划伤，尤其是减少对镜面蒙皮的损伤。

本发明的技术方案之二是：

一种飞机蒙皮镜像铣削装备，其特征是它包括：

一机床主体框架1、该主体框架1安装有底座6上，用于安装铣削所需的各个装置；

一立卧转换装置2，该立卧转换装置用于将蒙皮在水平状态完成装夹，然后转换成垂直状态以便于立式加工，完成装夹和转换的立卧转换装置能沿机床底部的导轨移动到加工位置；立卧转换装置包含可交换夹持框，导轨，可移动横梁，转动轴，可伸缩旋转耳片及电机等部件。采用一端固定，一端可沿导轨调节的柔性装置，适应于不同尺寸的蒙皮零件，主要夹持蒙皮上下两端；可交换夹持框指立卧转换装置的主框架装置，是一种可交换装置，实现机外装夹，装夹后运送到立卧转换装置进行装配；

一柔性真空吸附装置3，它用于将蒙皮进行辅助加工定位，补充立卧转换装置2对蒙皮装夹强度的不足，确保移动到加工工位的蒙皮在一个加工周期内保持夹紧状态以便于铣刀的正常加工，同时防止加工中颤振现象的发生；柔性真空吸附装置主要包含排架、吸附杆、可旋转真空吸盘。排架用于保证吸附装置沿X方向的移动。机床真空吸附装置至少保证3个排架，且排架之间需要协同运动避免干涉。吸附杆可以随着排架沿X向移动，每个排架上至少5个的吸附杆，并可以协同在Y向移动，同时每个吸附杆在Z向上可以自由伸缩。吸附杆上装有真空吸盘，可任意方向旋转，柔性吸附蒙皮零件。

一顶撑装置4，它用于将向加工部位施加一个法向力，以紧顶加工部位防止加工变更的发生，并能随加工刀具的移动而移动，始终与加工刀具主轴形成镜像关系；所述的顶撑装置包括移动导轨，立柱及可至少五坐标移动的装置。在加工过程中，顶撑装置要在铣削装置的顶撑盘所在的对应区域的法向上提供一个反向支撑力，并且保证顶撑装置与加工刀具周围的滚珠相顶，同步运动，形成镜像。顶撑头采用顶撑面板，面板上以一圈滚珠的形式支撑在零件背面。滚珠支撑可以减少支撑头对零件表面的划伤，尤其是减少对镜面蒙皮的损伤；

一铣削装置5，它用于对加工区域进行铣削、钻削加工，它能自动调整刀具主轴与蒙皮加工面法向平行，加工刀具能在铣削装置5的带动下作XYZ三个方向的移动；

一在线检测装置，它利用激光位移传感器，按照检测轨迹快速扫描零件实际轮廓，将扫描结果进行数据处理，剔除波纹位置的尖点，拟合出光滑曲面，与理论零件外形比对，自动计算刀轨偏差，根据蒙皮件实际外形调整刀轨；

一测厚装置；它采用在机床主轴以及顶撑装置上同时装上激光位移传感器，通过机床上加工主轴与顶撑装置间实际距离，以及通过激光位移传感器分别得到的主轴与顶撑装置到零件表面的实际距离，计算出蒙皮零件的实际厚度，实现自适应加工；或者在顶撑装置的顶撑面板上安装超声测厚装置，以水作为介质，将超声波信号打到蒙皮件反面，通过信号衰减计算零件加工位置的实际厚度，实现厚度监测。厚度监测是采用在机床主轴以及顶撑装置上同时装上激光位移传感器，通过机床上主轴与顶撑装置间实际距离，以及通过激光位移传感器分别得到的主轴与顶撑装置到零件表面的实际距离，计算出蒙皮零件的实际厚度，实现自适应加工；或者在顶撑装置的顶撑面板上安装超声测厚装置，以水作为介质，将超声波信号打到蒙皮件反面，通过信号衰减计算零件加工位置的实际厚度，实现厚度监测、计算厚度补偿值，采用激光位移传感器测厚时，由于加工工况复杂，切削屑会影响激光位移传感器厚度监测的精度，因此需要采用多激光位移传感器，计算出蒙皮最薄距离，同时采用数据处理的方式，至少取4次以上的数据计算作为一次刀具补偿，避免随机误差引起加工问题；对于超声测厚装置，由于蒙皮是曲率零件，测厚的数据存在一定误差，需要采取多点计算平均值进行厚度补偿，同时由于超声测厚需要一定的测厚范围以及信号的稳定，因此需要蒙皮数控铣削的刀轨采用特殊刀轨，特殊刀轨指等步距，无交叉，无残留，刀轴沿曲面法向的中途无抬刀刀轨。由于蒙皮属于曲率零件，在加工过程中一定存在阶差。一旦刀轨出现交叉或者距离较近的情况，超声测厚装置会监测到加工带来的阶差，会出现监测信号紊乱的现象。为避免过切、欠切等加工问题造成不可挽回的损失，机床应采取停机处理。

所述的立卧转换装置2包括立卧转换装置Y向移动导轨19，立卧转换装置的转动轴20、横梁移动电机21、立卧转换整体框架22、耳片夹持装置23、可移动横梁24、横梁移动导轨25和立卧转换装置与导轨间的转接杆26，立卧转换整体框架22呈U形结构，它的两边通过立卧转换装置的转动轴20铰装在立卧转换装置与导轨间的转接杆26的上端，立卧转换装置与导轨间的转接杆26的下端安装在立卧转换装置Y向移动导轨19上并能在其上作Y向移动，U形立卧转换整体框架22的开口端安装有能在横梁移动电机21的带动下沿U形立卧转换整体框架22两侧移动的可移动横梁24，在U形立卧转换整体框架22的底部横梁和开口端的可移动横梁24上均安装有用于夹持飞机蒙皮的耳片夹持装置23；所述的立卧转换整体框架22是一个可交换装置，能实现机外装夹，装夹后运送到立卧转换装置进行装配，也可装夹后在其它需要加工的工位进行加工。

所述的耳片夹持装置23包括夹持装置X向移动导轨27、夹持装置固定杆28、旋转式伸缩杆29、保证铆钉夹片可以任意角度旋转的转接销30和蒙皮定位装置31，夹持装置X向移动导轨27位于U形立卧转换整体框架22的底部横梁上，夹持装置固定杆28安装在夹持装置X向移动导轨27中并能在其中移动，旋转式伸缩杆29的下端可转动地插装在夹持装置固定杆28中，一端用于夹紧蒙皮的蒙皮定位装置31的另一端铰装在旋转式伸缩杆29的上端的转接销30上。耳片夹持装置包括移动导轨，夹持装置固定杆，旋转式伸缩杆，转接销等。移动导轨可以保证耳片自由在立卧转换装置上X向移动，可调节夹持的密度。可旋式伸缩杆，可以旋转任意角度，同时转接销保证耳片至少A方向90度摆动，与蒙皮零件用铆钉在任意方向上夹持定位；

所述的柔性真空吸附装置3主要包含吸附杆Y向移动履带32、可Z向伸缩的伸缩杆33、吸附杆转接头34、可任意方向45度摆角的真空吸盘35和抽真空孔36，吸附杆Y向移动履带32安装在排架9并能带动可Z向伸缩的伸缩杆33在排架9上沿Y向上下移动，排架9能在机床主体框架1沿排架移动导轨18作X方向的移动，可Z向伸缩的伸缩杆33能带动吸附杆转接头34作Z方向移动，可旋转真空吸盘。排架用于保证吸附装置沿X方向的移动。机床真空吸附装置至少保证3个排架，且排架之间需要协同运动避免干涉。吸附杆可以随着排架沿X向移动，可任意方向45度摆角的真空吸盘35安装在吸附杆转接头34上，可任意方向45度摆角的真空吸盘35上设有能将蒙皮吸住的抽真空孔36。

利用柔性真空吸附装置3进行辅助定位，在蒙皮零件刚性较差的情况下，单独的耳片装夹容易在加工过程中造成蒙皮变形，因此需要真空吸附装置辅助定位。当吸附定位采用多排架共同定位蒙皮件时，为避免干涉需要分区域加工。

所述的分区域加工是指当蒙皮由耳片装夹及多排架真空吸附共同定位时，排架会影响顶撑装置的移动区域，因此需要结合蒙皮实际尺寸进行区域划分；每个加工区域通过排架的移动吸附定位，进行镜像铣削；加工过程保证顶撑头与排架的距离，避免碰撞，在区域变换的真空排架移动过程中，至少保证2个排架固定，保证零件在机床上的定位精度，其他排架根据加工区域进行X向调整，排架9的数量至少为3个。

所述的铣削装置4包括主轴立柱10、加工主轴11、加工主轴Y向移动导轨37、铣削装置C轴转动轴38、铣削装置C轴随动装置39、铣削装置A轴转动轴40、A轴固定装置41、装有激光位移传感器的主轴夹紧装置42，铣削装置顶撑装置43、顶撑滚珠44和加工刀具45，移动导轨，加工主轴11安装在加工主轴Y向移动导轨37上，加工主轴Y向移动导轨37在主轴立柱10上的Z向移动导轨上，主轴立柱10能在机床主轴X向上移动导轨8和下移动导轨7上作X向的左右移动，铣削装置C轴转动轴38与加工主轴11相连，铣削装置C轴随动装置39安装在铣削装置C轴转动轴38上，铣削装置A轴转动轴40安装在铣削装置C轴随动装置39上，A轴固定装置41安装在铣削装置A轴转动轴40上，装有激光位移传感器的主轴夹紧装置42和铣削装置顶撑装置43安装在A轴固定装置41上，顶撑滚珠44和加工刀具45安装在铣削装置顶撑装置43上，顶撑滚珠44用于压紧蒙皮。同时考虑了刀具周边区域已加工和待加工区域厚度不一致，刀具周边的顶撑滚珠采用内部弹簧的结构，能在厚度方向上微量调节，避免划伤零件。

所述的顶撑装置5包括顶撑滚珠46、装有激光位移传感器的顶撑轴47、顶撑主轴A轴旋转轴48、顶撑主轴C轴旋转轴49和顶撑轴Y向移动导轨50，顶撑滚珠46安装在装有激光位移传感器的顶撑轴47上，装有激光位移传感器的顶撑轴47安装在顶撑主轴A轴旋转轴48上，顶撑主轴A轴旋转轴48安装在顶撑主轴C轴旋转轴49上，顶撑主轴C轴旋转轴49安装在顶撑轴Y向移动导轨50上，顶撑轴Y向移动导轨50安装在顶撑沿Z轴方向的导轨17上，顶撑沿Z轴方向的导轨17安装在顶撑立柱13上，顶撑立柱13的上下两端分别与支架顶撑轴沿X方向移动的下导轨14和上导轨15上。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过立卧转换装置装夹可以提高蒙皮装夹效率；

2、本发明的真空吸附装置可以针对弱刚性蒙皮进行辅助定位，提高定位精度并保证零件装夹后的刚性；

3、本发明采用了基于激光位移传感器的检测，信号稳定，效率较高，同时可以处理蒙皮成形缺陷，提高加工质量；

4、本发明的顶撑装置与铣削装置的顶撑盘镜像随动，能有效抑制加工颤振，保证加工质量；

5、本发明的厚度监测及补偿可以有效控制蒙皮的加工厚度，保证加工质量；

6、本发明实现了轮廓、孔、下陷、通窗等一体化加工，避免化铣的环境污染并降低了加工成本，有利于提高加工效率及加工质量。

附图说明

图1为本发明的铣削装置的整体结构示意图；

图中1代表机床主体框架，2是立卧转换装置，3是真空吸附装置，4是铣削装置，5是顶撑装置，6是机床底座。

图2为本发明铣削装置的机床正面示意图；

图中7、8是机床主轴沿X方向移动的下导轨和上导轨，9是排架，10是主轴立柱，11是加工主轴，12是顶撑装置，13是顶撑立柱。

图3为本发明铣削装置的反面示意图；

图中14、15是顶撑轴沿X方向移动的下导轨和上导轨，16是顶撑沿Y轴运动导轨，17是顶撑沿Z轴方向的导轨，18是排架移动的导轨。

图4为本发明铣削装置的利用立卧转换装置夹持蒙皮的整体示意图；

图5是本发明铣削装置的立卧转换装置示意图；

图中19是立卧转换装置Y向移动导轨，20是立卧转换装置的转动轴，21是横梁移动电机，22是立卧转换整体框架，23是耳片夹持装置，24是可移动横梁，25是横梁移动导轨，26是立卧转换装置与导轨间的转接杆。

图6是本发明铣削装置的耳片夹持装置示意图；

27是夹持装置X向移动导轨，28是夹持装置固定杆，29是旋转式伸缩杆，30是转接销，保证铆钉夹片可以任意角度旋转，31是蒙皮定位装置。

图7是本发明铣削装置的吸附杆装置示意图；

图中32是吸附杆Y向移动履带，33是可Z向伸缩的伸缩杆，34是吸附杆转接头，35可任意方向45度摆角的真空吸盘，36是抽真空孔。

图8是本发明铣削装置的主轴及顶撑装示意图；

图中37是加工主轴Y向移动导轨，38是铣削装置C轴转动轴，39是铣削装置C轴随动装置，40是铣削装置A轴转动轴，41是A轴固定装置，42装有激光位移传感器的主轴夹紧装置，43是铣削装置顶撑装置，44是顶撑滚珠，45是加工刀具，46是顶撑滚珠，47是装有激光位移传感器的顶撑轴，48是顶撑主轴A轴旋转轴，49是顶撑主轴C轴旋转轴，50是顶撑轴Y向移动导轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示。

一种蒙皮镜像铣削方法及装备，主要包括机床主体框架1，立卧转换装置2，真空吸附装置3，铣削装置4，顶撑装置5，机床底座6。

1、利用立卧转换装置对蒙皮装夹定位。

立卧转换装置，包含主框架，导轨，可移动横梁，转动轴，可伸缩旋转耳片及电机等部件。图中19是立卧转换装置Y向移动导轨，20是立卧转换装置的转动轴，21是横梁移动电机，22是立卧转换整体框架，23是耳片夹持装置，24是可移动横梁，25是衡量移动导轨，26是立卧转换装置与导轨间的转接杆。

其中耳片夹持装置，包括移动导轨，夹持装置固定杆，旋转式伸缩杆，转接销等。图6中27是夹持装置X向移动导轨，28是夹持装置固定杆，29是旋转式伸缩杆，30是转接销，保证铆钉夹片可以任意角度旋转，31是蒙皮定位装置。移动导轨可以保证耳片自由在立卧转换装置上X向移动，可调节夹持的密度。可旋式伸缩杆，可以旋转任意角度，同时转接销保证耳片至少A方向90度摆动，与蒙皮零件用铆钉在任意方向上夹持定位。

立卧转换装置的可交换框架采用一端固定，一端可沿导轨调节的柔性装置，适应于不同尺寸的蒙皮零件，主要夹持蒙皮上下两端。

首先将主框架水平置于装夹区域，根据蒙皮件实际尺寸调整装置间距及耳片装置位置，对蒙皮件进行机外水平装夹。将夹持框架置于万向车上运输到立卧转换装置区域，进行夹持框的装配及卸载。装夹后立卧转换，竖直移动到加工位置，根据蒙皮零件的刚性选取适当的真空吸附排架进行辅助定位。

2、利用真空吸附装置对蒙皮件辅助定位。

在蒙皮零件刚性较差的情况下，单独的耳片装夹容易在加工过程中造成蒙皮变形，因此需要真空吸附装置辅助定位。

真空吸附装置，主要包含排架、吸附杆、可旋转真空吸盘。图2中9代表排架，图3中18是吸附装置X向移动导轨，图7中32是吸附杆Y向移动履带，33是可Z向伸缩的伸缩杆，34是吸附杆转接头，35可任意方向45度摆角的真空吸盘，36是抽真空孔。排架保证吸附装置沿X方向的移动。机床真空吸附装置至少保证3个排架，且排架之间需要协同运动避免干涉。吸附杆可以随着排架沿X向移动，每个排架上至少5个的吸附杆，并可以协同在Y向移动，同时每个吸附杆在Z向上可以自由伸缩，吸附杆上装有真空吸盘，可任意方向旋转，柔性吸附蒙皮零件。

真空吸附盘直径100mm，吸附杆直径60mm，每个吸附元件最大倾斜角度为45度，每个吸附元件X向工作范围为13000mm,Y向3500mm，Z向750mm，在Z向达到最大伸缩量保证定位精度的情况下，最大承载能力可达8公斤。

当蒙皮由耳片装夹及多排架真空吸附共同定位时，排架会影响顶撑装置的移动区域，因此需要结合蒙皮实际尺寸进行区域划分，每个区域通过移动排架吸附定位，进行镜像铣削。加工过程保证顶撑头与排架的距离，避免碰撞。在区域变换的真空排架移动过程中，至少保证2个排架固定，保证零件在机床上的定位精度，其他排架根据加工区域进行X向调整，因此排架数量不得少于3个。

3、加工前的检测。定位后，利用激光位移传感器，按照检测轨迹快速扫描零件实际轮廓，将扫描结果进行数据处理，剔除波纹位置的尖点，拟合出光滑曲面，与理论轮廓外形比对，自动计算刀轨偏差，根据蒙皮件实际外形调整刀轨。

4、镜像铣削。镜像铣削加工过程中至少有一个主轴用于蒙皮加工区域的铣削操作；至少一个顶撑部件支撑蒙皮件加工面的反面。用于加工的加工主轴需要保证其加工刀具法向垂直于零件表面，同时顶撑装置保证垂直于蒙皮零件表面用来支撑反面，使装备上的铣削装置与顶撑头形成随动的镜像加工。图2中7、8是主轴沿X方向移动导轨，13是顶撑立柱。由铣削装置与顶撑装置按照蒙皮加工的理论位置互顶形成镜像，可以有效抑制加工中颤振的发生。图3中14、15是顶撑轴沿X方向移动导轨，16是顶撑沿Y轴运动导轨，17是顶撑沿Z轴方向的导轨。

其中加工主轴至少五坐标。加工主轴由顶撑盘和刀具组成，主要用于铣削、钻削加工，用于正面去除材料。图8中37是加工主轴Y向移动导轨，38是加工主轴C轴转动轴，39是加工主轴C轴随动装置，40是加工主轴A轴转动轴，41是A轴固定装置，42装有激光位移传感器的主轴夹紧装置，43是顶撑盘，44是顶撑滚珠。机床加工主轴采用高频电主轴，工作功率20Kw，最大扭矩20Nm，主轴最高转速为30000RPM，其中X向工作行程15000mm，Y向工作行程可达4000mm，Z向行程1000mm，C轴满足360度回转角，A轴满足110度摆角。

顶撑装置要至少保证是五坐标，可以在零件反面提供一个垂直于零件表面的支撑力。顶撑头采用顶撑面板，面板上以一圈滚珠的形式支撑在零件背面。滚珠支撑可以减少支撑头对零件表面的划伤，尤其是减少对镜面蒙皮的损伤。主要由顶撑滚珠46，装有激光位移传感器及超声测厚装置的顶撑装置47，顶撑装置A轴旋转轴48，顶撑装置C轴旋转轴49，顶撑装置Y向移动导轨50组成。

在加工过程中，顶撑装置要在加工主轴的顶撑盘所在的对应区域的法向上提供一个反向支撑力，并且顶撑装置与加工刀具周围的滚珠相顶同步运动，形成镜像。同时考虑了刀具周边区域已加工和待加工区域厚度不一致，刀具周边的顶撑滚珠采用内部弹簧的结构，可以在厚度方向上微量调节，避免划伤零件。

由于蒙皮镜像铣需要进行实时测厚，冷却液会影响监测信号，因此采用主轴内部润滑的方式冷却，最大刀具长度160mm，最大直径90mm，可自动换刀。其中顶撑盘装配在加工主轴上，在刀具周围提供辅助支撑滚珠，支撑蒙皮件。

蒙皮镜像铣装置要求加工下陷的轨迹尽量走直线，少用弧线，切削轨迹应尽可能长，轨迹要求尽量保证方向一致。加工顺序要求从厚处加工，向薄层依次加工，若厚度相同，需要从上向下加工。加工过程中要保证避让，避免顶撑机构与排架发生碰撞。

5、厚度监测。在数控铣削的同时，对蒙皮件进行实时厚度监测，实现实时的厚度补偿。加工后的退刀操作要关闭顶撑头的随动，避免出现加工事故。厚度监测主要采用激光位移传感器及超声测厚装置。

基于激光位移传感器的厚度监测，需要在机床主轴以及顶撑装置上同时装上激光位移传感器，通过得到机床上主轴与顶撑装置间实际距离，以及通过激光位移传感器得到的零件表面到装置的实际距离，计算出蒙皮零件的实际厚度。于加工工况复杂，切削屑会影响激光位移传感器厚度监测的精度，因此需要采用多激光位移传感器，计算出蒙皮最薄距离，同时采用数据处理的方式，至少取4次以上的数据计算作为一次刀具补偿，避免随机误差引起加工问题。

基于超声波测厚的厚度监测是在顶撑面板上装超声测厚装置，超声波信号打到蒙皮件反面，避免切削屑带来的信号干扰，进而监测蒙皮件的实时加工厚度。通过厚度监测，实现厚度补偿。对于超声测厚装置，由于蒙皮是曲率零件，测厚的数据存在一定误差，需要采取多点计算平均值进行厚度补偿。由于蒙皮属于曲率零件，在加工过程中一定存在阶差。一旦刀轨出现交叉或者距离较近的情况，超声测厚装置会监测到加工带来的阶差，会出现监测信号紊乱的现象。为避免过切、欠切等加工问题造成不可挽回的损失，机床应采取停机处理。所以为了保证超声测厚的监测信号的稳定，需要采用特殊刀轨对蒙皮数控铣削。特殊刀轨，指等步距，无交叉，无残留，刀轴沿曲面法向的中途无抬刀刀轨。

6、自适应加工。采用激光位移传感器监测蒙皮加工厚度，可以根据激光位移传感器实时测量加工主轴到蒙皮的实际距离，以及顶撑头到蒙皮的实际距离。不需要再检测蒙皮零件外形，根据拟合实际曲面更改刀轨，可以根据测量的实际距离，计算蒙皮零件实际曲面与理论曲面的偏差，自动计算补偿值，通过实时补偿实现蒙皮零件的自适应加工。

7、干涉控制。由于蒙皮镜像铣机床组成部件较多，存在诸多干涉问题，主要包含立卧转换装置与机床主轴的干涉，顶撑与排架之间的干涉，排架与排架之间的协同控制，顶撑杆之间的协同控制以及顶撑头与加工主轴的随动控制等问题。

每次装夹定位前，加工主轴要移动到机床一侧，待装夹完成后，将蒙皮件推动到待加工位置时，再移动机床加工主轴。对于不需要真空吸附的蒙皮件，排架移动到蒙皮两端，进行加工，不需要考虑顶撑与排架的干涉。当需要分区域加工时，每个区域的加工导轨至少保证离排架200mm的距离，否则顶撑头会与排架发生碰撞。镜像加工过程中，由于蒙皮加工中不可避免存在进退刀，因此在进退刀的过程中关闭顶撑的随动，避免由于顶撑随动，造成零件的变形。

Claims (7)

1.一种飞机蒙皮镜像铣削方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将立卧转换装置水平置于装夹区域，根据蒙皮实际尺寸调整装置间距及耳片装置位置，对蒙皮进行机外装夹；

其次，利用立卧转换装置将蒙皮进行立卧转换，使蒙皮处于竖直状态，并移动到加工位置；

第三，根据蒙皮零件的刚性选取适当的真空吸附排架进行辅助定位与吸附；

第四，在机检测蒙皮零件实际外形，根据实际检测结果判断是否调整加工刀轨；

第五，分区域加工，加工过程中至少有一个主轴用于蒙皮加工区域的铣削操作；至少一个顶撑装置支撑蒙皮件加工面的反面；用于加工的加工主轴需要保证其加工刀具法向垂直于零件表面，同时顶撑装置保证垂直于蒙皮零件表面用来支撑反面，使机床上的铣削装置与顶撑头形成随动的镜像加工；加工的同时，对蒙皮件进行实时厚度监测，计算厚度补偿值，实现实时的厚度补偿；加工后的退刀操作要关闭顶撑头的随动，避免出现加工事故；

所述的顶撑装置包括移动导轨、立柱及可至少五坐标移动的机架；在加工过程中，顶撑装置要在铣削装置的顶撑盘所在的对应区域的法向上提供一个反向支撑力，并且保证顶撑装置与加工刀具周围的滚珠相顶，同步运动，形成镜像；顶撑头采用顶撑面板，面板上以一圈滚珠的形式支撑在蒙皮背面；滚珠支撑能减少支撑头对零件表面的划伤。

2.一种飞机蒙皮镜像铣削装备，其特征是它包括：

一机床主体框架（1）、该主体框架（1）安装有底座（6）上，用于安装铣削所需的各个装置；

一立卧转换装置（2），该立卧转换装置用于将蒙皮在水平状态完成装夹，然后转换成垂直状态以便于立式加工，完成装夹和转换的立卧转换装置能沿机床底部的导轨移动到加工位置；

一柔性真空吸附装置（3），它用于将蒙皮进行辅助加工定位，补充立卧转换装置（2）对蒙皮装夹强度的不足，确保移动到加工工位的蒙皮在一个加工周期内保持夹紧状态以便于铣刀的正常加工，同时防止加工中颤振现象的发生；

一铣削装置（4），它用于对加工区域进行铣削、钻削加工，它能自动调整刀具主轴与蒙皮加工面法向平行，加工刀具能在铣削装置（4）的带动下作XYZ三个方向的移动；

一顶撑装置（5），它用于将向加工部位施加一个法向力，以顶紧加工部位防止加工变形的发生，并能随加工刀具的移动而移动，始终与加工刀具主轴形成镜像关系；

一在机检测装置，它利用激光位移传感器，按照检测轨迹快速扫描零件实际轮廓，将扫描结果进行数据处理，剔除波纹位置的尖点，拟合出光滑曲面，与理论零件外形比对，自动计算刀轨偏差，根据蒙皮件实际外形调整刀轨；

一测厚装置，它采用在机床主轴以及顶撑装置上同时装上激光位移传感器，通过机床上加工主轴与顶撑装置间实际距离，以及通过激光位移传感器分别得到的主轴与顶撑装置到零件表面的实际距离，计算出蒙皮零件的实际厚度，实现自适应加工；或者在顶撑装置的顶撑面板上安装超声测厚装置，以水作为介质，将超声波信号打到蒙皮件反面，通过信号衰减计算零件加工位置的实际厚度，实现厚度监测；

所述的铣削装置（4）包括主轴立柱（10）、加工主轴（11）、加工主轴Y向移动导轨（37）、铣削装置C轴转动轴（38）、铣削装置C轴随动装置（39）、铣削装置A轴转动轴（40）、A轴固定装置（41）、装有激光位移传感器的主轴夹紧装置（42），铣削装置顶撑装置（43）、顶撑滚珠（44）和加工刀具（45），移动导轨，加工主轴（11）安装在加工主轴Y向移动导轨（37）上，加工主轴Y向移动导轨（37）在主轴立柱（10）上的Z向移动导轨上，主轴立柱（10）能在机床主轴X向上移动导轨（8）和下移动导轨（ 7）上作X向的左右移动，铣削装置C轴转动轴（38）与加工主轴（11）相连，铣削装置C轴随动装置（39）安装在铣削装置C轴转动轴（38）上，铣削装置A轴转动轴（40）安装在铣削装置C轴随动装置（39）上，A轴固定装置（41）安装在铣削装置A轴转动轴（40）上，装有激光位移传感器的主轴夹紧装置（42）和铣削装置顶撑装置（43）安装在A轴固定装置（41）上，顶撑滚珠（44）和加工刀具（45）安装在铣削装置顶撑装置（43）上，顶撑滚珠（44）用于压紧蒙皮；同时考虑了刀具周边区域已加工和待加工区域厚度不一致，刀具周边的顶撑滚珠采用内部弹簧的结构，能在厚度方向上微量调节，避免划伤零件。

3.如权利要求2所述的装备，其特征所述的立卧转换装置（2）包括立卧转换装置Y向移动导轨（19），立卧转换装置的转动轴（20）、横梁移动电机（21）、立卧转换整体框架（22）、耳片夹持装置（23）、可移动横梁（24）、横梁移动导轨（25）和立卧转换装置与导轨间的转接杆（26），立卧转换整体框架（22）呈U形结构，它的两边通过立卧转换装置的转动轴（20）铰装在立卧转换装置与导轨间的转接杆（26）的上端，立卧转换装置与导轨间的转接杆（26）的下端安装在立卧转换装置Y向移动导轨（19）上并能在其上作Y向移动，U形立卧转换整体框架（22）的开口端安装有能在横梁移动电机（21）的带动下沿U形立卧转换整体框架（22）两侧移动的可移动横梁（24），在U形立卧转换整体框架（22）的底部横梁和开口端的可移动横梁（24）上均安装有用于夹持飞机蒙皮的耳片夹持装置（23）；所述的立卧转换整体框架（22）是一个可交换装置，能实现机外装夹，装夹后运送到立卧转换装置进行装配。

4.如权利要求3所述的装备，其特征是所述的耳片夹持装置（23）包括夹持装置X向移动导轨（27）、夹持装置固定杆（28）、旋转式伸缩杆（29）、保证铆钉夹片可以任意角度旋转的转接销（30）和蒙皮定位装置（31），夹持装置X向移动导轨（27）位于U形立卧转换整体框架（22）的底部横梁上，夹持装置固定杆（28）安装在夹持装置X向移动导轨（27）中并能在其中移动，旋转式伸缩杆（29）的下端可转动地插装在夹持装置固定杆（28）中，一端用于夹紧蒙皮的蒙皮定位装置（31）的另一端铰装在旋转式伸缩杆（29）的上端的转接销（30）上。

5.如权利要求2所述的装备，其特征是所述的柔性真空吸附装置（3）主要包含吸附杆Y向移动履带（32）、可Z向伸缩的伸缩杆（33）、吸附杆转接头（34）、可任意方向45度摆角的真空吸盘（35）和抽真空孔（36），吸附杆Y向移动履带（32）安装在排架（9）并能带动可Z向伸缩的伸缩杆（33）在排架（9）上沿Y向上下移动，排架（9）能在机床主体框架（1）沿排架移动导轨（18）作X方向的移动，可Z向伸缩的伸缩杆（33）能带动吸附杆转接头（34）作Z方向移动；排架用于保证吸附装置沿X方向的移动；机床真空吸附装置至少保证3个排架，且排架之间需要协同运动避免干涉；吸附杆可以随着排架沿X向移动，可任意方向45度摆角的真空吸盘（35）安装在吸附杆转接头（34）上，可任意方向45度摆角的真空吸盘（35）上设有能将蒙皮吸住的抽真空孔（36）。

6.如权利要求2所述的装备，其特征是利用柔性真空吸附装置（3）进行辅助定位，在蒙皮零件刚性较差的情况下，单独的耳片装夹容易在加工过程中造成蒙皮变形，因此需要真空吸附装置辅助定位；当吸附定位采用多排架共同定位蒙皮件时，为避免干涉需要分区域加工；所述的分区域加工是指当蒙皮由耳片装夹及多排架真空吸附共同定位时，排架会影响顶撑装置的移动区域，因此需要结合蒙皮实际尺寸进行区域划分；每个加工区域通过排架的移动吸附定位，进行镜像铣削；加工过程保证顶撑头与排架的距离，避免碰撞，在区域变换的真空排架移动过程中，至少保证2个排架固定，保证零件在机床上的定位精度，其他排架根据加工区域进行X向调整，排架（9）的数量至少为3个。

7.如权利要求2所述的装备，其特征是所述的顶撑装置（5）包括顶撑滚珠（46）、装有激光位移传感器的顶撑轴（47）、顶撑主轴A轴旋转轴（48）、顶撑主轴C轴旋转轴（49）和顶撑轴Y向移动导轨（50），顶撑滚珠（46）安装在装有激光位移传感器的顶撑轴（47）上，装有激光位移传感器的顶撑轴（47）安装在顶撑主轴A轴旋转轴（48）上，顶撑主轴A轴旋转轴（48）安装在顶撑主轴C轴旋转轴（49）上，顶撑主轴C轴旋转轴（49）安装在顶撑轴Y向移动导轨（50）上，顶撑轴Y向移动导轨（50）安装在顶撑沿Z轴方向的导轨（17）上，顶撑沿Z轴方向的导轨（17）安装在顶撑立柱（13）上，顶撑立柱（13）的上下两端分别与支架顶撑轴沿X方向移动的下导轨（14）和上导轨（15）上。