CN105269049B - 一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，通过三维扫描装夹完的蒙皮，获的蒙皮实际位姿和形状点云，在柔性工装上附加机加原点适配器和装配孔适配器从而获得附加机加原点适配器和装配孔适配器点云数据；采用点云拟合技术拟合出装配孔位姿和工装原点坐标系；采用有限元技术将理论数模铣切边界映射到蒙皮点云形面作为铣切边界；以机加原点坐标系作为机加原点，铣切边界作为加工路径编写数控加工程序。应用数控机床以机加原点适配器为参照建立实际加工原点，实施加工。该工艺方法对各夹持点定位精度要求不高，可极大简化柔性工装的生产成本。

Description

一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法

技术领域

本发明涉及飞机蒙皮去余量铣切技术领域，具体涉及一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法。

背景技术

传统飞机蒙皮去余量方法是，将蒙皮毛坯固定在专用切边模上，工人手工操作切割设备根据样板进行切边，工作劳动量大，切边精度低。因此采用基于吸盘式柔性工装(柔性工装)的蒙皮无余量数控铣切工艺铣切蒙皮毛坯，能显著提高铣切质量和效率，减少工装数量，是实现蒙皮无余量铣切的主要方法。

但是现有吸盘式柔性工装的蒙皮无余量数控铣切工艺主要流程为：1.数模虚拟装配：依据蒙皮形状和装配孔位置信息，使用柔性工装点阵规划软件将蒙皮数模和柔性工装数模装配在一起组成装配数模。依据装配数模生成工装支撑杆X轴、Y轴、Z轴调形路径规划和装配孔定位器X轴、Y轴、Z轴、A角、C角位移量。2.工装调形：根据支撑杆调形路径规划，操作柔性工装自动完成调形，生成蒙皮形面的吸盘离散点阵。3.编制数控加工程序：依据装配数模编制数控加工程序。4.在工装上装夹蒙皮：将蒙皮装配孔装夹在装配孔定位器的销轴上，并锁紧；用真空吸盘将工件吸附到设定形状。5.数控加工：将机床开到柔性工装原点，即可按数控程序进行数控铣切。

按照上述工艺进行蒙皮无余量铣边存在如下不足：该工艺所基于的柔性工装研制费用高，现有柔性工装吸盘的定位精度是由支撑杆的X轴、Y轴、Z轴的定位精度合成。为保证吸盘的定位精度，必须保证支撑杆X轴、Y轴、Z轴的定位精度足够高。保证支撑杆各轴定位精度，因此现有技术方案均采用伺服传统系统。这要求支撑杆每个定位轴至少有一套电源模块、伺服驱动器、伺服电机、编码器、减速机、滚珠丝杠或齿轮/齿条、导轨和接近开关等组成的伺服传动系统。按现有典型铣切柔性工装计算需要80套伺服传动系统，每套系统至少需要1.5万元，整套系统需要120万，造成现有柔性工装制研制费用非常高，且工装扩展应用困难，若要在现有铣边柔性工装上增加吸盘数量，需增加支撑杆或排架的数量，需在拖链中铺放新的电源电缆、总线电缆、反馈电缆等；设置伺服传动系统驱动参数；重新编写上位机形面调形软件。这些工作的难度和工作量不亚于重新安装调试一套设备，所以扩展吸盘数量实际上是不可行的。

蒙皮实际装夹状态与编制数控程序用的装配数模状态不一致。1)在实际装夹状态和装配数模中，蒙皮与柔性工装原点坐标系的相对位置不一致。柔性工装装配孔定位器依靠工人手动完成x轴、Y轴、z轴、A角、C角的定位锁紧，各轴定位精度偏差较大，造成实际装夹完的蒙皮和工装原点相对位置与装配数模中的相对位置不一致，而数控加工程序依据三维装配数模编制，这将造成加工出的蒙皮与数模相比会出现整体偏差。2)在实际装夹和装配数模中蒙皮的形面不一致，一方面由于吸盘间距大，以吸盘夹持点作为离散点拟合出的曲面很难与理论形面一致，边缘相差更大；另一方面柔性工装的吸盘是可以随动摆动的，且吸盘的夹持(吸附)是弹性的，这会造成实际的吸盘夹持点与形面离散点不一致，吸附后的形面与理论形面不一致。基于上述多方面不足，造成现有基于吸盘式柔性工装的蒙皮无余量数控铣切工艺在实际生产中无法广泛使用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，通过三维扫描装夹完的蒙皮，获的蒙皮实际位姿和形状点云，在柔性工装上附加机加原点适配器和装配孔适配器从而获得附加机加原点适配器和装配孔适配器点云数据；采用点云拟合技术拟合出装配孔位姿和工装原点坐标系；采用有限元技术将理论数模铣切边界映射到蒙皮点云形面作为铣切边界；以机加原点坐标系作为机加原点，铣切边界作为加工路径编写数控加工程序。应用数控机床以机加原点适配器为参照建立实际加工原点，实施加工。该工艺方法对各夹持点定位精度要求不高，可极大简化柔性工装的生产成本。

本发明采用的技术方案为：

一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，基于吸盘式柔性工装，所述吸盘式柔性工装上设有装配孔适配器和机加原点适配器，所述方法包括如下步骤：

(1)数模虚拟装配：依据蒙皮毛坯形状和装配孔位置信息，使用柔性工装点阵规划软件将蒙皮毛坯数模和柔性工装数模装配在一起组成装配数模，该装配数模中柔性工装上的装配孔适配器的定位点和法线与蒙皮毛坯上的装配孔的定位点和法线重合，依据装配数模生成柔性工装上各吸盘夹持点数据、以及装配孔定位器的定位点和法线数据；

(2)柔性工装调形和蒙皮毛坯装夹：参照装配数模和蒙皮毛坯形状，调整柔性工装上各吸盘或边夹持器到装配数模生成的理论位置附近，协同调整柔性工装上装配孔适配器、机加原点适配器和蒙皮毛坯，使装配孔适配器定位点和法线，与蒙皮毛坯上的装配孔定位点和法线对齐，并锁紧；微调柔性工装上各吸盘或边夹持器，使夹持住蒙皮；

(3)扫描装夹后的蒙皮毛坯、生成点云及点云处理

(3.1)扫描生成点云

采用三维扫描设备对装夹好的柔性工装和蒙皮毛坯进行扫描，并生成点云，对生成的点云进行简化处理，移除无关点云，最后得到点云数据；该点云数据包括蒙皮毛坯点云、两个装配孔适配器点云和两个机加原点适配器点云；

(3.2)点云关键信息识别

选择两个装配孔适配器点云，分别按最小二乘拟合出圆柱的侧面和顶面，进而计算出圆柱的轴线和装配孔圆心点数据；以两个机加原点适配器点云的上平面点云为数据源，拟合平面Ⅰ，作为机械加工程序的X—Y面；以两个机加原点适配器点云的侧面点云为数据源，拟合平面Ⅱ，平面Ⅱ与X—Y面的交线作为X轴；在X—Y面内与X轴垂直的线作为Y轴；以一个机加原点适配器点云的端面点云为数据源，拟合平面Ⅲ，以平面Ⅲ、平面Ⅱ、和平面Ⅰ的交点作为原点，按照右手法则建立直角坐标系的Z轴；

(3.3)边界映射

将蒙皮毛坯点云数据作为单元节点，建立有限元壳网格，设置属性为刚体属性；导入蒙皮零件数模作为柔性体，以蒙皮零件数模上的两个装配孔圆心点和法线固定蒙皮毛坯点云和蒙皮零件数模；在蒙皮毛坯点云和蒙皮零件数模间建立无摩擦面一面接触；在蒙皮零件数模上施加压力，使蒙皮零件数模与蒙皮毛坯点云贴合，贴合度在设定的误差范围内，生成贴合完的模型间隙云图；

(3.4)点云数模处理及机加程序生成

采用有限元分析后处理技术提取出蒙皮零件数模与蒙皮毛坯点云贴合后的边界节点及法线，再将边界节点及法线信息导入Catia蒙皮毛坯点云中，以提取出的边界信息作为数控编程的边界，以(3.2)中提取出的机加原点坐标系作为机加原点编写数控加工程序；

(4)采用机床的工件定位系统，在柔性工装上应用机加原点适配器找出蒙皮机加原点，并在机床坐标系中的修正偏差，最后实施机械加工。

所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，所述吸盘式柔性工装具有工装框架，工装框架上设有数个用于装夹吸盘、边夹持器、机加零点适配器和装配孔适配器的支撑单元。

所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，所述工装框架具有底座，底座上设有连接支架，连接支架上设有随形支撑板，所述随形支撑板和连接支架通过紧固组件和定位销紧固在底座上；所述随性支撑板上设有数个安装孔，安装孔内装有涨紧套，连接杆穿入同轴的安装孔内，并通过涨紧套锁紧使连接杆与随形支撑板紧固在一起；连接杆的另一端与支撑单元连接。

所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，所述支撑单元分为双杆支撑单元、四杆支撑单元和基准支撑单元，所述双杆支撑单元和四杆支撑单元上装有球头锁紧机构，球头锁紧机构上装有吸盘或边夹持器；所述基准支撑单元上设有机加零点适配器和装配孔适配器。

所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，所述双杆支撑单元具有上单元体Ⅰ、下单元体Ⅰ和两个支撑杆Ⅰ，所述上单元体Ⅰ和下单元体Ⅰ通过紧固组件Ⅰ紧固在一起构成单元体Ⅰ，单元体Ⅰ的两端分别设有与连接杆端配合的装配孔Ⅰ；所述上单元体Ⅰ的中部设有两个丝母安装孔Ⅰ，所述下单元体Ⅰ的中部设有两个通孔Ⅰ，两个通孔Ⅰ分别与两个丝母安装孔Ⅰ相对应，所述丝母安装孔Ⅰ内设有丝母Ⅰ并通过丝母紧固件Ⅰ紧固在上单元体Ⅰ上；与丝母安装孔Ⅰ对应的通孔Ⅰ内设有涨紧套Ⅰ并通过锁紧螺母Ⅰ压紧，所述支撑杆Ⅰ的一端通过依次旋入对应的丝母Ⅰ、涨紧套Ⅰ和锁紧螺母Ⅰ安装在单元体Ⅰ上，支撑杆Ⅰ的一端螺接球头锁紧机构。

所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，所述四杆支撑单元具有上单元体Ⅱ、下单元体Ⅱ和四个支撑杆Ⅱ，所述上单元体Ⅱ和下单元体Ⅱ通过紧固组件Ⅱ紧固在一起构成单元体Ⅱ，单元体Ⅱ的两端分别设有与连接杆配合的装配孔Ⅱ；所述上单元体Ⅱ的中部设有四个丝母安装孔Ⅱ，所述下单元体Ⅱ的中部设有四个通孔Ⅱ，四个通孔Ⅱ分别与四个丝母安装孔Ⅱ相对应，所述丝母安装孔Ⅱ内设有丝母Ⅱ并通过丝母紧固件Ⅱ紧固在上单元体Ⅱ上；与丝母安装孔Ⅱ对应的通孔Ⅱ内设有涨紧套Ⅱ并通过锁紧螺母Ⅱ压紧，所述支撑杆Ⅱ的一端通过依次旋入对应的丝母Ⅱ、涨紧套Ⅱ和锁紧螺母Ⅱ在单元体Ⅱ上，支撑杆Ⅱ的一端螺接球头锁紧机构。

所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，所述基准支撑单元具有上单元体Ⅲ和下单元体Ⅲ，所述上单元体Ⅲ和下单元体Ⅲ通过紧固组件Ⅲ紧固在一起构成单元体Ⅲ，单元体Ⅲ的两端分别设有与连接杆配合的装配孔Ⅲ；所述上单元体Ⅲ的中部设有一丝母安装孔Ⅲ，所述下单元体Ⅲ的中部设有一通孔Ⅲ，所述通孔Ⅲ与丝母安装孔Ⅲ相对应，所述丝母安装孔Ⅲ内设有丝母Ⅲ，丝杠的一端依次穿过丝母Ⅲ和通孔Ⅲ安装在单元体Ⅲ上，丝杠的另一端通过滑动轴承和螺母压紧在平板上；所述平板上装有机加零点适配器和装配孔适配器。

所述的一种飞机蒙皮无余量铣切柔性工装，所述球头锁紧机构具有机构上盖和机构下盖，所述机构上盖的中部具有一锥面通孔，所述机构下盖的中部具有一锥面凹槽，所述机构上盖和机构下盖通过螺钉和弹性垫圈连接扣合在一起，所述机构上盖的锥面通孔和机构下盖的锥面凹槽扣合形成一锥面型腔，球头位于锥面型腔内，机构下盖的下端设有螺纹孔，所述球头锁紧机构通过螺纹孔与双杆支撑单元或四杆支撑单元螺接进行安装，所述锥面型腔的内型面和球头之间还设有增力夹紧弹簧，所述增力夹紧弹簧的外型面与锥面型腔的内型面配合，增力夹紧弹簧的内型面与球头的球面过渡配合，所述增力夹紧弹簧外型面的中部沿其周向方向设有数个径向刚度减弱槽，增力夹紧弹簧的上下端部还设有数个轴向刚度减弱孔。

本发明具有以下有益效果：

该工艺方法使得柔性工装对吸盘或边夹紧器定位精度要求不高，无需通过保证各轴定位精度，保证吸盘定位精度。支撑单元只需具有吸盘定位、锁紧结构就可以，节省大量伺服系统费用。

装夹完成后生成的点云中有机加原点适配器点云和蒙皮点云。点云真实反映出蒙皮与机加原点相对位置，并可通过机加原点适配器直接识别出蒙皮点云的机加原点坐标系，故消除了使用装配孔定位器间接确定机加原点引入的误差。

装夹完成后生成的点云中有装配孔适配器点云和蒙皮点云。蒙皮点云真实的反映出装夹后蒙皮的形状。装配孔适配器点云可识别出蒙皮装配孔圆心点和法向。采用有限元法将蒙皮数模和蒙皮点云装配孔圆心点和法向重合定位，对蒙皮数模施加贴合压力使其与点云贴合，实现了蒙皮数模加工边界向蒙皮点云的精确映射。该方法消除了形面不一致对边界的影响。该方法允许装夹后的蒙皮毛坯形面与理论外形不一致，只要这种变形在弹性范围内即可，这降低了对工装吸盘定位精度要求。

附图说明

图1为实施例中简化处理后的点云。

图2为实施例中装配孔轴线及位置识别图。

图3为实施例中机加原点坐标系的识别及建立简图。

图4为实施例中有限元分析几何模型图。

图5为实施例中间隙分布云图。

图6为实施例中蒙皮边界提取图。

图7为实施例中柔性工装的示意图。

图8为图7中所示A-A剖视图。

图9为图8中所示B-B剖视图。

图10为图7中所示C-C剖视图。

图11为实施例中双杆支撑单元的示意图。

图12为图11所示双杆支撑单元的俯视图。

图13为图11中所示的A-A剖视图。

图14为实施例中四杆支撑单元的主视图。

图15为14所示中的A-A剖视图。

图16为实施例中基准支撑单元的主视图。

图17为图16的A-A剖视图。

图18为图16的B-B剖视图。

图19为实施例中球头锁紧机构的俯视图。

图20为图19所示中A-A剖视图。

图21为图19所示的详细视图A。

图22为图19所示球头锁紧机构中增力夹紧弹簧的示意图。

具体实施方式

一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法

具体步骤为：

(1)数模虚拟装配：依据蒙皮毛坯的形状和蒙皮毛坯上装配孔位置信息，使用柔性工装点阵规划软件将蒙皮毛坯数模和柔性工装数模装配在一起组成装配数模。装配数模中柔性工装中装配孔适配器的定位点和法线与蒙皮毛坯上的装配孔的定位点和法线重合。依据装配数模生成柔性工装上各吸盘夹持点数据，和装配孔定位器的定位点和法线数据。

(2)柔性工装调形和蒙皮毛坯装夹：参照装配数模和蒙皮毛坯形状，调整柔性工装上各吸盘或边夹持器到装配数模生成的理论位置附近，协同调整柔性工装上装配孔适配器、机加原点适配器和蒙皮，使装配孔适配器定位点和法线与蒙皮装配孔位置和法线对齐，并锁紧；微调柔性工装各吸盘或边夹持器，使其能夹持住蒙皮又不产生较大附加应力，蒙皮装夹完毕。

(3)扫描装夹后的蒙皮毛坯、生成点云及点云处理

(3.1)扫描生成点云

采用三维扫描设备对装夹好的柔性工装和蒙皮进行扫描生成点云，对点云的数据进行简化处理，移除无关点云，最后得到如图1所示的点云信息。该点云数据包括蒙皮点云、二个装配孔适配器点云和二个机加原点适配器点云。

(3.2)点云关键信息识别

分别选择出两个装配孔适配器点云，分别按最小二乘拟合出圆柱的侧面和顶面，进而计算出圆柱的轴线和装配孔圆心点数据，如图2所示；以两个机加原点适配器点云的上平面点云为数据源，拟合平面Ⅰ，作为机械加工程序的X—Y面；以两个机加原点适配器点云的侧面点云为数据源，拟合平面Ⅱ，平面Ⅱ与X—Y面的交线作为X轴；在X—Y面内与X轴垂直的线作为Y轴。以一个机加原点适配器点云的端面点云为数据源，拟合平面Ⅲ，平面Ⅲ与上述两平面的交点作为原点，按照右手法则建立直角坐标系的Z轴，如图3所示。

(3.3)边界映射

将蒙皮毛坯点云数据作为单元节点，建立有限元壳网格，设置属性为刚体属性；导入蒙皮零件数模作为柔性体。以蒙皮零件数模上的两个装配孔圆心点和法线固定蒙皮毛坯点云和蒙皮零件数模，如图4所示；在蒙皮毛坯点云和蒙皮零件数模间建立无摩擦面一面接触；在蒙皮零件数模上施加压力，使蒙皮零件数模与蒙皮毛坯点云贴合，贴合度在设定的误差范围内，贴合完的模型的间隙云图如图5所示。

(3.4)点云数模处理及机加程序生成

采用有限元分析后处理技术提取出蒙皮零件数模与蒙皮毛坯点云贴合后的边界节点及法线，再将边界节点及法线信息导入Catia蒙皮毛坯点云中，如图6所示。以提取出的边界信息作为数控编程的边界，以上述提取出的机加原点坐标系作为机加原点编写数控加工程序。

(4)采用机床的工件定位系统，在工装上应用机加原点适配器找出蒙皮机加原点，并在机床坐标系中的修正偏差，最后实施机械加工。

实施例一种吸盘式柔性工装

如图7-22所示是一种基于上述方法设计吸盘式柔性工装，如图8所示该柔性工装包括工装框架，设置在工装框架上的数个双杆支撑单元10、数个四杆支撑单元11和数个基准支撑单元12；如图8-10所示工装框架具有底座4，底座4上设有连接支架5，连接支架5上设有数个可拼装式的随形支撑板8，所述随形支撑板8和连接支架5通过紧固组件6和定位销7紧固在底座4上；每个随形支撑板8上均设有数个安装孔，安装孔内装有涨紧套9，连接杆2依次穿入随形支撑板8上同轴的安装孔内，并通过涨紧套9锁紧使连接杆2与随形支撑板8紧固在一起；所述随形支撑板8为可拼装框架式随形支撑板。所述连接杆2上装有双杆支撑单元10、四杆支撑单元11或基准支撑单元12。所述双杆支撑单元10、四杆支撑单元11或基准支撑单元12可根据工艺要求拼装到工装框架的连接杆上，并通过紧固组件固定。如图8、9所示双杆支撑单元10和四杆支撑单元11上装有球头锁紧机构13，球头锁紧机构13上装有吸盘1或边夹持器3；球头锁紧机构13可根据需要螺接到双杆支撑单元10和四杆支撑单元11上，并锁死。吸盘1和/或边夹持器3可根据需要安装到球头锁紧机构13的上，并锁死。所述基准支撑单元12上设有机加零点适配器12.11和装配孔适配器12.12。

如图11-13所示双杆支撑单元10具有上单元体Ⅰ10.6、下单元体Ⅰ10.5和两个支撑杆Ⅰ10.2，所述上单元体Ⅰ10.6的两端分别设有半圆凹槽Ⅰ，所述下单元体Ⅰ10.5的两端分别设有与半圆凹槽Ⅰ相匹配的半圆凹槽Ⅱ，上单元体Ⅰ10.6和下单元体Ⅰ10.5通过紧固组件Ⅰ10.4紧固在一起构成单元体Ⅰ，半圆凹槽Ⅰ与半圆凹槽Ⅱ通过上单元体Ⅰ10.6和下单元体Ⅰ10.5的扣合形成位于单元体Ⅰ的两端并与连接杆2配合的装配孔Ⅰ10.9，单元体Ⅰ通过上单元体Ⅰ10.6和下单元体Ⅰ10.5的扣合安装在连接2上；所述上单元体Ⅰ10.6的中部设有两个丝母安装孔Ⅰ，所述下单元体Ⅰ10.5的中部设有两个通孔Ⅰ，两个通孔Ⅰ分别与两个丝母安装孔Ⅰ相对应，所述丝母安装孔Ⅰ内设有丝母Ⅰ10.7并通过丝母紧固件Ⅰ10.1紧固在上单元体Ⅰ10.6上；与丝母安装孔Ⅰ对应的通孔Ⅰ内设有涨紧套Ⅰ10.8并通过锁紧螺母Ⅰ10.3压紧，所述支撑杆Ⅰ10.2的一端通过依次旋入对应的丝母Ⅰ10.7、涨紧套Ⅰ10.8和锁紧螺母Ⅰ10.3安装在单元体Ⅰ上，支撑杆Ⅰ10.2的一端螺接球头锁紧机构13。

如图14、15所示四杆支撑单元11具有上单元体Ⅱ11.6、下单元体Ⅱ11.5和四个支撑杆Ⅱ11.2，上单元体Ⅱ11.6的两端分别设有半圆凹槽Ⅰ，下单元体Ⅱ11.5的两端分别设有与半圆凹槽Ⅰ相匹配的半圆凹槽Ⅱ，所述上单元体Ⅱ11.6和下单元体Ⅱ11.5通过紧固组件Ⅱ11.4紧固在一起构成单元体Ⅱ，半圆凹槽Ⅰ与半圆凹槽Ⅱ通过上单元体Ⅱ11.6和下单元体Ⅱ11.5的扣合形成位于单元体Ⅱ的两端并与连接杆2配合的装配孔Ⅱ11.9，单元体Ⅱ通过上单元体Ⅱ11.6和下单元体Ⅱ11.5的扣合安装在连接2上；所述上单元体Ⅱ11.6的中部设有四个丝母安装孔Ⅱ，所述下单元体Ⅱ11.5的中部设有四个通孔Ⅱ，四个通孔Ⅱ分别与四个丝母安装孔Ⅱ相对应，所述丝母安装孔Ⅱ内设有丝母Ⅱ11.7并通过丝母紧固件Ⅱ11.1紧固在上单元体Ⅱ11.6上；与丝母安装孔Ⅱ对应的通孔Ⅱ内设有涨紧套Ⅱ11.8并通过锁紧螺母Ⅱ11.3压紧，所述支撑杆Ⅱ11.2的一端通过依次旋入对应的丝母Ⅱ11.7、涨紧套Ⅱ11.8和锁紧螺母Ⅱ11.3安装在单元体Ⅱ上，支撑杆Ⅱ11.2的一端螺接球头锁紧机构13。

如图16-18所示基准支撑单元12具有上单元体Ⅲ12.5和下单元体Ⅲ12.4，上单元体Ⅲ12.5的两端分别设有半圆凹槽Ⅰ，下单元体Ⅲ12.4的两端分别设有与半圆凹槽Ⅰ相匹配的半圆凹槽Ⅱ，所述上单元体Ⅲ12.5和下单元体Ⅲ12.4通过紧固组件Ⅲ12.3紧固在一起构成单元体Ⅲ，半圆凹槽Ⅰ与半圆凹槽Ⅱ通过上单元体Ⅲ12.5和下单元体Ⅲ12.4的扣合形成位于单元体Ⅲ的两端并与连接杆2配合的装配孔Ⅲ，单元体Ⅲ通过上单元体Ⅲ12.5和下单元体ⅠⅢ12.4的扣合安装在连接2上；所述上单元体Ⅲ12.5的中部设有一丝母安装孔Ⅲ，所述下单元体Ⅲ12.4的中部设有一通孔Ⅲ，所述通孔Ⅲ与丝母安装孔Ⅲ相对应，所述丝母安装孔Ⅲ内设有丝母Ⅲ12.8，丝杠12.1的一端依次穿过丝母Ⅲ12.8和通孔Ⅲ安装在单元体Ⅲ上，丝杠12.1的另一端通过滑动轴承12.9和螺母12.10压紧在平板12.7上；所述平板12.7上装有机加零点适配器12.11和装配孔适配器12.12。所述装配孔适配器12.12通过球头锁紧机构13安装在压板12.7上。所述单元体Ⅲ12.5上位于丝母安装孔Ⅲ的周边均布设有四个轴承安装孔，所述下单元体Ⅲ12.4上位于所述通孔Ⅲ的周边均布设有四个通孔Ⅳ，所述四个通孔Ⅳ分别与四个轴承安装孔相对应；所述轴承安装孔内设有直线轴承12.14，与轴承安装孔对应的通孔Ⅳ内设有涨紧套Ⅲ12.13，并通过锁紧螺母Ⅲ12.2压紧，光杆12.6的一端通过依次旋入直线轴承12.14、涨紧套Ⅲ12.13和锁紧螺母Ⅲ12.2安装在单元体Ⅲ上，所述平板12.7上设有与轴承安装孔对应的光孔，光杆12.6的另一端通过作用于对应光孔与平板12.7连接。

如图19-22所示球头锁紧机构13具有机构上盖13.5和机构下盖13.3，所述机构上盖13.5的中部具有一锥面通孔，所述机构下盖13.3的中部具有一锥面凹槽，所述机构上盖13.5和机构下盖13.3通过螺钉和弹性垫圈13.8连接扣合在一起，并在机构上盖13.5和机构下盖13.3之间垫一层密封胶垫13.4。所述机构上盖13.5的锥面通孔和机构下盖13.3的锥面凹槽扣合形成一锥面型腔，球头13.6位于锥面型腔内，机构下盖13.3的下端设有螺纹孔，所述球头锁紧机构Ⅰ13通过螺纹孔与双杆支撑单元10或四杆支撑单元11螺接进行安装。所述锥面型腔的内型面和球头13.6之间还设有增力夹紧弹簧13.7，所述增力夹紧弹簧13.7的外型面与锥面型腔的内型面配合，增力夹紧弹簧13.7的内型面与球头13.6的球面过渡配合，所述增力夹紧弹簧13.7外型面的中部沿其周向方向设有数个径向刚度减弱槽13.9，增力夹紧弹簧13.7的上下端部还设有数个轴向刚度减弱孔13.1。

机构上盖13.5和机构下盖13.3扣合形成锥面型腔的内锥面与增力夹紧弹簧13.7的外锥面配合，并保持增力夹紧弹簧13.7的球心位置。增力夹紧弹簧13.7的内球面与球头13.6的球面过度配合，保证球头13.6在一定阻尼下的随动定位。增力夹紧弹簧13.7上设有径向刚度减弱槽13.9和轴向刚度减弱孔13.1，可在球头13.6压入增力夹紧弹簧13.7时产生较大弹性变形，防止应力集中而破坏增力夹紧弹簧13.7。

吸盘1和边夹持器3螺接在球头锁紧机构13的球头13.6上，并用紧定螺钉锁死。

一种飞机蒙皮无余量铣切柔性工装的使用方法，包括以下步骤：

1)数模虚拟装配：依据待铣切蒙皮14的形状和装配孔位置信息，使用柔性工装点阵规划软件将待铣切蒙皮数模和柔性工装数模装配在一起组成装配数模；在装配数模中柔性工装上位于基准支撑单元12上的装配孔适配器12.12的定位点和法线分别与待铣切蒙皮14上的装配孔的定位点和法线重合；依据装配数模生成柔性工装上吸盘1(和边夹持器3)各夹持点数据以及装配孔定位器12.12的定位点和法线数据；

2)柔性工装调形和待铣切蒙皮14的装夹：参照装配数模和待铣切蒙皮14的形状，调整柔性工装上各吸盘1和/或边夹持器3到装配数模生成的理论位置附近；通过协同调整基准支撑单元12和待铣切蒙皮14，使基准支撑单元12上的装配孔适配器12.12的定位点和法线与待铣切蒙皮14上装配孔的定位点和法线对齐，并锁紧；微调柔性工装中各吸盘1或边夹持器3，使吸盘1或边夹持器3夹持住待铣切蒙皮14，又不产生较大附加应力，待铣切蒙皮蒙皮装夹完毕。

由上述吸盘式柔性工装可见，由于采用本发明的飞机蒙皮无余量数控铣切方法，可极大简化柔性工装的生产成本。由于该方法对柔性工装中吸盘或边夹紧器定位精度要求不高，因此无需通过保证各轴定位精度，保证吸盘定位精度。因此支撑单元只需具有吸盘定位、锁紧结构就可以，节省大量伺服系统费用。

Claims (8)

1.一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，基于吸盘式柔性工装，其特征在于，所述吸盘式柔性工装上设有装配孔适配器和机加原点适配器，所述方法包括如下步骤：

(1)数模虚拟装配：依据蒙皮毛坯形状和装配孔位置信息，使用柔性工装点阵规划软件将蒙皮毛坯数模和柔性工装数模装配在一起组成装配数模，该装配数模中柔性工装上的装配孔适配器的定位点和法线与蒙皮毛坯上的装配孔的定位点和法线重合，依据装配数模生成柔性工装上各吸盘夹持点数据、以及装配孔定位器的定位点和法线数据；

(2)柔性工装调形和蒙皮毛坯装夹：参照装配数模和蒙皮毛坯形状，调整柔性工装上各吸盘或边夹持器到装配数模生成的理论位置附近，协同调整柔性工装上装配孔适配器、机加原点适配器和蒙皮毛坯，使装配孔适配器定位点和法线，与蒙皮毛坯上的装配孔定位点和法线对齐，并锁紧；微调柔性工装上各吸盘或边夹持器，使夹持住蒙皮；

(3)扫描装夹后的蒙皮毛坯、生成点云及点云处理

(3.1)扫描生成点云

采用三维扫描设备对装夹好的柔性工装和蒙皮毛坯进行扫描，并生成点云，对生成的点云进行简化处理，移除无关点云，最后得到点云数据；该点云数据包括蒙皮毛坯点云、两个装配孔适配器点云和两个机加原点适配器点云；

(3.2)点云关键信息识别

选择两个装配孔适配器点云，分别按最小二乘拟合出圆柱的侧面和顶面，进而计算出圆柱的轴线和装配孔圆心点数据；以两个机加原点适配器点云的上平面点云为数据源，拟合平面Ⅰ，作为机械加工程序的X—Y面；以两个机加原点适配器点云的侧面点云为数据源，拟合平面Ⅱ，平面Ⅱ与X—Y面的交线作为X轴；在X—Y面内与X轴垂直的线作为Y轴；以一个机加原点适配器点云的端面点云为数据源，拟合平面Ⅲ，以平面Ⅲ、平面Ⅱ、和平面Ⅰ的交点作为原点，按照右手法则建立直角坐标系的Z轴；

(3.3)边界映射

将蒙皮毛坯点云数据作为单元节点，建立有限元壳网格，设置属性为刚体属性；导入蒙皮零件数模作为柔性体，以蒙皮零件数模上的两个装配孔圆心点和法线固定蒙皮毛坯点云和蒙皮零件数模；在蒙皮毛坯点云和蒙皮零件数模间建立无摩擦面一面接触；在蒙皮零件数模上施加压力，使蒙皮零件数模与蒙皮毛坯点云贴合，贴合度在设定的误差范围内，生成贴合完的模型间隙云图；

(3.4)点云数模处理及机加程序生成

采用有限元分析后处理技术提取出蒙皮零件数模与蒙皮毛坯点云贴合后的边界节点及法线，再将边界节点及法线信息导入Catia蒙皮毛坯点云中，以提取出的边界信息作为数控编程的边界，以(3.2)中提取出的机加原点坐标系作为机加原点编写数控加工程序；

(4)采用机床的工件定位系统，在柔性工装上应用机加原点适配器找出蒙皮机加原点，并在机床坐标系中的修正偏差，最后实施机械加工。

2.根据权利要求1所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，其特征在于，所述吸盘式柔性工装具有工装框架，工装框架上设有数个用于装夹吸盘、边夹持器、机加零点适配器和装配孔适配器的支撑单元。

3.根据权利要求2所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，其特征在于，所述工装框架具有底座，底座上设有连接支架，连接支架上设有随形支撑板，所述随形支撑板和连接支架通过紧固组件和定位销紧固在底座上；所述随形支撑板上设有数个安装孔，安装孔内装有涨紧套，连接杆穿入同轴的安装孔内，并通过涨紧套锁紧使连接杆与随形支撑板紧固在一起；连接杆的另一端与支撑单元连接。

4.根据权利要求2所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，其特征在于，所述支撑单元分为双杆支撑单元、四杆支撑单元和基准支撑单元，所述双杆支撑单元和四杆支撑单元上装有球头锁紧机构，球头锁紧机构上装有吸盘或边夹持器；所述基准支撑单元上设有机加零点适配器和装配孔适配器。

5.根据权利要求4所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，其特征在于，所述双杆支撑单元具有上单元体Ⅰ、下单元体Ⅰ和两个支撑杆Ⅰ，所述上单元体Ⅰ和下单元体Ⅰ通过紧固组件Ⅰ紧固在一起构成单元体Ⅰ，单元体Ⅰ的两端分别设有与连接杆端配合的装配孔Ⅰ；所述上单元体Ⅰ的中部设有两个丝母安装孔Ⅰ，所述下单元体Ⅰ的中部设有两个通孔Ⅰ，两个通孔Ⅰ分别与两个丝母安装孔Ⅰ相对应，所述丝母安装孔Ⅰ内设有丝母Ⅰ并通过丝母紧固件Ⅰ紧固在上单元体Ⅰ上；与丝母安装孔Ⅰ对应的通孔Ⅰ内设有涨紧套Ⅰ并通过锁紧螺母Ⅰ压紧，所述支撑杆Ⅰ的一端通过依次旋入对应的丝母Ⅰ、涨紧套Ⅰ和锁紧螺母Ⅰ安装在单元体Ⅰ上，支撑杆Ⅰ的一端螺接球头锁紧机构。

6.根据权利要求4所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，其特征在于，所述四杆支撑单元具有上单元体Ⅱ、下单元体Ⅱ和四个支撑杆Ⅱ，所述上单元体Ⅱ和下单元体Ⅱ通过紧固组件Ⅱ紧固在一起构成单元体Ⅱ，单元体Ⅱ的两端分别设有与连接杆配合的装配孔Ⅱ；所述上单元体Ⅱ的中部设有四个丝母安装孔Ⅱ，所述下单元体Ⅱ的中部设有四个通孔Ⅱ，四个通孔Ⅱ分别与四个丝母安装孔Ⅱ相对应，所述丝母安装孔Ⅱ内设有丝母Ⅱ并通过丝母紧固件Ⅱ紧固在上单元体Ⅱ上；与丝母安装孔Ⅱ对应的通孔Ⅱ内设有涨紧套Ⅱ并通过锁紧螺母Ⅱ压紧，所述支撑杆Ⅱ的一端通过依次旋入对应的丝母Ⅱ、涨紧套Ⅱ和锁紧螺母Ⅱ在单元体Ⅱ上，支撑杆Ⅱ的一端螺接球头锁紧机构。

7.根据权利要求4所述的一种飞机蒙皮无余量数控铣切方法，其特征在于，所述基准支撑单元具有上单元体Ⅲ和下单元体Ⅲ，所述上单元体Ⅲ和下单元体Ⅲ通过紧固组件Ⅲ紧固在一起构成单元体Ⅲ，单元体Ⅲ的两端分别设有与连接杆配合的装配孔Ⅲ；所述上单元体Ⅲ的中部设有一丝母安装孔Ⅲ，所述下单元体Ⅲ的中部设有一通孔Ⅲ，所述通孔Ⅲ与丝母安装孔Ⅲ相对应，所述丝母安装孔Ⅲ内设有丝母Ⅲ，丝杠的一端依次穿过丝母Ⅲ和通孔Ⅲ安装在单元体Ⅲ上，丝杠的另一端通过滑动轴承和螺母压紧在平板上；所述平板上装有机加零点适配器和装配孔适配器。

8.根据权利要求4所述的一种飞机蒙皮无余量铣切柔性工装，其特征在于，所述球头锁紧机构具有机构上盖和机构下盖，所述机构上盖的中部具有一锥面通孔，所述机构下盖的中部具有一锥面凹槽，所述机构上盖和机构下盖通过螺钉和弹性垫圈连接扣合在一起，所述机构上盖的锥面通孔和机构下盖的锥面凹槽扣合形成一锥面型腔，球头位于锥面型腔内，机构下盖的下端设有螺纹孔，所述球头锁紧机构通过螺纹孔与双杆支撑单元或四杆支撑单元螺接进行安装，所述锥面型腔的内型面和球头之间还设有增力夹紧弹簧，所述增力夹紧弹簧的外型面与锥面型腔的内型面配合，增力夹紧弹簧的内型面与球头的球面过渡配合，所述增力夹紧弹簧外型面的中部沿其周向方向设有数个径向刚度减弱槽，增力夹紧弹簧的上下端部还设有数个轴向刚度减弱孔。