CN106825213B - 立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置和加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置，装置包括翻板基座、可翻板工作台、伸缩式液压缸、滑轨控制器、可移动滑轨、七自由度激光喷丸单元、激光喷丸单元系统主机、总系统主机、图像处理主机以及三自由度光学原位测量器以及壁板夹持单元。本发明还公开一种加工方法，通过对壁板几何外形分析和等强度区域的划分，以在线原位测量技术辅助，首先进行分区域激光喷丸成形和成形精度优化，然后进行壁板整体激光喷丸成形和区域修复，最后进行成形尺寸检测。相对于现有技术，本发明可实现各类尺寸、复杂曲面的机翼整体壁板成形，具有尺寸适应性强、成形曲率大、成形精度可控和工件表面质量高等特点，真正实现了壁板的长寿命、高精度成形。

Description

立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置和加工方法

技术领域

本发明涉及航空航天制造技术领域，特别涉及立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置和加工方法。

背景技术

机翼整体壁板成形是现代飞机制造技术中的关键点，该技术标志着一个国家的航空航天科技的制造水平。当今世界上，只有美国波音公司和欧盟空客公司掌握超临界机翼整体壁板的特种成形技术，并成功应用于B787、A380等先进民用飞机上。

目前，特种成形技术中，主要包括机械压弯、时效成形和机械喷丸成形。

由于民用飞机对重要承载力部件需要有较长的使用寿命，机械压弯成形一般不作为主要成形手段，仅用于局部加强区的辅助成形，而且压弯存在卸载回弹，难以实现复杂曲面成形的目的。

时效成形则是利用金属的蠕变特性，将成形与时效同步进行的一种成形方法，具有应力释放完全、成形质量好、效率高和工艺重复性好等优点，但是成形需特殊模具和特种设备——热压罐，而热压罐对各类尺寸壁板成形适应性差，成形成本高昂。

机械喷丸成形是目前较为成熟的壁板成形手段，主要优点是不需要成形模具、成形兼备提升疲劳寿命效果、可成形外形相对复杂的曲面等特点。但是机械喷丸成形工艺设计变量较多，工艺参数难以制定，参数试验成本高昂。例如，以代表当今机械喷丸水平最高的波音公司为例，确定一件新机翼壁板的成形工艺需要40块1:1的试验块，耗时半年且耗费数百万美元。

因此，目前亟需一种高精度低成本的成形技术服务于机翼整体壁板制造。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种尺寸适应性强、成形曲率大、成形精度可控且工件表面质量高的立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置和加工方法，旨在解决机械喷丸参数试验成本高昂，工艺参数难以制定的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置，所述成形装置包括用于支撑的翻板基座、与所述翻版基座枢转相连的可翻转工作台、一端与所述可翻转工作台铰接相连且另一端与所述翻版基座铰接相连的伸缩液压缸、设置于所述翻板基座外侧且顶端与可移动滑轨相连的滑轨控制器、与所述可移动滑轨中部相连的壁板夹持单元、可对机翼整体壁板进行喷丸加工的激光喷丸单元、用于控制所述激光喷丸单元喷丸加工的激光喷丸单元系统主机、用于检测机翼整体壁板加工尺寸的光学原位测量器、用于分析机翼整体壁板外形尺寸的图像处理主机、用于控制整个喷丸加工过程的总系统主机；所述激光喷丸单元系统主机同时与所述总系统主机以及所述激光喷丸单元电连接，所述图形处理主机同时与所述总系统主机以及所述光学原位测量器电连接。

优选地，所述激光喷丸单元为七自由度激光喷丸单元。

优选地，所述光学原位测量器为三自由度光学原位测量器。

优选地，所述可翻转工作台可绕与所述翻板基座的枢转轴翻转0～90°。

本发明还提出一种使用立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置的加工方法，包括以下步骤：

1)通过软件对机翼整体壁板的外形分析并建立三维模型，以确定壁板厚度和曲率分布；

2)以机翼整体壁板外形尺寸为基础，并以机翼整体壁板厚度和成形曲率为依据将机翼整体壁板划分为若干个等强度区域；

3)对各个等强度区域进行激光喷丸成型，借助所述在线原位测量装置检测成形尺寸并反馈至所述图形处理主机以及所述总系统主机；

4)对机翼整体壁板进行激光喷丸成型，同时对过渡区域尺寸进行修复；

5)在线测量机翼整体壁板的成形尺寸精度，如满足尺寸公差要求，即结束成型；如不满足尺寸公差要求，继续重复所述步骤3)至所述步骤5)。

本发明技术方案通过对机翼整体壁板几何外形分析和等强度区域的划分，以在线原位测量技术辅助，首先进行分区域激光喷丸成形和成形精度优化，然后进行机翼整体壁板整体激光喷丸成形和区域修复，最后进行成形尺寸检测，从而将机翼整体壁板成形转化为目标优化问题，实现机翼整体壁板成形与尺寸检测的高效配合，本发明立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置具有高精度、自适应性强和数字化的特点，能够广泛适用于民用飞机的机翼壁板成形。

相对于现有技术，本发明可实现各类尺寸、复杂曲面的机翼整体壁板成形，具有尺寸适应性强、成形曲率大、成形精度可控且工件表面质量高等特点，真正实现了机翼整体壁板的长寿命、高精度成形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置的结构示意图；

图2为本发明机翼整体壁板厚度分区示意图；

图3为本发明机翼整体壁板曲率示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	七自由度激光喷丸单元	7	图形处理主机
2	可移动滑轨	8	可翻转工作台
				3	伸缩式液压缸	9	翻板基座
4	滑轨控制器	10	壁板夹持单元
				5	激光喷丸单元系统主机	11	三自由度光学原位测量器
6	总系统主机	12	机翼整体壁板

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置。

参见图1，本发明实施例中，立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置主要包括翻板基座9、可翻板工作台8、伸缩式液压缸3、滑轨控制器4、可移动滑轨2、七自由度激光喷丸单元1、激光喷丸单元系统主机5、总系统主机6、图像处理主机7以及三自由度光学原位测量器11以及壁板夹持单元10。

参见图1，本实施例中，可翻转工作台8一侧与翻转基座9枢转相接，可翻转工作台8可绕枢转轴进行摆动。伸缩式液压缸3的一端与可翻转工作台8的一端中部铰接相连，而伸缩式液压缸3的另一端则与翻转基座9的端部铰接相连，另外可翻转工作台8的两端可分别设有一个伸缩式液压缸3，从而使得可翻转工作台8能够可靠地进行翻转。可翻转工作台8的两端外侧各设有滑轨控制器4，滑轨控制器4的顶部与可移动滑轨2相连，并且可移动滑轨2能够沿着滑轨控制器4顶部进行直线移动。可移动滑轨2中部还设有若干个可用于夹持机翼整体壁板12的壁板夹持单元10，其中壁板夹持单元10夹持机翼整体壁板12的一端为可分叉的夹，壁板夹持单元10的一端与可移动滑轨2的中部相连，而壁板夹持单元10的另一端则可用于夹持机翼整体壁板12的边沿，从而壁板夹持单元10能够跟随可移动滑轨2移动而进行相应地移动。本实施例还包括设置于机翼整体壁板12前方外侧且可用于检测机翼整体壁板12加工尺寸的三自由度光学原位测量器11、设置于机翼整体壁板12另一侧且用于对机翼整体壁板12进行喷丸加工处理的七自由度激光喷丸单元1、用于控制七自由度激光喷丸单元1喷丸加工的激光喷丸单元系统主机5、用于分析机翼整体壁板12外形尺寸的图像处理主机7以及用于控制整个喷丸加工过程的总系统主机6。本发明实施例的电气连接关系中，激光喷丸单元系统主机5同时与总系统主机6以及七自由度激光喷丸单元1电连接，而图像处理主机7同时与总系统主机6以及三自由度光学原位测量器11电连接。

本发明还提出一种使用立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置的加工方法，包括以下步骤：

1)通过软件对机翼整体壁板12的外形分析并建立三维模型，以确定壁板厚度和曲率分布；

2)以机翼整体壁板12外形尺寸为基础，并以机翼整体壁板12厚度和成形曲率为依据将机翼整体壁板12划分为若干个等强度区域；

3)对各个等强度区域进行激光喷丸成型，借助三自由度在线原位测量装置11检测成形尺寸并反馈至图形处理主机7以及总系统主机6；

4)对机翼整体壁板12整体进行激光喷丸成型，同时对过渡区域尺寸进行修复；

5)在线测量机翼整体壁板12的成形尺寸精度，如满足尺寸公差要求，即结束成型；如不满足尺寸公差要求，继续重复步骤3)至步骤5)。

本发明实施例立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置的工作原理是：

参见图1至图3，首先测量待加工机翼整体壁板12的外形尺寸，然后将相应的外形尺寸输入CAD软件中，对机翼整体壁板12建立相应三维模型，以确定机翼整体壁板12的厚度以及曲率分布情况，其中机翼整体壁板12的厚度为测量机翼整体壁板12截面厚度，而曲率则分为展向曲率以及弦向曲率。

然后将机翼整体壁板12平放于可翻转工作台8上，这时的可翻转工作台8与翻板基座9的夹角为0°。因为可翻转工作台8上设置有真空吸盘，当机翼整体壁板12放置于可翻转工作台8后，真空吸盘与机翼整体壁板12表面吸合的内部空间通过抽排空气，使得真空吸盘紧紧地将机翼整体壁板12吸附，这样机翼整体壁板12在后续加工过程中可方便地进行空间位置更换，也不容易脱落。通过伸缩式液压缸2的工作长度伸长，伸缩式液压缸3推动可翻转工作台8绕与翻板基座9之间的枢转轴进行翻转，机翼整体壁板12则随着可翻转工作台8摆动而摆动。当可翻转工作台8绕枢转轴摆动至与翻板基座9垂直时，使得机翼整体壁板12也与翻板基座9垂直。然后通过壁板夹持单元10夹持住机翼整体壁板12的端部，可翻转工作台8的真空吸盘与机翼整体壁板12表面吸附的内部空间重新注入气体，使得真空吸盘完全与机翼整体壁板12脱离，伸缩式液压缸3的工作长度缩短，从而带动可翻转工作台8向翻板基座9进行摆动并恢复至初始位置。

参见图2和图3，然后以机翼整体壁板12的外形尺寸作为基础，以壁板厚度和成形曲率作为依据划分为等强度区域，如图2所示。其中，以机翼整体壁板12厚度为主要因素划分出近似厚度值，设置相应的基础厚度H和厚度增量Δ，采用C++二次开发实现机翼整体壁板12模型厚度查询，将机翼整体壁板12按照厚度变化设置为离散化区间[H-Δi,H+Δi]，其中i＝1,2,3…N。然后在近似厚度区间内以曲率半径为主要因素划分等强度区，并设置基准曲率半径ρ和曲率增量е，设置离散化区间[ρ-ej,ρ+ej]，其中j＝1,2,3…N，最后对每个分区进行检测，将厚度与成形曲率不相容的区域重新分区或归入其他区域中。

参见图1至图3，然后通过七自由度激光喷丸单元1对机翼整体壁板12各个等强度区域进行激光喷丸成形。其中对某个区域进行成形喷丸时，系统初始设置一个微小激光喷丸强度，采用七自由度激光喷丸单元1与可移动滑轨2相互配合，从而对机翼整体壁板12进行激光喷丸成形。七自由度激光喷丸单元1对机翼整体壁板12另一面进行喷丸成形时，需要借助三自由度光学原位测量器11测量区域成形尺寸，三自由度光学原位测量器11将检测结果发送至发送至图形处理主机7，图形处理主机7计算得到当前尺寸与目标尺寸的差值后，将计算分析结果发送至总系统主机6，总系统主机6以力学模型为基础，并采用遗传算法以及神经网络目标优化算法，以小变形逐步逼近的方式实现区域成形，而无需进行额外的激光喷丸参数试验。

最后需要对整个激光喷丸成形并且进行区域修复，通过可移动滑轨2负责整个机翼整体壁板12进行大范围移动，而七自由度激光喷丸单元1则负责小范围的自用度范围内移动，可移动滑轨2和七自由度激光喷丸单元1共同配合对机翼整体壁板12整体进行激光喷丸成形。三自由度光学原位测量器11在喷丸反面测量机翼整体壁板12整体成形尺寸后，由图像处理主机7计算得出当前尺寸与目标尺寸的差值。同时，对过渡区域尺寸进行修改，并且采用小变形逐步逼近的方式实现整体成形。通过三自由度光学原位测量器11检测成形尺寸精度，由图形处理主机7计算成形精度，如满足尺寸工差要求，则结束成形工序。否则需要重复进行分区激光喷丸成形与尺寸测量、整体激光喷丸成形与区域修复、成形尺寸检测的步骤，直至尺寸满足公差要求。

相对于现有技术，本发明可实现各类尺寸、复杂曲面的机翼整体壁板12成形，具有尺寸适应性强、成形曲率大、成形精度可控且工件表面质量高等特点，真正实现了机翼整体壁板12的长寿命以及高精度成形。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置，其特征在于，所述装置包括用于支撑的翻板基座、与所述翻板 基座枢转相连的可翻转工作台、一端与所述可翻转工作台铰接相连且另一端与所述翻板 基座铰接相连的伸缩液压缸、设置于所述翻板基座外侧且顶端与可移动滑轨相连的滑轨控制器、与所述可移动滑轨中部相连的壁板夹持单元、可对机翼整体壁板进行喷丸加工的激光喷丸单元、用于控制所述激光喷丸单元喷丸加工的激光喷丸单元系统主机、用于检测机翼整体壁板加工尺寸的光学原位测量器、用于分析机翼整体壁板外形尺寸的图像处理主机、用于控制整个喷丸加工过程的总系统主机；所述激光喷丸单元系统主机同时与所述总系统主机以及所述激光喷丸单元电连接，所述图像处理主机同时与所述总系统主机以及所述光学原位测量器电连接。

2.如权利要求1所述的成形装置，其特征在于，所述激光喷丸单元为七自由度激光喷丸单元。

3.如权利要求1所述的成形装置，其特征在于，所述光学原位测量器为三自由度光学原位测量器。

4.如权利要求1所述的成形装置，其特征在于，所述可翻转工作台可绕与所述翻板基座的枢转轴翻转0～90°。

5.一种使用如权利要求1所述的立式翻板机翼整体壁板激光喷丸成形装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过软件对机翼整体壁板的外形分析并建立三维模型，以确定机翼整体壁板厚度和曲率分布；

2)以机翼整体壁板外形尺寸为基础，并以机翼整体壁板厚度和成形曲率为依据将机翼整体壁板划分为若干个等强度区域；

3)对各个等强度区域进行激光喷丸成型，借助在线原位测量装置检测成形尺寸并反馈至所述图像处理主机以及所述总系统主机；

4)对机翼整体壁板进行激光喷丸成型，同时对过渡区域尺寸进行修复；

5)在线测量机翼整体壁板的成形尺寸精度，如满足尺寸公差要求，即结束成型；如不满足尺寸公差要求，继续重复所述步骤3)至所述步骤5)。