CN115846886A - 一种飞机蒙皮化铣精确刻型方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于飞机蒙皮制造技术领域，为一种飞机蒙皮化铣精确刻型方法，通过先在蒙皮柔性夹持装置上构建设备坐标系，而后在激光扫描仪上构建扫描坐标系，并将待刻型飞机蒙皮理论模型导入控制系统中，计算并确定待刻型飞机蒙皮所需定位点、支撑点的数量及其相互之间的位置关系，而后计算出各个部件在设备坐标系中的具体坐标，待刻型飞机蒙皮在设备坐标系中的具体位置，在控制系统中导入与待刻型飞机蒙皮相对应的化铣胶刻型路径文件，控制系统按照化铣胶刻型路径文件控制龙门式五轴装置的各运动轴协同运动，使得由激光喷嘴射出的切割激光沿刻型路径精确移动，从而对蒙皮进行激光切割，流程简单、控制高效。

Description

一种飞机蒙皮化铣精确刻型方法

技术领域

本申请属于飞机蒙皮制造技术领域，特别涉及一种飞机蒙皮化铣精确刻型方法。

背景技术

飞机蒙皮化铣工艺是大幅减轻飞机整体重量，提升飞机整体性能的重要技术之一。其中，保护胶刻型是化铣流程中最核心的步骤，往往采用手工或激光刻型的方式进行。目前，手工方法在刻型精度（位置度>2 mm）和效率上存在不足且难以对大尺寸、大曲率的蒙皮件刻型，兼顾高效率和高精度的激光刻型技术已日渐取代手工刻型，成为保证飞机薄壁零件高质量生产的关键技术之一。

数控激光刻型是针对金属蒙皮表面涂敷的化铣保护胶，利用高能CO₂激光束对其进行精准刻蚀且不伤及金属基底的过程。其主要的优点有：a.加工过程信息采用数字量传递，数控过程和参数控制，能够保证刻型的高精确性，位置精度达到0.5mm，且不会在零件表面留下刻痕，也不会有保护胶未刻透的情况；b.新零件和更改零件的工艺准备周期相比手工刻型缩短30天以上，加工效率约为手工刻型的3倍；c.节省零件工装样板制造及维护费用，降低飞机研制成本，数控激光刻型技术的应用对提高化铣零件制造精度，提高劳动生产率有着极大的优势，是实现蒙皮产品数字化制造的基础，在大飞机制造中尤为关键，也是未来各种型号飞机生产不可或缺的关键技术。

作为飞机蒙皮化铣刻型加工关键数字化装备，目前使用的激光刻型机及柔性装夹系统均为进口装备，该类装备价格昂贵，后期维修受到严重制约，装备结构复杂、维修周期长、成本高、流程复杂，而国内针对飞机蒙皮化铣精确刻型的方法研究较少，层次较低，更不存在应用实例，严重迟滞了飞机蒙皮化铣制造工艺中精确刻型的进程。

因此，为了满足生产需要，亟待研究一种飞机蒙皮化铣精确刻型装置及实现方法。

发明内容

本申请的目的是提供了一种飞机蒙皮化铣精确刻型方法，以解决现有的飞机蒙皮激光刻型流程复杂的问题。

本申请的技术方案是：一种飞机蒙皮化铣精确刻型方法包括如下步骤：

在蒙皮柔性夹持装置上构建设备坐标系，在龙门式五轴装置上构建机床坐标系，标定设备坐标系与机床坐标系的位姿关系；

在激光扫描仪上构建扫描坐标系，在激光喷嘴上构建切割坐标系，标定扫描坐标系、切割坐标系与机床坐标系的位姿关系；

将待刻型飞机蒙皮理论模型导入控制系统中，根据待刻型飞机蒙皮定位孔的位置、外廓尺寸、蒙皮弦线姿态，计算并确定待刻型飞机蒙皮所需定位点、支撑点的数量及其相互之间的位置关系；

将所有待刻型飞机蒙皮的定位点、支撑点以蒙皮柔性夹持装置的中心为基准布置于蒙皮柔性夹持装置区域范围内，并计算出各个部件在设备坐标系中的具体坐标；

控制蒙皮柔性夹持装置中的Y1向运动机构和X1向运动机构分别运动，使万向定位机构、万向吸盘组件分别移动至待刻型飞机蒙皮的定位点、支撑点位置；

将待刻型飞机蒙皮吊装放置于蒙皮柔性夹持装置上，并通过万向定位机构、万向吸盘组件进行固定；

驱动龙门式五轴装置沿X、Y、Z轴运动，带动激光切割及测量装置中的激光扫描仪移动至万向定位机构位置处，并确定待刻型飞机蒙皮的具体位置；

根据待刻型飞机蒙皮在设备坐标系中的具体位置，在控制系统中导入与待刻型飞机蒙皮相对应的化铣胶刻型路径文件；

根据待刻型飞机蒙皮化铣胶厚度，控制系统通过激光切割试验获得激光器的激光输出功率、激光占空比与化铣胶层加工深度之间的映射关系并建立工艺参数库模板；根据待刻型飞机蒙皮化铣胶当前厚度和工艺参数库模板计算获得加工当前厚度的保护胶层所需的实际加工功率；

控制系统按照化铣胶刻型路径文件控制龙门式五轴装置的各运动轴协同运动，使得由激光喷嘴射出的切割激光沿刻型路径精确移动。

优选地，所述化铣胶刻型路径文件由CAM软件生成，包含刻型路径上的点坐标及点法向，根据切割激光标定位置及机床运动学的反变换公式，解算龙门式五轴装置在刻型路径上各点的各运动轴数据，即X、Y、Z、A、C值；所述龙门式五轴装置的机床运动学的反变换公式为：

X=x-(Lcax+Latx)*cosC+(Laty*cosA-Latz*sinA+Lcay)*sinC+Lcax+Latx

Y=y-(Lcax+Latx)*sinC-(Laty*cosA-Latz*sinA+Lcay)*cosC+Lcay+Laty

Z=z-Laty*sinA-Latz*cosA+Latz

A=arccos(k)

C=

其中，X表示机床X轴的运动量；Y表示机床Y轴的运动量；Z表示机床Z轴的运动量；A表示机床A轴的运动量；C表示机床C轴的运动量；x表示空间点的x坐标；y表示空间点的y坐标；z表示空间点的z坐标；i表示空间点法向量在x轴方向上的分量；j表示空间点法向量在Y轴方向上的分量；k表示空间点法向量在z轴方向上的分量；A轴回转中心在C轴坐标系下的坐标值设为｛Lcax，Lcay，Lcaz｝；主轴端面中心点在A轴坐标系下的坐标值设为｛Latx，Laty，Latz｝。

优选地，所述实际加工功率的计算公式为：

P₁=P₀+(T₂-T₁)/△h₀

其中，P₀表示化铣胶当前厚度在工艺参数库模板中对应的实验功率，T₁表示化铣胶当前厚度，T₂表示化铣胶当前厚度在工艺参数库模板中对应的厚度区间最大值，△h₀表示每增加1W激光功率的加工深度增值，△h₀=每增加1%占空比的刻型深度变化/每增加1%占空比的实测功率变化。

优选地，在计算出实际加工功率后，判断实际加工功率是否满足设定功率需求，若满足则执行下一步骤。

优选地，在获得实际加工功率后，根据实际加工功率计算获得实际加工频率，计算公式为：f₁= P₁/单脉冲能量。

优选地，在激光喷嘴移动过程中，W轴随动装置中的电容测距传感器实时测量激光喷嘴与待刻型飞机蒙皮之间距离，并反馈给控制系统，控制系统控制W轴伺服电动缸实时调整激光喷嘴的位置，使激光喷嘴与待刻型飞机蒙皮之间距离保持不变，直至完成刻型。

优选地，在计算出各个部件在设备坐标系中的具体坐标后，对各个部件的具体坐标进行核验，计算任意相邻部件之间的位置关系是否正确，若正确，则执行下一步骤。

优选地，所述蒙皮柔性夹持装置的具体固定方式为：将万向定位机构与待刻型飞机蒙皮上的定位孔配合，万向吸盘组件与待刻型飞机蒙皮外形相贴合，并对其进行吸附。

优选地，所述待刻型飞机蒙皮具体位置的确定方法为：通过激光扫描仪对万向定位机构中的定位球头进行扫描测量，确定待刻型飞机蒙皮在设备坐标系中的具体位置。

本申请的飞机蒙皮化铣精确刻型方法，通过先在蒙皮柔性夹持装置上构建设备坐标系，而后在激光扫描仪上构建扫描坐标系，并将待刻型飞机蒙皮理论模型导入控制系统中，计算并确定待刻型飞机蒙皮所需定位点、支撑点的数量及其相互之间的位置关系，而后计算出各个部件在设备坐标系中的具体坐标，待刻型飞机蒙皮在设备坐标系中的具体位置，在控制系统中导入与待刻型飞机蒙皮相对应的化铣胶刻型路径文件，控制系统按照化铣胶刻型路径文件控制龙门式五轴装置的各运动轴协同运动，使得由激光喷嘴射出的切割激光沿刻型路径精确移动，从而对蒙皮进行激光切割，流程简单、控制高效。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为蒙皮柔性夹持装置结构示意图；

图2为蒙皮柔性夹持装置与龙门式五轴装置、W轴随动装置和激光切割及测量装置连接结构示意图；

图3为柔性夹具装置X向运动组件结构示意图；

图4为柔性夹具装置Y向运动组件结构示意图；

图5为柔性夹具装置Y向运动组件局部结构示意图；

图6为龙门式五轴装置X2方向结构示意图；

图7为龙门式五轴装置结构示意图；

图8为龙门式五轴装置Z2方向结构示意图；

图9为W轴随动装置侧视结构示意图；

图10为W轴随动装置剖视结构示意图；

图11为W轴随动装置局部结构示意图；

图12为激光切割及测量装置结构示意图；

图13为万向定位机构结构示意图。

1、蒙皮柔性夹持装置；2、龙门式五轴装置；3、W轴随动装置；4、激光切割及测量装置；5、X1向运动机构；6、Y1向运动机构；7、Y1向支架；8、万向吸盘组件；9、万向定位机构；10、X1向基座；11、X1向导轨；12、X1向齿条；13、X1向驱动装置；14、X1向移动座；15、X1向移动梁；16、Y1向导轨；17、多丝母丝杠；18、丝杠固定座；19、Y1向移动板；20、从动带轮；21、同步带；22、主动带轮；37、X2向导轨；38、X2向齿条；39、X2向驱动装置；40、光栅尺；41、龙门框架；42、Y2向导轨；43、Y2向丝杠驱动装置；44、Y2向滑板；45、Z2向滑枕；46、Z2向导轨；47、Z2向丝杠驱动装置；48、平衡油缸；49、C轴固定座；50、C轴旋转模块；51、A轴固定座；52、A轴旋转模块；53、W轴固定座；54、W轴导轨；55、W轴伺服电动缸；56、W轴滑板；57、聚焦镜组件；58、保护镜组件；59、激光喷嘴；60、电容测距传感器；61、CO₂激光器；62、光路传输模块；63、C轴反射镜模块；64、A轴反射镜模块；65、激光扫描仪。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

一种飞机蒙皮化铣精确刻型装置，如图1和2所示，包括蒙皮柔性夹持装置1、龙门式五轴装置2、W轴随动装置3、激光切割及测量装置4和控制系统。

蒙皮柔性夹持装置1用于对待刻型蒙皮进行定位、保型和夹紧；龙门式五轴装置2用于调整激光切割及测量装置4中激光发射器以及激光导向器件的位置和角度，W轴随动装置3用于跟随激光切割及测量装置4运动，实现激光的聚焦和输出；控制系统与蒙皮柔性夹持装置1、龙门式五轴装置2、W轴随动装置3、激光切割及测量装置4电连接，用于分别控制各装置的行程。

龙门式五轴装置2设于蒙皮柔性夹持装置1上方，待刻型蒙皮设于蒙皮柔性夹持装置1和龙门式五轴装置2之间，并且待刻型蒙皮安装于蒙皮柔性夹持装置1上，蒙皮柔性夹持装置1包括夹持单元和定位单元，夹持单元能够对待刻型蒙皮进行夹紧，定位单元能够对待刻型蒙皮在三维空间各方向分别进行调整，直至移动待刻型蒙皮至设定位置。

W轴随动装置3安装于龙门式五轴装置2上，龙门式五轴装置2能够带动W轴随动装置3沿空间六自由度移动，激光切割及测量装置4设于待刻型蒙皮的正上方，激光切割及测量装置4安装于W轴随动装置3上并且激光切割及测量装置4与W轴随动装置3同步运动。

对待刻型蒙皮进行化铣时，控制系统按照设定程序，控制夹持单元和定位单元将待刻型蒙皮精准固定到蒙皮柔性夹持装置1的设定位置，而后控制系统控制龙门式五轴装置2工作，带动W轴随动装置3、激光切割及测量装置4移动至初始刻型位置，激光切割及测量装置4内的激光发生器产生激光，经过W轴随动装置3后射出激光至待刻型蒙皮上，直至完成第一个位置的刻型；而后控制系统按照设定程序控制龙门式五轴装置2再次工作，带动W轴随动装置3、激光切割及测量装置4移动至第二刻型位置，如此反复，直至完成全部的刻型，结构配合高效、控制稳定。

优选地，定位单元包括Y1向运动机构6、X1向运动机构5和Z1向运动机构；X1向运动机构5包括第一支撑件、第一动力件和第一传动件，第一支撑件共有两组并且两组第一支撑件沿纵向水平并排设置，第一传动件共有多组并且多组第一传动件沿着纵向均匀布设，第一动力件设于第一传动件和第一支撑件之间，第一动力件能够带动第一传动件沿纵向运动；Y1向运动机构6设于第一传动件上，Y1向运动机构6包括第二动力件和第二传动件，第二动力件能够带动第二传动件沿横向运动；Z1向运动机构设于第二传动件上，采用作动筒的方式驱动夹持单元上下运动；夹持单元包括万向定位机构9和万向吸盘组件8，结合图13，万向定位机构9包括万向动力件、万向定位件和万向支撑件，万向动力件通过万向支撑件能够带动万向定位件上下运动；万向吸盘组件8设于Y1向运动机构6顶端，万向吸盘组件8能够通过真空抽吸固定待刻型蒙皮。

待刻型蒙皮固定时，万向定位机构9插入至待刻型蒙皮的定位孔内，万向吸盘组件8通过抽真空吸附至待刻型蒙皮的底部壁面上，而后X1向运动机构5工作，将待刻型蒙皮移动至纵向指定位置；Y1向运动机构6工作，将待刻型蒙皮移动至横向指定位置。

如图3-4所示，优选地，第一支撑件包括X1向基座10、X1向导轨11和X1向齿条12；X1向基座10水平设置，X1向导轨11和X1向齿条12均设于X1向基座10上；X1向驱动装置13输出端设有第一齿轮，X1向驱动装置13能够带动第一齿轮转动，第一齿轮与X1向齿条12相互啮合，X1向齿条12安装于X1向基座10的侧面；第一传动件包括垂直于X1向基座10设置并能够沿纵向移动的X1向移动梁15，X1向移动梁15上设有X1向移动座14，X1向移动座14滑移配合于X1向导轨11上。

第一动力件为X1向驱动装置13，X1向驱动装置13可以采用电机、电动推杆等动力件，X1向驱动装置13工作时，带动第一齿轮转动，第一齿轮通过与X1向齿条12的反作用力带动X1向移动梁15沿X1方向运动，工作稳定。

优选地，第二动力件包括Y1向导轨16、Y1向驱动装置、多丝母丝杠17和带轮传动件；多丝母丝杠17的丝杠均设于第一传动件上，Y1向导轨16设于X1向移动梁15上，Y1向驱动装置设于第二传动件上，带轮传动件的输入端与Y1向驱动装置的输入端相连、输出端连接于多丝母丝杠17的丝母上。

第二传动件包括Y1向支架7和Y1向移动板19，Y1向支架7与多丝母丝杠17的丝母转动连接，Y1向移动板19固定于Y1向支架7上，Y1向移动板19滑移配合于Y1向导轨16上。

结合图5，带轮传动件包括主动带轮22、从动带轮20和同步带21，为常规结构，具体不再赘述，Y1向驱动装置与主动带轮22相连，Y1向驱动装置可以采用电机、电动推杆等动力件，Y1向驱动装置工作时，通过带轮传动件带动多丝母丝杠17上的丝母转动，丝母在丝杠上移动，从而带动Y1向支架7沿Y1方向运动，工作稳定。

优选地，万向动力件设于第二传动件上，万向支撑件设于万向动力件上，万向定位件转动配合于万向支撑件上。

优选地，万向吸盘组件8包括万向连接件和万向吸合件，万向连接件设于第二传动件上，万向吸合件转动配合于万向连接件上。

优选地，龙门式五轴装置2包括X2向驱动机构、Y2向驱动机构和Z2向驱动机构；X2向驱动机构设于蒙皮柔性夹持装置1上，Y2向驱动机构设于X2向驱动机构上，Z2向驱动机构设于Y2向驱动机构上。X2向驱动机构、Y2向驱动机构和Z2向驱动机构分别用于实现激光切割及测量装置4和W轴随动装置3在空间三个方向的移动。

如图6所示，X2向驱动机构包括X2向导轨37、X2向齿条38、X2向驱动装置39和龙门框架41；X2向导轨37和X2向齿条38均设于定位单元上，龙门框架41滑移配合于X2向导轨37上，X2向驱动装置39设于龙门框架41的侧壁上，X2向驱动装置39的输出端设有与X2向齿条38啮合的第二齿轮，定位单元上设有与X2向导轨37并排设置的光栅尺40，通过齿轮齿条的反作用力实现Y2向驱动机构、Z2向驱动机构、激光切割及测量装置4和W轴随动装置3的X2方向移动。

如图7-8所示，Y2向驱动机构包括Y2向导轨42、Y2向丝杠驱动装置43和Y2向滑板44，Y2向导轨42和横向丝杆驱动装置水平设于龙门框架41上，Y2向滑板44设于Z2向驱动机构上，Y2向滑板44与Y2向导轨42水平滑移配合，Y2向丝杠驱动装置43的输出端与Y2向滑板44相连，Y2向丝杠驱动装置43内部设置有电机、丝杠和丝母等，通过丝杠与丝母的配合实现Z2向驱动机构、激光切割及测量装置4和W轴随动装置3的Y2方向移动。

Z2向驱动机构包括Z2向滑枕45、Z2向导轨46、Z2向丝杠驱动装置47和平衡油缸48；Z2向滑枕45为长方体框架结构并与Y2向滑板44滑移配合，Z2向导轨46设于Z2向滑枕45上，Z2向丝杠驱动装置47的输入端设于Z2向滑枕45上、输出端与Y2向滑板44相连，平衡油缸48固定于Y2向滑板44上，平衡油缸48的活塞杆与Z2向滑枕45相连，Z2向丝杠驱动装置47内部设置有电机、丝杠和丝母等，从而控制其上的激光切割及测量装置4和W轴随动装置3的Z2方向移动。

还包括C轴旋转装置和A轴旋转装置，用于实现C轴和A轴的旋转。

C轴旋转装置包括C轴固定座49和C轴旋转模块50，C轴固定座49为L型角座，固定于Z2向滑枕45的底部侧壁上，C轴旋转模块50中部设有第一通孔，C轴固定座49对应设有第一安装立柱，C轴旋转模块50通过第一通孔安装于C轴固定座49的第一安装立柱上。

A轴旋转装置包括A轴固定座51和A轴旋转模块52；A轴固定座51为L型方管结构，固定于C轴旋转模块50下表面，在C轴旋转模块50的带动下可沿Z轴精确转动；A轴旋转模块52中部设有第二通孔，A轴固定座51对应设有第二安装立柱，A轴旋转模块52通过第二通孔水平安装于A轴固定座51的第二安装立柱上，A轴旋转模块52内设有动力并能够环绕第二安装立柱转动，A轴旋转模块52与第二安装立柱之间可以采用如电机与齿轮的配合来实现转动。

优选地，激光切割及测量装置4包括CO₂激光器61和激光导向件，用于实现激光的发出与导向。

如图12所示，CO₂激光器61固定于Z2向滑枕45侧面；激光导向件包括光路传输模块62、C轴反射镜模块63、A轴反射镜模块64、激光扫描仪65，光路传输模块62固定于Z2向滑枕45侧面，CO₂激光器61光路输出位置与光路传输模块62输入位置相对，C轴反射镜模块63成45°安装于A轴固定座51直角位置，可将激光线路方向改变90°后处于A轴旋转装置的中心轴线上。

A轴反射镜模块64成45°安装于W轴随动装置3上，与C轴反射镜模块63相对，将激光线路方向改变90°后处于聚焦镜组件57、保护镜组件58、激光喷嘴59中心轴线上；激光扫描仪65安装于W轴随动装置3上，配合光栅尺40用于进行激光刻型位置的测量。

在CO₂激光器61发出激光后通过C轴反射镜模块63和A轴反射镜模块64进行角度的调整，直至能够刻型至所需的位置。

优选地，W轴随动装置3包括W轴固定件、W轴伺服电动缸55和激光输出件。

如图9-11所示，W轴固定件包括W轴固定座53、W轴导轨54和W轴滑板56；W轴固定座53为Г型中空方管结构并且固定于龙门式五轴装置2上，W轴导轨54设于W轴固定座53的侧壁上，W轴滑板56与W轴导轨54滑移配合；

W轴伺服电动缸55固定于W轴固定座53的外侧竖直侧面上，W轴伺服电动缸55与W轴滑板56相连，W轴伺服电动缸55能够带动W轴滑板56沿W轴导轨54长度方向精确移动。

激光输出件包括聚焦镜组件57、保护镜组件58、激光喷嘴59、电容测距传感器60；聚焦镜组件57、保护镜组件58均为中空的柱状结构，配合用于实现激光的聚焦，聚焦镜组件57固定于W轴滑板56下表面，保护镜组件58安装于聚焦镜组件57下表面；保护镜组件58轴线与聚焦镜组件57轴线一致；激光喷嘴59为中空的倒锥形壳结构，安装于保护镜组件58下表面，激光喷嘴59轴线与保护镜组件58轴线一致；电容测距传感器60安装于W轴滑板56侧面，且与激光喷嘴59连接，可精确测量激光喷嘴59与飞机蒙皮之间的距离。

作为一种具体实施方式，一种飞机蒙皮化铣精确刻型方法，采用上述的装置，包括如下步骤：

步骤S100，在蒙皮柔性夹持装置1上构建设备坐标系，在龙门式五轴装置2上构建机床坐标系，标定设备坐标系与机床坐标系的位姿关系；

步骤S200，在激光扫描仪上构建扫描坐标系，在激光喷嘴59上构建切割坐标系，标定扫描坐标系、切割坐标系与机床坐标系的位姿关系；

步骤S300，将待刻型飞机蒙皮理论模型导入控制系统中，根据待刻型飞机蒙皮定位孔的位置、外廓尺寸、蒙皮弦线姿态，计算并确定待刻型飞机蒙皮所需定位点、支撑点的数量及其相互之间的位置关系；

步骤S400，在控制系统中，将所有待刻型飞机蒙皮的定位点、支撑点以蒙皮柔性夹持装置1的中心为基准布置于蒙皮柔性夹持装置1区域范围内，并计算出各个位置在设备坐标系中的具体坐标；

步骤S500，控制系统控制蒙皮柔性夹持装置1中的Y1向运动机构和X1向运动机构分别运动，使万向定位机构9、万向吸盘组件8分别移动至待刻型飞机蒙皮的定位点、支撑点位置；

步骤S600，将待刻型飞机蒙皮吊装放置于蒙皮柔性夹持装置1上，万向定位机构9与待刻型飞机蒙皮上的定位孔配合，万向吸盘组件8与待刻型飞机蒙皮外形相贴合，并对其进行吸附，实现对待刻型飞机蒙皮定位、固定、保型；

步骤S700，驱动龙门式五轴装置2沿X、Y、Z轴运动，带动激光切割及测量装置4中的激光扫描仪移动至万向定位机构9附近位置，通过激光扫描仪65对万向定位机构9中的定位球头进行扫描测量，确定待刻型飞机蒙皮在设备坐标系中的具体位置；

步骤S800，在控制系统中导入与待刻型飞机蒙皮相对应的化铣胶刻型路径文件，该文件由CAM软件生成，包含刻型路径上的点坐标及点法向，根据切割激光标定位置及机床运动学的反变换公式，解算龙门式五轴装置2在刻型路径上各点的各运动轴数据，即X、Y、Z、A、C值；龙门式五轴装置2的机床运动学的反变换公式是指通过机床坐标系、轴坐标系、切割坐标系之间的平移及旋转变换所建立的空间坐标点及法向与机床运动轴之间的关系。根据该公式可以求解出当前坐标点及法向所对应的机床轴运动量，龙门式五轴装置2的机床运动学的反变换公式为：

X=x-(Lcax+Latx)*cosC+(Laty*cosA-Latz*sinA+Lcay)*sinC+Lcax+Latx

Y=y-(Lcax+Latx)*sinC-(Laty*cosA-Latz*sinA+Lcay)*cosC+Lcay+Laty

Z=z-Laty*sinA-Latz*cosA+Latz

A=arccos(k)

C=

其中，X表示机床X轴的运动量；Y表示机床Y轴的运动量；Z表示机床Z轴的运动量；A表示机床A轴的运动量；C表示机床C轴的运动量；x表示空间点的x坐标；y表示空间点的y坐标；z表示空间点的z坐标；i表示空间点法向量在x轴方向上的分量；j表示空间点法向量在Y轴方向上的分量；k表示空间点法向量在z轴方向上的分量；A轴回转中心在C轴坐标系下的坐标值设为｛Lcax，Lcay，Lcaz｝；主轴端面中心点在A轴坐标系下的坐标值设为｛Latx，Laty，Latz｝；

步骤S900，根据待刻型飞机蒙皮化铣胶厚度，控制系统计算出所需切割激光的工作功率、频率，CO₂激光器61产生切割激光，经过光路传输模块62调整为所需的切割激光，经过C轴反射镜模块63、A轴反射镜模块64的两侧反射，由聚焦镜组件57将切割激光进行聚焦，通过保护镜组件58后由激光喷嘴59射出。

所需切割激光的工作功率、频率的计算方法如下：

控制系统通过激光切割试验获得激光器的激光输出功率、激光占空比与化铣胶层加工深度之间的映射关系并建立工艺参数库模板；根据待刻型飞机蒙皮化铣胶当前厚度和工艺参数库模板计算获得加工当前厚度的保护胶层所需的实际加工功率，计算公式为：

P₁=P₀+(T₂-T₁)/△h₀

其中，P₀表示化铣胶当前厚度在工艺参数库模板中对应的实验功率，T₁表示化铣胶当前厚度，T₂表示化铣胶当前厚度在工艺参数库模板中对应的厚度区间最大值，△h₀表示每增加1W激光功率的加工深度增值，△h₀=每增加1%占空比的刻型深度变化/每增加1%占空比的实测功率变化；

而后根据实际加工功率计算获得实际加工频率，计算公式为：f₁= P₁/单脉冲能量；

步骤S1000，控制系统控制龙门式五轴装置2的各运动轴协同运动，使得由激光喷嘴59射出的切割激光沿刻型路径精确移动，同时W轴随动装置3中的电容测距传感器60实时测量激光喷嘴59与待刻型飞机蒙皮之间距离，并反馈给控制系统，控制系统控制W轴伺服电动缸55实时调整激光喷嘴59的位置，使激光喷嘴59与待刻型飞机蒙皮之间距离保持不变，即使切割激光的斑点尺寸不变，最终实现飞机蒙皮化铣胶的精确刻型。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种飞机蒙皮化铣精确刻型方法，其特征在于，包括如下步骤：

在蒙皮柔性夹持装置(1)上构建设备坐标系，在龙门式五轴装置(2)上构建机床坐标系，标定设备坐标系与机床坐标系的位姿关系；

在激光扫描仪(65)上构建扫描坐标系，在激光喷嘴(59)上构建切割坐标系，标定扫描坐标系、切割坐标系与机床坐标系的位姿关系；

将待刻型飞机蒙皮理论模型导入控制系统中，根据待刻型飞机蒙皮定位孔的位置、外廓尺寸、蒙皮弦线姿态，计算并确定待刻型飞机蒙皮所需定位点、支撑点的数量及其相互之间的位置关系；

将所有待刻型飞机蒙皮的定位点、支撑点以蒙皮柔性夹持装置(1)的中心为基准布置于蒙皮柔性夹持装置(1)区域范围内，并计算出各个部件在设备坐标系中的具体坐标；

控制蒙皮柔性夹持装置(1)中的Y1向运动机构(6)和X1向运动机构(5)分别运动，使万向定位机构(9)、万向吸盘组件(8)分别移动至待刻型飞机蒙皮的定位点、支撑点位置；

将待刻型飞机蒙皮吊装放置于蒙皮柔性夹持装置(1)上，并通过万向定位机构(9)、万向吸盘组件(8)进行固定；

驱动龙门式五轴装置(2)沿X、Y、Z轴运动，带动激光切割及测量装置(4)中的激光扫描仪(65)移动至万向定位机构(9)位置处，并确定待刻型飞机蒙皮的具体位置；

根据待刻型飞机蒙皮在设备坐标系中的具体位置，在控制系统中导入与待刻型飞机蒙皮相对应的化铣胶刻型路径文件；

根据待刻型飞机蒙皮化铣胶厚度，控制系统通过激光切割试验获得激光器的激光输出功率、激光占空比与化铣胶层加工深度之间的映射关系并建立工艺参数库模板；根据待刻型飞机蒙皮化铣胶当前厚度和工艺参数库模板计算获得加工当前厚度的保护胶层所需的实际加工功率；

控制系统按照化铣胶刻型路径文件控制龙门式五轴装置(2)的各运动轴协同运动，使得由激光喷嘴(59)射出的切割激光沿刻型路径精确移动。

2.如权利要求1所述的飞机蒙皮化铣精确刻型方法，其特征在于：所述化铣胶刻型路径文件由CAM软件生成，包含刻型路径上的点坐标及点法向，根据切割激光标定位置及机床运动学的反变换公式，解算龙门式五轴装置(2)在刻型路径上各点的各运动轴数据，即X、Y、Z、A、C值；所述龙门式五轴装置(2)的机床运动学的反变换公式为：

X=x-(Lcax+Latx)*cosC+(Laty*cosA-Latz*sinA+Lcay)*sinC+Lcax+Latx；

Y=y-(Lcax+Latx)*sinC-(Laty*cosA-Latz*sinA+Lcay)*cosC+Lcay+Laty；

Z=z-Laty*sinA-Latz*cosA+Latz；

A=arccos(k)；

当k=±1时，C为任意值；当k≠±1，j=0，i＞0时，C=π/2；当k≠±1，j=0，i＜0时，C=-π/2；其他情况时，C=arctan（i/(-j)）；

其中，X表示机床X轴的运动量；Y表示机床Y轴的运动量；Z表示机床Z轴的运动量；A表示机床A轴的运动量；C表示机床C轴的运动量；x表示空间点的x坐标；y表示空间点的y坐标；z表示空间点的z坐标；i表示空间点法向量在x轴方向上的分量；j表示空间点法向量在Y轴方向上的分量；k表示空间点法向量在z轴方向上的分量；A轴回转中心在C轴坐标系下的坐标值设为｛Lcax，Lcay，Lcaz｝；主轴端面中心点在A轴坐标系下的坐标值设为｛Latx，Laty，Latz｝。

3.如权利要求1所述的飞机蒙皮化铣精确刻型方法，其特征在于：所述实际加工功率的计算公式为：

P₁=P₀+(T₂-T₁)/ △h₀

其中，P₀表示化铣胶当前厚度在工艺参数库模板中对应的实验功率，T₁表示化铣胶当前厚度，T₂表示化铣胶当前厚度在工艺参数库模板中对应的厚度区间最大值，△h₀表示每增加1W激光功率的加工深度增值，△h₀=每增加1%占空比的刻型深度变化/每增加1%占空比的实测功率变化。

4.如权利要求1所述的飞机蒙皮化铣精确刻型方法，其特征在于：在计算出实际加工功率后，判断实际加工功率是否满足设定功率需求，若满足则执行下一步骤。

5.如权利要求3所述的飞机蒙皮化铣精确刻型方法，其特征在于：在获得实际加工功率后，根据实际加工功率计算获得实际加工频率，计算公式为：f₁= P₁/单脉冲能量。

6.如权利要求1所述的飞机蒙皮化铣精确刻型方法，其特征在于：在激光喷嘴(59)移动过程中，W轴随动装置(3)中的电容测距传感器(60)实时测量激光喷嘴(59)与待刻型飞机蒙皮之间距离，并反馈给控制系统，控制系统控制W轴伺服电动缸(55)实时调整激光喷嘴(59)的位置，使激光喷嘴(59)与待刻型飞机蒙皮之间距离保持不变，直至完成刻型。

7.如权利要求1所述的飞机蒙皮化铣精确刻型方法，其特征在于：在计算出各个部件在设备坐标系中的具体坐标后，对各个部件的具体坐标进行核验，计算任意相邻部件之间的位置关系是否正确，若正确，则执行下一步骤。

8.如权利要求1所述的飞机蒙皮化铣精确刻型方法，其特征在于，所述蒙皮柔性夹持装置(1)的具体固定方式为：将万向定位机构(9)与待刻型飞机蒙皮上的定位孔配合，万向吸盘组件(8)与待刻型飞机蒙皮外形相贴合，并对其进行吸附。

9.如权利要求1所述的飞机蒙皮化铣精确刻型方法，其特征在于，所述待刻型飞机蒙皮具体位置的确定方法为：通过激光扫描仪(65)对万向定位机构(9)中的定位球头进行扫描测量，确定待刻型飞机蒙皮在设备坐标系中的具体位置。

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