echarts 坐标自适应_基于快速扫描的飞机大型蒙皮自适应加工技术

        蒙皮是构成飞机气动外形的外表零件，是保证飞机 空气动力学性能的重要零件。飞机蒙皮零件具有外 形复杂、尺寸大、刚性弱等特点，且多为双曲率零件，曲 率变化较大，因此蒙皮加工一直是工业界难题。传统的飞机蒙皮加工方法主要有化学铣切(简称化 铣)和数控铣。

      目前在航空制造领域，化铣是蒙皮加工的主要方法，是将蒙皮待加工表面浸没在化学溶液中进行腐 蚀，从而获得所需形状和尺寸的一种无刀具、无切屑、 无应力的加工方法，但是它需要经过十几道工序， 工艺繁杂，存在突出的环境污染问题，并且铝屑不可回收。

        蒙皮数控铣又分为实体模具数控铣以及采用柔性 夹具的蒙皮精确铣。实体模具数控铣是用实体模型配 合多轴数控铣削机床进行加工的方法。该方法需要为 每种规格的蒙皮分别制造专用实体模具，制造该模具所 耗时间占零件研制周期的 60% 以上，严重影响了蒙皮 加工的总效率，并且增加了生产成本。蒙皮精确铣是 由真空吸附柔性夹具与多轴数控铣削机床配合加工的 方法。相比实体模具数控铣，该方法大幅提高了蒙皮加 工的总效率，同时降低了生产成本，但是由于柔性夹具 对蒙皮零件多点离散夹持，当刀具对夹持点之间的悬空 区域进行加工时，蒙皮零件会发生弹性变形甚至颤振， 影响铣切深度和蒙皮表面粗糙度。 

        蒙皮镜像铣技术能够解决传统蒙皮加工方法中存 在的问题，蒙皮镜像铣机床如图 1 所示。镜像铣加工 系统主要是由真空吸附柔性夹持系统和两台同步运动 的五轴卧式加工机床组成。两台同步机床的主轴头分 别为加工主轴头和局部随动支撑，在加工过程中二者始 终在同一法矢方向同步运动，如图 2 所示 [3]。通过调整 局部随动支撑和加工主轴头之间的间距即可控制蒙皮 零件的剩余厚度。在用镜像铣机床加工蒙皮零件时， 局部随动支撑可以保证零件加工区域的刚性，从而有效减小该区域的变形、防止颤振，保证了蒙皮零件的表面 质量和加工精度，同时又不需要制造额外的装备，也不 会污染环境。

        此外，镜像铣机床还集成了实时厚度监测 及误差补偿等功能。但蒙皮镜像铣也引出了新的问题，由于蒙皮毛坯存 在成形误差，且其刚度小，装夹力和毛坯自身的重力也 会引起变形，所以待蒙皮毛坯在机床上装夹完成后，它 的实际待加工表面(以下简称实际型面)与蒙皮理论模 型的待加工表面(以下简称理论型面)会存在一定的偏 差。如果使用依据理论型面规划的刀轨进行加工，就可 能使零件的形状精度和位置精度变差，发生过切或者欠 切，如图 3 所示，甚至铣穿零件，导致零件报废。要解决上述问题，就必须测量蒙皮毛坯得到其实际 型面，然后根据实际型面得到新刀轨。 

        在零件的测量方面，研究人员做了大量研究，测量 方法主要分为离线测量和在线测量两类。离线测量主要是用三坐标测量机测量，可以达到很 高的测量精度，但是这种测量方法需要将零件移动到三 坐标测量室再进行测量，所以并不适用于蒙皮实际型面 的测量。在线测量是指将测量设备集成到机床上，在机床上 进行测量的方法。在线测量又分为接触式测量(如触发 式测量等)和非接触测量(如激光扫描测量等)。触发式测量是目前最成熟的测量方法，其数字化程 度高、重复性好，对被测面色泽、光洁度等均无特殊要 求，尤其适合对中小型曲面的测量 [8]，其测量精度一般 为微米或亚微米量级 [9]。但是目前在机触发式测量只

能进行单点非连续测量，对于蒙皮这种大型曲面零件， 就需要较长的测量时间；同时，在测量前蒙皮毛坯的实 际型面无从得知，这就影响了在机测量路径规划，进一 步降低了测量效率，影响了机床的利用率。接触式跟踪扫描测量技术利用接触式三维扫描测 头对零件廓形进行连续数字化采集，其测量精度可达微 米甚至亚微米量级，且点云数据采集速度较快，每秒可 获取成百上千离散数据点。与触发式测量与非接触 光学测量相比，接触式跟踪扫描测量技术在测量精度及 效率上取得良好平衡，更适用于大型零件整体面形的精 密、高效数字化测量。

       但是目前接触式跟踪扫描测量 技术在在机测量方面的应用还不够成熟。随着激光等技术的发展，非接触光学测量已成为曲 面零件测量方法中极具发展前景的测量技术。 目前，适应于曲面零件光学测量的方法主要为点线激光扫描测 量。这种方法测量效率很高，但是测量精度容易受到被 测表面粗糙度、反光程度等条件的影响。

       综上，点线激 光扫描测量具有远高于接触式测量的测量效率，可是其 测量精度却没有接触式测量好。新刀轨规划方面，在大型航空薄壁件和航空发动机 叶片等低刚度工件加工领域，加工变形导致了与蒙皮加 工近似的需要修正刀轨的问题，对于该问题国内外研究 人员进行了大量研究。加工变形的误差补偿方法主要分为离线补偿和在 线补偿两种。离线补偿是指在加工前通过预测手段得 到零件加工变形，然后建立误差补偿模型对刀轨进行修 正。在线补偿是指对零件的加工变形进行在线测量，根 据测量结果实时修正刀轨。其中离线补偿法具有成本 低、可操作性强等特点，被广泛应用在低刚度工件加工 中。许多国内外研究人员对离线补偿法的发展做出了 贡献，目前预测零件变形的方法有有限元仿真、神经 网络、递归方法和试验手段等，修正刀轨的方 法有：误差完全补偿法和误差多次迭代补偿法等，另 外优化加工参数也可以控制加工变形。

       然而，这些方法解决的问题都是由加工变形导致的 需要进行刀轨补偿的问题，并不适用于蒙皮镜像铣技术 的实际加工刀轨规划。诸如液体火箭发动机喷嘴一类零件也存在和蒙皮 加工相似的问题，Liu 等 [18] 针对这类零件的加工提出 了一套可行性方案，即用激光在线测量得到液体火箭发动机喷嘴外表面轮廓，然后用超声测厚仪器对其进行测 厚，进而计算得到该零件内表面的实际型面，最后再根 据实际型面重新设计内表面的冷却剂通道。这个方案 也可以解决蒙皮镜像铣技术的实际加工刀轨规划问题， 但是它需要根据每个零件的实际形状重新设计刀轨，无法满足飞机蒙皮零件的高效加工和批量生产的需求。

      为了进一步改善蒙皮零件的加工，本文经过反复比 较，综合效率、精度、经济成本、可行性以及操作难易程 度等各方面因素，提出了一个适用于镜像铣技术的、可 以高效生产合格蒙皮产品的加工技术：基于快速扫描的 飞机大型蒙皮自适应加工技术，即待蒙皮毛坯在镜像铣 机床上装夹完成后，用线激光扫描仪器对其进行在机测 量，然后根据测量数据得到蒙皮毛坯的实际型面，最后 将根据理论型面规划的刀轨移植到实际型面上得到最终加工刀轨。

1 基于快速扫描的飞机大型蒙皮自适应加工技术

 如图 4 所示，基于快速扫描的飞机大型蒙皮自适应 加工技术主要包含以下内容：基于线激光扫描系统的蒙 皮型面快速扫描，蒙皮外形测量路径规划，测量数据处 理，基于特征匹配的刀轨自适应移植以及软件系统集成。基于线激光扫描系统的蒙皮型面快速扫描：包括线 激光扫描设备与机床的集成、数控机床实时位置数据的 获取、扫描设备与机床信号的处理和传输等。蒙皮外形测量路径规划：包括初始测量方向确定、 基于理论模型确定测量初始位置、测量轨迹规划等，实 现蒙皮零件型面测量路径的快速生成。测量数据处理：包括数据采集、数据拼合、数据分析 与处理等，将机床坐标系与扫描设备坐标系进行坐标变换，将测量数据点进行拟合，得到飞机蒙皮实际型面。基于特征匹配的刀轨自适应移植：包括特征分类研究、理论型面与实际型面映射模型的建立、刀轨的快速 移植等。系统集成：包括测量路径规划系统、数据采集与处 理系统、数控刀轨自适应移植系统的集成，实现飞机蒙 皮外形自适应加工系统的集成。本文已经开发出了一套可以和机床集成的线激光 扫描硬件系统和飞机蒙皮外形自适应加工软件系统。

1.1 线激光扫描硬件系统 

 

如图 5 所示，线激光扫描硬件系统由线激光扫描测 头、控制器、电脑以及各种数据传输线等组成。机床的 运动信号从机床驱动器中读取，工件到主轴的距离信号 由安装在主轴上的线激光扫描测头得到，最后由控制器 接受运动信号和距离信号，再由电脑软件系统将这些信 号处理并得到最终扫描结果。

 1.2 飞机蒙皮外形自适应加工软件系统 

飞机蒙皮外形自适应加工软件系统包括 3 大模块：基于线激光扫描系统的蒙皮型面快速扫描功能模块、数 据处理功能模块和刀轨自适应移植功能模块。基于线激光扫描系统的蒙皮型面快速扫描功能模 块是和硬件系统配套的软件部分，作用是将线激光扫描 测头采集到的数据收集、计算，从而得到扫描点云数据 结果。数据处理功能模块是对测量得到的扫描点云数据 进行处理的软件子系统，此模块作用是对扫描点云数据 进行剪切、稀释、拼接等处理，然后将其拟合成曲面，将 该曲面作为蒙皮毛坯实际型面待用。刀轨自适应移植功能模块使用 CATIA 二次开发实 现，界面如图 6 所示。

该模块作用主要是将理论加工刀 轨从蒙皮理论型面上移植到实际型面上去，从而得到实 际加工刀轨。为了实现此模块的功能，本文提出了基于 特征匹配的刀轨移植方法。在蒙皮零件中存在大量的阶梯槽特征，对于这种复 杂相交特征，在实际加工时，需要根据所余厚度对该特 征进行分层，进而根据每层的特征信息规划刀轨。例如 图 7 中零件的特征分层为 3 层，那么据此规划的刀轨也 有 3 个部分。在蒙皮毛坯理论型面上根据特征分层生 图5 线激光扫描硬件系统示意

成理论加工刀轨后，要将理论加工刀轨移植到实际型面 上成为实际加工刀轨，就需要建立映射关系：st → sr 其中，st 表示蒙皮理论型面；sr 表示蒙皮实际型面。该映射关系需保证蒙皮零件上各个特征的位置精 度，满足特征匹配。

该映射关系原理如图 8 所示，根据 测地线保证蒙皮实际型面上刀位点的位置精度。以图 8 理论刀轨中 D 点为例，在理论型面上，过 D 做蒙皮理 论型面边界 L1 和 L2 的法线，并分别交 L1 和 L2 于 A 和 B 两点，分别测量点 A 和 D，以及点 B 和 D 的弧长距离 LAD 和 LBD。然后，在实际型面上作点 d，使其到边界 l1 和 l2 的法向弧长距离 lad 和 lbd 分别和理论型面上的 LAD 和 LBD 相等。此时认为实际型面上的点 d 和理论型面 上的点 D 满足所提映射关系。按照这个映射关系将理论加工刀轨进行移植，即可 得到实际加工刀轨。

1.3 工艺流程 

如图 9 所示，基于快速扫描的飞机大型蒙皮自适应 加工技术的具体工艺流程如下：首先工艺人员需要用该零件的理论型面规划理 论加工刀轨以及线激光扫描测量路径。待毛坯在镜 像铣机床上装夹完毕，从刀库调出线激光测头，用数 据线连接测头和控制器，并打开软件系统的蒙皮型 面快速扫描功能模块，配置各项软件参数并进行扫 描测量。得到扫描点云数据之后，打开软件系统的数据采集 与处理功能模块，进行去噪点、衔接和稀释点云等操作， 然后将其拟合成曲面，得到的曲面就是该蒙皮毛坯的实 际型面。再进入软件系统的刀轨自适应移植功能模块，将理 论加工刀轨移植到实际型面上得到实际加工刀轨，最后用实际加工刀轨加工零件。

经过近 3 年的论证和实践，基于快速扫描的飞机大 型蒙皮自适应加工技术不断完善，其工艺流程已经固定 化，软件硬件系统操作简单，经过简短培训之后工艺人 员可以很快掌握，目前该技术已经成功应用并加工了一 批合格零件。

 2 试验验证

 本文选用尺寸为 2843mm×2078mm 的飞机蒙皮毛 坯为示例，分别做了 3 组对比试验： 

(1)用点接触式测头和所提技术中选用的线激光 扫描测头分别对该蒙皮毛坯进行在线测量，并比较两者 的测量效率、精度以及测量的数据点数量，对比结果如 表 1 所示。 

(2)得到实际型面之后，分别使用根据理论型面规 划的刀轨和经过所提技术中软件系统移植得到的刀轨 对实际型面进行加工仿真，并比较两者的仿真结果，对 比结果如表 2 所示。 

(3)得到实际型面之后，分别通过 CATIA 刀轨重算 和软件系统中刀轨自适应移植功能形成实际加工刀轨， 并比较两者的耗时，对比结果如表 3 所示。像特性。由表 1 的对比可见，相对于点接触式测量法，激光 扫描测量法具有极高的测量效率，测量数据点数量很 大，且其精度满足实际需求。由表 2 的仿真结果可见，使用根据理论型面规划的 刀轨会铣穿零件(仿真结果右上角的黑块表示零件被铣 穿)，导致零件报废，而用软件系统移植得到的刀轨加工 出来的零件是合格的。由表 3 可见，软件系统中的刀轨自适应移植功能得 到实际加工刀轨的时间远小于通过 CATIA 刀轨重算得 到实际加工刀轨的时间。据某企业调研，蒙皮零件验收标准如下：蒙皮零件厚度精度要求是 – 0.1~0.2mm。在许用压力下，蒙皮零件和凹模外形误差 <0.1mm。最后用本文所提技术对示例毛坯进行加工，经检 测，得到的蒙皮零件厚度误差在 ±0.1mm 之内，并且在 许用压力下，蒙皮零件和凹模外形误差 <0.1mm，满足各 项指标要求，最终零件如图 10 所示。

3 结论

针对蒙皮毛坯在镜像铣机床上的实际型面和其理 论型面存在偏差的问题，本文提出了一个适用于镜像铣 技术的、可以高效生产合格蒙皮产品的加工技术：基于 快速扫描的飞机大型蒙皮自适应加工技术。KR90R3100extra 其重复定位精度为 0.060mm，机器人 定位误差引起的 T–Scan 位置误差 <0.1mm，远小于试验 设置的 10mm 扫描深度增量，这种幅度的位置变化导致 的试验结果偏差可以忽略不计。

(1)该技术解决了蒙皮镜像铣技术存在的关键难 题，能够满足蒙皮零件的厚度精度和外形精度要求。 

(2)该技术可以高效地得到蒙皮毛坯在机床上的 实际型面和实际加工程序，大幅缩短了加工准备工作的 耗时，提高了机床利用率。

作者 ：康晓军 ，向兵飞 ，李迎光，郝小忠，张云飞 

引用自《航天制造技术》2019年第62卷第6期