蒙皮材料-面向數字化裝配的大型蒙皮精確成形技術

飛機蒙皮類零件廣泛用于機翼和機身部件中，其外形復雜多樣，結構尺寸大，單機零件數量占整個鈑金零件的30%左右[1]。蒙皮是構成飛機氣動力外形的重要部件，其制造不僅有外形準確度和機械性能指標的要求，也有表面質量的嚴格要求。

在現階段的蒙皮拉形生產過程中，蒙皮零件通常留有較大的加工余量，生產效率低；拉形工裝質量大、工作型面表面質量較差，大部分蒙皮拉形工裝都超重無法采用三坐標測量機檢測，只能采用外形樣板測量，測量精度與效率較低；在蒙皮拉形過程中，缺乏必要的過程模擬與參數設置，回彈變形較大，且拉形過程中蒙皮零件表面質量的保護缺乏必要措施；傳統的實體模具進行蒙皮拉形后，在實體模具上對蒙皮進行切邊處理，工作效率、蒙皮精度已經不能滿足先進飛機的制造需求。

飛機蒙皮數字化制造技術是集CAD工藝設計、CAE仿真優化、可重構柔性工裝、CAM切邊和化銑刻線為一體的綜合集成技術，是一種典型的基于數字量傳遞的飛機鈑金制造工藝，是工藝數字化和工裝數字化緊密結合的蒙皮數字化生產模式[2]。該技術的不斷深入研究將大力推進國內飛機蒙皮制造的數字化、精準化、柔性化水平。

蒙皮精確成形技術

蒙皮精確成形是以零件數學模型為基礎，通過拉形模具的數字化設計與制造、型面補償，對拉形、切邊過程的基礎工藝參數的研究，完成蒙皮零件拉形過程的數值模擬分析和工藝設計；通過先進的檢測技術完成蒙皮的數控拉伸精確成形；借助數控切割指令完成蒙皮零件的數字化立體切割和交付使用。

無余量裝配是通過充分協調零件之間關系和合理分配容差來實現裝配前不留余量的裝配方法，以滿足包括幾何形狀準確度、尺寸精度和互換性要求等裝配準確度要求。

借助上述技術，從蒙皮下料、拉形、鉆孔切邊到數字化測量，蒙皮精確成形過程如圖1所示。

圖1 蒙皮精確成形流程

國內外發展狀況

1 國外發展狀況

自20世紀90年代初期開始，國外企業開發的柔性工裝已被波音、空客、麥道等飛機制造商用于蒙皮、壁板、艙門、機翼等零件的加工制造過程以及飛機數字化柔性裝配[，極大地提高了生產效率和加工質量。

對飛機機身和機翼蒙皮工件板材拉形過程中的安裝、夾緊、拉伸和回彈的整個過程進行了數值模擬預測成形過程中出現的拉裂缺陷、表面缺陷和成形后的回彈量，為確定和優化成形參數提供了參考。Chou等[5]分析了幾種應用在U形槽彎曲工藝中減小回彈的技術，對成形結果進行優化分析，得到工藝過程中的最優成形參數。美國生產了POGO柔性工裝，對波音747機身壁板進行了切邊鉆孔和測量[6]。英國巴斯大學LIMA試驗室對激光跟蹤儀與iGPS測量系統的測量精度和誤差源進行了研究，并對它在飛機裝配過程中的應用方法和形式進行了深入探討[7]。

2 國內發展狀況

相比而言，國內在飛機大部件蒙皮精確成形與無余量裝配方面的技術尚處于起步階段。吉林大學通過對支承柔性夾具的研究和試驗，成功研制出蒙皮展型專用多點支撐柔性裝置，如圖2所示。北京航空制造工程研究所針對飛機薄壁件制造的需求，對柔性工裝的關鍵技術進行了研究，并開發出用于飛機蒙皮和壁板切割加工的柔性工裝系統。清華大學深入研究了以柔性途徑實現“先成形后加工”工藝的有關方法和實現技術，開發出用于飛行器大型薄壁件切削加工的智能柔性工裝系統，如圖3所示。

圖2 多點浮動式柔性支撐裝置

圖3 智能柔性工裝系統

圍繞飛機蒙皮零件制造過程中如何確保表面質量和外形準確度，分析了大型雙曲度蒙皮零件數字化精確成形的技術解決途徑和需要突破的關鍵技術。劉壘等[11]利用有限元分析對飛機前緣蒙皮拉形工藝參數優化，利用ASSFCAEFET600軟件生成數控代碼，進行生產性試驗及測量分析，獲得了合格的零件。胡福文等[12]基于幾何約束關系實現了柔性工裝對曲面零件的虛擬裝夾，精確計算出柔性工裝的調形參數，通過協調單元生死順序和銑削力加載，實現了切邊過程有限元仿真分析。陳哲涵等[13]針對數字化測量場的構建展開研究，討論了數字化測量場5個維度參數選取的關鍵技術，重點研究了基于關鍵測量特性的面向測量設計方法、iGPS測量系統的測量場構建和仿真。

蒙皮精確成形實現的關鍵技術

精確成形技術的一個重要發展趨勢是工藝設計由經驗判斷走向定量分析，應用數值模擬、專家系統以及試驗驗證來確定工藝參數，優化工藝方案，預測加工過程中可能產生的缺陷及采取有效防止措施控制和保證加工質量。飛機蒙皮精確成形技術實現過程主要涉及以下4項關鍵技術，如圖4所示。

圖4 蒙皮精確成形的關鍵技術

1 面向蒙皮精確成形的拉形模型面修正技術

針對蒙皮拉形模胎，模具補償法是矯正型面、減少拉形件回彈的一種有效方法。它是基于數值模擬技術，對回彈進行快速預測和補償，從而使得隨后的成形件即使產生回彈也能滿足設計精度要求的方法。在實際生產中，用模具補償法處理回彈問題時，需要獲取回彈后的沖壓件和目標沖壓件的差異值進一步分析，獲取其回彈評價作為補償的依據。對拉形模具回彈補償的過程如圖5所示。

圖5 蒙皮拉形磨具虛擬修模流程

蒙皮拉形的數值模擬突破了蒙皮零件拉伸成形過程數字化分析及設計技術，使蒙皮零件制造工藝從經驗型向科學化、標準化轉換，實現拉形回彈量的精確預測，為模面修正提供技術保障。

2 蒙皮制造過程工藝參數優化技術

在蒙皮拉形過程的有限元模擬中，通過分析蒙皮拉形過程中工藝參數對蒙皮成形質量的影響，運用最優化理論對蒙皮零件生產中容易出現的缺陷進行工藝參數優化設計，確定相關工藝參數，將缺陷的綜合指標降到最低，從而指導蒙皮制造過程；通過建立蒙皮制造過程工藝參數庫對蒙皮制造工藝參數進行管理。

2.1 蒙皮拉形工藝參數優化

蒙皮拉形過程一般分為預拉、包覆拉伸和補拉3個步驟，影響蒙皮拉形質量的工藝參數有拉伸率、包覆角以及加載模式等，包含圖6所示的工藝參數。

圖6 蒙皮拉形工藝參數示意圖

拉形過程的有限元仿真比較準確地反映了拉形的真實過程，利用最優化理論與有限元數值模擬進行工藝參數優化的過程如圖7所示，具體步驟如下。

圖7 有限元模擬與最優化理論結合的優化流程

（1）分析蒙皮零件的成形性能，判斷蒙皮在成形中可能出現的缺陷，如滑移線、粗晶、褶皺等，這些成形缺陷可以通過控制最大變形量等方法克服；分析產生缺陷的機理與影響因素，確定對成形質量起決定性作用的工藝參數，將它們作為設計變量；以可靠的成形性評價指標作為約束條件，建立最優化數學模型。

在蒙皮拉形中,需要確定的工藝參數比較多，因此利用正交試驗選取對成形質量影響較大的幾個參數作為優化設計變量，確定優化變量空間X；蒙皮拉形中卸載回彈引起的不貼模問題是制約零件精度的主要問題，因此需要以回彈量最小為目標函數，且以整個型面上各點在法向的位移U來標記回彈量的大小[15]；為了避免蒙皮拉伸造成的過度減薄，根據生產要求，以零件成形區最大減薄量不超過30%為約束條件[16]。根據以上分析建立蒙皮拉形工藝參數的優化模型：

其中，E為設計變量的邊界條件，T0為毛坯初始厚度，t 為變形后板料厚度。

（2）選擇合適的試驗設計方法指導有限元仿真，進行n 次數值模擬獲得設計變量與目標函數之間的響應數據，然后利用響應面法對試驗數據進行擬合，分別建立二次、三次等多次的多項式函數,并通過隨機生成參數進行有限元模擬驗證的方法對各個函數表達式的精確程度進行驗證以確定最終的響應面函數。

（3）采用合理的最優化理論算法，在所建立的響應面上對設計參數進行優化，實現成形工藝參數的自動尋優。

（4）利用優化后的工藝參數進行有限元模擬驗證，比較優化前后蒙皮數值模擬回彈云圖。為了定量分析回彈的大小，以零件對稱中心為坐標原點，以長度方向上對稱切面上的點為測量點，分析測量點的回彈，比較優化前后最大回彈量的改變量。

蒙皮工藝參數優化技術是成形高精度、無表面缺陷飛機蒙皮的重要手段，避免了單純數字模型方法過于依靠工藝師經驗的弊端。

2.2 蒙皮制造過程工藝參數庫系統

面向數字化裝配的大型蒙皮的精確成形過程中傳遞量均是數字量，且在設計過程中需要查閱大量的工藝手冊。為提高工藝參數設計效率，開發了基于CATIA、CAA平臺的工藝參數庫系統，總體結構如圖8所示。

圖8 蒙皮制造過程工藝參數庫系統總體結構框圖

工藝參數庫系統集成在CATIA平臺中，通過工藝參數庫系統能夠查詢飛機蒙皮制造全過程所必需的靜態工藝數據，存儲工藝設計及仿真全過程所產生的動態工藝數據；能夠提供蒙皮制造全過程所需要的知識；能夠從工藝設計所產生的NC文檔、FEM分析文檔中提取出規則化的知識和實例。蒙皮制造工藝數據庫開發的關鍵技術有以下幾點。

（1）工藝參數的獲取。

為了提升數據庫的實用性，以及盡可能減少用戶的工作強度和時間，數據獲取采用了多方面的渠道：試驗、搜集資料（試驗記錄）、預測等。同時，系統還可以隨時增加新的記錄和刪除不正確或不需要的記錄，也可以對數據進行修改。

（2）工藝參數的規則化。

對來源不同的工藝參數，需要先進行解釋和整理再進行使用，建立與零件有關特征參數的關系蒙皮材料，形成標準化規則，才能轉換為可用的工藝參數，最后存儲在工藝參數庫中。

（3）工藝方案的決策方式。

工藝方案的決策和設計主要有2種途徑，一種是基于實例的檢索式，另一種是基于規則推理的創成式。實際工藝設計中，一般首先進行實例檢索，如果找不到相匹配的工藝方案，則進行創成式設計。經過細節修改和工藝審查后，將工藝設計文檔存入數據庫。

通過不同用戶所做的試驗獲得準確的蒙皮制造參數，建立數據庫，然后用戶根據自己的需求利用系統設定的優化算法來挑選優化的參數。這樣可以大大節約時間和精力，達到大范圍的資源共享。

3 面向柔性夾持的蒙皮切邊定位

仿真技術

作為承接蒙皮成形與裝配的中間環節，蒙皮切邊的加工精度與加工質量會對整個飛機蒙皮制造過程產生重要影響。應用可重構柔性夾持工裝配合五坐標鉆銑中心，可以實現蒙皮的高效精確切邊，為后續的無應力無余量數字化精密裝配奠定基礎。但在實際生產應用中，保證定位精度和夾持穩定性是關鍵問題。

3.1 蒙皮切邊過程的定位分析

裝夾工件時，如果真空吸盤吸附位置不準確，就會非常容易改變弱剛度薄殼件的形狀，從而會使實際加工軌跡與理論軌跡之間產生誤差。這類靜態誤差相對于數控機床的加工精度來說，往往是粗大誤差，因此需要提高真空吸盤吸附位置的準確性來提高蒙皮的切邊精度。

飛機蒙皮件在裝夾、加工前，首先要根據蒙皮的數模幾何信息在計算機中確定定位/支承陣列的空間位置坐標（X，Y，Z），通過這些定位/支承陣列的離散小單元面形成大包絡面來構造與工件表面相對應的工裝定位/支承表面。計算出定位/支承陣列的位置坐標后通過PC與各支桿的控制單元進行通信，從而實現精確控制定位。

飛機蒙皮件的外形多為自由曲面，可以選用非均勻有理B樣條曲面作為理論指導，對飛機薄壁件的定位問題進行深入研究。

（1）初步計算出蒙皮表面上需要定位/支撐的所有位置坐標{（X，Y，Z）}。首先計算出零件最多能布置下工裝的排數M和每排的立柱數N，計算公式如下：

式中，L表示蒙皮的長度，W表示蒙皮的寬度，表示排架之間的安全距離。

其次，對定位點的位置進行微調，點的優化分布需要綜合考慮蒙皮的重力、強度、變形、待加工部位受力以及整體的振顫等因素，得到定位/支撐的位置坐標。

（2）根據初步求出的位置坐標以及法矢量求出與其相切的各支桿前端球心坐標{（X1，Y1，Z1）}。

（3）根據X排架上所有支桿的Y值相同，Y排架上所有支桿的X值相同這一特點，對所求的球心坐標進行最小二乘法直線擬合得到新的{（X`1，Y`1）}坐標。

（4）根據新得到的坐標{（X`1，Y`1）}可反求得到定位/支撐陣列的球心坐標點集{z`1}。

通過離散小單元面陣列所形成的的包絡來構造與工件表面相對應的工裝定位/支承，完成了對柔性定位/支承陣列位置的精確控制，實現了蒙皮類零件的高效、高精度加工，提高了總裝質量和效率。

3.2 蒙皮切邊過程穩定性校驗

作為大尺寸、弱剛性的薄壁結構件，在多點不連續支撐的柔性工裝夾持下進行切邊加工必然導致加工過程中工藝系統剛度產生劇烈變化，進而影響加工精度[18]。為了能以最小代價預測加工過程中的震顫、應力等物理量，指導實際加工，實現面向柔性夾持的蒙皮數控切邊有限元仿真分析就變得十分重要。

有限元模擬的關鍵技術包括Johnson-Cook塑性本構模型、工件與刀具的接觸設置、切屑與工件的分離準則等。以上技術的解決是建立有限元切削仿真模擬的關鍵所在。

對蒙皮切邊過程進行仿真模擬時，單元失效的標準采用廣泛應用于金屬切削數值仿真過程的Johnson-Cook（J-C）失效準則，J-C塑性本構關系模型側重于考慮應變率效應與溫度效應，對于描述大部分金屬材料的塑性變形過程是比較合適的。工件與刀具之間的接觸采用約束增強算法，該算法可以使ABAQUS/Explicit在面與面之間的接觸中默認采用動力學接觸公式，接觸剛度則由預測/修正的算法獲得。為了處理銑削仿真中切屑大變形以及切屑分離等問題，網格描述方法采用了任意拉格朗日-歐拉法，該方法繼承了Lagrangian方法和Eulerian方法的優點，將它們的缺陷降到最低，切屑與工件的分離準則中使用剪切失效準則。

為了校驗可重構柔性工裝系統的夾持穩定性，必須模擬切邊過程中的材料逐漸去除現象。目前，主要有兩種單元刪除技術用于三維銑削仿真分析，一是單元生死方法，二是單元物理失效方法[12]。本文采用單元物理失效方法，與基于單元生死方法的銑削仿真相比較[20]，該方法首先避免了事先的銑削力精確計算，其次無需考慮單元生死順序與加載過程的協調，另外考慮了刀具與工件的相互作用。這樣不僅更接近加工實際，對保障模擬精度也具有現實意義。

蒙皮切邊有限元仿真中，求解輸出的物理量不但要有應力應變，而且還要輸出銑削力和切削路徑上關鍵點的位移，通過觀察這些物理量可以分析出仿真的可靠性以及夾持穩定性。

利用有限元模擬技術對蒙皮的切邊過程進行計算機仿真，實現了“虛擬試切”的過程，可避免盲目的切邊工作，能夠高效、準確地對關鍵點處的應力、振動情況進行預測，校驗實際加工過程的穩定性，保證了蒙皮的切邊精度，為后續的無應力無余量數字化精密裝配奠定基礎。

4 蒙皮數字化測量技術

針對蒙皮零件面積大、剛性差、形狀復雜的特點，尋求提高蒙皮型面測量準確度的技術途徑，借助數字化的激光掃描技術，完成拉形、鉆孔、切邊前后蒙皮形狀檢測，采用四邊域的參數曲面擬合算法對蒙皮曲面的實測數據進行重構，將理論數模三角面片化，將實測結果與理論數模對比、校正，實現蒙皮的精確成形。

4.1 基于實測數據的蒙皮曲面重構技術

曲面重構是指從一個離散點出發，恢復點集所在原有曲面的過程。它是后續CAD/CAM/CAE的基礎，在逆向工程技術中堪稱難度最大、耗時最長的工作，約占整個逆向開發量的50%~60%。

在測量得到模型表面空間坐標數據之后，對原始實測點云數據進行預處理，采用四邊域的參數曲面擬合算法建立以特征線為中心的重構曲面模型，即可輸出數字模型。蒙皮曲面模型重構過程如圖9所示。

圖9 蒙皮曲面模型重構流程

4.2 實測曲面與理論數模的配準

在數字化檢測領域中，測量數據模型與CAD模型間不可避免地存在誤差，這些誤差會對后續的檢測模型精度等造成影響，有可能將合格的零件誤判為不合格零件，這使得數字化檢測設備的測量精度失去了意義[22]，因此需要對測量數據模型與CAD模型實現配準。

點云配準有手動配準、依賴儀器的配準和自動配準。在自動配準中，測量數據模型與CAD模型間的配準一般分為兩個階段[23]。第一個階段是初始配準，初始配準可以使測量數據模型上的數據點移動到比較靠近CAD模型的位置，從而有效地縮小模型間差異，從而為精確配準做準備。第二個階段是精確配準。精確配準是利用優化理論來求取配準的多個參數，通過目標函數的變化趨勢，確定出有利的搜索方向和步長，然后得到優化解，使得測量數據模型與CAD模型處于最佳擬合狀態。

常見的初始配準方法有：

（1）中心重合法，簡單的把兩個點云的重心重合，這種方式只能縮小平移錯位而無法縮小旋轉錯位；

（2）標簽法，即在測量時人為地貼上一些特征點，然后使用這些特征點進行定位，這種方式仍然是依賴于測量和儀器的；

（3）提取特征法，有提取平面特征、提取輪廓曲線等，這種方式要求點云有比較明顯的特征。迭代最近點算法（ICP算法）是當前應用最廣的點云精確配準算法，該方法尋找兩片點云之間的對應點對之間的關系，通過迭代方法計算兩個點云的剛性變換參數，當滿足一定的收斂精度或者設定的迭代次數時，計算出點云之間的旋轉矩陣和平移向量兩個參數。

點云配準是激光掃描系統應用于三維重建中的一個重要部分，實測曲面與理論數模的配準技術的應用提高了零件檢測的精度；數字化檢測技術的應用解決了長期以來蒙皮零件型面檢測僅依靠檢驗人員經驗判斷的問題，實現了蒙皮質量檢測的數字化，為實現無余量裝配提供了保障。

飛機蒙皮精確成形技術應用模式

蒙皮數字化制造應用體系如圖10所示，零件設計、蒙皮拉形、柔性數控切邊、非接觸數字化測量等共同支撐了飛機蒙皮的精確成形制造。零件設計中采用數字化分析及設計技術，為蒙皮成形提供了原始模型；蒙皮拉形中采用蒙皮拉形仿真技術預測蒙皮的成形缺陷，借助模具型面補償技術以及工藝參數優化技術，完成了拉伸成形過程質量控制；柔性數控切邊中利用蒙皮切邊有限元仿真技術，為校驗切邊過程穩定性提供了技術保障；非接觸數字化測量可提高蒙皮測量精度以及測量效率，實現飛機零部件快速檢測，最終形成飛機數字化設計-制造-檢驗的閉環控制，實現了蒙皮的凈邊交付。

結束語

實現蒙皮零件精確成形是改變目前生產中存在的蒙皮制造精度不高、質量不穩定、難于形成工業化大生產制造模式的重要途徑。目前，國內精確成形技術雖然在近幾十年得到了巨大發展，但是與國際航空企業的應用水平還有一定的差距。本文完成的大型蒙皮精確成形技術研究可為我國飛機蒙皮裝配實現精確裝配、無余量裝配提供參考，為實現大型蒙皮的數字化生產提供依據。隨著對蒙皮精確成形技術的不斷深入研究，我國將會大力推進國內飛機蒙皮制造的數字化、精準化、柔性化水平，促進當代飛機新型制造模式的變革。

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