● 摘要
蒙皮是飞机钣金零件的重要组成部分，拉伸成形工艺（拉形）是制造飞机蒙皮最主要的工艺方法。传统的蒙皮拉形工艺需要制造大量的实体模具，带来了蒙皮零件研制周期长、成本高和二次或多次修模等一系列问题。可重构柔性多点模具蒙皮拉形技术的研究和应用，对发展拉形模具“以一代多”的成形模式，修正模具型面、补偿零件回弹，实现飞机蒙皮的数字化成形制造具有重要意义。本文采用试验平台研制、工艺试验研究和形状控制技术相结合的研究方法，对可重构柔性多点模具蒙皮拉形技术进行了系统深入的研究。本文第一部分分析了100吨数控拉形试验机的功能和结构，采用多工步PID自适应控制技术和虚拟轴速度同步运动控制技术，开发了数控拉形试验机控制系统软件，实现了数控拉形试验机全闭环数字控制，建立了数控蒙皮拉形试验平台，为蒙皮数字化成形技术研究提供了试验条件保障。本文第二部分系统研究了蒙皮拉形可重构柔性多点模具系统的结构、调形控制方法及模面生成等关键技术。采用“模块化”的设计思想，提出了一种“并—串”混合式调形控制模式，设计了分时分步式多轴伺服微型电机运动控制单元，开发了可重构柔性多点模具数字调形控制软件，研制出模面尺寸为600×420mm的试验型蒙皮拉形可重构柔性多点模具系统，为开展多点模具蒙皮拉形工艺技术研究提供了硬件保障。本文第三部分采用正交试验设计方法，基于试验型可重构柔性多点模具，开展了多点模具蒙皮拉形有限元数值模拟和工艺试验研究。在分析多点模具蒙皮拉形零件表面缺陷的表现形式及各项因素（钉柱尺寸、垫层参数）对零件表面质量的影响规律的基础上，重点研究了聚氨酯橡胶弹性垫层对多点模具蒙皮拉形零件表面缺陷的抑制作用，以及拉伸量和接触条件（摩擦）对成形质量的影响。试验表明，在弹性垫层和板料之间增加聚四氟乙烯布，改变摩擦润滑状态，有助于拉形中板料各区域变形更加充分和均匀，提高零件成形精度；聚氨酯橡胶弹性垫层厚度≥25mm，成形的蒙皮零件表面光顺，完全满足蒙皮零件表面质量要求。通过系统的工艺试验，掌握了可重构柔性多点模具蒙皮拉形工艺，确定出合理有效的工艺参数，为该项工艺技术的工程化应用奠定了基础。本文第四部分基于控制理论中的信号分析与处理方法，对实现可重构柔性多点模具模面优化的蒙皮拉形闭环形状控制技术进行了研究。分析和建立了蒙皮拉形闭环形状控制系统模型和蒙皮零件与多点模具对应的误差表征方法；在分析讨论基于时域、频域的闭环形状控制系统变形传递函数设计方法的基础上，针对复杂蒙皮型面的特点，综合考虑蒙皮曲率特征、计算效率和控制精度，提出了一种基于曲率分段的时频混合域闭环形状控制变形传递函数设计方法。开发了可重构柔性多点模具蒙皮拉形闭环形状控制系统应用软件，实现了闭环形状控制计算过程中的参数可视化和多点模具包络面的自动计算及优化补偿，为可重构柔性多点模具蒙皮拉形技术的应用提供了软件支持。本文最后基于光学非接触数字化测量技术和误差分析技术，针对单曲度、双曲度和马鞍形复杂蒙皮零件开展了蒙皮拉形闭环形状控制试验研究，验证了开发的多点模具蒙皮拉形闭环形状控制软件系统的准确性和实用性。分析了每种蒙皮零件在不同闭环形状控制方法下形状控制的收敛特性以及每种闭环形状控制方法对不同曲面蒙皮零件形状控制的适应性。试验研究表明，基于时域的比例分析法和基于频域的Welch分析方法对简单形状蒙皮零件拉形形状控制有一定的优势，对于马鞍形复杂形状蒙皮零件的拉形，基于曲率分段的时频混合域分析方法在形状控制收敛速度和贴模精度两方面均有明显优势。本文开展的可重构柔性多点模具蒙皮拉形数字化成形技术研究以及开发的相关应用软件系统，对研制生产型可重构柔性多点拉形模具，发展和应用多点模具蒙皮拉形工艺技术，实现传统的飞机蒙皮成形方式向节能、高效、低成本的制造模式转变，推动蒙皮制造的数字化、精准化和柔性化，具有实用价值和应用前景。