● 摘要
飞机蒙皮柔性夹持数控铣切技术是一种基于可重构柔性夹持工装约束定位、采用五轴双摆头龙门铣床进行蒙皮切边的工艺方法，是飞机蒙皮壁板零件数字化柔性制造的核心技术之一。作为新一代蒙皮切边技术，它改变了基于刚性工装定位的传统切边工艺，实现了工艺全过程数字量的传递和协调，能够大幅度减少刚性工装数量，降低制造成本，缩短制造周期，充分发挥数控机床效能。因此，我国航空制造企业迫切需要发展这种数字化、柔性化的蒙皮精准切边技术。然而，由于柔性工装以“多点动态夹持定位”代替了刚性工装的“连续面积支承定位” (以点带面)，并且蒙皮零件刚度弱、形状复杂，导致整个工艺系统的工艺性非常差，造成夹持定位精度和夹持稳定性成为该技术的应用瓶颈。本文面向新工艺、新装备的特点及工程化应用需求，以获得优化的工艺实施方案为目标，综合运用多学科多领域的理论和技术，在下列方面进行了比较深入的系统研究。(1)研究了弹性曲面零件的动态多点定位原理及可重构柔性夹持工装的定位参数计算方法。首先，从充分定位、精确定位、稳定夹持和基准协调等四个方面详细分析了弱刚性薄壳零件的定位特点。然后，针对飞机蒙皮柔性夹持数控切边过程中有效定位点动态变化的特征，提出了多点动态定位原理，即“X-2-1”定位原理。最后，结合可重构柔性夹持工装的结构原理及特点，研究了夹持定位布局设计和定位参数计算方法，系统解决了弹性曲面零件多点夹持定位的容许性判断、夹持姿态设计、夹持布局设计以及柔性工装调形参数计算等问题。试验结果分析表明，所提出的柔性工装定位参数计算方法及计算精度，能够满足弹性曲面零件多点夹持定位的技术要求。(2)研究了弹性曲面零件柔性夹持数控切边过程的几何及物理仿真建模方法。首先，研究了五轴双摆头龙门铣床的后置处理算法，建立了集机床模型、柔性工装模型等于一体的蒙皮切边过程虚拟仿真环境，实现了干涉碰撞检测以及数控代码校验。然后，根据有限元理论中单元去除原理，实现了切边时的材料连续去除，提出了动态铣削力加载和单元生死顺序协调方法，建立了切边过程有限元仿真模型。然后，利用所建立的切边物理仿真模型，分析了夹持定位布局、切削参数及切边路径等因素对整个工艺系统动态刚度的影响，发现了工艺系统刚度动态变化的“阶跃”现象，并给出了改善整体工艺系统刚度的方法。试验结果分析表明，所建立的切边过程几何及物理仿真模型能够有效地检验干涉碰撞现象，有利于改善工艺系统刚度。(3)研究了弹性曲面零件柔性夹持数控切边工艺优化方法。首先，建立了蒙皮柔性夹持数控切边的工艺优化模型，并为了提高收敛速度和减少计算量，提出了基于分层离散的求解策略。然后，考虑到可重构柔性夹持工装的排架式结构所带来的变量耦合问题，利用吸盘的局部作用效应，改进了分布估计优化算法，实现了柔性工装夹持布局的快速智能优化设计。试验结果分析表明，所建立的优化模型能够实现切边工艺的方案优化，从而减少了工艺设计的盲目性，减少了对工艺人员的经验依赖。(4)研究了弹性曲面零件数控铣切力的预测建模方法。首先研究了基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE)有限元法的三维铣削仿真建模方法，研究了支持向量机原理，研究了铣削力计算的机械力学模型。然后，提出了一种基于ALE有限元法和多输入多输出支持向量机回归的小样本综合型蒙皮铣切力建模方法。试验结果分析表明，该方法可以实现铣削力的精确计算，从而为基于单元生死实现切边过程物理仿真时施加动态载荷奠定了基础。(5)研究了面向蒙皮柔性夹持数控切边工艺设计仿真优化系统的开发及集成方法。首先，解决了基于CAD的几何模型、基于FEM的物理模型、工艺知识模型和优化模型等异构模型的集成问题。然后，深入研究了基于面向对象及组件技术的CATIA和Abaqus软件二次开发原理。最后，开发了飞机蒙皮数字化柔性切边的工艺设计仿真优化系统，实现了工艺设计过程的数字化、流程化、自动化和可视化。多次应用试验表明，所开发的工艺设计仿真优化系统能够满足新技术、新装备的工程化应用需求。弹性曲面零件的数字化柔性精准切边技术是飞机蒙皮全过程数字化柔性制造的最后堡垒，本文相关的研究成果有助于加快该项技术的工程化应用。所开发的工艺设计仿真系统是新技术、新装备工程生产应用必不可少的关键支撑技术，在航空航天制造领域有重大应用价值。
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