說(shuō)在前面：
飛機(jī)蒙皮是指包圍在飛機(jī)骨架結(jié)構(gòu)外且用粘接劑或鉚釘固定于骨架上，形成飛機(jī)氣動(dòng)力外形的維形構(gòu)件。飛機(jī)蒙皮與骨架所構(gòu)成的蒙皮結(jié)構(gòu)具有較大承載力及剛度，而自重卻很輕，起到承受和傳遞氣動(dòng)載荷的作用。蒙皮承受空氣動(dòng)力作用后將作用力傳遞到相連的機(jī)身機(jī)翼骨架上，受力復(fù)雜，加之蒙皮直接與外界接觸，所以不僅要求蒙皮材料強(qiáng)度高、塑性好，還要求表面光滑，有較高的抗蝕能力。
早期的或低速小型飛機(jī)用布（麻、棉)作為蒙皮，此時(shí)的蒙皮只能承受部分有限的氣動(dòng)載荷，不參加整體受力。飛機(jī)常見(jiàn)的蒙皮有金屬蒙皮，復(fù)合材料層壓蒙皮、夾層蒙皮和整體壁板等。
早期低速飛機(jī)的蒙皮是布質(zhì)的，即用紡織品包裹在木質(zhì)或金屬框架上，并在此基礎(chǔ)上涂覆一層不透水、不透氣的薄膜以滿足飛行的需要。隨著飛機(jī)飛行速度、飛行高度及自身重量的增加，金屬蒙皮完全取代了布質(zhì)蒙皮。常規(guī)飛機(jī)的蒙皮材料主要采用高強(qiáng)鋁、鎂合金，某些高性能飛機(jī)采用鈦合金或復(fù)合材料。 [1]
機(jī)翼的蒙皮
現(xiàn)代飛機(jī)的蒙皮廣泛使用硬鋁、超硬鋁、鋁鋰合金新材料，有些飛行馬赫數(shù)約為2.5的高超聲速飛機(jī)使用鈦合金；有些飛行馬赫數(shù)約為3的飛機(jī)使用不銹鋼蒙皮。夾層蒙皮由上、下兩塊面板和中間芯材組成，芯材有蜂窩夾芯、泡沫塑料、波紋板等。復(fù)合材料蒙皮(或壁板)由于其特殊的優(yōu)異性能，被廣泛地用于第四代戰(zhàn)斗機(jī)和近些年來(lái)設(shè)計(jì)的飛機(jī)的翼面結(jié)構(gòu)上。
Dufieux? 公司蒙皮鏡像銑技術(shù)是大約15年前與空中客車公司合作開(kāi)發(fā)的一種專用加工中心，可對(duì)三維鋁蒙皮件進(jìn)行雙面高速減薄銑削、鉆孔和修邊作業(yè)。
它由兩臺(tái)鏡像布置的六軸六聯(lián)動(dòng)銑床構(gòu)成，它們同步運(yùn)動(dòng)，在夾持零件的同時(shí)兩側(cè)對(duì)稱運(yùn)動(dòng)。一個(gè)配有銑削用電主軸，另一個(gè)則支撐一個(gè)反向支撐，始終保持工件接觸，抑制加工過(guò)程中的振動(dòng)。
零件被固定于靈活的夾持中，由一個(gè)帶夾具的框架構(gòu)成，夾具可以適應(yīng)不同的形狀。當(dāng)在柔性加工生產(chǎn)線布局下，穿梭運(yùn)輸車允許同時(shí)管理多個(gè)部件，為多臺(tái)并列主機(jī)上下料，優(yōu)化了工件裝載/卸載時(shí)間。
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今天給大家介紹一下蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)：蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)是為替代化銑加工而開(kāi)發(fā)的新一代蒙皮精確制造設(shè)備，具備機(jī)身蒙皮、機(jī)尾翼蒙皮等單曲面和雙曲面蒙皮零件壁厚銑薄、蒙皮切邊、鉆孔等加工能力。SINUMERIK DGEN（Dual Generic Transformation）功能是SINUMERIK 840D sl運(yùn)動(dòng)學(xué)變換的一種，可實(shí)現(xiàn)雙五軸鏡像結(jié)構(gòu)機(jī)床的鏡像控制。
一、蒙皮制造工藝
1、飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)特征
蒙皮零件是飛機(jī)的外表零件，是飛機(jī)的重要受力構(gòu)件。蒙皮零件外形復(fù)雜，精度要求高，其厚度方向的精度要求達(dá)到了±0.1mm，考慮到飛機(jī)減重設(shè)計(jì)，蒙皮零件設(shè)計(jì)大量的下陷面，最薄處厚度約1mm，對(duì)于本身是復(fù)雜曲面薄壁零件的蒙皮零件，其加工工藝一直是制造領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)，其大尺寸、弱剛性以及形狀復(fù)雜使飛機(jī)蒙皮零件的數(shù)控加工成為制造業(yè)的一個(gè)難題。
圖1：飛機(jī)蒙皮
2、蒙皮工件加工現(xiàn)狀
2.1、第一代：傳統(tǒng)工藝-化銑
飛機(jī)蒙皮工件通過(guò)拉伸成形或滾彎成形后，通常采用化銑工藝進(jìn)行后續(xù)加工?；婋m然可以解決復(fù)雜凹腔 / 凹面的加工問(wèn)題，但存在化學(xué)污染、耗電量大、消耗鋁材無(wú)法回收等問(wèn)題。
圖2：第一代-化銑
2.2、第二代：數(shù)銑
近幾年，國(guó)內(nèi)多家主機(jī)廠從國(guó)外購(gòu)買真空柔性吸附裝置，配以五軸數(shù)控銑床加工蒙皮工件。然而真空柔性吸附裝置裝夾只能對(duì)蒙皮曲面進(jìn)行多點(diǎn)離散支承夾持，在刀具對(duì)夾持點(diǎn)之間的懸空區(qū)域，特別是較薄蒙皮切削加工時(shí)，蒙皮會(huì)不可避免地發(fā)生顫振，銑切深度和表面粗糙度無(wú)法控制，達(dá)不到精度要求，因此僅通過(guò)柔性?shī)A持裝置和五軸數(shù)控銑床組合式加工仍無(wú)法完全替代化銑。
圖3：第二代-數(shù)銑
2.3、第三代：鏡像銑
針對(duì)傳統(tǒng)蒙皮工件加工存在的問(wèn)題，一種新技術(shù)應(yīng)用到蒙皮工件的加工中，即蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)。目前國(guó)外法國(guó)Dufieux公司和西班牙M.Torres公司研制的裝備已在航空制造企業(yè)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)大連理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、航空工業(yè)制造院等單位在雙五軸鏡像裝置、柔性?shī)A具乃至整機(jī)進(jìn)行了研究。
在蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)中，銑削刀具的位置和姿態(tài)與背部協(xié)同頂撐裝置的位置和姿態(tài)時(shí)刻成鏡像關(guān)系，同步協(xié)同運(yùn)動(dòng)，完成蒙皮加工。蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)可替代化銑加工步驟及所需設(shè)備，一次裝夾完成蒙皮所有加工（銑面、銑下陷、銑通窗、切邊、鉆孔），具有高精度、小污染、能耗小的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)單曲和雙曲蒙皮的先進(jìn)制造工藝技術(shù)。
圖4：Dufieux 公司的蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)
圖5：MTorres公司的蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)
二、鏡像銑概述
1、蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)組成
蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)是為替代化銑加工而開(kāi)發(fā)的新一代蒙皮精確制造設(shè)備，具備機(jī)身蒙皮、機(jī)尾翼蒙皮等單曲面和雙曲面蒙皮零件壁厚銑薄、蒙皮切邊、鉆孔等加工能力。
該系統(tǒng)包含1臺(tái)臥式 TORRESMILL機(jī)床、1臺(tái)臥式TORRESMILL柔性?shī)A具以及 1 個(gè)頂撐裝置TORRESHOLDER。TORRESHOLDER頂撐裝置能夠在TORRESMILL機(jī)床進(jìn)行蒙皮下陷銑削時(shí)，從背后對(duì)蒙皮工件進(jìn)行頂撐。為了獲得高柔性化，TORRESMILL機(jī)床必須與TORRESTOOL柔性?shī)A具裝置以及TORRESHOLDER蒙皮頂撐裝置實(shí)現(xiàn)集成化和協(xié)同工作。TORRESHOLDER集成了超聲波厚度在線控制和補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)可檢測(cè)最終加工完成后的工件厚度，并可實(shí)現(xiàn)蒙皮加工過(guò)程厚度實(shí)時(shí)檢測(cè)和補(bǔ)償功能。
圖6：蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)和TORRESTOOL柔性?shī)A具
臥式結(jié)構(gòu)的TORRESMILL銑床結(jié)合TORRESTOOL柔性?shī)A具和TORRESHOLDER支撐裝置，為蒙皮銑削工藝提供了柔性化的解決方案，對(duì)布局、工件搬運(yùn)以及整體加工周期起到優(yōu)化作用。
2、蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)加工原理
蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)采用8自由度的切削銑頭加工蒙皮工件，5自由度的頂撐頭隨切削銑頭同步運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蒙皮工件的隨動(dòng)頂撐加工，內(nèi)置于頂撐裝置內(nèi)部的超聲波厚度在線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)加工厚度并進(jìn)行厚度補(bǔ)償，確保加工剛性，保證加工精度。TORRESHOLDER柔性?shī)A具與加工刀具形成鏡像加工，蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)加工原理圖下圖所示。
圖7：蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)加工原理圖
臥式TORRESMILL機(jī)床包含X、Y、Z、V、W這5個(gè)移動(dòng)軸和A、C、U這3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，其中W軸 可實(shí)現(xiàn)100mm的主軸線性移動(dòng)，V軸為主軸推頭的軸向運(yùn)動(dòng)軸，可實(shí)現(xiàn)沿W方向軸向運(yùn)動(dòng)。U軸為防振顫裝置繞刀軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸。為了防止蒙皮加工過(guò)程顫振，在鉆孔和切通窗過(guò)程中在切削銑頭上安裝帶有氣動(dòng)壓力制動(dòng)器的推頭裝置，將蒙皮工件壓緊在背部TORRESHOLDER上。下圖 為TORRESMILL銑頭工作原理。
圖8：TORRESMILL銑頭工作原理
三、鏡像銑應(yīng)用現(xiàn)狀
航空工業(yè)洪都于2013年開(kāi)始試驗(yàn)，應(yīng)用于C919前機(jī)身和中后機(jī)身蒙皮加工。在加工工藝試驗(yàn)和應(yīng)用方面，對(duì)工藝方案、編程方法、加工參數(shù)、工裝設(shè)計(jì)與刀具進(jìn)行改進(jìn)。在銑削機(jī)理和銑削變形研究，基于特征的蒙皮鏡像銑快速編程、蒙皮自適應(yīng)加工關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用等方面形成了成套的技術(shù)解決方案。
圖9：MTorres公司的蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)
四、使用SINUMERIK DGEN功能實(shí)現(xiàn)鏡像銑的雙五軸鏡像加工
1、鏡像銑運(yùn)動(dòng)分析和系統(tǒng)配置
1.1、鏡像銑削系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析
SINUMERIK DGEN（Dual Generic Transformation）功能（選件及編譯循環(huán)）是SINUMERIK 840D sl運(yùn)動(dòng)學(xué)變換的一種，可實(shí)現(xiàn)雙五軸鏡像結(jié)構(gòu)機(jī)床的鏡像控制，其選件訂貨號(hào)為6FC5800-0AN34-0YB0。下圖為C-A和B-A鏡像結(jié)構(gòu)耦合運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，其運(yùn)動(dòng)主要包含銑削運(yùn)動(dòng)和頂撐運(yùn)動(dòng)，即主動(dòng)部分和從動(dòng)部分組成，可通過(guò)SINUMERIK DGEN在加工坐標(biāo)系WCS下進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)部分和從動(dòng)部分的Base Coordinate System分別為BCSMaster和BCSSlave，BCSSlave相對(duì)于BCSMaster的位置用FMS表示。
圖10：C-A和B-A鏡像結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
（1）主動(dòng)部分：即銑削系統(tǒng)，為XYZAC五軸結(jié)構(gòu)，主要用于飛機(jī)蒙皮銑面、銑下陷、銑通窗、切邊以及鉆孔加工，加工過(guò)程中銑削刀具刀軸矢量為蒙皮銑削位置法矢方向。
（2）從動(dòng)部分：即頂撐裝置，為XA YA ZA BA AA五軸結(jié)構(gòu)，主要用于鏡像銑削過(guò)程中，在背部對(duì)蒙皮銑削區(qū)域進(jìn)行頂撐，防止蒙皮加工過(guò)程中顫振。同時(shí)，頂撐裝置內(nèi)設(shè)置超聲測(cè)厚裝置，加工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蒙皮厚度并將實(shí)際厚度與理論厚度的誤差傳遞給SIEMENS系統(tǒng)，SIEMENS系統(tǒng)根據(jù)誤差值實(shí)時(shí)調(diào)整刀具對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
（3）耦合運(yùn)動(dòng)：銑削系統(tǒng)和頂撐裝置在加工坐標(biāo)系WCS下進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)，即刀尖點(diǎn)位置和頂撐點(diǎn)位置之間的距離為蒙皮銑削厚度值，刀具矢量與頂撐裝置矢量在同一直線呈相反方向。銑削過(guò)程中，銑削壓力和頂撐力共同作用，保障加工穩(wěn)定性。雙五軸鏡像結(jié)構(gòu)耦合運(yùn)動(dòng)指令為X Y Z A C XA YA ZA BA AA。耦合運(yùn)動(dòng)機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖11：雙五軸鏡像結(jié)構(gòu)機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.2、雙五軸鏡像耦合運(yùn)動(dòng)配置
SINUMERIK DGEN中耦合運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換主要是主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和從動(dòng)運(yùn)動(dòng)通道數(shù)據(jù)設(shè)置，如下圖所示。耦合運(yùn)動(dòng)通過(guò)TRAORI (2)激活，通過(guò)CC_FRAME實(shí)現(xiàn)銑削結(jié)構(gòu)線性運(yùn)動(dòng)平移至頂撐結(jié)構(gòu)（主動(dòng)→從動(dòng)平移），其配置如下：
（1）耦合雙五軸鏡像運(yùn)動(dòng)配置
DEF FRAME MYFRAME
MYFRAME = $P_ACTFRAME
MYFRAME[YC2,TR] = MYFRAME[Y,TR]
MYFRAME[ZC2,TR] = MYFRAME[Z,TR]
CC_FRAME(MYFRAME)
從動(dòng)為五軸運(yùn)動(dòng)，定義從動(dòng)軸：MD 62186 $MC_DGEN_SLAVE_ORI_MODE = 5
鏡像耦合運(yùn)動(dòng)后的代碼為：WCS: X, Y, Z, A, C, XA, YA, ZA, AA, BA
（2）基于OEM的運(yùn)動(dòng)變換配置
變換定義：MD 24200 $MC_TRAFO_TYPE_2 = 4100
軸的耦合定義在MD 24210 $MC_TRAFO_AXES_IN_2中進(jìn)行定義。
變換2的軸分配（ MD 24210 $MC_TRAFO_AXES_IN_2 ）；
$MC_TRAFO_AXES_IN_2 [0] = $MC_TRAFO_AXES_IN_1 [0] (主通道)
$MC_TRAFO_AXES_IN_2 [1] = $MC_TRAFO_AXES_IN_1 [1]
$MC_TRAFO_AXES_IN_2 [2] = $MC_TRAFO_AXES_IN_1 [2]
$MC_TRAFO_AXES_IN_2 [3] = $MC_TRAFO_AXES_IN_1 [3]
$MC_TRAFO_AXES_IN_2 [4] = $MC_TRAFO_AXES_IN_1 [4]
$MC_TRAFO_AXES_IN_2 [5] = 0
$MC_TRAFO_AXES_IN_2[6-10] =從運(yùn)動(dòng)通道軸數(shù)
（3）FMS配置
通道1激活： TRAORI(2)
通道2激活： MD 62185 $MC_DGEN_INVERT_FMS = TRUE
通道2五軸： MD 62186 $MC_DGEN_SLAVE_ORI_MODE = 5
圖12：鏡像運(yùn)動(dòng)耦合變換
2、SUNUMERIK DGEN應(yīng)用案例
給出的部分鏡像銑削NC程序如下：
N05 TRAORI (2)
N10 THCKTARGET 5.500
N15 POCKETLENGTH (633.074,564.953)
N20 G0 X677.893 Y1150.342 Z156.855 A29.108 C9.316 XA=677.459 YA=1152.983 ZA=152.049 AA=28.688 BA=5.150
N25 G0 X677.176 Y1164.715 Z164.902 A29.633 C9.291 XA=676.737 YA=1167.399 ZA=160.122 AA=29.206 BA=5.247
N30 G1 F12000
N35 X676.445 Y1179.006 Z173.078 A30.156 C9.267 XA=676.000 YA=1181.733 ZA=168.323 AA=29.722 BA=5.345
N40 X677.893 Y1150.342 Z156.855 A29.108 C9.316 XA=677.459 YA=1152.983 ZA=152.049 AA=28.688 BA=5.150
N45 X678.592 Y1135.936 Z148.962 A28.584 C9.343 XA=678.165 YA=1138.532 ZA=144.133 AA=28.170 BA=5.055
N50 X679.275 Y1121.504 Z141.228 A28.060 C9.372 XA=678.854 YA=1124.056 ZA=136.374 AA=27.653 BA=4.961
N55 X679.941 Y1107.050 Z133.653 A27.536 C9.403 XA=679.525 YA=1109.559 ZA=128.776 AA=27.135 BA=4.869
N60 X680.589 Y1092.578 Z126.237 A27.013 C9.436 XA=680.179 YA=1095.042 ZA=121.337 AA=26.618 BA=4.778
N65 X681.221 Y1078.087 Z118.980 A26.490 C9.471 XA=680.817 YA=1080.507 ZA=114.057 AA=26.101 BA=4.688
……
基于SINUMERIK DGEN運(yùn)動(dòng)變換和鏡像運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)鏡像銑削程序的鏡像運(yùn)動(dòng)，以大飛機(jī)某艙門蒙皮為例進(jìn)行銑削應(yīng)用驗(yàn)證。采用上述的鏡像運(yùn)動(dòng)建模和求解方法生成鏡像加工程序，采用基于SINUMERIK DGEN運(yùn)動(dòng)變換進(jìn)行設(shè)置，加工后的零件如下圖所示。采用測(cè)厚儀對(duì)加工驗(yàn)證的蒙皮厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后蒙皮厚度誤差滿足公差要求。
圖13：鏡像運(yùn)動(dòng)控制銑削的蒙皮零件
