說在前面：
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載荷的作用。蒙皮承受空氣動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載荷，不參加整體受力。飛機(jī)常見的蒙皮有金屬蒙皮，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發(fā)的一種專用加工中心，可對三維鋁蒙皮件進(jìn)行雙面高速減薄銑削、鉆孔和修邊作業(yè)。
它由兩臺鏡像布置的六軸六聯(lián)動銑床構(gòu)成，它們同步運(yùn)動，在夾持零件的同時(shí)兩側(cè)對稱運(yùn)動。一個配有銑削用電主軸，另一個則支撐一個反向支撐，始終保持工件接觸，抑制加工過程中的振動。
零件被固定于靈活的夾持中，由一個帶夾具的框架構(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)管理多個部件，為多臺并列主機(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 / 凹面的加工問題，但存在化學(xué)污染、耗電量大、消耗鋁材無法回收等問題。
圖2：第一代-化銑
2.2、第二代：數(shù)銑
近幾年，國內(nèi)多家主機(jī)廠從國外購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蒙皮曲面進(jìn)行多點(diǎn)離散支承夾持，在刀具對夾持點(diǎn)之間的懸空區(qū)域，特別是較薄蒙皮切削加工時(shí)，蒙皮會不可避免地發(fā)生顫振，銑切深度和表面粗糙度無法控制，達(dá)不到精度要求，因此僅通過柔性夾持裝置和五軸數(shù)控銑床組合式加工仍無法完全替代化銑。
圖3：第二代-數(shù)銑
2.3、第三代：鏡像銑
針對傳統(tǒng)蒙皮工件加工存在的問題，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)。目前國外法國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、柔性夾具乃至整機(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，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臺臥式 TORRESMILL機(jī)床、1臺臥式TORRESMILL柔性夾具以及 1 個頂撐裝置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柔性夾具裝置以及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)可檢測最終加工完成后的工件厚度，并可實(shí)現(xiàn)蒙皮加工過程厚度實(shí)時(shí)檢測和補(bǔ)償功能。
圖6：蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)和TORRESTOOL柔性夾具
臥式結(jié)構(gòu)的TORRESMILL銑床結(jié)合TORRESTOOL柔性夾具和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)動實(shí)現(xiàn)蒙皮工件的隨動頂撐加工，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柔性夾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個移動軸和A、C、U這3個旋轉(zhuǎn)軸，其中W軸 可實(shí)現(xiàn)100mm的主軸線性移動，V軸為主軸推頭的軸向運(yùn)動軸，可實(shí)現(xiàn)沿W方向軸向運(yùn)動。U軸為防振顫裝置繞刀軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軸。為了防止蒙皮加工過程顫振，在鉆孔和切通窗過程中在切削銑頭上安裝帶有氣動壓力制動器的推頭裝置，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)動分析和系統(tǒng)配置
1.1、鏡像銑削系統(tǒng)運(yùn)動分析
SINUMERIK DGEN（Dual Generic Transformation）功能（選件及編譯循環(huán)）是SINUMERIK 840D sl運(yùn)動學(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，其選件訂貨號為6FC5800-0AN34-0YB0。下圖為C-A和B-A鏡像結(jié)構(gòu)耦合運(yùn)動簡圖，其運(yùn)動主要包含銑削運(yùn)動和頂撐運(yùn)動，即主動部分和從動部分組成，可通過SINUMERIK DGEN在加工坐標(biāo)系WCS下進(jìn)行耦合運(yùn)動。主動部分和從動部分的Base Coordinate System分別為BCSMaster和BCSSlave，BCSSlave相對于BCSMaster的位置用FMS表示。
圖10：C-A和B-A鏡像結(jié)構(gòu)運(yùn)動簡圖
（1）主動部分：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，加工過程中銑削刀具刀軸矢量為蒙皮銑削位置法矢方向。
（2）從動部分：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程中，在背部對蒙皮銑削區(qū)域進(jìn)行頂撐，防止蒙皮加工過程中顫振。同時(shí)，頂撐裝置內(nèi)設(shè)置超聲測厚裝置，加工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測蒙皮厚度并將實(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)整刀具對加工區(qū)域進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
（3）耦合運(yùn)動：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，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)動指令為X Y Z A C XA YA ZA BA AA。耦合運(yùn)動機(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)動配置
SINUMERIK DGEN中耦合運(yùn)動轉(zhuǎn)換主要是主動運(yùn)動和從動運(yùn)動通道數(shù)據(jù)設(shè)置，如下圖所示。耦合運(yùn)動通過TRAORI (2)激活，通過CC_FRAME實(shí)現(xiàn)銑削結(jié)構(gòu)線性運(yùn)動平移至頂撐結(jié)構(gòu)（主動→從動平移），其配置如下：
（1）耦合雙五軸鏡像運(yùn)動配置
DEF FRAME MYFRAME
MYFRAME = $P_ACTFRAME
MYFRAME[YC2,TR] = MYFRAME[Y,TR]
MYFRAME[ZC2,TR] = MYFRAME[Z,TR]
CC_FRAME(MYFRAME)
從動為五軸運(yùn)動，定義從動軸：MD 62186 $MC_DGEN_SLAVE_ORI_MODE = 5
鏡像耦合運(yùn)動后的代碼為：WCS: X, Y, Z, A, C, XA, YA, ZA, AA, BA
（2）基于OEM的運(yùn)動變換配置
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)動變換和鏡像運(yùn)動模型，實(shí)現(xiàn)鏡像銑削程序的鏡像運(yùn)動，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)動建模和求解方法生成鏡像加工程序，采用基于SINUMERIK DGEN運(yùn)動變換進(jìn)行設(shè)置，加工后的零件如下圖所示。采用測厚儀對加工驗(yàn)證的蒙皮厚度進(jìn)行測量，測量后蒙皮厚度誤差滿足公差要求。
圖13：鏡像運(yùn)動控制銑削的蒙皮零件
