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        摘 要：在研究飛機(jī)大部件對(duì)合面加工過(guò)程中，通過(guò)分析對(duì)合面加工工藝流程，借助激光輪廓掃描儀獲取加工面形狀以及基準(zhǔn)孔位置，計(jì)算出待加工面的平面度和孔位關(guān)系。 實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)合面的加工狀況，建立精確的飛機(jī)對(duì)合面加工工藝流程，以提高對(duì)合面加工精度和加工效率，從而提高飛機(jī)大部件裝配精度。
 
        關(guān)鍵詞：加工中心 激光輪廓掃描儀 工藝流程 加工精度
 
        近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及信息化技術(shù)的發(fā)展， 飛機(jī)大部件數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)迅速提高［1］。 在飛機(jī)裝配過(guò)程中，對(duì)大部件對(duì)合面進(jìn)行精加工的目的是為了消除之前工序的累積誤差， 保證對(duì)接裝配的協(xié)調(diào)性與互換性， 進(jìn)而保證飛機(jī)的裝配質(zhì)量。 傳統(tǒng)的飛機(jī)大部件對(duì)接裝配方法采用人工強(qiáng)迫定位與裝夾，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效精確的對(duì)接面測(cè)量，導(dǎo)致對(duì)合面加工存在較大風(fēng)險(xiǎn)。 大部件對(duì)合面在裝夾狀態(tài)下進(jìn)行精加工，加工完成放松后會(huì)產(chǎn)生回彈變形，使相對(duì)理論尺寸發(fā)生偏移，導(dǎo)致對(duì)接困難，而且由人工進(jìn)行精加工，精度和效率都非常低。
 
       為了在飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接裝配中實(shí)現(xiàn)以數(shù)控加工方法取代傳統(tǒng)方法， 筆者以某型飛機(jī)中外翼發(fā)房對(duì)接中對(duì)合面的加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究為例， 詳細(xì)說(shuō)明飛機(jī)對(duì)合面加工過(guò)程中的基準(zhǔn)檢測(cè)和工藝過(guò)程， 通過(guò)激光輪廓掃描儀對(duì)加工前對(duì)合面的平面度、輪廓、孔位基準(zhǔn)等進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出加工量和加工位置，為主軸銑平面和鉆孔提供位置運(yùn)動(dòng)參數(shù)依據(jù)， 完成對(duì)合面的完全對(duì)合。
 
      1、 對(duì)合面的加工特性分析
  
      飛機(jī)大部件數(shù)字化裝配系統(tǒng)中對(duì)合面的精加工包括面加工和孔加工兩部分， 其中對(duì)合面的面加工主要為銑平面，使兩個(gè)對(duì)合面可以完全貼合。對(duì)合面的孔加工需要經(jīng)過(guò)鉆孔、擴(kuò)孔以及鉸孔等工藝步驟，必須保證精確的孔位、孔徑和表面質(zhì)量，才可以實(shí)現(xiàn)對(duì)合面的精確對(duì)合連接裝配。 對(duì)合面的材料類(lèi)型對(duì)于精加工也有重要 影響，主要包 括鋁合金 7050、鋼襯套 30CrMnSiA等，不同材料的切削加工性能也存在較大差異。
 
      2 、對(duì)合面加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
      對(duì)合面精加工設(shè)備采用專用加工中心， 有 4 個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，具備可在 X、Y、Z 3 個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)控制單元。 另外繞 Y 軸進(jìn)給方向有一回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，可保證對(duì)合面的兩側(cè)加工。 加工設(shè)備坐標(biāo)軸的確定如圖1 所示。

        
              圖 1 加工設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

       圖 1 中，X 向通過(guò)伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)加工單元沿對(duì)接面平行方向直線運(yùn)動(dòng)， 采用精密的導(dǎo)軌絲杠系統(tǒng)保證其運(yùn)動(dòng)精度。 Y 向通過(guò)帶制動(dòng)器的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，為防止進(jìn)給機(jī)構(gòu)在重力作用下下滑，配合平衡油缸實(shí)現(xiàn) Y 軸的平滑運(yùn)動(dòng)。 Z 軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)絲杠導(dǎo)軌進(jìn)行傳動(dòng)，帶動(dòng)電主軸完成對(duì)合面的加工。
 
       3 、對(duì)合面加工檢測(cè)系統(tǒng)
 
       3.1 測(cè)量?jī)x器選擇、
 
      本測(cè)量系統(tǒng)采用德國(guó) MICRO-EPSILON 高速激光輪廓掃描儀執(zhí)行檢測(cè)工作，其技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表 1。 激光輪廓掃描儀與電主軸同軸安裝在精加工設(shè)備上， 其位置如圖 2 所示。
  
  

      
                                 圖 2 激光輪廓掃描儀安裝位置
 
       3.2 測(cè)量步驟
   
      第一步，執(zhí)行機(jī)翼對(duì)合端面的平面度和輪廓檢測(cè)。加工設(shè)備快速移動(dòng)到檢測(cè)位置， 激光輪廓掃描儀隨著加工設(shè)備的移動(dòng)掃 描 機(jī) 翼 對(duì) 合 端面 輪 廓 信 息 并 輸入 到 控 制 系 統(tǒng) 。控 制 系 統(tǒng) 計(jì) 算 出中 外 翼 八 字 板 對(duì)合 端 面 加 工 量 和鉆 孔 位 置。 掃 描過(guò) 程 示 意 如 圖 3所示。
  
     
         圖 3 機(jī)翼對(duì)合面掃描過(guò)程示意
 
      第 二 步 ， 執(zhí)行 發(fā) 房 對(duì) 合 端 面平 面 度、 輪 廓 檢測(cè)。 加 工 設(shè) 備 回轉(zhuǎn) 180°，移動(dòng)至相應(yīng)工位定位，激光輪廓掃描儀開(kāi)始工作，掃描該對(duì)合端面輪廓信息并輸入到系統(tǒng)，系統(tǒng)計(jì)算對(duì)合端面加工量和制孔位置。掃描過(guò)程如圖 4 所示。
 
               表 1 MICRO-EPSILON 高速激光輪廓掃描儀技術(shù)規(guī)格 
      

      
                                    圖 4 發(fā)房對(duì)合面掃描過(guò)程示意
 
     3.3 測(cè)量結(jié)果
 
     激光輪廓掃描儀在檢測(cè)完成后會(huì)生成位置數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件中包含大量的測(cè)量數(shù)據(jù)信息。因?yàn)檩敵龅臏y(cè)量數(shù)據(jù)格式為 TXT 文本文件，此格式文件可以采用程序方式順序讀取并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫(kù)文件。 精加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)， 需要對(duì)激光輪廓掃描儀進(jìn)行應(yīng)用軟件的二次開(kāi)發(fā)， 進(jìn)行待檢測(cè)物三維輪廓信息的掃描以獲取三維位置信息數(shù)據(jù)，如圖 5 所示，最后對(duì)必要的面特征或孔特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，解算需要的位置參數(shù)。

                  圖 5 掃描三維型面數(shù)據(jù)采集過(guò)程
 
      3.3.1 對(duì)合面平面度檢測(cè)
 
     基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合， 將數(shù)據(jù)中那些非實(shí)體上的點(diǎn)全部剔除，否則會(huì)對(duì)分析帶來(lái)失真。在針對(duì)不同特征提取數(shù)據(jù)時(shí)所用的剔除算法也是不同的，針對(duì)基于點(diǎn)云進(jìn)行平面擬合的需求， 筆者采用的方法是：先擬合出實(shí)體所在的表面，然后根據(jù)點(diǎn)到擬合平面的距離來(lái)判斷是否剔除。 擬合平面使用最小二乘法擬合，該方法具有誤差小、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。 特征提取過(guò)程如圖 6 所示。
  
  

     
                     圖 6 面特征提取及處理軟件實(shí)現(xiàn)
 
      基于最小二乘法擬合平面的思想，結(jié)合空間平面測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)求解后，平面曲面方程為： z=ax+by+c，然后剔除離平面距離大于 0.2 mm（軟件中的粗度篩選值）的點(diǎn)，得到 data_zn 數(shù)據(jù)點(diǎn)，再次經(jīng)過(guò)曲面擬合的迭代計(jì)算，去除個(gè)別雜點(diǎn)，最后根據(jù) 計(jì) 算 式 ：

      90° -arccos （1 /  
  
      可計(jì)算出檢測(cè)平面與主軸的法平面之間的夾角，從而為主軸加工提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
 
      3.3.2 對(duì)合面基準(zhǔn)孔特征檢測(cè)
 
      基于輪廓掃描儀配合伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)孔特征的三維型面掃描，以采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為對(duì)象，提出了一種三維點(diǎn)云中圓的提取方法。 此方法是結(jié)合點(diǎn)云的邊界特征來(lái)提取的方法， 并充分利用了點(diǎn)云和圖像的對(duì)應(yīng)投影關(guān)系特性以及圖像處理中成熟的圓檢測(cè)算法， 如圖 7所示，提取出了三維點(diǎn)云中的圓。 此方法簡(jiǎn)便快捷，易于實(shí)現(xiàn)。
 

                圖 7 孔特征提取及處理軟件實(shí)現(xiàn)
   
     4 、對(duì)合面加工過(guò)程
 
     通過(guò)激光輪廓掃描儀對(duì)機(jī)翼和發(fā)房?jī)蓚?cè)對(duì)合面進(jìn)行掃描，計(jì)算得出對(duì)合面的加工余量和孔位關(guān)系，采用精加工設(shè)備進(jìn)行對(duì)合面加工，加工工藝流程如下。
 
    （1） 精加工設(shè)備移動(dòng)到被加工端面再定位。
    （2） 激光輪廓掃描儀對(duì)發(fā)房對(duì)合接頭平面以及連接孔進(jìn)行檢測(cè)。精加工系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，激光輪廓掃描儀對(duì)機(jī)翼對(duì)合端面及連接孔進(jìn)行檢測(cè)，調(diào)用對(duì)合面加工算法，計(jì)算平面加工量和孔位誤差。
    （3） 通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)加工量和孔位誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)。
    （4） 上述工作完成后，精加工系統(tǒng)首先更換銑刀，對(duì)機(jī)翼對(duì)合端面按照加工量進(jìn)行銑削，然后，精加工系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上支架端面進(jìn)行銑削。銑削結(jié)束后需對(duì)機(jī)翼與發(fā)房的對(duì)合端面進(jìn)行對(duì)合，檢測(cè)對(duì)合度。
    （5） 對(duì)合度滿足需求后， 將精加工設(shè)備移回加工工位，對(duì)發(fā)房和機(jī)翼兩側(cè)對(duì)合端面的連接孔進(jìn)行加工。
    （6） 完成連接孔的精加工后， 將加工系統(tǒng)移動(dòng)至下一個(gè)工位，進(jìn)行下一個(gè)工位的加工。
 
     5、 對(duì)合面加工試驗(yàn)
 
     為驗(yàn)證基于實(shí)時(shí)檢測(cè)的飛機(jī)對(duì)合面加工系統(tǒng)的可行性，利用激光輪廓掃描儀對(duì)加工面進(jìn)行掃描預(yù)處理，計(jì)算出對(duì)合面的加工余量， 利用精加工設(shè)備進(jìn)行對(duì)合面的精銑和鉆孔試驗(yàn)。對(duì)合面加工試驗(yàn)如圖 8 所示，其中圖 8（a）為機(jī)翼對(duì)合面精銑結(jié)果；圖 8（b）為機(jī)翼對(duì)合面鉆孔現(xiàn)場(chǎng)。 精銑對(duì)合面后的平面度<0.05 mm，表面粗糙度 Ra3.2 μm。 對(duì)合面孔加工結(jié)果為孔徑精度 H7，表面粗糙度為 Ra3.2 μm，鉆孔定位精度 0.10 mm，重復(fù)定位精度 0.05 mm，鉆孔垂直度偏差<0.3°，完全滿足加工要求。
  
  

    
                                 圖 8 對(duì)合面加工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
 
     6 、結(jié)束語(yǔ)
 
     筆者提出了一種滿足飛機(jī)對(duì)合面加工的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。根據(jù)對(duì)合面的加工特點(diǎn)，對(duì)對(duì)合面的精加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化加工， 通過(guò)激光輪廓掃描儀確定對(duì)合面的加工余量，采用精銑平面和鉆、擴(kuò)、鉸孔的孔加工方法，并通過(guò)對(duì)合面試切加工試驗(yàn)， 對(duì)加工方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足對(duì)合面加工公差要求。