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基子實(shí)B寸檢測的飛機(jī)對合面加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究
2016-8-26  來源：陜西飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))公司等  作者： 馬二萍 譚小群 李樹軍 羅喜東 梁澤榮

  
       摘要：在研究飛機(jī)大部件對合面加工過程中，通過分析對合面加X-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)檢測對合面的加工狀況，建立精確的飛機(jī)對合面加工工藝流程，以提高對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，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n]。在飛機(jī)裝配過程中，對大部件對合面進(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)大部件對接裝配方法采用人工強(qiáng)迫定位與裝夾，且無法實(shí)現(xiàn)高效精確的對接面測量，導(dǎo)致對合面加工存在較大風(fēng)險(xiǎn)。大部件對合面在裝夾狀態(tài)下進(jìn)行精加工，加工完成放松后會產(chǎn)生回彈變形，使相對理論尺寸發(fā)生偏移，導(dǎo)致對接困難，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x,-J-接中對合面的加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究為例，詳細(xì)說明飛機(jī)對合面加工過程中的基準(zhǔn)檢測和工藝過程，通過激光輪廓掃描儀對加工前對合面的平面度、輪廓、孑L位基準(zhǔn)等進(jìn)行檢測，經(jīng)過計(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)動參數(shù)依據(jù)，完成對合面的完全對合。
  
       1、對合面的加工特性分析
  
       飛機(jī)大部件數(shù)字化裝配系統(tǒng)中對合面的精加工包括面加工和孑L加工兩部分．其中對合面的面加工主要為銑平面，使兩個(gè)對合面可以完全貼合。對合面的孑L加工需要經(jīng)過鉆孔、擴(kuò)孑L以及鉸孑L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)對合面的精確對合連接裝配。對合面的材料類型對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、對合面加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  
       對合面精加工設(shè)備采用專用加工中心．有4個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)運(yùn)動，具備可在X、l，、Z 3個(gè)方向運(yùn)動的聯(lián)動控制單元。另外繞y軸進(jìn)給方向有一回轉(zhuǎn)工作臺，可保證對合面的兩側(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向通過伺服電機(jī)控制運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)加工單元沿對接面平行方向直線運(yùn)動．采用精密的導(dǎo)軌絲杠系統(tǒng)保證其運(yùn)動精度。y向通過帶制動器的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動，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。Z軸由伺服電機(jī)驅(qū)動，并通過絲杠導(dǎo)軌進(jìn)行傳動．帶動電主軸完成對合面的加工。
  
       3、對合面加工檢測系統(tǒng)
  
       3．1 測量儀器選擇
  
       本測量系統(tǒng)采用德國MICR0一EPSILON高速激光輪廓掃描儀執(zhí)行檢測工作，其技術(shù)規(guī)格見表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測量步驟
  
       第一步，執(zhí)行機(jī)翼對合端面的平面度和輪廓檢測。加工設(shè)備快速移動到檢測位置，激光輪廓掃描儀隨著加工設(shè)備的移動掃描機(jī)翼對合端面輪廓信息并輸人到控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)計(jì)算出中#1-翼八字板對
合端面加工量和鉆孔位置。掃描過程示意如圖3所示。


       ▲圖3 機(jī)翼對合面掃描過程示意
  
       第二步。執(zhí)行發(fā)房對合端面平面度、輪廓檢測。加工設(shè)備回轉(zhuǎn)1800，移動至相應(yīng)工位定位，激光輪廓掃描儀開始工作，掃描該對合端面輪廓信息并輸人到系統(tǒng)，系統(tǒng)計(jì)算對合端面加工量和制孔位置。掃描過程如圖4所示。

       
  
       3．3測量結(jié)果
  
       激光輪廓掃描儀在檢測完成后會生成位置數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件中包含大量的測量數(shù)據(jù)信息。因?yàn)檩敵龅臏y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)庫文件。精加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動化檢測，需要對激光輪廓掃描儀進(jìn)行應(yīng)用軟件的二次開發(fā)，進(jìn)行待檢測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．最后對必要的面特征或孑L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)采集過程
  
       3．3．1 對舍面平面度檢測
   
       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，否則會對分析帶來失真。在針對不同特征提取數(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)合空間平面測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)求解后，平面曲面方程為：三=似+6，，+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。一arccos f1／ )，可計(jì)算出檢測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 對合面基準(zhǔn)孔特征檢測
  
       基于輪廓掃描儀配合伺服驅(qū)動實(shí)現(xiàn)孑L特征的三維型面掃描，以采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為對象，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)云的邊界特征來提取的方法，并充分利用了點(diǎn)云和圖像的對應(yīng)投影關(guān)系特性以及圖像處理中成熟的圓檢測算法．如圖7所示，提取出了三維點(diǎn)云中的圓。此方法簡便快捷，易于實(shí)現(xiàn)。
  

       ▲圖7 7L特征提取及處理軟件實(shí)現(xiàn)
    
       4、對合面加工過程
  
       通過激光輪廓掃描儀對機(jī)翼和發(fā)房兩側(cè)對合面進(jìn)行掃描，計(jì)算得出對合面的加工余量和孑L位關(guān)系，采用精加工設(shè)備進(jìn)行對合面加工，加工工藝流程如下。
  
       (1)精加工設(shè)備移動到被加工端面再定位。
  
       (2)激光輪廓掃描儀對發(fā)房對合接頭平面以及連接孔進(jìn)行檢測。精加工系統(tǒng)反轉(zhuǎn)，激光輪廓掃描儀對機(jī)翼對合端面及連接孔進(jìn)行檢測，調(diào)用對合面加工算法，計(jì)算平面加工量和孑L位誤差。
  
       (3)通過計(jì)算機(jī)對加工量和孔位誤差進(jìn)行評價(jià)。
  
       (4)上述工作完成后，精加工系統(tǒng)首先更換銑刀，對機(jī)翼對合端面按照加工量進(jìn)行銑削，然后，精加工系統(tǒng)反轉(zhuǎn)．對發(fā)動機(jī)上支架端面進(jìn)行銑削。銑削結(jié)束后需對機(jī)翼與發(fā)房的對合端面進(jìn)行對合，檢測對合度。
  
       (5)對合度滿足需求后，將精加工設(shè)備移回加工工位．對發(fā)房和機(jī)翼兩側(cè)對合端面的連接孔進(jìn)行加工。
  
       (6)完成連接孔的精加工后，將加工系統(tǒng)移動至下一個(gè)工位．進(jìn)行下一個(gè)工位的加工。
  
       5、對合面加工試驗(yàn)
  
       為驗(yàn)證基于實(shí)時(shí)檢測的飛機(jī)對合面加工系統(tǒng)的可行性，利用激光輪廓掃描儀對加工面進(jìn)行掃描預(yù)處理，計(jì)算出對合面的加工余量．利用精加工設(shè)備進(jìn)行對合面的精銑和鉆孑L試驗(yàn)。對合面加工試驗(yàn)如圖8所示，其中圖8(a)為機(jī)翼對合面精銑結(jié)果；圖8(b)為機(jī)翼對合面鉆孔現(xiàn)場。精銑對合面后的平面度<0．05 mm，表面粗糙度R。3．2斗m。對合面孔加工結(jié)果為孑L徑精度H7，表面粗糙度為|Rj．2“m，鉆孔定位精度0．10 mm，重復(fù)定位精度0．05 mm，鉆孑L垂直度偏差<0．3。，完全滿足加工要求。
  

       ▲圖8 對合面加工現(xiàn)場試
  
       6、結(jié)束語
  
       筆者提出了一種滿足飛機(jī)對合面加工的實(shí)時(shí)檢測方法。根據(jù)對合面的加二r：特點(diǎn)，對對合面的精加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化加一[，通過激光輪廓掃描儀確定對合面的加工余量。采用精銑平面和鉆、擴(kuò)、鉸孔的孑L加工方法，并通過對合面試切加工試驗(yàn)，對加工方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證．實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足對合面加工公差要求。
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