立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置和加工方法與流程
2023-10-30 11:33:57 2
本發明涉及航空航天製造
技術領域：
，特別涉及立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置和加工方法。
背景技術：
：機翼整體壁板成形是現代飛機製造技術中的關鍵點，該技術標誌著一個國家的航空航天科技的製造水平。當今世界上，只有美國波音公司和歐盟空客公司掌握超臨界機翼整體壁板的特種成形技術，並成功應用於B787、A380等先進民用飛機上。目前，特種成形技術中，主要包括機械壓彎、時效成形和機械噴丸成形。由於民用飛機對重要承載力部件需要有較長的使用壽命，機械壓彎成形一般不作為主要成形手段，僅用於局部加強區的輔助成形，而且壓彎存在卸載回彈，難以實現複雜曲面成形的目的。時效成形則是利用金屬的蠕變特性，將成形與時效同步進行的一種成形方法，具有應力釋放完全、成形質量好、效率高和工藝重複性好等優點，但是成形需特殊模具和特種設備——熱壓罐，而熱壓罐對各類尺寸壁板成形適應性差，成形成本高昂。機械噴丸成形是目前較為成熟的壁板成形手段，主要優點是不需要成形模具、成形兼備提升疲勞壽命效果、可成形外形相對複雜的曲面等特點。但是機械噴丸成形工藝設計變量較多，工藝參數難以制定，參數試驗成本高昂。例如，以代表當今機械噴丸水平最高的波音公司為例，確定一件新機翼壁板的成形工藝需要40塊1:1的試驗塊，耗時半年且耗費數百萬美元。因此，目前亟需一種高精度低成本的成形技術服務於機翼整體壁板製造。技術實現要素：本發明的主要目的是提出一種尺寸適應性強、成形曲率大、成形精度可控且工件表面質量高的立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置和加工方法，旨在解決機械噴丸參數試驗成本高昂，工藝參數難以制定的技術問題。為實現上述目的，本發明提出立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置，所述成形裝置包括用於支撐的翻板基座、與所述翻版基座樞轉相連的可翻轉工作檯、一端與所述可翻轉工作檯鉸接相連且另一端與所述翻版基座鉸接相連的伸縮液壓缸、設置於所述翻板基座外側且頂端與可移動滑軌相連的滑軌控制器、與所述可移動滑軌中部相連的壁板夾持單元、可對機翼整體壁板進行噴丸加工的雷射噴丸單元、用於控制所述雷射噴丸單元噴丸加工的雷射噴丸單元系統主機、用於檢測機翼整體壁板加工尺寸的光學原位測量器、用於分析機翼整體壁板外形尺寸的圖像處理主機、用於控制整個噴丸加工過程的總系統主機；所述雷射噴丸單元系統主機同時與所述總系統主機以及所述雷射噴丸單元電連接，所述圖形處理主機同時與所述總系統主機以及所述光學原位測量器電連接。優選地，所述雷射噴丸單元為七自由度雷射噴丸單元。優選地，所述光學原位測量器為三自由度光學原位測量器。優選地，所述可翻轉工作檯可繞與所述翻板基座的樞轉軸翻轉0～90°。本發明還提出一種使用立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置的加工方法，包括以下步驟：1)通過軟體對機翼整體壁板的外形分析並建立三維模型，以確定壁板厚度和曲率分布；2)以機翼整體壁板外形尺寸為基礎，並以機翼整體壁板厚度和成形曲率為依據將機翼整體壁板劃分為若干個等強度區域；3)對各個等強度區域進行雷射噴丸成型，藉助所述在線原位測量裝置檢測成形尺寸並反饋至所述圖形處理主機以及所述總系統主機；4)對機翼整體壁板進行雷射噴丸成型，同時對過渡區域尺寸進行修復；5)在線測量機翼整體壁板的成形尺寸精度，如滿足尺寸公差要求，即結束成型；如不滿足尺寸公差要求，繼續重複所述步驟3)至所述步驟5)。本發明技術方案通過對機翼整體壁板幾何外形分析和等強度區域的劃分，以在線原位測量技術輔助，首先進行分區域雷射噴丸成形和成形精度優化，然後進行機翼整體壁板整體雷射噴丸成形和區域修復，最後進行成形尺寸檢測，從而將機翼整體壁板成形轉化為目標優化問題，實現機翼整體壁板成形與尺寸檢測的高效配合，本發明立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置具有高精度、自適應性強和數位化的特點，能夠廣泛適用於民用飛機的機翼壁板成形。相對於現有技術，本發明可實現各類尺寸、複雜曲面的機翼整體壁板成形，具有尺寸適應性強、成形曲率大、成形精度可控且工件表面質量高等特點，真正實現了機翼整體壁板的長壽命、高精度成形。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。圖1為本發明立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置的結構示意圖；圖2為本發明機翼整體壁板厚度分區示意圖；圖3為本發明機翼整體壁板曲率示意圖。附圖標號說明：標號名稱標號名稱1七自由度雷射噴丸單元7圖形處理主機2可移動滑軌8可翻轉工作檯3伸縮式液壓缸9翻板基座4滑軌控制器10壁板夾持單元5雷射噴丸單元系統主機11三自由度光學原位測量器6總系統主機12機翼整體壁板本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。需要說明，若本發明實施例中有涉及方向性指示(諸如上、下、左、右、前、後……)，則該方向性指示僅用於解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關係、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。另外，若本發明實施例中有涉及「第一」、「第二」等的描述，則該「第一」、「第二」等的描述僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護範圍之內。本發明提出一種立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置。參見圖1，本發明實施例中，立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置主要包括翻板基座9、可翻板工作檯8、伸縮式液壓缸3、滑軌控制器4、可移動滑軌2、七自由度雷射噴丸單元1、雷射噴丸單元系統主機5、總系統主機6、圖像處理主機7以及三自由度光學原位測量器11以及壁板夾持單元10。參見圖1，本實施例中，可翻轉工作檯8一側與翻轉基座9樞轉相接，可翻轉工作檯8可繞樞轉軸進行擺動。伸縮式液壓缸3的一端與可翻轉工作檯8的一端中部鉸接相連，而伸縮式液壓缸3的另一端則與翻轉基座9的端部鉸接相連，另外可翻轉工作檯8的兩端可分別設有一個伸縮式液壓缸3，從而使得可翻轉工作檯8能夠可靠地進行翻轉。可翻轉工作檯8的兩端外側各設有滑軌控制器4，滑軌控制器4的頂部與可移動滑軌2相連，並且可移動滑軌2能夠沿著滑軌控制器4頂部進行直線移動。可移動滑軌2中部還設有若干個可用於夾持機翼整體壁板12的壁板夾持單元10，其中壁板夾持單元10夾持機翼整體壁板12的一端為可分叉的夾，壁板夾持單元10的一端與可移動滑軌2的中部相連，而壁板夾持單元10的另一端則可用於夾持機翼整體壁板12的邊沿，從而壁板夾持單元10能夠跟隨可移動滑軌2移動而進行相應地移動。本實施例還包括設置於機翼整體壁板12前方外側且可用於檢測機翼整體壁板12加工尺寸的三自由度光學原位測量器11、設置於機翼整體壁板12另一側且用於對機翼整體壁板12進行噴丸加工處理的七自由度雷射噴丸單元1、用於控制七自由度雷射噴丸單元1噴丸加工的雷射噴丸單元系統主機5、用於分析機翼整體壁板12外形尺寸的圖像處理主機7以及用於控制整個噴丸加工過程的總系統主機6。本發明實施例的電氣連接關係中，雷射噴丸單元系統主機5同時與總系統主機6以及七自由度雷射噴丸單元1電連接，而圖像處理主機7同時與總系統主機6以及三自由度光學原位測量器11電連接。本發明還提出一種使用立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置的加工方法，包括以下步驟：1)通過軟體對機翼整體壁板12的外形分析並建立三維模型，以確定壁板厚度和曲率分布；2)以機翼整體壁板12外形尺寸為基礎，並以機翼整體壁板12厚度和成形曲率為依據將機翼整體壁板12劃分為若干個等強度區域；3)對各個等強度區域進行雷射噴丸成型，藉助三自由度在線原位測量裝置11檢測成形尺寸並反饋至圖形處理主機7以及總系統主機6；4)對機翼整體壁板12整體進行雷射噴丸成型，同時對過渡區域尺寸進行修復；5)在線測量機翼整體壁板12的成形尺寸精度，如滿足尺寸公差要求，即結束成型；如不滿足尺寸公差要求，繼續重複步驟3)至步驟5)。本發明實施例立式翻板機翼整體壁板雷射噴丸成形裝置的工作原理是：參見圖1至圖3，首先測量待加工機翼整體壁板12的外形尺寸，然後將相應的外形尺寸輸入CAD軟體中，對機翼整體壁板12建立相應三維模型，以確定機翼整體壁板12的厚度以及曲率分布情況，其中機翼整體壁板12的厚度為測量機翼整體壁板12截面厚度，而曲率則分為展向曲率以及弦向曲率。然後將機翼整體壁板12平放於可翻轉工作檯8上，這時的可翻轉工作檯8與翻板基座9的夾角為0°。因為可翻轉工作檯8上設置有真空吸盤，當機翼整體壁板12放置於可翻轉工作檯8後，真空吸盤與機翼整體壁板12表面吸合的內部空間通過抽排空氣，使得真空吸盤緊緊地將機翼整體壁板12吸附，這樣機翼整體壁板12在後續加工過程中可方便地進行空間位置更換，也不容易脫落。通過伸縮式液壓缸2的工作長度伸長，伸縮式液壓缸3推動可翻轉工作檯8繞與翻板基座9之間的樞轉軸進行翻轉，機翼整體壁板12則隨著可翻轉工作檯8擺動而擺動。當可翻轉工作檯8繞樞轉軸擺動至與翻板基座9垂直時，使得機翼整體壁板12也與翻板基座9垂直。然後通過壁板夾持單元10夾持住機翼整體壁板12的端部，可翻轉工作檯8的真空吸盤與機翼整體壁板12表面吸附的內部空間重新注入氣體，使得真空吸盤完全與機翼整體壁板12脫離，伸縮式液壓缸3的工作長度縮短，從而帶動可翻轉工作檯8向翻板基座9進行擺動並恢復至初始位置。參見圖2和圖3，然後以機翼整體壁板12的外形尺寸作為基礎，以壁板厚度和成形曲率作為依據劃分為等強度區域，如圖2所示。其中，以機翼整體壁板12厚度為主要因素劃分出近似厚度值，設置相應的基礎厚度H和厚度增量Δ，採用C++二次開發實現機翼整體壁板12模型厚度查詢，將機翼整體壁板12按照厚度變化設置為離散化區間[H-Δi,H+Δi]，其中i＝1,2,3…N。然後在近似厚度區間內以曲率半徑為主要因素劃分等強度區，並設置基準曲率半徑ρ和曲率增量е，設置離散化區間[ρ-ej,ρ+ej]，其中j＝1,2,3…N，最後對每個分區進行檢測，將厚度與成形曲率不相容的區域重新分區或歸入其他區域中。參見圖1至圖3，然後通過七自由度雷射噴丸單元1對機翼整體壁板12各個等強度區域進行雷射噴丸成形。其中對某個區域進行成形噴丸時，系統初始設置一個微小雷射噴丸強度，採用七自由度雷射噴丸單元1與可移動滑軌2相互配合，從而對機翼整體壁板12進行雷射噴丸成形。七自由度雷射噴丸單元1對機翼整體壁板12另一面進行噴丸成形時，需要藉助三自由度光學原位測量器11測量區域成形尺寸，三自由度光學原位測量器11將檢測結果發送至發送至圖形處理主機7，圖形處理主機7計算得到當前尺寸與目標尺寸的差值後，將計算分析結果發送至總系統主機6，總系統主機6以力學模型為基礎，並採用遺傳算法以及神經網絡目標優化算法，以小變形逐步逼近的方式實現區域成形，而無需進行額外的雷射噴丸參數試驗。最後需要對整個雷射噴丸成形並且進行區域修復，通過可移動滑軌2負責整個機翼整體壁板12進行大範圍移動，而七自由度雷射噴丸單元1則負責小範圍的自用度範圍內移動，可移動滑軌2和七自由度雷射噴丸單元1共同配合對機翼整體壁板12整體進行雷射噴丸成形。三自由度光學原位測量器11在噴丸反面測量機翼整體壁板12整體成形尺寸後，由圖像處理主機7計算得出當前尺寸與目標尺寸的差值。同時，對過渡區域尺寸進行修改，並且採用小變形逐步逼近的方式實現整體成形。通過三自由度光學原位測量器11檢測成形尺寸精度，由圖形處理主機7計算成形精度，如滿足尺寸工差要求，則結束成形工序。否則需要重複進行分區雷射噴丸成形與尺寸測量、整體雷射噴丸成形與區域修復、成形尺寸檢測的步驟，直至尺寸滿足公差要求。相對於現有技術，本發明可實現各類尺寸、複雜曲面的機翼整體壁板12成形，具有尺寸適應性強、成形曲率大、成形精度可控且工件表面質量高等特點，真正實現了機翼整體壁板12的長壽命以及高精度成形。以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是在本發明的構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的
技術領域：
均包括在本發明的專利保護範圍內。當前第1頁1 2 3