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奥运会和先进制造技术有什么关系?活字印刷和飞机蒙皮有什么关系?

关系很多,可能有人会说,先进制造技术促进了中国制造业的进步,提升了GDP,国家有实力了,就有资格有能力举办奥运会了。这是自然,但是今天主要在这里讨论一下有关数字化制造的一些内容,希望和大家分享一些有趣的事情。

大家对北京奥运会开幕式时候的“活字印刷术”表演应该还有印象吧?现场有897位演员每人操作一个活字模,随着音乐组成了不同的“和”字,也组成了长城的图案。面对整齐一致的表演,一老外还以为是在下面安装了自动装置来实现控制的。

奥运会还未闭幕,吉林大学科技人员用多点成形技术再现了北京奥运会开幕式表演的活字印刷术。如下图所示:

相对于奥运开幕式现场的活字模,图上的装置无疑更具科技含量,这个装置叫多点成形模,更笼统的一种说法叫柔性模具。那这种柔性模具如何与飞机蒙皮成形有关系的,其在飞机数字化制造体系中的作用是什么?接下来我们不妨先从传统的飞机蒙皮类零件的整个生产过程来讲起。

飞机蒙皮类零件,直观地讲就是构成飞机气动外形的主要零件,如铝合金机身蒙皮、进气道蒙皮、机翼前缘蒙皮,其主要材料是超硬铝合金、铝锌镁铜系、钛合金、合金钢,也有分是复合材料。传统生产中超硬铝合金比重较大,近年来钛合金和复合材料的比重有了很大的提升。蒙皮类零件主要采用拉形的方式制造,即采用蒙皮拉形机在整体拉形模具上对钣金类零件进行拉伸成形,让板材类零件与模具进行贴合以实现达到目标形状的目标。

传统蒙皮零件的制造过程如下图所示。


从图**们分析得知:

     1、  在成形工艺、模具加工以及检测等各个环节其的信息传递主要靠模线、样板、表面样件、正反模型等模拟量信息实现,这样大大降低了整体的效率,准确性也难以保证;

     2、  在拉形过程中,一般会经过多次的“试成形”,通过不断地“修模-拉形”来修正由于零件回弹等问题引起的成形问题,而这个过程对人员的经验提出了很高的要求,效率也很低下;

     3、  由于飞机蒙皮都是小批量生产,导致模具众多、生产周期变长且模具的保存和管理问题也比较突出。

为解决如上的诸多问题,国内外针对飞机蒙皮制造的多点成形技术都开展了一系列的研究和实践,尤其是在数字化制造技术不发展的背景下,这些对传统的变革对飞机制造带来了前所未有的影响。早在1942年,美国的Walters就提出了应用柔性多点模具的板料成形方法,用以解决小批量复杂曲面外形的船体零件成形;1999年美国Grumman Aerospace公司与麻省理工学院、美国Cyril Bath公司及美国海军研究署合作,研制了RTFF蒙皮拉形多点模具的全尺寸样机,在发表论文中,相关人员对相关的技术做了比较细致和深入的研究,其中也包括了垫料及成形仿真工艺等问题;“国内北京航空制造工程研究所、北京航空航天大学、吉林大学以及各飞机主机厂对多点模具蒙皮拉形技术开展了系列研究,完成了原理样机的研制,进行了典型多点柔性模具代替传统的拉形模进行蒙皮拉形试验,解决了蒙皮拉形过程中的参数优化与工程化应用问题。(参考文章)”。

基于柔性拉形模的飞机蒙皮成形技术的核心无疑是多点模具,它的主要思想就是将传统的整体拉形模具离散成多个按照蒙皮外形进行排布的单元体矩阵,通过计算机控制每个单元体的高度,共同构成不同型面的模具。

有人不禁问,每个单元体的头是什么形状的,如果直接在上面进行拉伸岂不是成形的蒙皮疙疙瘩瘩的?一般一个单元体的头是一定外形的圆弧面,有的也可能是半球形,在形成外形面之后,还需要在上面铺上一层垫料,或者叫弹性垫。这样在上面拉伸出来的蒙皮就不会出现成形缺陷的问题。

既然多点成形模具是新的蒙皮成形技术的核心,那么围绕着模具本身,在解决蒙皮数值化制造整个过程数字量传递和相关的回弹修正问题的一系列关键技术都有哪些呢,下面主要讨论一下相关的主要内容(内容很多,只讨论一些):

1.         多点成形模具装置

多点成形模具装置根据结构形式主要有整体式、分体式。整体式多点成形模具主要包括单元体,其核心件是一个个独立的顶杆(也叫钉柱),由伺服结构控制顶杆的垂直上下运动及固定。同时模具装置还有基座(模具体)和整体控制系统;分体式模具包括上的调形单元与下的调型机构,由下的调型机构驱动上的调型单元(各个单元体)以构成模具的型面。整体式的缺点在于只能加工小于或等于最大成形尺寸的蒙皮零件而且单元体的规格不能更换。而在分体式多点成形模具的基础上可以开发扩展式的多点模具,即提供一套比较大的调型机构和若干套调型单元,根据需要将多套调形单元组合成蒙皮的大小(【参考文献】---其实又是一种柔性的思路),这样解决了整体式模具重量过大带来的吊装、材料利用率低等多个问题。


2.         模具蒙皮拉形模面生成技术

生成考虑回弹修正因素的模面,这个过程的本质就是要将设计的模面外形转换为单元体的高度,主要需要解决单元体的球头的球心坐标定位、模具型面的定位等问题。北航机械及自动化学院在其一些列论文中提出了基于Catia的模面生成技术研究及实现,有兴趣可参考相关文章。

3.         成形工艺设计系统

设计人员设计的飞机蒙皮外形并不能直接用来生成模具的模面,这是因为钣金零件在成形之后都会有回弹,为修正回弹,需要引入一些新的解决手段。目前比较流行的就是通过仿真手段对拉形过程进行分析,获得零件的回弹量,利用回弹结果反向修正多点模具的型面,得到了回弹修正后的多点模具的型面。除了仿真分析之外,还有一种基于知识的回弹修正方法,可以建立回弹修正相关的知识库,将多次试验及实际生产中的材料性能、材料厚度、零件型面、摩擦系数、拉伸力、加载轨迹、垫料材料和厚度等各种因素进行整理入库,结合拉形相关的回弹算法建立有效的回弹修正模型。基于知识的成形工艺设计系统不仅解决了回弹的修正问题,同时也解决了毛料尺寸计算、路径规划等一系列工艺卡片输出的相关问题,在企业积累了一定的知识量的基础上进行蒙皮回弹修正其工艺设计的效率和准确性也会较高。

4.         零件外形的激光检测

传统的蒙皮检验方式是采用样板在关键界面上进行贴合(卡零件表面)来进行测量,效率和准确度可想而知,同时还是老的基于模拟量传递的方式,整体的集成关系也不紧密。采用激光测量的方式有效解决了这个问题,首先激光测量的基于是设计人员设计的真实的蒙皮外形数据、其次激光测量在扫描完蒙皮的表面之后与设计的外形进行对比,准确率明显提高。

有关多点成形模具及其在飞机蒙皮类零件制造中的应用基本就介绍到这里了,里面参考了不少的文档,都在后面的参考文献中列举,有兴趣可以搜索下载阅读。下面聊一下个人对于相关技术的一些体会。

1.         柔性的一个特征——离散化

多点成形模具的之所以被称为柔性模具,主要就是因为用一个个独立的顶杆来共同组成可无限重构的型面,这个过程被理解为离散化。我们的活字印刷术,其实也是改变了传统的一个刻板只能容纳和反映一页印刷内容的局限,通过离散化的方式改变了传统的印刷方式。这里不禁有想起仿真,想起有限元,其基本概念也是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。“它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。(百度百科)”——思路何其相似!其实我们的生活中也处处体现这一点,比如传统照片与数码照片,一个是模拟量的,一个是数字量的。数字成像是通过CCD图像传感器并通过二进制的数字信息构成图像,每个像素点记录了一个图像相关信息,多个像素(取决于相机的总像素数量)构成了每一副照片。但是不管像素再高,其本质还是离散化的,由于本身的一些限制,数码摄影在其成像质量、色彩、饱和度等方面还是无法和传统相机媲美,很多专业摄影人士还是偏爱传统相机也就是这个原因。

2.         数字化制造中的全数字量传递

这个问题已经在本人的另一篇blog中有所提及,这里再补充分析一下。即数值化制造不仅仅是先进加工技术的引入,其内涵还是由于新的加工技术、新的工艺装备的革新带来的管理体系、制造过程的全盘变革——这个是更重要的。打通产品的数字化制造全生命周期,不仅是单点的设备数字化、存储数字化、管理数字化,还需要将这些单点的过程一一串接起来,打通整个过程,尤其是影响某个制造过程中的“短板”环节,这样才能从根本上达到全数字量传递的需求。

3.         基于知识的工艺设计

其实这个已经不是很新鲜的概念了,基于知识的工艺设计在很多的研究、产品中都有所体现。这里只是“啰嗦地”再多提提知识对于工艺设计的重要性,有人说在一个制造型企业中,工艺员比起零件设计员更为主要和由价值,个人认为就是在工艺员身上的知识体现——不仅要懂得一些设计,更要懂得成形工艺、工装等全面的相关知识。所以,建立应用于企业的基于知识的工艺设计系统,不仅是工艺员的“学生”(挖掘工艺员的知识),同时也是工艺员的“老师”(工艺员获取知识),这项工作对于工艺员的能力提升、对于企业的知识工程建设都是大有裨益的事情。

注:本科的时候对多点成形模具有了一些接触,所知甚少,现在再提起来,感慨颇深,也借此文回忆一下我那懵懂无知的做梦一般的本科年代。


西工大校歌墙

参考资料:

1、  http://wenku.baidu.com/view/982eed1414791711cc79173b.html

2、  http://baike.baidu.com/view/2964505.htm

3、  李东升,罗红宇,王丽丽等. 飞机蒙皮的数字化成形制造技术 [J],塑性工程学报,2009

4、  于成龙等. 可重构柔性多点模具蒙皮数控拉形工艺设计系统及关键技术研究

5、  http://www.wrsa.net/40/2011/04/18/22@13639_1.htm

6、  李光俊,许旭东谭胜勇 多点柔性模具在飞机蒙皮成形中的应用 航空制造技术 200910

发表于: 2011-09-22 15:56 阅读(2761) 评论(0) 收藏 好文推荐

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