航空、航天工業(yè)涉及眾多學(xué)科和專業(yè)的深入交叉，是高新技術(shù)最為富集的領(lǐng)域。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家為提高先進(jìn)航空航天產(chǎn)品的綜合性能，廣泛采用整體結(jié)構(gòu)和大尺度的薄壁件，如飛機(jī)的骨架和蒙皮等。但整體結(jié)構(gòu)和大尺度薄壁件不僅尺寸大，非常容易變形，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀精度要求很高，制造難度相當(dāng)大。此外，大型薄壁件的外形多數(shù)與飛行器的氣動(dòng)性能有關(guān)，周邊輪廓與其他零部件還有復(fù)雜的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系，裝配難度也非常大。因此多年來(lái)，大型航空薄壁件制造技術(shù)作為飛機(jī)機(jī)體制造的六大關(guān)鍵技術(shù)之一，一直困擾著航空工業(yè)。
另一方面，飛行器制造，特別是大型飛機(jī)的制造，屬于典型的多品種小批量制造，因此對(duì)制造過(guò)程的柔性有特別突出的要求。傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床和柔性制造系統(tǒng)（FMS）雖然可實(shí)現(xiàn)常規(guī)剛性零件的柔性制造，但卻難以實(shí)現(xiàn)飛行器大型薄壁件的柔性制造。主要原因是，傳統(tǒng)工藝裝備無(wú)法實(shí)現(xiàn)易變形薄壁件的柔性定位、柔性裝夾、柔性輸送和柔性存儲(chǔ)，因此僅靠數(shù)控機(jī)床本身的柔性和常規(guī)自動(dòng)化物流系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)這類特殊零件實(shí)施高柔性制造，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的柔性制造（從柔性成型、柔性加工到柔性裝配的全過(guò)程柔性制造）。
以上兩方面問(wèn)題的疊加和交錯(cuò)影響，使得飛行器大型薄壁件的柔性制造變得非常復(fù)雜，已成為航空、航天制造中的重大難題。業(yè)界認(rèn)為，解決此問(wèn)題的關(guān)鍵是大型易變形薄壁件的柔性工藝裝備技術(shù)。只有高柔性抗變形的新型工藝裝備與先進(jìn)數(shù)控機(jī)床相配合，才能真正有效解決這一難題。因此，對(duì)柔性工藝裝備的理論、方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上加速發(fā)展柔性工裝產(chǎn)品并加強(qiáng)在實(shí)際中推廣應(yīng)用，對(duì)解決飛行器制造中的上述關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)促進(jìn)我國(guó)航空、航天工業(yè)的發(fā)展，具有重要實(shí)際意義。
國(guó)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
通過(guò)新的工藝技術(shù)和柔性工藝裝備解決大型薄壁件加工中的變形問(wèn)題，美、法、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視，均投入相當(dāng)人力物力進(jìn)行研究。但所取得的成果，均作為涉及國(guó)防的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)外秘而不宣。目前，國(guó)外公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)多以常規(guī)零件為研究對(duì)象，主要進(jìn)行切削力模型、變形分析、誤差預(yù)測(cè)等方面的理論研究。
在實(shí)際工裝系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，企業(yè)進(jìn)行了大量工作，推出許多實(shí)用產(chǎn)品，并在行業(yè)得到應(yīng)用。例如，美國(guó)的Rohr Industries公司開(kāi)發(fā)了柔性機(jī)器人工作單元，用于機(jī)身部件的裝配。德國(guó)Horst Witte Geratebau公司制作了基于框架結(jié)構(gòu)的模塊工裝系統(tǒng)。美國(guó)CAN制造系統(tǒng)公司研發(fā)了基于POGO單元的柔性工裝系統(tǒng)。美國(guó)Wisconsin-Madison大學(xué)開(kāi)發(fā)了快速可組裝裝配工裝。Northrop Grumman公司開(kāi)發(fā)出龍門式可重組工裝。英國(guó)Electroimpact公司為空客飛機(jī)機(jī)翼的制造開(kāi)發(fā)了大型柔性工裝系統(tǒng)。西班牙MTorres公司開(kāi)發(fā)了飛機(jī)板類零部件制造的柔性工裝TORRESTOOL。法國(guó)Dufieux Industrie公司開(kāi)發(fā)了新型鏡像銑系統(tǒng)（Mirror Milling System，MMS），主要用于蒙皮類零件的銑切加工。
德國(guó)Horst Witte Geratebau公司基于框架結(jié)構(gòu)的模塊工裝系統(tǒng)
綜上所述，用于飛行器制造的柔性工裝系統(tǒng)大體分為3類，第一類基于框架及機(jī)器人技術(shù)，第二類基于柔性多點(diǎn)支承技術(shù)，第三類為新發(fā)展起來(lái)的鏡像銑技術(shù)。其中，基于前兩類技術(shù)的柔性工裝系統(tǒng)，已經(jīng)在戴姆勒- 奔馳、波音、麥道、格魯門、英宇航、CASA、EADS、空客、龐巴迪宇航等飛行器制造企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用?；诘谌惣夹g(shù)的柔性工裝和加工系統(tǒng)也開(kāi)始在空客等公司進(jìn)行應(yīng)用，有望取得良好效益。
下面以TORRESTOOL系統(tǒng)和MM系統(tǒng)為例，對(duì)柔性工裝系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)作簡(jiǎn)要介紹。
TORRESTOOL柔性工裝系統(tǒng)是一種用于支承板類零部件的柔性多點(diǎn)固定裝置。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括一定數(shù)量的可以沿X坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的排架，排架上裝配有一定數(shù)量的可沿Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的支承桿，每個(gè)支承桿上裝配有真空吸盤，用以固定工件。這樣，每一個(gè)支承桿都可以在計(jì)算機(jī)的控制下，沿X、Y、Z坐標(biāo)移動(dòng)（同一排架上支承桿的X坐標(biāo)相同），并可被鎖定，如圖1所示。系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如表1所示。
TORRESTOOL系統(tǒng)在X方向上，兩個(gè)相鄰排架之間的最小距離是500mm，在Y方向上，兩個(gè)相鄰鞍座之間的最小距離是228mm ；獨(dú)立軸總數(shù)為195，支承單元總數(shù)為90。整個(gè)系統(tǒng)從一種工件的配置到完全不同的另外一種工件的配置，最多耗時(shí)不超過(guò)2min。
TORRESTOOL柔性工裝系統(tǒng)可與TORRESMILL五坐標(biāo)鉆銑床配套使用，對(duì)飛機(jī)整流罩、平尾和垂尾的前緣、壁板、梁等工件進(jìn)行銑削、切割、鉆孔、忽窩等加工。該系統(tǒng)不但可適用于板類零件的加工，還可用于大部件的裝配，已經(jīng)被應(yīng)用在波音、空客系列民用飛機(jī)以及軍用飛機(jī)的生產(chǎn)組裝中。
鏡像銑系統(tǒng)（MMS）是一種用于蒙皮銑切加工的新型柔性加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)多點(diǎn)系統(tǒng)不同，它采用立式夾持框架從周邊對(duì)被加工蒙皮進(jìn)行固定，并通過(guò)隨動(dòng)支承頭對(duì)工件被加工部位進(jìn)行支承。支承頭和刀具位于被加工工件兩側(cè)，成鏡像布局。支承頭采用無(wú)劃痕設(shè)計(jì)，可在計(jì)算機(jī)控制下保持與工件曲面接觸并隨刀具運(yùn)動(dòng)，其位置和姿態(tài)與刀具位置姿態(tài)時(shí)刻成鏡像關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件加工部位的高剛度支承，有效抑制顫振，保證加工順利進(jìn)行。
鏡像銑系統(tǒng)（MMS）
雖然國(guó)外的柔性工裝系統(tǒng)技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，但市場(chǎng)售價(jià)仍然很高，一般一套系統(tǒng)的價(jià)格高達(dá)數(shù)千萬(wàn)元人民幣。因此，國(guó)外系統(tǒng)并不完全符合我國(guó)國(guó)情，難以在我國(guó)的飛行器制造企業(yè)中廣泛推廣應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
在通過(guò)新工藝技術(shù)和新工藝裝備解決薄壁件柔性加工方面，國(guó)內(nèi)許多單位也進(jìn)行了大量的探索，提出了一些實(shí)用的方法。特別是一些高校和研究單位針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，對(duì)柔性工裝系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并開(kāi)發(fā)出多種應(yīng)用系統(tǒng)。下面從成形和切削加工2個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
在成形方面，吉林大學(xué)對(duì)板材多點(diǎn)成形的柔性工裝技術(shù)開(kāi)展了大量研究工作，開(kāi)發(fā)出多種規(guī)格的多點(diǎn)成形設(shè)備。在算法方面，提出了一種在多點(diǎn)成形CAD中計(jì)算各沖頭與板材接觸點(diǎn)的快速算法，并研究了三維板類件的多點(diǎn)閉環(huán)成形方法。
北京航空航天大學(xué)開(kāi)展了基于可重構(gòu)柔性多點(diǎn)模具的蒙皮數(shù)字化拉形工藝技術(shù)研究，突破了飛機(jī)蒙皮CAD數(shù)模工藝補(bǔ)充面的自動(dòng)生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)形數(shù)據(jù)的自動(dòng)生成，解決了大量密集沖頭的實(shí)時(shí)、并行控制等關(guān)鍵技術(shù)，并開(kāi)展了基于彈性墊層、復(fù)合墊層的蒙皮拉形工藝研究，建立了基于可重構(gòu)柔性多點(diǎn)模具的飛機(jī)蒙皮數(shù)字化拉形試驗(yàn)系統(tǒng)。
在大型薄壁件切削加工方面，北京航空制造工程研究所、成都飛機(jī)公司、清華大學(xué)等單位開(kāi)展了較深入的研究和開(kāi)發(fā)工作，取得較多成果。北京航空制造工程研究所針對(duì)飛機(jī)薄壁件制造的需求，對(duì)柔性工裝的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并開(kāi)發(fā)出用于飛機(jī)蒙皮和壁板切割加工的柔性工裝系統(tǒng)。
清華大學(xué)對(duì)用于飛行器大型薄壁件切削加工和裝配的智能柔性工裝系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并與成都飛機(jī)公司合作，深入研究了以柔性途徑實(shí)現(xiàn)“先成型后加工”工藝的有關(guān)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出用于飛行器大型薄壁件切削加工的智能柔性工裝系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。通過(guò)多年結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的研究工作，攻克了柔性工裝系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，取得系列研究成果。
清華大學(xué)研制的用于大型薄壁件切削加工的智能柔性工裝系統(tǒng)
柔性工裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
根據(jù)對(duì)有關(guān)信息的分析可以看到，在飛行器柔性工裝技術(shù)的研究和應(yīng)用方面，其發(fā)展呈以下趨勢(shì)：
1機(jī)床工裝集成與機(jī)床工裝互動(dòng)技術(shù)
通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床與工裝集成可形成新的集成加工系統(tǒng)，其意義如同機(jī)床與刀庫(kù)集成構(gòu)成加工中心一樣，將使制造裝備和制造系統(tǒng)產(chǎn)生新的變革。此新體系帶來(lái)的好處之一是，機(jī)床與工裝可進(jìn)行互動(dòng)和互操作，從而提高薄壁件制造的綜合效益。典型案例：（1）機(jī)床與工裝進(jìn)行信息交流，實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡校正。具體方法是，通過(guò)多點(diǎn)柔性工裝中的傳感器陣列感知工件受力和受熱分布情況，計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感信息和數(shù)學(xué)模型求解工件變形量，然后發(fā)出控制信息對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行校正，從而提高加工精度。（2）機(jī)床與工裝進(jìn)行操作交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝定位/支撐陣列布局的自動(dòng)調(diào)整，從而抑制工件變形。實(shí)現(xiàn)方案是，在五軸數(shù)控機(jī)床主軸上裝上操作手，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)操作手進(jìn)行五自由度控制，實(shí)現(xiàn)仿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)柔性工藝裝備的自動(dòng)調(diào)整，將定位/支撐單元陣列的布局調(diào)整到使加工變形最小的最佳狀態(tài)。
2基于智能預(yù)測(cè)的閉環(huán)成形技術(shù)
回彈是大型薄壁件成形工藝中一大難題?；谥悄茴A(yù)測(cè)的閉環(huán)成形技術(shù)是解決此問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。該技術(shù)基于閉環(huán)控制原理，采用數(shù)學(xué)模型與人工智能相結(jié)合的方法，對(duì)回彈量進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，并基于預(yù)測(cè)信息對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)精確控制，從而有效抑制回彈的影響，提高成形精度，保證制造質(zhì)量。
3成形、加工一體化技術(shù)
目前，大型曲面薄壁件制造采用成形與加工相分離的工藝方案，由此產(chǎn)生一嚴(yán)重問(wèn)題：由于成形固有的回彈特性，無(wú)法在成型產(chǎn)生的半成品工件上建立后續(xù)加工所需的精確基準(zhǔn)（即使打上定位孔，誤差也較大），使得后續(xù)加工時(shí)難以進(jìn)行準(zhǔn)確定位，由此造成較大的加工誤差，影響飛行器總體制造質(zhì)量。
成形加工一體化為解決上述問(wèn)題提供了新的技術(shù)途徑。其思想是基于同一基準(zhǔn)進(jìn)行成形與加工作業(yè)，從而消除由于基準(zhǔn)不重合而產(chǎn)生的多次定位誤差，有效提高大型薄壁件的制造質(zhì)量和效率。
4可替代化銑的綠色制造技術(shù)與工藝裝備技術(shù)
長(zhǎng)期以來(lái)，飛機(jī)蒙皮加工中一直普遍采用化銑工藝。這種工藝雖然可以較好解決復(fù)雜凹腔、凹面、凸臺(tái)等的加工問(wèn)題，但其存在的化學(xué)污染、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、消耗鋁材無(wú)法回收等固有弊端，卻一直困擾著航空工業(yè)，成為世界性難題。行業(yè)內(nèi)一直在尋求可替代化銑的新工藝和新裝備。尤其在當(dāng)前環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展要求日益迫切的國(guó)際環(huán)境下，取代化銑實(shí)現(xiàn)蒙皮類零件的高質(zhì)高效綠色制造，已成為全球航空工業(yè)都在追求的目標(biāo)。波音、空客等航空巨頭已計(jì)劃在數(shù)年內(nèi)取消化銑。在我國(guó)，取代化銑的要求也越來(lái)越迫切。因此，以新的綠色制造技術(shù)取代污染嚴(yán)重的化銑技術(shù)已成為不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢(shì)。面對(duì)這一趨勢(shì)，我國(guó)一些單位也積極開(kāi)展了可替代化銑的新工藝技術(shù)和新裝備技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，這些具有廣泛應(yīng)用范圍和巨大實(shí)用價(jià)值的前沿新技術(shù)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)航空制造技術(shù)的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。
5與柔性工裝融為一體的原位檢測(cè)與質(zhì)量控制技術(shù)
飛行器大型薄壁件由于剛度極差，當(dāng)加工完從機(jī)床上卸下送往測(cè)量機(jī)室時(shí)將產(chǎn)生很大的變形，而重新安裝到檢測(cè)工裝上后又難以精確定位，由此造成再好的測(cè)量機(jī)也無(wú)法檢測(cè)出實(shí)際的加工誤差。這一問(wèn)題給大型薄壁件制造的質(zhì)量控制帶來(lái)極大困難。
與柔性工藝裝備融為一體的原位檢測(cè)與質(zhì)量控制技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了有效途徑。其技術(shù)特點(diǎn)是，通過(guò)柔性定位- 支承- 固定一體化技術(shù)，將大型薄壁工件與柔性工裝融為一體，從而實(shí)現(xiàn)彈性工件剛性化，由此實(shí)現(xiàn)在工件不脫離柔性工裝的條件下，對(duì)工件加工誤差進(jìn)行原位檢測(cè)。這樣，可徹底消除工件從工裝上卸下再送往測(cè)量機(jī)室而產(chǎn)生的變形，從而真正檢測(cè)出工件的加工誤差，保證大型薄壁件制造質(zhì)量控制的可靠實(shí)施。
6全數(shù)字化柔性自動(dòng)裝配技術(shù)
大型薄壁件的裝配是飛行器制造中的薄弱環(huán)節(jié)，目前多數(shù)企業(yè)仍采用人工裝配。由此產(chǎn)生生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等一系列問(wèn)題。
數(shù)字化柔性自動(dòng)裝配為突破此瓶頸開(kāi)辟了有效途徑。基于機(jī)器人的柔性自動(dòng)裝配系統(tǒng)不僅可提高大型薄壁件裝配的自動(dòng)化和柔性化水平，更重要的是可保證裝配質(zhì)量，提高飛行器制造的綜合效益，因此是飛行器成品制造的必然發(fā)展趨勢(shì)。
7數(shù)字化柔性物流技術(shù)
柔性物流是實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在飛行器制造中，大型薄壁件由于輪廓形狀復(fù)雜且易變形，傳統(tǒng)的柔性輸送和存儲(chǔ)裝備（如自動(dòng)導(dǎo)引車、隨行夾具、自動(dòng)存儲(chǔ)裝置等）無(wú)法實(shí)現(xiàn)這類零部件的可靠輸送和存儲(chǔ)。
為解決上述問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)可保持工件幾何形狀不變的新型柔性輸送和存儲(chǔ)設(shè)備將成為飛行器柔性裝備技術(shù)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)。其關(guān)鍵技術(shù)涉及彈性曲面定位、陣列式可調(diào)柔性支承、多點(diǎn)可調(diào)柔性限位等若干方面。
8全過(guò)程數(shù)字化柔性制造技術(shù)
在實(shí)現(xiàn)大型薄壁件柔性加工和柔性裝配的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)數(shù)字化柔性物流系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化信息流系統(tǒng)將兩者連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)全方位集成，從而構(gòu)成新一代“全過(guò)程數(shù)字化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)”，將使飛行器制造實(shí)現(xiàn)新的飛躍。因此，積極應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，加快對(duì)全過(guò)程數(shù)字化柔性制造技術(shù)的研究和應(yīng)用，搶占技術(shù)制高點(diǎn)，我們才能在未來(lái)的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)中掌握主動(dòng)。
發(fā)展柔性工裝的關(guān)鍵技術(shù)
為更好解決飛行器柔性工裝發(fā)展中的實(shí)際問(wèn)題，下面對(duì)柔性工裝研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
1彈性曲面定位原理與薄壁件柔性工裝開(kāi)發(fā)技術(shù)
飛行器大型薄壁件為大尺度彈性零件，并且其表面為自由曲面，不像一般機(jī)械產(chǎn)品那樣具有平面、圓柱面等易于進(jìn)行定位的常規(guī)表面，傳統(tǒng)的針對(duì)剛體的六點(diǎn)定位原理已不能有效解決這類工件的定位問(wèn)題，也無(wú)法按照這一原理來(lái)設(shè)計(jì)彈性曲面工件的柔性工裝系統(tǒng)。為解決此問(wèn)題，需研究針對(duì)大型彈性薄壁件的彈性曲面定位原理，并根據(jù)新原理來(lái)進(jìn)行飛行器薄壁件柔性工裝的開(kāi)發(fā)。
因此，克服六點(diǎn)定位原理的局限性，建立新的針對(duì)大型彈性薄壁件的彈性曲面定位原理，是薄壁件柔性工裝研究開(kāi)發(fā)中必須解決的理論問(wèn)題。有了新的理論，方可徹底攻克飛行器薄壁件柔性工裝開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。
2通過(guò)離散單元面構(gòu)造可變定位/支承曲面的原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)
為根據(jù)彈性曲面定位原理開(kāi)發(fā)具有柔性的飛行器薄壁件工藝裝備，須解決工裝定位/支承曲面的柔性生成問(wèn)題。
解決此問(wèn)題的基本原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)是，通過(guò)M×N 個(gè)離散小單元面陣列所形成的包絡(luò)來(lái)構(gòu)成與工件表面相對(duì)應(yīng)的工裝定位/支承表面。由于由此形成的工裝定位/支承表面是離散的，每一單元面均是可調(diào)的，因此在計(jì)算機(jī)控制下，可按需形成不同的定位/支承包絡(luò)曲面，從而可對(duì)不同形狀的大型薄壁件進(jìn)行精確定位和支承。這樣，一種工裝可以用于不同工件的加工，從而實(shí)現(xiàn)大型彈性薄壁件的制造柔性。
3定位/支承/固定一體化實(shí)現(xiàn)技術(shù)
大型薄壁件的定位、支承和固定不能截然分開(kāi)，需采用一體化實(shí)現(xiàn)技術(shù)。典型的實(shí)現(xiàn)方案是采用具有定位、支承功能的萬(wàn)向真空吸頭。真空吸頭上裝有可大角度旋轉(zhuǎn)的萬(wàn)向真空吸盤，該吸盤可自適應(yīng)改變方向與工件接觸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁曲面工件的自適應(yīng)固定。
真空吸頭中心安裝有精密定位元件，用于對(duì)工件進(jìn)行定位。真空吸頭上部裝有萬(wàn)向吸盤，用于固定工件。真空吸頭主體為可多向旋轉(zhuǎn)的精密機(jī)械結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝有真空管路和傳感裝置。工件安放在各真空吸頭上后，首先通過(guò)工件自重或外部壓力使真空吸盤進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，保證吸盤軸線與工件法線方向一致，以實(shí)現(xiàn)吸盤與工件的最佳貼合；然后通過(guò)吸頭中的定位元件約束工件在加工空間的位置，實(shí)現(xiàn)工件整體定位與支撐；最后由計(jì)算機(jī)控制啟動(dòng)真空吸附系統(tǒng)將工件固定。
應(yīng)用實(shí)踐表明，由于真空吸頭不僅需作大角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且其內(nèi)部需保持高真空狀態(tài)，因此在其設(shè)計(jì)、制造、裝配和應(yīng)用中，必須解決好運(yùn)動(dòng)靈活性與真空密封性之間的矛盾。否則，容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)不靈活而影響可靠定位和支承，或者由于漏氣而造成真空系統(tǒng)不能正常工作等問(wèn)題。
4高密度柔性陣列驅(qū)動(dòng)技術(shù)
為實(shí)現(xiàn)對(duì)工件變形的重點(diǎn)防控，柔性工裝系統(tǒng)必須能提供足夠小的定位/支承單元支承間距從而保證系統(tǒng)在需要的時(shí)候能將更多的定位/支承單元聚集在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，以提供足夠的支承剛度。
許多柔性工裝系統(tǒng)采用逐點(diǎn)自驅(qū)動(dòng)可變陣列式構(gòu)型，由于每一單元均需要進(jìn)行X、Y向驅(qū)動(dòng)，因而單元體積較大，難以達(dá)到較小的支承間距。例如，著名的TORRESTOOL柔性工裝系統(tǒng)，其X軸最小支承間距為500mm，不能滿足高密度支承要求。
為解決此問(wèn)題，清華大學(xué)提出一種基于機(jī)器人集中驅(qū)動(dòng)的高柔性、高密度定位/支承陣列驅(qū)動(dòng)方法，并研究開(kāi)發(fā)出機(jī)器人化陣列驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。其核心思想是通過(guò)機(jī)器人以外部集中驅(qū)動(dòng)的方式取代內(nèi)部獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式。這樣，各單元只需實(shí)現(xiàn)Z向驅(qū)動(dòng)，無(wú)需X、Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)裝置，X、Y向運(yùn)動(dòng)由機(jī)器人統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，因此可大幅度減小定位/支承單元的尺寸，使最小支承間距可小于150mm，從而有效滿足生產(chǎn)廠家的需求。
雙機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)的柔性陣列驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
5定位/支承陣列布局的最優(yōu)規(guī)劃與動(dòng)態(tài)調(diào)度
為最佳利用系統(tǒng)資源（定位/支承單元總數(shù)），最大限度抑制工件變形，需研究如何通過(guò)最優(yōu)規(guī)劃，對(duì)定位/支承曲面包絡(luò)點(diǎn)的分布進(jìn)行合理布局的有效方法。這一方法的核心思想是：基于理論模型和工藝人員的知識(shí)，對(duì)加工狀態(tài)下工件受力變形、受熱變形等因素的預(yù)測(cè)和分析，求解出定位/支承單元的最優(yōu)布局。
在運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)一步通過(guò)動(dòng)態(tài)變形控制方法，根據(jù)工件和工裝的實(shí)際狀態(tài)（受力情況、溫度變化情況等），對(duì)柔性定位/支承曲面包絡(luò)點(diǎn)的布局進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，即根據(jù)工件變形的實(shí)際情況，對(duì)定位/支承點(diǎn)的位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而使變形產(chǎn)生的加工誤差達(dá)到最小。
6無(wú)基準(zhǔn)自動(dòng)定位技術(shù)
許多情況下，經(jīng)拉形工藝產(chǎn)生的薄壁件半成品，其上沒(méi)有精確定位基準(zhǔn)（定位孔等），給后續(xù)切削加工（開(kāi)窗、切邊等）帶來(lái)較大困難。為解決此問(wèn)題，可采用無(wú)基準(zhǔn)自動(dòng)定位系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)定位，其實(shí)現(xiàn)方案如下：
無(wú)基準(zhǔn)自動(dòng)定位系統(tǒng)由傳感器陣列、信息處理單元、定位引導(dǎo)軟件、控制計(jì)算機(jī)、執(zhí)行裝置等組成。傳感器陣列由M×N個(gè)特制的定位傳感球組成。傳感球位于真空吸頭內(nèi)，用于檢測(cè)工件與其接觸的情況。由眾多傳感球組成的傳感球陣列可獲得工件接觸點(diǎn)的分布信息和狀態(tài)信息。定位引導(dǎo)軟件的作用是對(duì)傳感信息進(jìn)行分析，并根據(jù)彈性曲面定位原理求解調(diào)整信息?？刂朴?jì)算機(jī)根據(jù)調(diào)整信息對(duì)工件或工裝進(jìn)行調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)工件在定位/支承陣列上的準(zhǔn)確定位。
7智能尋位與位姿自適應(yīng)控制技術(shù)
智能尋位與位姿自適應(yīng)控制是實(shí)現(xiàn)飛行器復(fù)雜零部件柔性自動(dòng)加工和裝配的一項(xiàng)重要關(guān)鍵技術(shù)。主要用于解決難以精確定位的復(fù)雜零部件的制造和裝配問(wèn)題。
例如，要通過(guò)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮的柔性自動(dòng)裝配，就必須知道飛機(jī)骨架在機(jī)器人作業(yè)坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確位置與姿態(tài)，傳統(tǒng)基于數(shù)模定位的方法難以解決此問(wèn)題。又如，許多復(fù)雜曲面零件由于外形復(fù)雜，按照常規(guī)的“定位-加工”模式加工，難以在機(jī)床上進(jìn)行準(zhǔn)確定位，無(wú)法進(jìn)行高精度加工，為此需通過(guò)“尋位-加工”技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)定位加工。
智能尋位與位姿自適應(yīng)控制技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了新的有效途徑。這一技術(shù)基于“尋位-作業(yè)”模式進(jìn)行，與傳統(tǒng)“定位-作業(yè)”模式的重要差別是：它以主動(dòng)尋位代替被動(dòng)定位，以順應(yīng)現(xiàn)實(shí)靈活作業(yè)（加工、裝配等）代替按既定關(guān)系強(qiáng)制作業(yè)。因此，即使在工件結(jié)構(gòu)和外形復(fù)雜，難以對(duì)其進(jìn)行精確定位的情況下，也可通過(guò)智能尋位手段主動(dòng)獲取工件信息、自動(dòng)計(jì)算工件實(shí)際狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際狀態(tài)生成控制指令進(jìn)行位姿自適應(yīng)作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的高質(zhì)、高效生產(chǎn)。
8網(wǎng)絡(luò)化控制與信息集成技術(shù)
薄壁件制造的柔性工裝系統(tǒng)一般基于陣列式結(jié)構(gòu)，由數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)定位/支承單元組成。如果每個(gè)單元有2~3個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，則所需控制的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)將高達(dá)數(shù)百個(gè)，由此形成的控制系統(tǒng)規(guī)模相當(dāng)龐大。如果采用傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)通信控制模式，則不僅成本高、施工難度大、維護(hù)麻煩，而且接線量大、接插件多，容易造成系統(tǒng)運(yùn)行不可靠。
新發(fā)展起來(lái)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)為解決柔性工裝系統(tǒng)的通信控制和信息集成問(wèn)題開(kāi)辟了更有效的新途徑。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的物理層基于以太網(wǎng)架構(gòu)，數(shù)據(jù)鏈路層采用與以太網(wǎng)相同的幀格式，具有獨(dú)特的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。由于經(jīng)過(guò)30多年優(yōu)勝劣汰的競(jìng)爭(zhēng)考驗(yàn)和技術(shù)市場(chǎng)雙重推動(dòng)的發(fā)展歷程，以太網(wǎng)目前在全球范圍內(nèi)已經(jīng)處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，成為了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主流和事實(shí)上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)不僅具有百兆、千兆、甚至萬(wàn)兆的高通信速率，而且具有通用性好、可靠性高、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。因此，基于以太網(wǎng)發(fā)展起來(lái)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，可以有效解決柔性工裝系統(tǒng)的信息通信和高效控制問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，還可使飛行器制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)“一網(wǎng)到底”（或稱E網(wǎng)到底），即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層，使企業(yè)將管理、技術(shù)、生產(chǎn)、控制、監(jiān)測(cè)全面集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制和物流運(yùn)行等與企業(yè)ERP系統(tǒng)的實(shí)時(shí)連接，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下訪問(wèn)統(tǒng)一的生產(chǎn)和技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，既完成上層管理又完成生產(chǎn)控制，全面提高企業(yè)運(yùn)行效益。