复杂结构件数控加工浮动装夹自适应控制方法

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1、』业盟剑蜓幽虹一——复杂结构件数控加工浮动装夹自适应控制方法王斌利，李迎光，郝小忠，刘长青(南京航空航天大学机电学院，南京210016)【摘要】为了减小复杂结构件数控加工产生的变形，满足装夹自适应调整需求，基于浮动装夹加工原理提出了浮动装夹自适应控制方法，研究了基于CAN(ControllerAreaNetwork)总线的浮动装夹系统通信、零件受力和变形的监测与检测、基于OPC(OLEforProcessContr01)的机床状态监测、数控机床和夹具协同控制等关键技术，开发了浮动装夹自适应控制系统。此系统在航空制造企业进行了实际加工应

2、用验证，能够实现装夹自适应调整，满足工业应用需求。关键词：浮动装夹；力监测；机床状态监测；协同控制；装夹调整DoI：10．16080巧．issnl67l-833x．2017．10．0646■▲王斌利南京航空航天大学航空宇航制造工程专业硕士研究生，主要研究方向为数字化设计制造。t基金项目：国家科技重大专项(2015ZX04001002)。64航空制造技术·2017年第10期整体结构件具有重量轻、结构强度高、气动性能好、疲劳寿命长等特点，广泛应用于航空航天器中。但是，整体结构件尺寸大、结构复杂、加工精度要求高、薄壁易变形，对航空制造技术提

3、出了更高的要求⋯。整体结构件加工材料去除量大，容易发生加工变形，其变形受到初始残余应力、毛坯材料、零件结构形状、加工工艺等多种因素影响，变形机理复杂口l。学者们通过理论分析和数值模拟等方法，对加工变形机理和变形控制方法进行了大量研究D-61，但是由于变形机理及实际加工工况复杂，加工变形控制依然是结构件制造的难点【7】：目前航空结构件数控加工普遍使用高精度五轴机床或并联机床，但是工装仍采用传统螺栓压板等【8】，加工过程中装夹调整需要停机由操作工手动操作完成，无法自动实现加工过程中复杂的装夹和工艺调整等自适应加工【9】需求，严重影响了结构

4、件数控加工的质量和效率。随着工厂数字化水平的提高，以及智能制造的需求，国内外对智能装夹进行了研究。欧盟第六框架计划资助的AFFIX(Aligning，HoldingandFixingFlexibleandDiffeuhtoHandleComponents)项目”肚¨】，主要研究装夹系统建模，以及系统原型中运动机构控制及控制算法响应特性。第七框架计划资助的INTEFIX(Intelligentfixturesforthemachiningoflowrigiditycomponents)项目”⋯，研究智能装夹减小工件变形和加工颤振的作用。

5、Borboni等【l剐通过调整装夹减小了装夹变形。本题组[14-16]提出了浮动装夹加工方法，粗加工阶段，在切削加工间隙，根据装夹调整策略，打开辅助夹紧点装夹单元，释放工件变形，下一加工工步修正工件已经产生的变形，有效减小了复杂结构件数控加工最终变形。本文在浮动装夹加工方法基础上，研究了浮动装夹自适应控制方法及其关键技术。浮动装夹自适应控制方法概述浮动装夹自适应控制方法基于零件受力和变形等传感器监测和检狈4信息，结合机床状态监测数据，通过数控机床和浮动装夹协同控制，以浮动装夹及其控制系统作为载体实现。控制系统通过上位机、下位机软件和多

6、种传感器实现对加工过程中工件一机床一装夹系统的状态监测，并且分别控制每个浮动装夹单元，实现浮动装夹单元运动控制、数据采集、状态反馈等功能。根据机床状态监测信息和零件监测、检测信息，以及装夹装置状态反馈，通过浮动装夹控制系统与数控系统的协同控制，在加工过程中，根据预先设定的调整策略，对不同加工状态，实现不同的装夹调整操作及加工工艺调整，浮动装夹控制系统见图1。浮动装夹控制系统由上位机和各个浮动装夹单元的控制模块组成，上位机由计算机实现，包括计算机软件和通讯接口。上位机计算机控制每个装夹单元，通过传感器对零件加工状态进行监测和检测。上位机

7、计算机监测数控机床加工状态，并根据监测和检测信息，通过浮动装夹与数控机床协同控制，为加工过程中各种调整策略的实现提供基础。每个装夹单元由电气及通信控制模块、电机和传动模块、夹紧模块、气路控制模块、传感监测模块等组成，一个装夹单元可以作为一个夹紧单元或者一个定位单元。每个装夹单元具有各自的控制模块，实现各个装夹单元各自的控制功能，以及与其他装夹单元、上位机的通信功能。浮动装夹自适应控制方法关键技术1基于CAN总线的浮动装夹通信方法浮动装夹具有可重构性，对于框梁肋等不同类型、不同形状的结构件，根据加工零件的结构特点和工艺要求，可以使用若干

8、个装夹单元，组成一套夹具，每个装夹单元作为其中的一个辅助夹紧点或者定位点。每个装夹单元具有各自的控制模块，浮动装夹系统上位机负责各个装夹单元的协调控制和状态监测。浮动装夹系统需要能够同时控制单个或多个装夹单元，并且要能够