一种飞机复合材料蜂窝芯材仿形加工设备的制作方法

本实用新型涉及一种飞机复合材料蜂窝芯材的仿形加工设备。

背景技术：

在航空航天结构的设计中，要求构件尽可能轻且不损失强度是对设计人员的最大挑战。这一要求必然导致需利用稳定的薄蒙皮结构承受拉伸载荷和压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。在保证强度、刚度的同时，还要求所设计的薄壁结构在承受拉、压及剪切载荷的综合作用下不失稳。过去传统的飞机结构设计方法仍在一些范围内使用，通过用长桁和肋/框组成纵、横向加强件来提高板的稳定性。实际上，某些次结构也可以使用夹层结构设计来满足强度、刚度要求，例如蒙皮、舱门、口盖和机身整流罩等。提高结构比刚度的有效结构形式之一是夹层结构，复合材料夹层结构具有重量轻、强度高、刚度好，耐热、吸声隔音、抗冲击、耐疲劳等特点，已被广泛应用于航空航天领域。

复合材料蜂窝夹芯板是由两块高强度的上下蒙皮和填充其中的夹芯所组成。通过粘接剂将上下蒙皮与蜂窝芯结成为整体刚性结构。当夹芯板承受弯曲载荷时，上蒙皮被拉伸，下蒙皮被压缩，蜂窝芯传递剪切力。从力学角度分析，它与工字梁很相似，面材相当于工字梁的翼缘，蜂窝芯相当于工字梁的腹板。其不同的是芯材与面板不是同一种性质材料，芯材是分散的，而不是集中在狭腹板上。由于轻质夹芯的厚度比面板高出几倍，剖面的惯性矩随之成四方次比增大，且面板有夹芯的支持不易失稳。面板可以很薄，与实心相比要轻得多且刚性大，减重效果极为明显，是一种高效结构材料。

设计时，对于面板考虑的主要因素是材料的强度和刚度，而对于芯材，考虑的主要因素是最大幅度的减轻重量。在飞机结构中芯材通常使用铝蜂窝、泡沫或蜂窝。铝蜂窝或蜂窝具有压缩模量高和重量轻的优点，它们是飞机结构广泛使用的夹芯材料，通常与碳纤维、玻璃纤维预浸料一起使用。复合材料夹层结构的力学、隔音、隔热、抗冲击性能好，且具有减振、透微波、可设计性强等优点，目前已经被广泛应用。特别是航空航天领域，蜂窝夹层结构以其优越的性能成为该领域不可缺少的结构材料之一。蜂窝夹层结构复合材料的性能主要由蒙皮和蜂窝芯材料的性能所决定。常见的结构有襟翼、缝翼、扰流板、升降舵、副翼、方向舵、起落架舱门、客货仓地板、机身整流罩、翼尖整流罩等。尽管蜂窝夹层结构在性能上比金属钣金结构有突出的优点，但是这些结构在飞机营运过程中由于各种原因会产生损坏，而蜂窝夹芯材料在使用过程中需要高昂的维护修理费用。例如，在某些情况下如果面板出现裂纹和孔隙时，水和水汽就很容易地进入蜂窝。在低温情况下，进入蜂窝孔中的水被冰冻以后会发生膨胀，将破坏邻近的蜂窝孔格的粘结，这就降低了夹层结构的性能而必须进行修理。

根据国外文献报道，20年内收集的蜂窝雷达罩维修记录表明，大约85％蜂窝雷达罩因为蜂窝进水原因需要维修，大多数航空公司证实波音737飞机蜂窝雷达罩的平均无故障维修使用时间少于2年。因而，如何有效地对这些结构进行修理也就显得十分重要。蜂窝夹心结构修理最重要的工作之一，就是要保证蜂窝芯与蒙皮之间要无缝隙地紧紧贴在一起，如果间隙过大，将会在它们之间产生弱粘接。严重的甚至会分层，严重影响修理质量，直接对飞行安全产生极其不利的影响。目前国内外大型的MRO(即：Maintenance维护、Repair维修、Operation运行，通常包括飞机产品制造和修理行业，以及独立的或隶属于企业的研究设计单位、试验基地和管理机构等)普遍仍然都是采用手工打磨的方式或者直接从生产厂家购买原装蜂窝芯进行更换，这种方式显然不能满足越来越多的蜂窝夹芯结构修理的要求。

目前国内外OEM制造厂都采用大型数控铣床进行加工，这种数控铣床的价格都在几百万。而MRO仍然普遍都是采用手工打磨的方式或者直接从生产厂家购买原装蜂窝芯进行更换。这种方式显然不能满足越来越多的蜂窝夹芯结构修理的要求。首先手工打磨根本就不能够满足精度要求，经常导致蜂窝芯与蒙皮之间产生弱粘接或者直接产生分层，严重影响修理质量，这对飞行安全非常不利。其次，如果购买整块蜂窝则成本太高，往往是局部切除后一小块后，剩下的部分可能长期不用，导致资金的浪费。随着维修市场的逐步增大，维修业务量的增多，以及对维修质量的要求越来越高，如何高质量地加工蜂窝就愈加迫切。

对复合材料蜂窝夹芯结构的关键，尤其是襟翼、缝翼和扰流板等金属结构的修理，是要保证蜂窝芯与修理的蒙皮间隙符合要求，否则由于蒙皮与蜂窝芯之间的间隙太大，将会导致蒙皮与蜂窝芯之间脱层，严重影响飞行安全。通常对蜂窝夹芯结构时采用手工打磨的方法，按照工艺要求蜂窝芯与蒙皮之间的间隙不能超过5丝，这对于操作者来说是极其具有挑战性的，这项工作对操作者的技能水平要求很高，由于是手工打磨不仅效率非常低，工作者的劳动强度也非常高，而且打磨的质量也难以满足要求。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种飞机复合材料蜂窝芯材的仿形加工设备，采用本实用新型的设备进行飞机复合材料蜂窝芯材的仿形修理，与以往传统的手工操作相比具有方便、快捷、加工精度高、效率高、并且极大地降低了工作者的劳动强度。

解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下。

一种飞机复合材料蜂窝芯材的仿形加工设备，其特征是包括：一个XYZ三轴直线导轨滑台以及一套龙门架式仿形加工器；

所述的XYZ三轴直线导轨滑台包括：可位于一个平面内且前后左右对称的四支撑块，前后的左右支撑块之间可回转地支承有左右滚珠丝杠；前、后的左侧支撑块上分别设有X轴伺服电机驱动左右的滚珠丝杠，滚珠丝杠上设有可以左右移动的左右滚珠滑块；前后滚珠丝杠上的左右滚珠滑块之间又回转地支承有前后滚珠丝杠，前或后的左右滚珠滑块上设有Y轴伺服电机驱动前后的滚珠丝杠，前后滚珠丝杠上设有前后滚珠滑块(移动平台)；前后滚珠滑块上设有竖立的垂直滑轨；

所述的龙门架式仿形加工器的前门架脚(连杆)底部设有靠模指、后门架脚(从动杆)底部设有靠模铣刀、门架横梁中间开有对应于所述垂直滑轨垂直孔；

所述的龙门架式仿形加工器通过门架横梁中间垂直孔可上下滑动地支承在垂直滑轨上。

在上述基础上，本实用新型还有如下的各种改进技术方案。

所述的龙门架式仿形加工器通过门架横梁中间垂直孔可上下滑动地支承在垂直滑轨上的结构为：门架横梁的前面固定有一Z轴滚珠滑块，其设有垂直孔，垂直孔内设有滚珠轴承，降低龙门架式仿形加工器上下滑动时的阻力。

所述的前后滚珠滑块(移动平台)上还设有伺服电动缸，用来顶起和放下门架。

所述的靠模指为凸轮加滚轮。

所述的靠模铣刀包括高速电机及安装在电机上的蜂窝加工铣刀。

所述的X轴伺服电机、Y轴伺服电机、伺服电动缸和高速电机分别有控制线连接到伺服电机控制器，伺服电机控制器又连接到PCL电子控制装置。

所述的后门架脚上还装有高度微调装置：后门架脚分为上下两段，后门架脚的下段为靠模铣刀包括高速电机及安装在电机上的蜂窝加工铣头，后门架脚上段为高度微调装置(后门架脚下段的上部可回转地支承有一螺母，后门架脚上段为一螺杆支承在所述的后门架脚下段的上部螺母上)，通过螺杆固定在横梁上。

工作时，将前门架脚上的凸轮放置在需要修理部件的损坏部位，以待修件需要修理的部位做模板，另一端后门架脚连接蜂窝加工铣头，当凸轮移动时，借助凸轮轮廓曲线的高度变化而使从动杆(连接蜂窝加工铣头)得到预期的运动规律，切削刀具运动，加工出预期的工件轮廓。

有益效果：

本实用新型填补了国内飞机复合材料修理在该领域的空白，可以使飞机维修公司的飞机复合材料修理水平和能力上台阶，对于提升维修公司的综合竞争力，无疑是大有裨益的。

复合材料蜂窝夹芯结构已经被广泛应用于飞机控制舵面及各类整流罩等部件。不论波音还是空客飞机都存在大量的修理工作，初步估算每年节约工时费用大约100万元以上。

与以往传统的手工操作相比具有方便、快捷、加工精度高、效率高、并且极大地降低了工作者的劳动强度。

由于国内外MRO普遍采用手工打磨或者更换蜂窝芯的方法，因此本技术将是唯一采用此方法的MRO，这对于提升维修能力，提高知名度，无疑大有裨益。

本便携式蜂窝芯加工设备采用PLC电子装置控制，采用靠模原理并由电子装置控制，因此可以精确地复制出原来需要修理部位蜂窝芯的形状，由于采用电子装置控制，可以极大地降低工作者的劳动强度，提高功效，极大地提高修理质量。

本项目研究的便携式蜂窝芯加工设备，采用靠模原理，结合PLC来实现。通过PLC精确控制伺服电机带动工作平台在X轴和Y轴方向移动，Z轴通过感应凸轮装置精确操控联动，这样X Y Z轴三个方向在电子控制装置PLC的控制下，共同移动最终带动电动铣刀切割蜂窝芯。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图。

1-XYZ三轴直线导轨滑台，2-X轴伺服电机，3-Y轴伺服电机，4-伺服电机控制器，5-PLC电子控制装置，6-前门架脚，7-凸轮及滚珠，8-后门架脚，9-高速电机，10-蜂窝加工铣头，11-高度微调装置，12-门架横梁，13-伺服电动缸，14-龙门架式仿形加工器，15-移动平台，16-蜂窝芯，17-滚珠丝杆，18-飞机部件。

具体实施方式

参见图1，本实用新型的飞机复合材料蜂窝芯材的仿形加工设备实施例，包括：一组XYZ三轴直线导轨滑台1，以及一套龙门架式仿形加工器14。

XYZ三轴直线导轨滑台1包括：可位于一个平面内且前后左右对称的四支撑块，前后的左右支撑块之间可回转地支承有左右滚珠丝杠17，在前后的左支撑块上设有X轴伺服电机2驱动左右的滚珠丝杠，滚珠丝杠上设有可以左右移动的滚珠滑块；前后的左右滚珠滑块之间又回转地支承有前后滚珠丝杠，在前后的左右滚珠滑块上设有Y轴伺服电机驱动前后的滚珠丝杠，前后滚珠丝杠上设有前后滚珠滑块-移动平台15；前后滚珠滑块上设有竖立的(直线导轨)垂直滑轨；龙门架式仿形加工器14通过横梁固定在Z轴滚珠滑块上，前门架脚-连杆6底部设有靠模指、后门架脚-从动杆8底部设有靠模铣刀、门架横梁12中间固定在Z轴滚珠滑块上；龙门架式仿形加工器14通过Z轴滚珠滑块沿垂直方向的直线滑轨上下自由地滑动。

在前后滚珠滑块15上还设有伺服电动缸13，用来顶起和放下门架，靠模指为凸轮加滚轮7，靠模铣刀包括高速电机9及安装在电机上的蜂窝加工铣头10。

X轴伺服电机2、Y轴伺服电机3、伺服电动缸13和高速电机9分别有控制线连接到伺服电机控制器4，伺服电机控制器4又连接到PCL电子控制装置5。

本实用新型采用靠模原理，感应飞机部件外型轮廓变化的凸轮7，凸轮上接触飞机部件的部位装有滚轮，滚轮在待修的飞机部件的损伤部位18上做滚动，从而将飞机部件外型轮廓变化通过横梁12传递給后门架脚8，后门架脚8沿Z轴方向上下运动，带动高速电机上的蜂窝切割器切割出符合要求的蜂窝芯轮廓。最终完成电子控制装置PLC预先设定的程序。

具体工作原理如下：

1)先将飞机部件按照工作台的位置安装定位，然后根据飞机损伤的位置及大小在电子控制装置PLC 5上预先编制好程序，通过伺服电机驱动器4驱动伺服电机带动移动平台15沿设定的X轴、Y轴按照预先设定的距离、运动速度等按规律运动。

2)移动平台15运动时，将通过Z轴滚珠滑块14带动横梁12运动；由于感受损伤飞机部件外型轮廓的凸轮及滚珠7通过连杆6与横梁12的一端连接，当凸轮及滚珠7沿飞机部件上下运动时将带动横梁12沿Z轴上下运动；横梁12运动时又带动横梁上的从动杆8上下运动，从动杆8运动必将带动固定在上面的高速电机9和安装在高速电机上的蜂窝切割器10上下运动。

3)Z轴滚珠滑块14通过直线滑轨一端安装在移动平台15上；横梁可以通过Z轴上的滚珠滑块沿Z轴的直线导轨上下自由运动；

4)感受损伤部件外型轮廓的凸轮及滚珠7在移动平台的驱动下沿飞机损伤部件待修理部位移动时，会感受该位置的外型轮廓形状及位置变化。由于横梁12是刚性梁，同时横梁12可以通过Z轴滚珠滑块14上下自由运动，这时凸轮及滚珠7感受损伤部件的位置及形状变化就完全复制给了从动杆8，从动杆8上下左右运动就可以通过高速电机和蜂窝加工铣头下加工出预期的蜂窝芯轮廓。

5)X轴、Y轴分别由滚珠丝杆和驱动滚珠丝杆的伺服电机组成，Y轴的滚珠丝杆通过X轴的滑块与X轴相连

6)伺服电动缸13安装在移动平台上，由电子控制装置PLC通过控制伺服运动控制器控制伺服电动缸的升起或降低。当伺服电动缸13的活塞升起时，可以将横梁顶起，将凸轮和蜂窝切割器与待修理的飞机部件和加工过的蜂窝芯脱离接触，以方便将其移开；当伺服电动缸的活塞降低时，可以将凸轮和蜂窝切割器分别与各自接触的待修理的飞机部件和加工过的蜂窝芯接触，开始加工切割工作。

7)高速电机与高度微调装置连接，并通过高度微调装置调节高速电机的高度，从而调节蜂窝切割器与蜂窝芯间的距离进行微调。

8)总结：切割蜂窝芯用的高速电机的运动轨迹可通过电子控制装置PLC预先设定程序，然后电子控制装置PLC按照已设定的程序通过伺服运动控制器同时控制X轴伺服电机、Y轴伺服电机分别驱动X轴和Y轴运动；在X轴伺服电机、Y轴伺服电机运动的同时将带动移动平台沿X轴和Y轴运动；当移动平台动作时，将带动连接在横梁一侧凸轮上的滚珠运动，这时凸轮上的滚珠感受到飞机部件的外型轮廓，而上下移动；由于横梁连接在Z轴的滚珠滑轨的滑块上，该滑块可以沿Z轴自由运动；因此凸轮上滚珠的运动通过横梁精确复制并传递给另一端的从动杆，从动杆随之与凸轮上的滚珠一起沿Z轴同步上下运动；从动杆带动高速电机及安装在高速电机上的球形蜂窝铣刀随着凸轮的上下移动而做同步的运动；同时接通高速电机上的球形蜂窝切割器开始切割蜂窝芯。高速电机与高度微调装置连接，并通过高度微调装置调节高速电机的高度，从而对蜂窝切割器与蜂窝芯间的距离进行微调。这样球形蜂窝切割器就可以按照电子控制装置PLC预先设定好的程序周而复始地循环往复，直到完成对蜂窝芯的切割加工为止。