航空、航天工業涉及眾多學科和專業的深入交叉，是高新技術最為富集的領域。目前，發達國家為提高先進航空航天產品的綜合性能，廣泛采用整體結構和大尺度的薄壁件，如飛機的骨架和蒙皮等。但整體結構和大尺度薄壁件不僅尺寸大，非常容易變形，而且結構復雜，形狀精度要求很高，制造難度相當大。此外，大型薄壁件的外形多數與飛行器的氣動性能有關，周邊輪廓與其他零部件還有復雜的裝配協調關系，裝配難度也非常大。因此多年來，大型航空薄壁件制造技術作為飛機機體制造的六大關鍵技術之一，一直困擾著航空工業。
另一方面，飛行器制造，特別是大型飛機的制造，屬于典型的多品種小批量制造，因此對制造過程的柔性有特別突出的要求。傳統數控機床和柔性制造系統（FMS）雖然可實現常規剛性零件的柔性制造，但卻難以實現飛行器大型薄壁件的柔性制造。主要原因是，傳統工藝裝備無法實現易變形薄壁件的柔性定位、柔性裝夾、柔性輸送和柔性存儲，因此僅靠數控機床本身的柔性和常規自動化物流系統無法實現對這類特殊零件實施高柔性制造，更無法實現系統化的柔性制造（從柔性成型、柔性加工到柔性裝配的全過程柔性制造）。
以上兩方面問題的疊加和交錯影響，使得飛行器大型薄壁件的柔性制造變得非常復雜，已成為航空、航天制造中的重大難題。業界認為，解決此問題的關鍵是大型易變形薄壁件的柔性工藝裝備技術。只有高柔性抗變形的新型工藝裝備與先進數控機床相配合，才能真正有效解決這一難題。因此，對柔性工藝裝備的理論、方法和實現技術進行深入系統研究，在此基礎上加速發展柔性工裝產品并加強在實際中推廣應用，對解決飛行器制造中的上述關鍵問題，對促進我國航空、航天工業的發展，具有重要實際意義。
國外研究和應用現狀
通過新的工藝技術和柔性工藝裝備解決大型薄壁件加工中的變形問題，美、法、德、日等工業發達國家都非常重視，均投入相當人力物力進行研究。但所取得的成果，均作為涉及國防的關鍵技術，對外秘而不宣。目前，國外公開發表的文獻多以常規零件為研究對象，主要進行切削力模型、變形分析、誤差預測等方面的理論研究。
在實際工裝系統開發方面，企業進行了大量工作，推出許多實用產品，并在行業得到應用。例如，美國的Rohr Industries公司開發了柔性機器人工作單元，用于機身部件的裝配。德國Horst Witte Geratebau公司制作了基于框架結構的模塊工裝系統。美國CAN制造系統公司研發了基于POGO單元的柔性工裝系統。美國Wisconsin-Madison大學開發了快速可組裝裝配工裝。Northrop Grumman公司開發出龍門式可重組工裝。英國Electroimpact公司為空客飛機機翼的制造開發了大型柔性工裝系統。西班牙MTorres公司開發了飛機板類零部件制造的柔性工裝TORRESTOOL。法國Dufieux Industrie公司開發了新型鏡像銑系統（Mirror Milling System，MMS），主要用于蒙皮類零件的銑切加工。
德國Horst Witte Geratebau公司基于框架結構的模塊工裝系統
綜上所述，用于飛行器制造的柔性工裝系統大體分為3類，第一類基于框架及機器人技術，第二類基于柔性多點支承技術，第三類為新發展起來的鏡像銑技術。其中，基于前兩類技術的柔性工裝系統，已經在戴姆勒- 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中得到了廣泛應用。基于第三類技術的柔性工裝和加工系統也開始在空客等公司進行應用，有望取得良好效益。
下面以TORRESTOOL系統和MM系統為例，對柔性工裝系統的技術特點作簡要介紹。
TORRESTOOL柔性工裝系統是一種用于支承板類零部件的柔性多點固定裝置。它采用模塊化結構，包括一定數量的可以沿X坐標運動的排架，排架上裝配有一定數量的可沿Y坐標和Z坐標運動的支承桿，每個支承桿上裝配有真空吸盤，用以固定工件。這樣，每一個支承桿都可以在計算機的控制下，沿X、Y、Z坐標移動（同一排架上支承桿的X坐標相同），并可被鎖定，如圖1所示。系統的主要性能參數如表1所示。
TORRESTOOL系統在X方向上，兩個相鄰排架之間的最小距離是500mm，在Y方向上，兩個相鄰鞍座之間的最小距離是228mm ；獨立軸總數為195，支承單元總數為90。整個系統從一種工件的配置到完全不同的另外一種工件的配置，最多耗時不超過2min。
TORRESTOOL柔性工裝系統可與TORRESMILL五坐標鉆銑床配套使用，對飛機整流罩、平尾和垂尾的前緣、壁板、梁等工件進行銑削、切割、鉆孔、忽窩等加工。該系統不但可適用于板類零件的加工，還可用于大部件的裝配，已經被應用在波音、空客系列民用飛機以及軍用飛機的生產組裝中。
鏡像銑系統（MMS）是一種用于蒙皮銑切加工的新型柔性加工系統。該系統與傳統多點系統不同，它采用立式夾持框架從周邊對被加工蒙皮進行固定，并通過隨動支承頭對工件被加工部位進行支承。支承頭和刀具位于被加工工件兩側，成鏡像布局。支承頭采用無劃痕設計，可在計算機控制下保持與工件曲面接觸并隨刀具運動，其位置和姿態與刀具位置姿態時刻成鏡像關系，從而實現對工件加工部位的高剛度支承，有效抑制顫振，保證加工順利進行。
鏡像銑系統（MMS）
雖然國外的柔性工裝系統技術上已經比較成熟，但市場售價仍然很高，一般一套系統的價格高達數千萬元人民幣。因此，國外系統并不完全符合我國國情，難以在我國的飛行器制造企業中廣泛推廣應用。
國內研究和應用現狀
在通過新工藝技術和新工藝裝備解決薄壁件柔性加工方面，國內許多單位也進行了大量的探索，提出了一些實用的方法。特別是一些高校和研究單位針對生產實際問題，對柔性工裝系統進行了系統研究，并開發出多種應用系統。下面從成形和切削加工2個方面進行簡要介紹。
在成形方面，吉林大學對板材多點成形的柔性工裝技術開展了大量研究工作，開發出多種規格的多點成形設備。在算法方面，提出了一種在多點成形CAD中計算各沖頭與板材接觸點的快速算法，并研究了三維板類件的多點閉環成形方法。
北京航空航天大學開展了基于可重構柔性多點模具的蒙皮數字化拉形工藝技術研究，突破了飛機蒙皮CAD數模工藝補充面的自動生成技術，實現了調形數據的自動生成，解決了大量密集沖頭的實時、并行控制等關鍵技術，并開展了基于彈性墊層、復合墊層的蒙皮拉形工藝研究，建立了基于可重構柔性多點模具的飛機蒙皮數字化拉形試驗系統。
在大型薄壁件切削加工方面，北京航空制造工程研究所、成都飛機公司、清華大學等單位開展了較深入的研究和開發工作，取得較多成果。北京航空制造工程研究所針對飛機薄壁件制造的需求，對柔性工裝的關鍵技術進行了研究，并開發出用于飛機蒙皮和壁板切割加工的柔性工裝系統。
清華大學對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進行了研究，并與成都飛機公司合作，深入研究了以柔性途徑實現“先成型后加工”工藝的有關方法和實現技術，開發出用于飛行器大型薄壁件切削加工的智能柔性工裝系統（見圖2）。通過多年結合生產實際的研究工作，攻克了柔性工裝系統涉及的關鍵技術，取得系列研究成果。
清華大學研制的用于大型薄壁件切削加工的智能柔性工裝系統
柔性工裝技術的發展趨勢
根據對有關信息的分析可以看到，在飛行器柔性工裝技術的研究和應用方面，其發展呈以下趨勢：
1機床工裝集成與機床工裝互動技術
通過網絡和信息技術實現機床與工裝集成可形成新的集成加工系統，其意義如同機床與刀庫集成構成加工中心一樣，將使制造裝備和制造系統產生新的變革。此新體系帶來的好處之一是，機床與工裝可進行互動和互操作，從而提高薄壁件制造的綜合效益。典型案例：（1）機床與工裝進行信息交流，實現刀具運動軌跡校正。具體方法是，通過多點柔性工裝中的傳感器陣列感知工件受力和受熱分布情況，計算機根據傳感信息和數學模型求解工件變形量，然后發出控制信息對刀具運動軌跡進行校正，從而提高加工精度。（2）機床與工裝進行操作交互，實現對工裝定位/支撐陣列布局的自動調整，從而抑制工件變形。實現方案是，在五軸數控機床主軸上裝上操作手，通過計算機對操作手進行五自由度控制，實現仿機器人運動，從而完成對柔性工藝裝備的自動調整，將定位/支撐單元陣列的布局調整到使加工變形最小的最佳狀態。
2基于智能預測的閉環成形技術
回彈是大型薄壁件成形工藝中一大難題。基于智能預測的閉環成形技術是解決此問題的一個有效途徑。該技術基于閉環控制原理，采用數學模型與人工智能相結合的方法，對回彈量進行精確預測，并基于預測信息對成形過程進行閉環精確控制，從而有效抑制回彈的影響，提高成形精度，保證制造質量。
3成形、加工一體化技術
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，由此產生一嚴重問題：由于成形固有的回彈特性，無法在成型產生的半成品工件上建立后續加工所需的精確基準（即使打上定位孔，誤差也較大），使得后續加工時難以進行準確定位，由此造成較大的加工誤差，影響飛行器總體制造質量。
成形加工一體化為解決上述問題提供了新的技術途徑。其思想是基于同一基準進行成形與加工作業，從而消除由于基準不重合而產生的多次定位誤差，有效提高大型薄壁件的制造質量和效率。
4可替代化銑的綠色制造技術與工藝裝備技術
長期以來，飛機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雜凹腔、凹面、凸臺等的加工問題，但其存在的化學污染、生產周期長、消耗鋁材無法回收等固有弊端，卻一直困擾著航空工業，成為世界性難題。行業內一直在尋求可替代化銑的新工藝和新裝備。尤其在當前環保和可持續發展要求日益迫切的國際環境下，取代化銑實現蒙皮類零件的高質高效綠色制造，已成為全球航空工業都在追求的目標。波音、空客等航空巨頭已計劃在數年內取消化銑。在我國，取代化銑的要求也越來越迫切。因此，以新的綠色制造技術取代污染嚴重的化銑技術已成為不可逆轉的大趨勢。面對這一趨勢，我國一些單位也積極開展了可替代化銑的新工藝技術和新裝備技術的研究開發，這些具有廣泛應用范圍和巨大實用價值的前沿新技術，對推動我國航空制造技術的發展具有重要的實際意義。
5與柔性工裝融為一體的原位檢測與質量控制技術
飛行器大型薄壁件由于剛度極差，當加工完從機床上卸下送往測量機室時將產生很大的變形，而重新安裝到檢測工裝上后又難以精確定位，由此造成再好的測量機也無法檢測出實際的加工誤差。這一問題給大型薄壁件制造的質量控制帶來極大困難。
與柔性工藝裝備融為一體的原位檢測與質量控制技術為解決上述問題提供了有效途徑。其技術特點是，通過柔性定位- 支承- 固定一體化技術，將大型薄壁工件與柔性工裝融為一體，從而實現彈性工件剛性化，由此實現在工件不脫離柔性工裝的條件下，對工件加工誤差進行原位檢測。這樣，可徹底消除工件從工裝上卸下再送往測量機室而產生的變形，從而真正檢測出工件的加工誤差，保證大型薄壁件制造質量控制的可靠實施。
6全數字化柔性自動裝配技術
大型薄壁件的裝配是飛行器制造中的薄弱環節，目前多數企業仍采用人工裝配。由此產生生產效率低、質量不穩定、工人勞動強度大等一系列問題。
數字化柔性自動裝配為突破此瓶頸開辟了有效途徑。基于機器人的柔性自動裝配系統不僅可提高大型薄壁件裝配的自動化和柔性化水平，更重要的是可保證裝配質量，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展趨勢。
7數字化柔性物流技術
柔性物流是實現柔性生產的關鍵環節。在飛行器制造中，大型薄壁件由于輪廓形狀復雜且易變形，傳統的柔性輸送和存儲裝備（如自動導引車、隨行夾具、自動存儲裝置等）無法實現這類零部件的可靠輸送和存儲。
為解決上述問題，研究開發可保持工件幾何形狀不變的新型柔性輸送和存儲設備將成為飛行器柔性裝備技術發展的新增長點。其關鍵技術涉及彈性曲面定位、陣列式可調柔性支承、多點可調柔性限位等若干方面。
8全過程數字化柔性制造技術
在實現大型薄壁件柔性加工和柔性裝配的基礎上，進一步通過數字化柔性物流系統和網絡化信息流系統將兩者連接起來，實現全方位集成，從而構成新一代“全過程數字化柔性生產系統”，將使飛行器制造實現新的飛躍。因此，積極應對這一趨勢，加快對全過程數字化柔性制造技術的研究和應用，搶占技術制高點，我們才能在未來的發展和競爭中掌握主動。
發展柔性工裝的關鍵技術
為更好解決飛行器柔性工裝發展中的實際問題，下面對柔性工裝研究、開發和應用中涉及的一些關鍵技術進行簡要分析。
1彈性曲面定位原理與薄壁件柔性工裝開發技術
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，不像一般機械產品那樣具有平面、圓柱面等易于進行定位的常規表面，傳統的針對剛體的六點定位原理已不能有效解決這類工件的定位問題，也無法按照這一原理來設計彈性曲面工件的柔性工裝系統。為解決此問題，需研究針對大型彈性薄壁件的彈性曲面定位原理，并根據新原理來進行飛行器薄壁件柔性工裝的開發。
因此，克服六點定位原理的局限性，建立新的針對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發中必須解決的理論問題。有了新的理論，方可徹底攻克飛行器薄壁件柔性工裝開發的關鍵技術。
2通過離散單元面構造可變定位/支承曲面的原理與實現技術
為根據彈性曲面定位原理開發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題。
解決此問題的基本原理與實現技術是，通過M×N 個離散小單元面陣列所形成的包絡來構成與工件表面相對應的工裝定位/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的，因此在計算機控制下，可按需形成不同的定位/支承包絡曲面，從而可對不同形狀的大型薄壁件進行精確定位和支承。這樣，一種工裝可以用于不同工件的加工，從而實現大型彈性薄壁件的制造柔性。
3定位/支承/固定一體化實現技術
大型薄壁件的定位、支承和固定不能截然分開，需采用一體化實現技術。典型的實現方案是采用具有定位、支承功能的萬向真空吸頭。真空吸頭上裝有可大角度旋轉的萬向真空吸盤，該吸盤可自適應改變方向與工件接觸，從而實現對薄壁曲面工件的自適應固定。
真空吸頭中心安裝有精密定位元件，用于對工件進行定位。真空吸頭上部裝有萬向吸盤，用于固定工件。真空吸頭主體為可多向旋轉的精密機械結構，內部裝有真空管路和傳感裝置。工件安放在各真空吸頭上后，首先通過工件自重或外部壓力使真空吸盤進行自適應調整，保證吸盤軸線與工件法線方向一致，以實現吸盤與工件的最佳貼合；然后通過吸頭中的定位元件約束工件在加工空間的位置，實現工件整體定位與支撐；最后由計算機控制啟動真空吸附系統將工件固定。
應用實踐表明，由于真空吸頭不僅需作大角度旋轉運動，而且其內部需保持高真空狀態，因此在其設計、制造、裝配和應用中，必須解決好運動靈活性與真空密封性之間的矛盾。否則，容易產生運動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不能正常工作等問題。
4高密度柔性陣列驅動技術
為實現對工件變形的重點防控，柔性工裝系統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在需要的時候能將更多的定位/支承單元聚集在一個較小的區域內，以提供足夠的支承剛度。
許多柔性工裝系統采用逐點自驅動可變陣列式構型，由于每一單元均需要進行X、Y向驅動，因而單元體積較大，難以達到較小的支承間距。例如，著名的TORRESTOOL柔性工裝系統，其X軸最小支承間距為500mm，不能滿足高密度支承要求。
為解決此問題，清華大學提出一種基于機器人集中驅動的高柔性、高密度定位/支承陣列驅動方法，并研究開發出機器人化陣列驅動系統如圖3所示。其核心思想是通過機器人以外部集中驅動的方式取代內部獨立驅動方式。這樣，各單元只需實現Z向驅動，無需X、Y向驅動電機和傳動裝置，X、Y向運動由機器人統一驅動實現，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，從而有效滿足生產廠家的需求。
雙機器人協調作業的柔性陣列驅動系統
5定位/支承陣列布局的最優規劃與動態調度
為最佳利用系統資源（定位/支承單元總數），最大限度抑制工件變形，需研究如何通過最優規劃，對定位/支承曲面包絡點的分布進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，對加工狀態下工件受力變形、受熱變形等因素的預測和分析，求解出定位/支承單元的最優布局。
在運行過程中，進一步通過動態變形控制方法，根據工件和工裝的實際狀態（受力情況、溫度變化情況等），對柔性定位/支承曲面包絡點的布局進行動態調度，即根據工件變形的實際情況，對定位/支承點的位置進行動態調整，從而使變形產生的加工誤差達到最小。
6無基準自動定位技術
許多情況下，經拉形工藝產生的薄壁件半成品，其上沒有精確定位基準（定位孔等），給后續切削加工（開窗、切邊等）帶來較大困難。為解決此問題，可采用無基準自動定位系統進行自動定位，其實現方案如下：
無基準自動定位系統由傳感器陣列、信息處理單元、定位引導軟件、控制計算機、執行裝置等組成。傳感器陣列由M×N個特制的定位傳感球組成。傳感球位于真空吸頭內，用于檢測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的分布信息和狀態信息。定位引導軟件的作用是對傳感信息進行分析，并根據彈性曲面定位原理求解調整信息。控制計算機根據調整信息對工件或工裝進行調整，即可實現工件在定位/支承陣列上的準確定位。
7智能尋位與位姿自適應控制技術
智能尋位與位姿自適應控制是實現飛行器復雜零部件柔性自動加工和裝配的一項重要關鍵技術。主要用于解決難以精確定位的復雜零部件的制造和裝配問題。
例如，要通過機器人實現飛機蒙皮的柔性自動裝配，就必須知道飛機骨架在機器人作業坐標系中的準確位置與姿態，傳統基于數模定位的方法難以解決此問題。又如，許多復雜曲面零件由于外形復雜，按照常規的“定位-加工”模式加工，難以在機床上進行準確定位，無法進行高精度加工，為此需通過“尋位-加工”技術實現無定位加工。
智能尋位與位姿自適應控制技術為解決上述問題提供了新的有效途徑。這一技術基于“尋位-作業”模式進行，與傳統“定位-作業”模式的重要差別是：它以主動尋位代替被動定位，以順應現實靈活作業（加工、裝配等）代替按既定關系強制作業。因此，即使在工件結構和外形復雜，難以對其進行精確定位的情況下，也可通過智能尋位手段主動獲取工件信息、自動計算工件實際狀態，并根據實際狀態生成控制指令進行位姿自適應作業，從而實現復雜產品的高質、高效生產。
8網絡化控制與信息集成技術
薄壁件制造的柔性工裝系統一般基于陣列式結構，由數十個甚至上百個定位/支承單元組成。如果每個單元有2~3個運動部件，則所需控制的運動軸數將高達數百個，由此形成的控制系統規模相當龐大。如果采用傳統的點到點通信控制模式，則不僅成本高、施工難度大、維護麻煩，而且接線量大、接插件多，容易造成系統運行不可靠。
新發展起來的實時以太網技術為解決柔性工裝系統的通信控制和信息集成問題開辟了更有效的新途徑。實時以太網的物理層基于以太網架構，數據鏈路層采用與以太網相同的幀格式，具有獨特的技術經濟優勢。由于經過30多年優勝劣汰的競爭考驗和技術市場雙重推動的發展歷程，以太網目前在全球范圍內已經處于絕對優勢地位，成為了現代計算機網絡的主流和事實上的統一標準。以太網不僅具有百兆、千兆、甚至萬兆的高通信速率，而且具有通用性好、可靠性高、成本低等突出優點。因此，基于以太網發展起來的實時以太網，可以有效解決柔性工裝系統的信息通信和高效控制問題。在此基礎上，還可使飛行器制造企業實現“一網到底”（或稱E網到底），即它可以一直延伸到企業現場設備控制層，使企業將管理、技術、生產、控制、監測全面集成起來，實現數據采集、質量控制和物流運行等與企業ERP系統的實時連接，在同一個網絡下訪問統一的生產和技術數據庫，既完成上層管理又完成生產控制，全面提高企業運行效益。