用于飛機蒙皮成形的可重構(gòu)多點柔性工裝設(shè)計

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

飛機蒙皮是機翼和機身的重要組成部分，直接構(gòu)成飛機的整體氣動外形，要求外形準確、流線光滑和表面無缺陷等，其具有品種多、外形復(fù)雜、批量小的特點。因此，蒙皮零件的制造水平和產(chǎn)品質(zhì)量直接影響著飛機的氣動外形和使用壽命，已經(jīng)成為衡量一個國家飛機制造能力的重要標志之一。

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式中，蒙皮的生產(chǎn)制造均采用固定實體模具，每塊蒙皮在生產(chǎn)過程中均需要專用模具，而且這些固定實體模具尺寸規(guī)格大，制造周期長，存放占用場地大，利用率低，飛機外形設(shè)計一旦有微小改動，就要重新制作模具。因此要耗費大量的工時，使整個零件的研制周期延長。

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展及其在航空企業(yè)中越來越廣泛的應(yīng)用，數(shù)字化制造技術(shù)為提高新一代飛機產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研制周期起到了不可估量的作用?？芍貥?gòu)柔性多點技術(shù)便是其中之一，它是利用計算機控制有限的按一定規(guī)則排列的可調(diào)整的基本體形成所需要的成形曲面，從而替代傳統(tǒng)的實體模具實現(xiàn)鈑金件生產(chǎn)制造的一種柔性加工技術(shù)，特別適合蒙皮零件大尺寸、小曲率的特點，為解決蒙皮制造的突出問題提供了有效途徑，是歐美飛機制造業(yè)重點發(fā)展和應(yīng)用的前沿技術(shù)。圖1為美國沃克公司加工蒙皮時應(yīng)用的工裝[1]。相比而言，我國在蒙皮數(shù)控切邊及柔性工裝的研發(fā)應(yīng)用方面比較落后，目前仍以傳統(tǒng)生產(chǎn)模式即固定工裝為主，而且由于飛機蒙皮等零部件外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部曲率變化率大，為滿足飛機結(jié)構(gòu)所設(shè)計的固定工裝往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，用途單一，一個工裝只能用于一個機型，因此國內(nèi)迫切需要發(fā)展先進的蒙皮制造技術(shù)與裝備，并掌握蒙皮數(shù)字化制造技術(shù)[2-3]。

本文針對某飛機型號壁板類零件激光精密焊接加工的需求，研制一套激光精密焊接柔性工裝代替固定工裝對零件進行支撐夾持，并與大型橋式激光焊接設(shè)備配套使用，在焊接時保證零件狀態(tài)的穩(wěn)定性。

圖1 美國沃克公司加工蒙皮時應(yīng)用的柔性工裝Fig.1 Using flexible tooling machining skin by US Walker company

柔性工裝概述

1 柔性工裝的基本原理

柔性工裝是結(jié)合了計算機技術(shù)在內(nèi)的一種集成的、數(shù)字化工裝技術(shù)，是一種結(jié)合軟、硬件的一個綜合系統(tǒng)。從硬件上來看，柔性工裝包含有多個位置可調(diào)的定位夾緊單元；從軟件上來看，柔性工裝包含一個控制軟件，用于控制工裝的定位單元進行位置調(diào)整。二者缺一不可，并且相輔相成，在二者的共同作用下，完成工裝的位置調(diào)整，做好夾持工件的準備。

2 柔性工裝的結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)定位單元的移動特點，柔性工裝有兩種結(jié)構(gòu)形式。

結(jié)構(gòu)一：基于三坐標定位器的柔性工裝（圖2），該柔性工裝由分離式床身、移動箱體、定位器等部件組成，機構(gòu)的每個定位器在系統(tǒng)的自動控制下可以實現(xiàn)X、Y、Z3個方向的伺服移動。X向的運動是移動箱體在分離式導(dǎo)軌上移動來實現(xiàn)的；Y向移動是定位器與箱體的相對運動來實現(xiàn)的。系統(tǒng)由許多個定位器組成，形成一定大小的矩形方陣。每個點都可以實現(xiàn)X、Y、Z3個方向的伺服移動，定位器頂端的吸盤萬向(球面)擺角范圍45°。結(jié)構(gòu)二：基于插拔式的柔性工裝（圖3）。該柔性工裝采用固定式結(jié)構(gòu)，設(shè)備以床身為基座，多個定位器固定在床身連接機構(gòu)上，由此可以組成不同組合的方陣，每個定位器通過伺服控制可以實現(xiàn)Z向的移動。結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的優(yōu)缺點如表1所示。

圖2 基于三坐標定位器的柔性工裝Fig.2 Flexible tooling based on threecoordinate positioner

圖3 基于插拔式固定點陣的柔性工裝Fig.3 Flexible tooling based on pluggablefixed lattice

表1 兩種柔性工裝的比較

柔性工裝的設(shè)計方案

1 柔性工裝總體設(shè)計

為滿足工裝整體吊裝，拆裝方便，可重構(gòu)性強等需求，利用靜態(tài)固定框架與柔性多點支撐單元相結(jié)合的方式，實現(xiàn)蒙皮壁板類零件的定位夾持和固定，并與銑削設(shè)備配合使用，使工裝具備柔性化。在考慮總體方案時，工裝底座由多個相同大小的小尺寸的底座單元拼裝而成（圖4），底座單元上設(shè)計有連接固定機構(gòu)，用于立柱夾緊單元的固定，由此可以組成不同組合的方陣，每個立柱夾持單元通過伺服控制可以實現(xiàn)縱向移動。立柱夾持單元作為一個模塊機構(gòu)，可以和工裝底座連接機構(gòu)上的其他立柱互換并在工裝底座任一槽內(nèi)拆裝，可重構(gòu)性強。其中X方向立柱間距300mm，Y向立柱間距340mm，Z向最大行程200mm。

圖4 柔性工裝總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of flexible tooling’s overall structure

2 柔性工裝底座設(shè)計

該柔性工裝的底座由多個相同大小的小尺寸底座單元拼裝而成。底座單元上設(shè)計有連接固定機構(gòu)，用于立柱夾緊單元的固定，根據(jù)可固定立柱單元的數(shù)量，底座單元有兩種形式,一種可固定4組立柱；一種可固定6組立柱。這種拼裝方式可以根據(jù)所夾持工件的尺寸方便地改變底座大小，此外還可以任意增加或減少立柱個數(shù)。

底座內(nèi)部的側(cè)壁都開有凹槽，每兩個相鄰的槽之間放有走線槽，使安裝在槽中的立柱單元之間實現(xiàn)內(nèi)部走線，線的另一端置于外走線槽內(nèi)。通過內(nèi)走線槽，逐級分線，完成電氣布線功能。這樣既使得柔性工裝整體看起來美觀，又避免了由于線纜暴露在工裝外表造成的加工過程中的干擾問題。

3 柔性工裝定位夾持單元設(shè)計

柔性工裝的定位夾持單元是一個能實現(xiàn)單向伸縮移動且定位精度高、吸附能力強、工作可靠的執(zhí)行單元。定位夾持單元通過一空心圓柱筒與工裝底座連接，分別連接定位器外殼法蘭和工裝底座法蘭。該定位單元主要由電機、聯(lián)軸器、軸承、絲杠螺母、絲杠、導(dǎo)軌、滑塊、升縮柱、真空吸盤組成（圖5）?？紤]到其結(jié)構(gòu)緊湊性，以及工作的安全性，本設(shè)計采用了單導(dǎo)軌雙滑塊驅(qū)動，并在Z向運動方向上分別設(shè)有限位開關(guān)和機械限位，Z向電機均帶有抱閘制動，保證工裝系統(tǒng)在突然斷電時立柱的位置不會發(fā)生改變。Z向定位精度0.1mm，重復(fù)定位精度 0.05mm。

在對蒙皮進行加工銑切時，要保證零件的加工精度與加工質(zhì)量，不僅要保證精確的定位，還要保證在切削過程中零件可靠穩(wěn)定的夾持，防止零件發(fā)生振動，造成零件的超差。因此要實現(xiàn)對工件的可靠夾持。本工裝依靠安裝在定位器頂端的真空吸盤來實現(xiàn)對工件的夾持功能。真空吸盤的詳細結(jié)構(gòu)主要由吸盤附件、吸盤底座、吸盤球腕、吸盤擋塊、吸盤箍等組成（結(jié)構(gòu)見圖6）。該吸盤采用了二級吸盤球腕，有兩個旋轉(zhuǎn)部分組成，加大了旋轉(zhuǎn)角度。因此可以對一定曲率范圍工件實現(xiàn)定位，自動適應(yīng)不同的工件型面達到充分吸附。

圖5 夾持單元Fig.5 Clamping unit

圖6 真實吸盤結(jié)構(gòu)Fig.6 Real structure of sucker

4 柔性工裝真空系統(tǒng)方案設(shè)計

柔性工裝單元配備有專用真空系統(tǒng)，由每個吸盤立柱內(nèi)部真空管路通到吸盤凹面。每個吸盤有單獨真空控制開關(guān)。真空單元包括真空泵、方向控制閥、真空表、真空傳感器等。利用真空單元實現(xiàn)工件的固定或松開。

真空系統(tǒng)主要由正壓氣源和真空發(fā)生器組成，完成蒙皮零件的真空吸附夾持功能。使用過程中，由于零件的不同，所使用的升縮立柱數(shù)量也不同，并且要求每個升縮立柱都能獨立完成真空吸附，同時不影響其他升縮柱的真空吸附，即每個升縮立柱都需要安裝一個真空發(fā)生器。零件在加工完畢后需要進行拆卸，雖然此時已經(jīng)不再繼續(xù)產(chǎn)生吸力，但是吸盤此前產(chǎn)生的吸力不可能馬上釋放，必須對已有的吸力進行破壞，因此需要每個升縮立柱都具有吹氣功能以釋放由真空產(chǎn)生的吸力。

5 氣動鎖緊機構(gòu)設(shè)計

當(dāng)立柱上升到位，即機構(gòu)調(diào)型完畢后，由于機械傳動過程立柱上升高度大，容易引起彈性變形，并導(dǎo)致定位器的定位精度降低，因此要消除此變形。氣動鎖緊機構(gòu)可以實現(xiàn)以上要求，它通過擴大定位夾緊區(qū)域，使立柱夾持單元上升到位后在端口處通過壓縮氣體鎖緊，減小立柱夾持單元的變形量（圖7）。

6 柔性工裝的控制系統(tǒng)設(shè)計

柔性工裝系統(tǒng)控制工裝定位，接收控制代碼，經(jīng)過運算輸出控制信號，控制驅(qū)動單元的運動，同時接收測量反饋單元對運動單元的實際運動位置進行實測的位置實測值，對比分析后，計算出修正值，再次輸出給驅(qū)動單元，實現(xiàn)誤差補償。

由于系統(tǒng)要控制的軸數(shù)目眾多，采用常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)很難實現(xiàn)。因此采用了基于現(xiàn)場總線的多軸智能伺服驅(qū)動控制技術(shù)對整個夾持系統(tǒng)進行控制，主要包括工業(yè)顯示電腦、多軸控制管理器、數(shù)字伺服驅(qū)動器、交流伺服電機、輸入輸出模塊等，在外圍還連接有各種輸入輸出開關(guān)等。其工作原理以智能數(shù)字伺服驅(qū)動器為終端對每個電機進行控制和進行I/O處理，同時通過基于現(xiàn)場總線組成一個控制系統(tǒng)，整體由多軸管理器協(xié)調(diào)管理，并通過以太網(wǎng)與工業(yè)顯示電腦或者手持單元通信實現(xiàn)人機交互，接收控制數(shù)據(jù)，實現(xiàn)所有夾持單元的快速準確定位。

柔性工裝其中一排立柱單元的電氣控制原理如圖8所示。

圖7 氣動原理圖Fig.7 Pneumatic theory diagra m

圖8 電氣控制原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of electrical control

結(jié)束語

綜上所述，在設(shè)計可重構(gòu)柔性工裝時應(yīng)注意以下幾點：

（1） 根據(jù)飛機蒙皮尺寸定義柔性工裝定位尺寸的范圍；

（2） 根據(jù)飛機蒙皮加工形式定義柔性工裝定位點最大及最小可到達高度；

（3） 根據(jù)飛機蒙皮曲率變化情況定義柔性工裝的定位器數(shù)量。

柔性工裝屬于數(shù)字化柔性裝配設(shè)備，與傳統(tǒng)的蒙皮壁板支撐工裝夾具有較大的區(qū)別，制造過程中以數(shù)字化形式進行數(shù)據(jù)傳遞，同時合理安排和使用人工經(jīng)驗在制造過程中發(fā)揮的作用，實現(xiàn)蒙皮、壁板類零件在切割、焊接過程中的精密可靠定位，最終實現(xiàn)蒙皮、壁板零件的精密裝配。

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