鋁合金盒體柔性夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

（天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384）

0 引言

近年來，隨著我國航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，對航天類零部件的需求量日益增長。鋁合金結(jié)構(gòu)件越來越呈現(xiàn)薄壁曲面、變厚度和整體結(jié)構(gòu)的趨勢，進一步提高了航空航天飛行器的性能[1]。航空產(chǎn)品的品種多，焊接精度要求高，生產(chǎn)批量小是其最大的特點?，F(xiàn)在工廠加工小批量，多種類的焊接件都是通過人工夾緊定位進行的焊接。這樣加工的產(chǎn)品不僅效率低，精度低也難以保證。專用夾具數(shù)量繁多，適用范圍窄，缺乏計算機輔助夾具拼裝系統(tǒng)和夾具生產(chǎn)流程管理系統(tǒng)。夾具的自動化，柔性化程度低。以上這些缺點都限制了夾具的發(fā)展和工廠的生產(chǎn)效率。在這樣的前提下，夾具柔性策略應(yīng)用而生[2]。

鋁合金盒體作為航空電子元器件的承載保護體，尺寸繁多，材料厚度有0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm等，最大不超過2mm，以及鋁盒的長寬高，每類的規(guī)格高達十幾種，加工焊接較為困難。設(shè)計出一種新型的整體加工方案是十分有必要的。自動化和柔性化是現(xiàn)代制造加工業(yè)的發(fā)展趨勢，為了解決企業(yè)面臨的多種類小批量生產(chǎn)難題，本文提出了一種解決方案。通過對夾具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計，使其更加自動化，柔性化，在一定尺寸區(qū)間內(nèi)的盒體焊接都能自適應(yīng)完成加工，因而提高企業(yè)效率，加快企業(yè)發(fā)展。

1 夾具理論及設(shè)計方案

1.1 柔性工裝

柔性工裝是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系，采用可重組模塊化結(jié)構(gòu)的工裝，自動化程度高，柔性工裝系統(tǒng)目的是降低工裝制造成本，縮短工裝準備周期，同時大幅度提高生產(chǎn)率。近年來，在制造業(yè)各個領(lǐng)域中，柔性工裝夾具的應(yīng)用日益廣泛，主要由于柔性中小批量生產(chǎn)模式越來越得到普及，這就要求工裝夾具要盡可能具備一定的柔性，從而在保證質(zhì)量的前提下方便快速地適應(yīng)產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的調(diào)整。柔性工裝結(jié)構(gòu)是由標準件、基礎(chǔ)件、合件、功能組件、單元模塊等按照特定功能拼裝而成，能夠滿足工藝要求，并能快速拆分重組[3]。

1.2 計算機輔助夾具設(shè)計——CAFD

計算機輔助夾具設(shè)計（Computer Aided Fixture Design）——CAFD始于20世紀70年代，在發(fā)展的過程中，新技術(shù)和新方法陸續(xù)被采用，如成組技術(shù)、特征建模、專家系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、基于實例的推理（Casebased Reasoning，CBR）等[4]。CAFD大致分四個步驟：安裝規(guī)劃、夾具設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能評估[5]。

在組合夾具系統(tǒng)中，利用模塊化、標準化夾具元件及其功能部件，簡化設(shè)計和快速制造，已成為夾具產(chǎn)品開發(fā)的基點。模塊化、組合化的設(shè)計能夠擴大夾具元件的使用功能和應(yīng)用范圍，獲得事半功倍的效果，是實現(xiàn)夾具制造 “短、平、快、廉”的重要手段[6]。

1.3 設(shè)計方案

焊接位置分為平焊，橫焊，仰焊，立焊四種，其中“平焊”位置最好，焊縫傾角0°～5°，焊縫轉(zhuǎn)角85°～95°，所以在設(shè)計時要達到平焊的各項要求，為此設(shè)計以下方案。

圖1 無蓋鋁盒

焊槍由焊接機械手夾持，座式變位機固定在焊接架上。由于工件是沖壓折彎成型，必然會存在回彈，因此邊角焊縫的控制是提高焊接精度的關(guān)鍵因素之一。針對這一情況，本方案設(shè)計了定位夾緊。因為被加工件是無蓋矩形盒體，其外部通過絲杠滑塊來定位，內(nèi)部通過電動推桿夾緊，使得焊縫控制在焊接有效區(qū)間內(nèi)。為了保證焊接質(zhì)量，焊縫處于平焊位置時焊接質(zhì)量容易控制，且焊接效果最好。因此，每焊完一條棱邊，就通過變位機旋轉(zhuǎn)90°，使下一條棱邊處于平焊位置。變位機與絲杠夾緊裝置相連且同軸度，旋轉(zhuǎn)時需要絲杠使工件定位。為了使工件定位夾緊準確，在邊角模具上安裝壓力傳感器和紅外測距傳感器，對工件進行實時位置反饋。夾緊通過PLC控制焊接機械手，變位裝置以及夾緊裝置，使得加工配合精確無誤。

1.4 加工流程

鋁材的選擇尤為重要，直接影響工件的成形質(zhì)量。需要通過選擇不同的航空鋁材進行試驗，最終篩選出合適的板材。

圖2 加工流程

將選定的板材裁剪成所需的尺寸，對裁剪后的毛坯件進行毛刺的打磨。達到標準后的毛坯件放在柔性沖壓機上進行折彎，折彎會使得工件發(fā)生一定程度的變形，還會有回彈，會對焊縫的控制提高難度，對接下來的焊接產(chǎn)生影響。折彎工序的精度需要嚴格控制。夾緊的方式與焊縫大小以及焊接精度都有密切聯(lián)系，文章會進一步分析這兩種夾緊方式的利弊，以及各自適應(yīng)的工況。

2 柔性夾緊機構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)及功能介紹

根據(jù)盒體焊接夾緊的兩種方式，分別設(shè)計了相應(yīng)的柔性夾緊平臺來滿足其工藝要求。

圖3 夾緊方式

2.1.1 井字式滑臺

圖4 井字式夾緊機構(gòu)

圖5 井字式結(jié)構(gòu)圖

對于無蓋薄板鋁盒的焊接，對焊縫的控制直接影響后續(xù)的焊接精度。根據(jù)方案的研究，設(shè)計出了一種直接對鋁盒四個棱角定位的柔性夾緊機構(gòu)。具體參數(shù)如下：單軸心導(dǎo)軌總長500mm，有效行程320mm；滑槽長200mm，有效行程150mm；夾緊構(gòu)件支撐面120×115，適應(yīng)最低鋁盒高度25mm。由于是棱角夾緊，計算夾緊范圍應(yīng)按頂角計算。通過計算測量其理論最小夾緊鋁盒的長寬為310×220，最大為580×500，區(qū)間遞進精度控制在1mm以內(nèi)，即在該區(qū)間內(nèi)的鋁盒尺寸，長寬增量大于1mm都可以實現(xiàn)夾緊。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是對于回彈較大的鋁盒可以通過棱角夾緊來補償修正，穩(wěn)定焊縫；缺點是行程受限制較大，電機較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，若鋁盒超出范圍無法進行夾緊。

定位部分采用絲杠滑臺的形式進行精確定位，夾緊部分通過氣缸機構(gòu)進行推力夾緊?？v向滑臺分別由兩個伺服電機控制，橫向滑臺由兩個雙向異旋伺服電機控制。夾緊構(gòu)件單元裝有壓力傳感器和紅外測距傳感器，通過初定位后傳感器將反饋信息傳給控制器（PLC或微機），再進行夾緊補償，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.1.2 十字式滑臺

圖6 十字式夾緊機構(gòu)

十字式機構(gòu)滑槽長210mm，有效行程135mm；滑塊長寬位111×65，要求鋁盒最低深度25mm。通過計算測量該結(jié)構(gòu)的理論最小夾緊尺寸為100×100，最大370×370。區(qū)間遞進精度控制在1mm以內(nèi)，即在該區(qū)間內(nèi)的鋁盒尺寸，長寬增量大于1mm都可以實現(xiàn)夾緊。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是簡單易控制，僅需兩個雙向異旋絲杠電機；缺點是對焊縫的控制不如井字式。定位仍采用絲杠滑臺，夾緊通過氣缸推力夾緊。控制方式如十字式。

2.1.3 方案對比

表1 夾緊尺寸

通過對比可知井字式結(jié)構(gòu)更加柔性，由于鋁盒是折彎件，回彈不穩(wěn)定，對棱角焊接和焊縫的控制，井字式結(jié)構(gòu)更加精確合理，缺點是不能夾緊較小尺寸的盒體。十字式夾緊結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快速，能夠夾持較小尺寸的盒體，最大缺點是不能對棱角夾緊，影響焊接質(zhì)量。綜上選取井字式棱角夾緊方案。

2.2 夾緊單元優(yōu)化

針對井字式結(jié)構(gòu)的缺點，將夾緊單元進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。電動推桿在滑塊面上會影響邊角壓緊，因此將電機豎直安裝在支座側(cè)壁。如此，增加了有效行程，對于小尺寸鋁盒有了較好的適應(yīng)性。

表2 優(yōu)化后尺寸

圖7 夾緊單元

圖8 鋁盒夾緊

2.3 材料選取

該柔性夾緊平臺主要面向鋁合金盒體，且工件厚度，硬度都不高，所以在選材方面對材料沒有特殊要求。轉(zhuǎn)盤用304不銹鋼，直線導(dǎo)軌滑槽和軸心由于磨損較多，采用高碳鍍鉻軸承鋼（GCr15），滑塊用鉻鉬合金鋼，氣缸部分用鋁合金材質(zhì)。滾珠絲杠采用GCr15SiMn軸承鋼，加入Si和Mn元素后，材質(zhì)的硬度、強度、韌性和塑性等力學(xué)性能都有提高[7]。

3 仿真分析

3.1 靜力學(xué)分析

鋁盒是通過沖壓折彎成形，會存在一定程度的回彈，而夾緊焊接會把回彈控制，對鋁板側(cè)邊施加擠壓力。通過研究夾緊力的大小以及側(cè)邊的受力變形，可以選擇出最佳的電動推桿。

將鋁盒夾緊模型簡化后導(dǎo)入ANSYS Workbench中，回彈角度設(shè)置為3°，即將鋁板側(cè)面進行3°的強制位移壓緊。通過后處理得出所需的最大壓緊力。

圖9 變形云圖

表3 邊角受力

由表3可知，每個棱角的受力情況。其中最大為44.9N。選擇電機時可按50N的推力為參考篩選型號。

3.2 動力學(xué)分析

由于井字式夾緊結(jié)構(gòu)目標是矩形鋁盒夾緊，且結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，所以只對其中的一個夾緊單元進行多體動力學(xué)仿真。

3.2.1 ADAMS分析

隨著時代的進步，虛擬樣機技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于工程設(shè)計開發(fā)等領(lǐng)域。ADAMS作為虛擬樣機技術(shù)平臺的杰出代表，已經(jīng)成為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效工具[8]。

對碰撞的描述有兩種：經(jīng)典碰撞模型和接觸碰撞模型。剛體碰撞屬于經(jīng)典碰撞，不發(fā)生接觸變形，求解時可求得廣義速度增量和碰撞沖量，從而獲得碰撞后的初始狀態(tài)。該模型的缺點是不能給出碰撞時間，無法計算碰撞時的沖擊力，所以在本次仿真時，需要在原模型處復(fù)制一個無質(zhì)量的構(gòu)件[9]，與原模型采用鎖定約束，再用無質(zhì)量體與碰撞體進行接觸約束。碰撞時產(chǎn)生的沖擊力傳遞給鎖定約束且無損耗，這樣可以通過測量鎖定約束的力來得出碰撞沖擊力。

3.2.2 動力學(xué)仿真

將CAD模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，設(shè)定單位為mm，Kg，N，S，重力設(shè)為9.8m/s2。初步設(shè)置整個夾緊過程在4S內(nèi)完成，先進行滑枕的橫向移動，接近結(jié)束行程時進行滑塊的縱向移動，最后氣缸夾緊。驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)速選擇1200RPM和1000RPM，軸徑6mm和8mm的絲導(dǎo)程選1mm，軸徑為12mm的絲杠導(dǎo)程選3mm。驅(qū)動函數(shù)選擇STEP(x,x0,h0,x1,h1)。結(jié)束時間設(shè)置為4s，步長為1000。然后設(shè)置傳感器，本次仿真按最大鋁盒行程計算，當(dāng)滑塊縱向行駛至最大行程結(jié)束。

圖10 速度曲線

圖11 加速度曲線

如圖10所示，圖中表示兩個電機驅(qū)動的滑塊速度變化曲線。大電機推動滑枕，由于負載大，且滑枕上裝有滑槽，所以速度變化較滑槽小電機平緩。整個過程3秒完成，滑枕先移動，在1.5秒時滑槽絲杠轉(zhuǎn)動?；瑝K先加速達到最大速度后馬上減速，圖11表示其加速度變化曲線。在開始移動和停止時，變化較大，但在合理范圍內(nèi)，對零件沖擊影響較小。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計的柔性焊接夾緊機構(gòu)，適用于規(guī)則盒體的柔性焊接，根據(jù)企業(yè)的實際情況設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)來解決現(xiàn)存的問題。配合自動焊接機械手，生產(chǎn)精度和效率將會大大提高。通過與企業(yè)的合作，以及對柔性焊接夾緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計和虛擬樣機的仿真，加深了相關(guān)知識的理解

【】【】和應(yīng)用，經(jīng)過理論和實際驗證，柔性焊接有很大的發(fā)展空間。

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