小型三維柔性夾持工裝平臺設計

郭巧榮　于洪

摘要：擬設計自制一種基于模塊單元的三維柔性夾持工裝臺，主要包括三維柔性工裝的詳細技術指標設計及工作臺的搭建，為實驗平臺提供設計方案。

關鍵詞：模塊單元；三維柔性；工裝

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）21-0107-02

目前我國大多飛機裝配型架的設計制造都是沿用傳統(tǒng)方法或憑借經(jīng)驗來確定，柔性工裝涉及較少，現(xiàn)代一些高校根據(jù)國外的研究技術，對工裝進行改進，但是費用較多?，F(xiàn)計劃在現(xiàn)有實驗設備和資金有限的情況下，自制一套小型柔性工裝，供教學演示使用。將來也可在此基礎上采用液壓及自動化設備改進和飛機維修柔性工裝開發(fā)，幫助本科和研究生飛機制造技術課程教學，方便進行技術探索。本課題中自建的三維柔性工裝，是對于我校進行柔性定位技術的開發(fā)，可以提供一個實際的實驗平臺，更利于科研技術的探索。

針對曲面零件加工、裝配過程中存在定位難、易變形的問題進行研究，建立三維柔性模塊化智能夾持工裝平臺?；谀K支撐單元和多點技術，根據(jù)曲面定位點坐標的求解方法，可將定位點的坐標轉(zhuǎn)化為定位系統(tǒng)的坐標，通過曲面薄壁零件柔性工裝定位系統(tǒng)，實現(xiàn)零件定位可靠、不易變形的柔性定位。此工裝能夠?qū)崿F(xiàn)在工作臺上方便移動支撐單元，并可旋轉(zhuǎn)調(diào)整夾持裝置，達到精確定位和調(diào)姿曲面零件的目的。此課題對本科課程《現(xiàn)代飛機制造技術》中工裝內(nèi)容的教學以及實驗課程設計有重要支撐作用，也可為有效解決柔性工裝的優(yōu)化設計問題提供一定參考。

一、三維柔性夾持工裝平臺詳細技術指標設計

根據(jù)曲面件的工裝特點，結(jié)合工裝夾具的理論和設計要求，提出用于曲面件的三維柔性夾持臺的整體設計方案。

1.模塊單元設計的概念、方法和原則。課題研制的柔性夾持工裝是模塊化可重組的工裝系統(tǒng)，它可以調(diào)整、更換動態(tài)模塊或局部重組，以適應不同產(chǎn)品的裝配需求。在模塊單元設計中，首先，設計并劃分相應的通用功能模塊和專用模塊；其次，根據(jù)需求，選擇合理的模塊并進行組合。模塊化設計，是把機械產(chǎn)品的某些部件組合在一起，構(gòu)成一個具有特定功能的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)作為一個通用性的模塊與其他模塊進行組合來構(gòu)成新的系統(tǒng)，從而具有不同功能。所以柔性工裝夾具主要功能是支承、夾緊作用。該柔性工裝的結(jié)構(gòu)包括底板、連接模塊、支承模塊、夾緊模塊。三維模塊化工裝夾具需要采用標準化技術要求制作的標準化、系列化、通用化的許多模塊組成，所有模塊的鏈接、固定和壓緊可以孔定位用鎖緊銷來實現(xiàn)快速鎖緊，模塊與模塊之間可以根據(jù)工件的實際尺寸而調(diào)整，整個一套工裝夾具系統(tǒng)的組合可以實現(xiàn)二維和三維空間的搭建，模塊化拼裝易于操作，實現(xiàn)簡單、容易、快捷等特點。

2.多點陣成形定位。柔性定位技術是柔性工裝技術的一個關鍵的子技術。本工裝平臺擬采用多點陣成形方法，基于用多孔平臺實現(xiàn)。該類柔性工裝主要依靠軟件系統(tǒng)模擬計算，對工裝的多點陣運動單元進行X軸、Y軸、Z軸方向的定位點坐標設計。并按照數(shù)據(jù)進行設計，擬合零件氣動外形，進而實現(xiàn)定位和夾緊等功能。

3.柔性調(diào)節(jié)設計的真空吸附式裝置。柔性工裝可通過自身柔性調(diào)節(jié)設計適應工件形狀的功能，是一種被動式的裝置。當夾緊時能改變形狀與工件相適應。對于本實驗平臺來說，這種柔性自動適應裝置過于復雜，且成本較高。所以對于外形復雜并且具有不同曲率的自由曲面零件，此柔性工裝平臺中擬采用真空吸盤進行多點陣真空吸附式定位夾持，并采用擁有能夠運動可調(diào)的旋轉(zhuǎn)伸縮臂式結(jié)構(gòu)和真空吸盤相結(jié)合實現(xiàn)柔性工裝的臥式結(jié)構(gòu)、立式結(jié)構(gòu)和環(huán)式機構(gòu)的特點，并能夠根據(jù)曲面法矢量的變化調(diào)節(jié)柔性定位夾持裝置。

4.柔性工裝工作性能CAE技術仿真和分析。在平臺設計驗證方案進行時，可應用CATIA軟件針對工裝傳動系統(tǒng)進行運動仿真。利用有限元軟件分別對不同高度的立柱單元及工裝臺架進行了有限元靜力分析和模態(tài)分析，獲得了立柱單元隨高度變化的靜、動態(tài)規(guī)律以及工裝臺架應力、應變分布云圖和模態(tài)振型，并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

5.材料選擇和加工、制造成本核算。柔性工裝的工作臺、模塊、角鋼和智能夾持裝置材料需要設計定制，另外根據(jù)資金問題合理安排加工和制造成本，力求實現(xiàn)成本低、定位精度高、便于操作等，后續(xù)還可以進行實驗項目開放和改進。柔性夾具的長度尺寸方面，擬選取最小的規(guī)格進行研制以節(jié)省材料，完成工裝臺的搭建工作。

二、三維柔性夾持工裝搭建

實驗項目搭建的柔性夾持工裝可將支撐功能、定位功能和夾緊功能有機的結(jié)合在一起，并基于三維焊接工裝的基礎平臺進行改進，實現(xiàn)薄壁件三維柔性模塊化智能夾持工裝平臺的開發(fā)和搭建。

1.三維多孔工裝平臺設計。本平臺裝置的多孔平臺可參考三維柔性焊接平臺來進行加工定制。三維柔性組合焊接工裝是將金屬切削加工領域使用的組合夾具理論運用到鈑金焊接加工領域，是從傳統(tǒng)的T型平臺，槽系平臺發(fā)展起來的三維平面孔系組合夾具系統(tǒng)。是一種新型的數(shù)字化、標準化、模塊化、通用化的環(huán)保工裝夾具[1]。三維柔性焊接夾具的組成包括一組三維工裝臺和一組標準附件。其中，三維工裝臺由五面孔系平臺和機架組成。所謂標準附件是有統(tǒng)一圖紙并按尺寸精度要求經(jīng)機械加工完成的具有互換性的零件，包括各類型的定位角鐵、壓緊件、連接件、緊固件、支承件。三維柔性焊接的多孔平臺，裝置操作簡便、使用安全。此工裝平臺的承載能力高，剛性穩(wěn)定，工作臺的五面均加工有規(guī)則的孔，刻有網(wǎng)線，可以方便地延伸和擴展、組合。經(jīng)擴展的標準臺面可模塊化的定位和夾緊零件。

2.伸縮旋轉(zhuǎn)手臂調(diào)節(jié)定位系統(tǒng)。為了實現(xiàn)對零件的柔性定位，可借鑒搬運板件的機械手設計，實現(xiàn)方向性靈活的定位[2]。機械手臂的靈活性由機械手臂的運動角度所制約，可以利用機械手臂控制方法來對定位坐標和調(diào)姿做具體仿真研究[3]。對于本實驗臺的搭建，可使用用于機械手配件的鋁合金萬向座，配合吸盤金具，實現(xiàn)方向性靈活的伸縮旋轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)設計，方便多角度旋轉(zhuǎn)。其中機械旋轉(zhuǎn)臂的固定座需要和多孔平臺相連，這里可使用焊接平臺的快速鎖緊銷，對固定座進行平臺緊固鎖緊。

3.真空吸盤吸附系統(tǒng)。真空吸盤是制造業(yè)中一種常用的氣動執(zhí)行元件，真空吸盤采用真空負壓來“吸附”工件以達到夾持工件的目的。這種夾持工件的方法，可不受工件的幾何形狀和材料限制。定位夾持裝置最重要的功能是起著固定作用，零件被固定不動后，有利于裝配加工流程的順利進行。真空吸盤的吸附效果特別關鍵，主要在于真空吸盤與被吸附零件之間的密封性。所以兩者之間的密封性很重要，這和兩者的貼合程度相關。傳統(tǒng)的真空吸盤理念中是柔-剛貼合的模式。即吸盤用具有柔性的橡膠制作，而應用的對象都具有一定剛度且有可以用來吸附的較平整的平面，從而在二者貼合時可以緊密的貼合，得到良好的密封效果。如果要使兩者之間能夠較好貼合，需要隨時調(diào)節(jié)兩者之間的貼合狀況。

對于如何產(chǎn)生真空，是需要考慮的問題。本裝置通過真空發(fā)生器產(chǎn)生真空，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，無可動機械部件，計算安裝方便。真空吸盤在工作時，壓縮空氣可以一直通過真空發(fā)生器，持續(xù)產(chǎn)生負壓，保持吸盤真空，所以吸盤直徑的選擇很重要，可以根據(jù)物料重量、真空發(fā)生器最大真空度、安全系數(shù)進行吸盤直徑計算。

4.檢驗測量系統(tǒng)。本柔性工裝特點是運用軟件計算柔性工裝的定位，并在工裝臺上高度尺，對定位點位置進行人工檢測，然后與計算機中的數(shù)據(jù)進行對比，得到誤差，從而進行調(diào)整，做到更加精確定位。在計算機軟件系統(tǒng)中，需要根據(jù)工件坐標位置信息對整個柔性工裝系統(tǒng)進行規(guī)劃。根據(jù)計算機軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動，不僅可以實現(xiàn)各支承單元的移動操控，還可以實現(xiàn)各支承機構(gòu)在工件上的布局優(yōu)化計算，從而實現(xiàn)整個柔性工裝系統(tǒng)優(yōu)化設計。

三、總結(jié)

目前我國對柔性裝配工裝的研究水平和利用率還很低。在課程教學方面缺少實驗平臺，對教學效果有一定影響。實驗項目研制一種曲面零件夾持三維柔性工裝臺，在《現(xiàn)代飛機制造技術》實驗課程設計上，可以指導學生通過軟件對柔性工作的定位進行分析，不同算法對于定位的準確性有較大影響，從而也可以增強學生的實踐能力和設計制造水平。

參考文獻：

[1]李鑫生.三維柔性焊接工裝打造柔性焊接生產(chǎn)線[J].紡織機械，2013，（6）：43-46.

[2]司震鵬，曹西京，姜小放.真空吸附式機械手系統(tǒng)設計[J].包裝與食品機械，2009，27（6）：26-30.

[3]閆妍.機械手臂智能角度控制方法研究[J].中國西部科技，2015，（7）：45-46.