某盤型工件內(nèi)外自由曲面自動化測量夾具設(shè)計(jì)

譚 駿 朱元慶 王德龍

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900 )

自由曲面在航空航天、模具、船舶等許多工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，其曲面檢測一般是通過坐標(biāo)測量的方式從實(shí)際曲面獲得離散的點(diǎn)集來實(shí)現(xiàn)[1]。通過對離散點(diǎn)集進(jìn)行擬合，可以得到用于評價(jià)被測空間曲面輪廓相對理想曲面輪廓符合程度的曲面輪廓度[2]。

測量夾具是保證坐標(biāo)測量精度和提升測量效率的重要工具，在許多場合都有著廣泛的應(yīng)用[3-4]，合適的夾具能極大簡化測量操作以及降低出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。某盤型工件批量大，加工要求高，其內(nèi)外自由曲面是衡量加工質(zhì)量的重要指標(biāo)。當(dāng)前，該工件的檢測是通過人工采用氣吸的方式進(jìn)行定位夾緊以滿足測量需求，操作耗時(shí)且自動化程度低，隨著任務(wù)量增多已難以滿足車間的批量檢測需求。針對該工件的檢測特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款專用的自動化檢測夾具，通過將該夾具與機(jī)械臂、坐標(biāo)測量機(jī)配合，可實(shí)現(xiàn)工件的自動上下料及檢測。

1 盤型工件內(nèi)外自由曲面自動測量方案設(shè)計(jì)

圖1是現(xiàn)有的檢測工裝，氣吸環(huán)槽和輔助銷、定位銷設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)工件的定位夾緊，夾緊力由工裝連接的負(fù)壓氣源提供，工件圓形法蘭端面作為氣吸端面。工裝的U型槽設(shè)計(jì)可保證坐標(biāo)測量機(jī)的測針順利通過，實(shí)現(xiàn)對盤型工件內(nèi)外曲面的一次裝夾測量。現(xiàn)有工裝由人工進(jìn)行取放料和氣吸夾緊，改進(jìn)的測量方案擬對現(xiàn)有工裝重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)該工件的自動上下料，工件的定位固定方式沿用現(xiàn)有工裝的設(shè)計(jì)思想。

1.1 工件自動上下料方案設(shè)計(jì)

工件的自動上下料操作由機(jī)械臂完成，若工裝如圖1所示保持直立姿態(tài)，則機(jī)械臂在上下料時(shí)就必須要求有非常高的定位精度，且需要完成取料、旋轉(zhuǎn)到放料姿態(tài)、放料、收回等多個(gè)機(jī)械動作，實(shí)現(xiàn)成本高且操作困難，細(xì)微的差異就可能導(dǎo)致機(jī)械臂與工裝的碰撞干涉。因此，本測量方案采用放料時(shí)平放工裝，測量時(shí)直立工裝的設(shè)計(jì)，平放和直立姿態(tài)的切換由氣動轉(zhuǎn)臺完成，具體放料動作示意如圖2所示。

該方案設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)在于降低了對機(jī)械臂上下料的操作要求，上料操作時(shí)，機(jī)械臂只需要將工件大致移動至工件放置區(qū)，后續(xù)工件的準(zhǔn)確定位由直推氣缸配合兩組導(dǎo)向和定位銷釘實(shí)現(xiàn)，操作簡便且實(shí)現(xiàn)難度低。工件由直推氣缸推至定位固定區(qū)后，工裝負(fù)壓氣源開啟，完成工件的氣吸固定。直推氣缸的頭部粘有發(fā)泡膠墊片以避免推力過大，氣缸頭損傷產(chǎn)品。此外，夾具內(nèi)置的節(jié)流閥可以對直推氣缸的推出速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止推出過快撞傷產(chǎn)品。

1.2 工裝自動回轉(zhuǎn)方案設(shè)計(jì)

對工裝進(jìn)行三維建模和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，得到的工裝回轉(zhuǎn)方案示意如圖3所示。為了保證回轉(zhuǎn)所需的扭矩足夠小，工裝外形及回轉(zhuǎn)軸線的位置選取充分考慮了工裝自身的重量分布并做了局部減重設(shè)計(jì)，盡可能保證回轉(zhuǎn)軸線經(jīng)過工裝重心。工裝自動翻轉(zhuǎn)的動作通過氣動轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)，氣動轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)則受PLC和電磁閥控制。

2 自動化夾具總體設(shè)計(jì)

2.1 夾具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對上述測量方案進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，獲得的自動化夾具整體三維結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

整個(gè)夾具的動作通過氣源驅(qū)動，主要包括：工裝主體的回轉(zhuǎn)運(yùn)動、直推氣缸的伸縮運(yùn)動以及工裝對工件的吸緊和放松。各運(yùn)動狀態(tài)的切換通過內(nèi)置于夾具的3個(gè)2位5通電磁閥進(jìn)行控制，其中氣動轉(zhuǎn)臺采用雙電控電磁閥，提供掉電后的自鎖保護(hù)，防止工裝主體與坐標(biāo)測量機(jī)測頭發(fā)生碰撞。

2.2 夾具電氣布局方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)夾具預(yù)期的各項(xiàng)自動化動作，夾具內(nèi)部布置了兩位五通電磁閥、真空發(fā)生器等器件并配備有相應(yīng)氣路，對內(nèi)部氣路布局進(jìn)行合理規(guī)劃可以簡化夾具的裝配操作，降低裝配和維護(hù)難度。

用于控制氣路轉(zhuǎn)換的3個(gè)2位5通電磁閥安裝于夾具底部，電磁閥所需的電源通過預(yù)置的電路接口與外部電源連通。電磁閥上部放置了一個(gè)用于產(chǎn)生負(fù)壓的真空發(fā)生器，將真空發(fā)生器布置在夾具內(nèi)部主要出于兩方面的考慮：

(1)實(shí)際使用時(shí)，外部氣源距離夾具較遠(yuǎn)，若真空發(fā)生器布置在外部，因距離產(chǎn)生的氣壓損失會導(dǎo)致產(chǎn)品吸不住。

(2)因距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致的氣路過長會使夾具的各器件動作產(chǎn)生延遲，嚴(yán)重影響夾具各器件的動作節(jié)拍，不利于夾具的自動化應(yīng)用。

本夾具電氣布局設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)是將氣路盡可能地內(nèi)嵌于結(jié)構(gòu)件中，可以極大減少氣路轉(zhuǎn)接工作量和降低實(shí)際裝配時(shí)的復(fù)雜程度。內(nèi)嵌式氣路布局如圖5所示。

從圖5中可以看出，通過對夾具部分結(jié)構(gòu)件進(jìn)行氣路鉆孔加工，可省略部分氣管安裝和轉(zhuǎn)接的操作，簡化了氣路布局和裝配難度。

2.3 夾具底座安裝柔性化設(shè)計(jì)

坐標(biāo)測量機(jī)的大理石平臺上預(yù)留有用于測量夾具固定的安裝孔，而不同型號坐標(biāo)測量機(jī)的安裝孔孔位布置和孔徑是不同的，為滿足本夾具在不同型號坐標(biāo)測量機(jī)上的安裝需求，對夾具底座的安裝孔位進(jìn)行了柔性化設(shè)計(jì)。

目前常用的坐標(biāo)測量機(jī)，其大理石平臺安裝孔布局一般有100 mm×200 mm，200 mm×200 mm和250 mm×250 mm等。在盡量保證夾具整體外形尺寸小巧和簡約設(shè)計(jì)的前提下，對夾具底座安裝孔布局進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。底座上3種預(yù)留安裝孔設(shè)計(jì)可以滿足包括CONTURA、DuraMAX和力德、思瑞、航銳思維等在內(nèi)的各種型號坐標(biāo)測量機(jī)的安裝需求。

2.4 夾具防干涉碰撞測量裝配仿真

夾具設(shè)計(jì)的另一重點(diǎn)是避免測量過程中的干涉碰撞，因自動化夾具工作時(shí)無人值守，一旦發(fā)生碰撞導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，輕則影響生產(chǎn)檢測效率，重則導(dǎo)致檢測設(shè)備損壞，因此需要對夾具工作狀態(tài)下的干涉碰撞進(jìn)行仿真和預(yù)消除。

選取雷尼紹TP200測頭和φ3 mm×100 mm測針作為仿真對象，并建立測針和測頭的三維模型，分別在各測量極限位置裝配測針和測頭，評估夾具實(shí)際工作時(shí)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)該產(chǎn)品的實(shí)際檢測要求，模擬的4類極限位置如圖6所示，仿真裝配的目的就是保證測頭和測針在這4類極限位置不與夾具和產(chǎn)品發(fā)生干涉碰撞，從圖中可以看出，坐標(biāo)測量機(jī)在極限位置測量時(shí)能夠避讓夾具，不會產(chǎn)生碰撞。

3 自動化夾具實(shí)物裝配及功能驗(yàn)證

根據(jù)三維模型設(shè)計(jì)制造的自動化夾具實(shí)物裝配圖如圖7所示，定位和導(dǎo)向銷釘選用尼龍材質(zhì)以防止工件碰傷，夾具正常工作所需的氣路和電路均內(nèi)置在夾具內(nèi)部。夾具側(cè)板上預(yù)留有與外部連接的電路接口，用于控制負(fù)責(zé)氣路轉(zhuǎn)換的電磁閥及應(yīng)對可能的功能擴(kuò)展對接口的需求。電路接口實(shí)物圖如圖8a圖所示。

整個(gè)自動化夾具內(nèi)部所需的氣源均通過圖8b圖所示的氣源接口輸入，在夾具內(nèi)部再細(xì)分至各個(gè)功能器件，降低了自動化夾具對外部氣源供應(yīng)路數(shù)的要求。對自動化夾具接通電源、氣源進(jìn)行功能驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該自動化夾具能滿足預(yù)期的功能要求，各功能部件能夠按照固定節(jié)拍執(zhí)行相應(yīng)動作。下一步計(jì)劃將該自動化夾具與即將完成采購的自動化檢測單元(含坐標(biāo)測量機(jī)、機(jī)械臂、儲料架等)進(jìn)行集成，以期實(shí)現(xiàn)該盤型工件內(nèi)外自由曲面的批量自動化檢測。

4 結(jié)語

本文以實(shí)際生產(chǎn)中某盤型工件的內(nèi)外自由曲面測量需求為牽引，以實(shí)現(xiàn)該工件自動化檢測為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一款專用的自動化夾具。經(jīng)實(shí)際功能測試，證明該自動化夾具能夠?qū)崿F(xiàn)盤型工件內(nèi)外自由曲面的一次裝夾檢測。通過將該夾具與自動化檢測單元集成，可以實(shí)現(xiàn)該種工件的批量自動化檢測，對推進(jìn)車間現(xiàn)場檢測的自動化、無人化具有促進(jìn)作用。