航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工柔性液壓夾具的設(shè)計(jì)研究

吳華 李湉 張世貴 張晟瑋 王丹 林立果

摘 要：航空結(jié)構(gòu)件是一種典型的外型復(fù)雜的弱剛性薄壁零件，控制其加工變形是提高數(shù)控加工質(zhì)量和精度的重要因素，合適的夾具工裝系統(tǒng)可有效提高工件剛性，是控制其加工變形的關(guān)鍵。本文提出了一種新型的柔性液壓夾具，采用液壓系統(tǒng)提供油源和動(dòng)力，具有多點(diǎn)輔助支撐和壓緊裝置，為工件提供支撐力和壓緊力。同時(shí)，為防止刀具和壓緊件發(fā)生沖撞，利用西門子840D系統(tǒng)的電子凸輪功能和可編程控制器（PLC）對液壓閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)壓緊件在刀具接近前自動(dòng)讓開，在刀具離開后自動(dòng)復(fù)位的功能。完成了柔性液壓夾具的設(shè)計(jì)與調(diào)試，經(jīng)加工測試，相比傳統(tǒng)夾具，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，可有效提高工件剛性。

關(guān)鍵詞：航空結(jié)構(gòu)件;柔性液壓夾具;刀具;輔助支撐;PLC

航空結(jié)構(gòu)件是一種在飛機(jī)上廣泛使用的零件，是組成飛機(jī)氣動(dòng)外形和機(jī)體骨架的重要部分。這類零件通常采用鋁合金材料，其毛坯外形不太規(guī)則，加工表面為曲面，屬于復(fù)雜弱剛性薄壁零件。此類薄壁零件通常壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和剛度低，加工過程中在切削力作用下的變形較大。這意味著強(qiáng)切削力作用下弱剛性工件的變形是影響其數(shù)控加工精度和表面質(zhì)量的主要原因[1]。

隨著航空加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，對航空結(jié)構(gòu)件的加工精度提出了更高的要求[2]。為了消除工件變形產(chǎn)生的影響，提高加工質(zhì)量和精度，除了提高加工技術(shù)水平之外，還應(yīng)該從工件本身入手，增強(qiáng)其剛度[3-4]。如果在工件弱剛度受力的反方向上增加一個(gè)支撐力以達(dá)到受力平衡，那么將會大大增強(qiáng)工件的剛度和加工的穩(wěn)定性[5-6]。為此，我們設(shè)計(jì)了一種新型的用于航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的隨動(dòng)液壓夾具，在為工件提供必要的定位夾緊作用之外，還為工件提供了多點(diǎn)輔助支撐力和壓緊力，并利用西門子840D系統(tǒng)中的電子凸輪功能和可編程控制器PLC來實(shí)現(xiàn)壓緊點(diǎn)從對刀具的自動(dòng)避讓。整套夾具用在航空結(jié)構(gòu)件加工中，能夠起到增強(qiáng)工件剛度，提高加工質(zhì)量和加工精度的作用，對于航空結(jié)構(gòu)件以及同類型薄壁零件的加工有著重要意義。

1總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。該系統(tǒng)包括夾具本體，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)，控制程序等多個(gè)部分。加工零件的機(jī)床為DMG125P五軸機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)為Simens 840D，自動(dòng)避讓刀具的功能由該系統(tǒng)中的電子凸輪和PLC共同實(shí)現(xiàn)。電子凸輪負(fù)責(zé)設(shè)置空間范圍，讀取機(jī)床當(dāng)前位置及刀具軌跡;PLC則根據(jù)電子凸輪采集的數(shù)據(jù)判斷輸出開關(guān)信號，控制液壓閥的電磁鐵得失電狀況，從而控制液流的相關(guān)參數(shù)來達(dá)到控制支撐單元和壓緊單元運(yùn)動(dòng)的目的?？刂瞥绦蜃x取相關(guān)數(shù)據(jù)并生成PLC程序。

工件定位之后，夾具本體中的輔助支撐單元位于工件下方，壓緊單元位于工件邊緣上方，加工時(shí)，支撐點(diǎn)向上為工件提供支撐力，壓緊點(diǎn)向下壓住工件邊緣。所有輔助單元的動(dòng)力都由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供，其運(yùn)動(dòng)都由液壓閥控制。由于壓緊點(diǎn)處于工件上方，刀具在進(jìn)行加工的時(shí)候有可能與之發(fā)生沖撞造成損失，所以在壓緊單元周圍劃分出一個(gè)安全空間范圍;當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入該區(qū)域之后，壓緊件自動(dòng)避讓;當(dāng)?shù)毒唠x開之后，壓緊件自動(dòng)回到原位。圖2（a）-（b）是夾具的工作狀態(tài)示意圖。其中（a）圖顯示了刀具進(jìn)入右二壓緊點(diǎn)設(shè)置的安全空間之內(nèi)，該壓緊點(diǎn)上升并旋轉(zhuǎn)避讓;（b）圖則顯示當(dāng)?shù)毒唠x開該空間后，右二壓緊點(diǎn)回復(fù)原位，右三壓緊點(diǎn)避讓的情形。

2 夾具本體設(shè)計(jì)

夾具本體是安放在機(jī)床工作臺上，對工件實(shí)行定位與輔助支撐壓緊的部分。如圖3所示即為夾具本體的三維模型圖，其由左右定位單元，多個(gè)輔助支撐單元和多個(gè)壓緊單元以及各種殼體零件等組成。

工作時(shí)，左右定位單元利用了工件左端耳環(huán)上的安裝孔和毛坯右端的工藝凸臺上的定位銷孔進(jìn)行定位。在夾具工作臺上為定位單元設(shè)計(jì)了多組安裝孔，以滿足多組大小不同的工件的加工，以及工件翻面加工時(shí)的需要。

支撐壓緊單元是本夾具系統(tǒng)的核心部分。它的主體包括一種擺動(dòng)液壓缸和一種輔助支撐缸。擺動(dòng)壓緊缸具有一定的垂直夾緊行程和一定的回轉(zhuǎn)避讓行程，當(dāng)有液壓油通入時(shí)其壓緊件能做向上并旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作;輔助支撐缸可以利用液壓油推動(dòng)與工件保持接觸并在接觸后將支撐元件可靠鎖緊。由于本次加工屬于薄型零件加工，所以支撐點(diǎn)和壓緊點(diǎn)應(yīng)處于共線位置或者接近于共線。本夾具設(shè)計(jì)的液壓缸底座結(jié)構(gòu)三維模型圖如圖4所示，在支撐壓緊單元中，將支撐缸和壓緊缸放入同一底座內(nèi)，滿足共線要求。由于腹板是整個(gè)工件中剛性最弱的部分，所以有一組單元增加了一個(gè)支撐缸。

如圖5所示，在工件腹板下方，每一對支撐壓緊單元有兩個(gè)支撐點(diǎn)。以兩個(gè)相對的支撐壓緊單元為一組，每一組有兩個(gè)壓緊點(diǎn)，在工件腹板下方有三個(gè)支撐點(diǎn);整個(gè)夾具共12個(gè)壓緊點(diǎn)，15個(gè)支撐點(diǎn)，能夠解決該類工件的支撐壓緊問題。由于工件外形不規(guī)則，支撐壓緊單元能夠在工作臺上垂直于工件軸線的方向上前后移動(dòng)，以便將支撐點(diǎn)調(diào)整到最適合的位置。

3 液壓系統(tǒng)

本夾具系統(tǒng)的液壓部分不但為各種液壓缸提供油源及動(dòng)力，還通過液壓閥的作用控制液壓缸體的運(yùn)動(dòng)。為了節(jié)省空間，使布局緊湊，并最大限度的降低液壓沖擊，控制液壓缸的各個(gè)閥門被置放在工作臺下方，系統(tǒng)的底部隔板上，液壓缸與控制閥通過夾具工作臺與液壓缸底座上的過孔直接連接。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和執(zhí)行元件的工況分析，為夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)了合適的液壓回路。液壓系統(tǒng)流程圖如下圖6所示：

本液壓系統(tǒng)的執(zhí)行件支撐缸和壓緊缸需要兩種不同的壓力系統(tǒng)，故采用雙泵供油的設(shè)計(jì)。在供壓緊元件運(yùn)動(dòng)的低壓系統(tǒng)中，使用低壓泵進(jìn)行供油。由于工件有精加工和粗加工兩種不同的加工需要，其需要的壓緊力也是不一樣的，所以設(shè)計(jì)液壓回路時(shí)在低壓泵和節(jié)流閥之間加入三位四通電磁換向閥和雙溢流閥組成了雙級定壓裝置，用于滿足兩種不同的定壓需要。在液壓回路中加上節(jié)流閥調(diào)節(jié)流速，以控制壓緊件的速度。在壓緊缸入口處接入三位四通電磁換向閥，通過電流接通使流向改變，從而實(shí)現(xiàn)壓緊缸的升降和旋轉(zhuǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在電磁換向閥和缸體之間加入液控單向閥使各壓緊缸在壓緊方向上達(dá)到鎖緊的目的，由此保持各閥在運(yùn)動(dòng)過程中能夠互不影響。

支撐缸的高壓系統(tǒng)由高壓泵供油，選用高壓泵為支撐缸進(jìn)行供油，為防止壓力不夠，在回路中接入蓄能器和壓力繼電器起到回路保壓的作用。在泵和蓄能器加入了兩位四通電磁換向閥和溢流閥組成的定壓裝置，限定了液壓缸能達(dá)到的最大壓力。在支撐缸入口前接入兩位四通電磁換向閥，通過電流作用改變流向，控制支撐缸活塞的上升和下降運(yùn)動(dòng)。和壓緊缸系統(tǒng)一樣，在每個(gè)換向閥和缸體中都接入液控單向閥使為了達(dá)到鎖緊回路的目的。

4 電氣控制系統(tǒng)

圖7是電氣控制系統(tǒng)的原理框圖。其中電子凸輪（CAM）是實(shí)現(xiàn)夾具控制，連接機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)和PLC的有效方法。電子凸輪是西門子840D系統(tǒng)自帶的一種功能，作用相當(dāng)于一個(gè)位置檢測接近開關(guān)，只是將這個(gè)接近開關(guān)的作用用軟方法實(shí)現(xiàn)。840D上共有32對電子凸輪。每對凸輪分成正凸輪和負(fù)凸輪，其中正凸輪可以給出高電平的起始處，負(fù)凸輪可以給出高電平的終止處，這樣利用一組凸輪就可以確定刀具在一個(gè)軸上的工作區(qū)間。利用3組凸輪可以確定一個(gè)三維工作空間即限定空間。本系統(tǒng)中，三維空間是在機(jī)床參數(shù)設(shè)置中，由SD指令給以設(shè)定，具體設(shè)定區(qū)域的大小由實(shí)際夾具的安裝位置和夾具的運(yùn)動(dòng)范圍測量所決定。由于零件的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致夾緊點(diǎn)呈兩行5列分布，所以凸輪分配情況如下：以機(jī)床坐標(biāo)為原點(diǎn)，X軸被分配了十二對對凸輪，Y軸被分配了兩對凸輪，Z軸被分配了兩對凸輪;整個(gè)電子凸輪的分配工作是由MD指令實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)電子凸輪的分配與參數(shù)設(shè)置已經(jīng)確定之后，即開始工作。電子凸輪讀取并比較NC中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，發(fā)送連續(xù)信號給PLC，當(dāng)NC數(shù)據(jù)與設(shè)置參數(shù)發(fā)生干涉即刀具進(jìn)入已限定空間時(shí)，信號發(fā)生轉(zhuǎn)換。PLC采集到數(shù)控系統(tǒng)所發(fā)出的位置觸發(fā)信號，在編程控制軟件生成的PLC程序里進(jìn)行判讀，依據(jù)控制要求進(jìn)行外圍控制。

本次用的PLC是集成在840D系統(tǒng)內(nèi)部的S7-317-2DP型PLC。電子凸輪與該P(yáng)LC連接的方法有兩種，一種是通過IM361直接與PLC總線連接，另一種是通過ET200M用profibus總線進(jìn)行連接。在本例中選用的是通過ET200M進(jìn)行連接。

本系統(tǒng)中，PLC除了需要控制12個(gè)液壓壓緊回路，10個(gè)液壓支撐回路之外，為了得知整個(gè)控制回路正常與否，防止壓緊點(diǎn)在刀具接近時(shí)并未及時(shí)避開的異狀發(fā)生，在系統(tǒng)中又安裝了十個(gè)檢測裝置，具體是在每一個(gè)腹板壓緊件旁安裝接近開關(guān)。接近開關(guān)是一種利用位移傳感器對接近物體的敏感特性以達(dá)到控制開關(guān)“通”或“斷”的目的的元件。在本系統(tǒng)中，對接近開關(guān)設(shè)置一個(gè)反應(yīng)時(shí)間，從刀具進(jìn)入CAM設(shè)置的安全區(qū)域到反應(yīng)時(shí)間結(jié)束，如果接近開關(guān)還沒有感應(yīng)到壓緊件，則發(fā)出急停信號。接近開關(guān)的輸入輸出信號都由PLC控制處理。

為使系統(tǒng)更加柔性化，更具有靈活性，各個(gè)液壓回路在PLC控制之下能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式。圖（8）是PLC主程序流程圖。若選擇手動(dòng)，則執(zhí)行手動(dòng)程序，由手輪對各個(gè)被控點(diǎn)的動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)控制;否則執(zhí)行自動(dòng)程序，被控點(diǎn)根據(jù)PLC發(fā)出的信號自動(dòng)執(zhí)行操作，直到接受到停止信號為止。

PLC有多種編程語言，包括語句表，梯形圖，功能塊等，在本例中選用了語句表編寫程序，共有擺動(dòng)閥馬達(dá)控制，支撐閥馬達(dá)控制，Clump head select（撥碼開關(guān)選擇），1—12號擺動(dòng)缸夾頭運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)閥壓力粗精加工，支承閥運(yùn)動(dòng)能程序。如圖9即為1號和2號擺動(dòng)缸夾頭的運(yùn)動(dòng)程序：

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的柔性液壓夾具，完成了夾具本體設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該夾具系統(tǒng)具有多個(gè)輔助支撐壓緊單元，能為航空結(jié)構(gòu)件提供多點(diǎn)支撐、多點(diǎn)夾緊，并利用機(jī)床所使用的西門子840D系統(tǒng)自帶的電子凸輪和PLC模塊實(shí)現(xiàn)壓緊點(diǎn)自動(dòng)避讓刀具的功能，以增加工件的剛性，提高加工質(zhì)量和精度水平。不但能用于航空結(jié)構(gòu)件的加工，也適用于其他同類型薄型零件，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡介：

吳華，（1976-），女，河南駐馬店人，工程碩士，高級工程師，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)，有豐富的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造經(jīng)驗(yàn)，曾獲得多項(xiàng)專利和省部級科技成果。

基金項(xiàng)目：

中國航發(fā)自主創(chuàng)新專項(xiàng)基金項(xiàng)目（ZZCX-2017-039）;四川省科技廳項(xiàng)目《5000公斤級大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙技術(shù)研究》（2019YJ0294）