蒙皮鈑金工件銑切吸盤式柔性工裝設計

摘要：本文基于蒙皮鈑金工件曲面復雜、種類繁多、剛性差、精度要求高等加工難點，以吸盤式柔性夾持技術研究項目為背景，提出了一套針對蒙皮鈑金工件銑切加工的工裝設計方案，該柔性工裝可以替代原有剛性固定工裝，實現對蒙皮鈑金工件的柔性裝夾。

關鍵詞：蒙皮鈑金工件；柔性工裝；真空萬向吸盤

1.引言

蒙皮是氣動外形的關鍵組成部分，有形狀復雜、種類繁多、曲率變化大、尺寸變化大、剛性差、生產批量小等加工難點。在飛機蒙皮制造過程中，需對蒙皮毛坯進行凈邊銑切、預制鉚釘孔等二次加工。我國各大航空集團、汽車制造企業主要采用模線樣板與標準樣件等傳統的模擬加工方法，而加工中使用的輔助剛性工裝屬專用工裝，一套工裝只能對應一種工件。存在制造周期長，投入成本大，適應性差，占用資源多等缺陷，很大程度上影響了蒙皮加工的總效率。因此，蒙皮鈑金工件的工裝設計成為整機數字化制造、裝配的瓶頸。

為實現鈑金件的快速裝夾，波音公司及空客公司現階段使用多點柔性工裝，其中由西班牙M-TORRES公司生產制造的多點柔性工裝覆蓋面較廣，主要用于蒙皮薄壁板高速切邊和鉆銑等加工。該工裝又稱TORRESMILL和TORRESTOOL系統，可以滿足各種型號飛機鈑金件的加工制造，其通用性較強，具有全面推廣的趨勢。但國內至今尚無生產此類工裝的專業化廠家。只有中航工業北京航空制造工程研究所正在研制此類產品，但目前還僅僅處在科研樣機階段，設計的成熟度和制造的穩定性方面仍與國外同類產品有一定差距。

基于以上原因，筆者在原有國內外的研究基礎上，對薄壁類零件的類型和加工難點進行分析，提出了蒙皮的數字化柔性工裝設計：以產品數字化為基礎的一套制造輔助工裝——輔助工裝能夠完成二個或二個以上系列產品的工裝，實現專用工裝的多途任務，提高產品的制造速度和質量，縮短產品輔助工裝的設計和制造周期。柔性工裝可以實現大尺寸三維蒙皮工件的柔性支撐與定位，一套柔性工裝可以代替無數套固定工裝，大幅度減少專用工裝和夾具數量，解決原有剛性工裝夾緊力分布不均、工件變形大、加工精度低的問題。該工裝可廣泛應用于飛機、汽車等制造行業中蒙皮鈑金類與壁板類工件測量、裁邊、鉆孔、銑切操作時的支撐與定位，是大型蒙皮鈑金工件制造數字化的一種趨勢。

2.設計原理

吸盤式柔性工裝由多點陣真空吸盤組成。在工件定位過程中，首先利用工裝上的兩個定位銷進行定位，然后在控制程序中根據工件的掃描尺寸，建立三維數模，并根據數模對吸盤進行仿形三維排列，生成與蒙皮工件表面完全符合且分布均勻的夾持點陣，從而達到均勻并且牢固的夾持工件。當加工另外一組尺寸形狀不同的工件時，可以根據工件形狀對點陣重新自動調整，從而適應不同的蒙皮工件外形。在夾緊過程中，該工裝通過真空吸附裝置驅動真空吸盤有效吸附蒙皮工件，調節裝夾壓力值，最終形成柔性夾持工裝定位。

3.工裝結構設計

吸盤式柔性工裝結構如圖1所示，該套工裝主要包括支架床身（該床身通過底座坐落于地面基礎中）、5套移動橫梁、35套Y、Z方向可數控調整的可調立柱、以及35個可以在空間轉動45°的真空吸盤、真空吸附系統等。其中，支架床身由本體、齒條、線性滑軌等組成，長度達到8000mm；5套可移動橫梁分別由交流伺服電機驅動，用雙齒條保證橫梁同步，左右各一條線性滑軌導向，并分別設置左右限位開關、零點開關及機械限位，可調立柱由真空吸盤、直線軸承、調形機構、線性滑軌組成，其Y向移動由伺服電機加減速器驅動，傳動方式為齒輪齒條，Z向移動由伺服電機驅動，Y、Z方向分別安裝限位開關及零點開關，運動系統在X、Y、Z的最大設計工作范圍為7000mm×4000mm×1800mm，各方向的設計精度為：X、Y、Z坐標的直線定位精度≤±0.1mm，重復定位精度≤±0.05mm，可滿足現有蒙皮工件的加工要求。

4.關鍵結構件設計

4.1.底座設計

底座是整套工裝的基體部分，底座與地基連接是整個工裝的基礎，其剛性是決定工裝精度的先決條件。考慮到在蒙皮加工中精度要求較高，安裝時在X方向留出足夠的調整余量，因此底座設計成可以對各個方向進行調整的分體式，根據常見蒙皮尺寸，確定X向長度為7000mm。底座在保證變形精度符合要求的同時，還要保證在其上運動橫梁的運動精度，綜合各種情況考慮，選用直線導軌副的運動形式，這樣既可以保證底座的支撐剛度，又兼顧了橫梁運動時的直線及垂直精度要求。

在分析夾持過程中發現，橫梁的相對中心位置時受到的剛性變形最大。同時在保證強度、剛度及變形量的基礎上，還需盡量減少底座結構中焊縫數量，保證底座尺寸，并在此基礎上對工藝孔、減輕孔進行優化，盡量減輕底座重量減少裝配、調試工作量。所以選擇由鋼板焊接的框架形式，由上下平板，左右側立板，筋板組成，整體結構為焊接結構，橫梁與底座由導軌滑塊連接。材料選擇Q235A鋼板，通過時效處理、粗精加工而成。

4.2.移動橫梁設計

移動橫梁作為整套工裝夾持機構的導向部分，放置在底座的導軌上，用來實現導向釘柱在X向移動并支撐釘柱。共有5個移動橫梁坐落在底座上，由于移動橫梁在底座上移動的運動精度、定位精度及重復定位精度要求較高，因此選用伺服電機驅動，齒輪齒條傳動，直線導軌副運動的形式，可滿足在Y向上，工裝的精度及移動要求。直線導軌副中的直線導軌安裝在底座導軌上，滑塊通過調整墊板與移動橫梁進行連接。其主體結構仍采用焊接結構件的形式，由若干個Q235板料焊接而成，通過加熱時效處理，經過粗精加工的方式保證其質量及精度符合要求，結構如圖2所示。

4.3.釘柱設計

釘柱是真空吸盤的支撐部件，由于防塵等需要設計成箱體結構。每個移動橫梁上放置7個釘柱，可根蒙皮形狀自適應排列，并可根據蒙皮特殊位置進行人工干預調整，達到裝夾的要求。釘柱安裝在橫梁上，隨橫梁進行移動，釘柱箱體中放置兩臺伺服電機，驅動釘柱沿橫梁進行水平及沿垂直移動。為確保加工零件精度，該柔性夾持工裝對運動精度、定位精度及重復定位精度要求較高，因此橫梁、釘柱等結構均采用伺服電機驅動，并通過齒輪齒條及直線導軌副傳動，在確保驅動轉矩的同時，消除反向誤差，保證運動精度。伺服電機通過精密滾珠絲杠，推動釘柱頂端吸盤，可實現高速進給和低速微調。釘柱內部上端安裝直線軸承，下端安裝滾珠絲杠座，既可以保證垂直方向的各種精度要求，又便于安裝調試，釘柱結構如圖3所示。

4.4.萬向吸盤設計

萬向吸盤安裝在釘柱的最上端，是工裝的夾緊終端執行機構，它通過真空負壓實現對蒙皮工件的吸附夾緊，要求萬向吸盤應具有良好的氣密性，以保證吸盤與蒙皮工件中真空室的形成。為保證吸盤能夠任意貼合工件曲面，要求吸盤具有萬向轉動能力，可以滿足吸盤能夠在一定范圍內自動適應蒙皮工件的空間三維曲率變化，吸盤方向回轉的角度一般設計在45°左右，且能夠保證吸盤定位中心點位置不變，以保證零件表面輪廓的準確定位。同時，萬向吸盤還應該易于與釘柱組裝，不同吸盤直徑的夾持單元應該具有互換性。其結構如圖4所示，萬向吸盤的轉動關鍵部分由三層半球形球面疊放而成，各球面實體及空心球實體共同對應一個中心角，該種萬向吸盤關節結構在幾何結構上可以滿足吸盤吸附工件時的萬向轉動能力的需求，對應不同尺寸工件時，可以采用不同規格尺寸的吸盤，其結構如圖4所示。

4.5.真空吸附系統設計

真空系統是用來抽取吸盤與蒙皮間空氣，從而產生負壓吸附蒙皮，使蒙皮在銑削過程之中夾持工件的作用，其組成結構為：真空吸盤、過濾器、防脫落閥、一分七閥塊板、電磁換向閥、一分五閥塊板、真空發生系統等元器件組成。

真空系統通過置于釘柱內部的管路與吸盤連接。吸盤裝有過濾雜物的過濾裝置，防止釘柱內部的管路堵塞。在吸盤管路中安裝壓力傳感器，檢測吸盤的真空壓力，壓力低于設定值應立即報警。每一個真空吸盤的管路應配有一個電磁閥，根據需要控制該路真空的通斷。吸盤和管路應可靠密封，以確保在銑削加工中，吸盤可靠吸附工件，既達到剛性工裝的裝夾剛度，又可達到均勻施加夾緊力，使工件減小變形，提升加工精度。

5.結論

本文介紹了吸盤式柔性工裝中主要機械結構的設計方案，并重點介紹了底座、橫梁、釘柱、萬向吸盤及真空吸附系統的結構及組成，以上重要部件均運用CATIAV5 ANSYS模塊進行了剛度、強度及變形量計算和校核，經校核該套柔性工裝可以適應現有大部分蒙皮工件的工裝要求。利用三維模型建立及分析軟件，節省了大量計算及校核時間，極大的提高了設計效率。經實測，經過吸盤式柔性工裝加工的蒙皮工件與原有模胎加工的蒙皮工件經過對比后發現，其工裝預備時間與工裝加工精度在一定程度上得以提升。

吸盤式柔性工裝實現了大尺寸空間曲率變化三維蒙皮鈑金工件的柔性支撐與定位，因柔性工裝屬于可調式專用夾具，一套柔性工裝通過對吸盤分布的調整可代替數套通用工裝，用于適應不同幾何形狀蒙皮鈑金工件的銑切操作，大幅度減少專用工裝和夾具數量，降低工裝輔助時間，節省制造成本與工裝庫存。作為蒙皮鈑金類與薄壁類工件數字化制造技術之一，柔性工裝在數字化制造過程中，解決了各種曲面零件測量、裁邊、鉆孔、銑切操作時支撐與定位的數字化，解決了我國機械制造行業中夾具品種多、數量大、協調關系復雜、生產準備周期長、精度質量差等重大瓶頸問題，可以大幅縮短零件研制周期，減低研制成本，顯著提高大型薄壁構件的制造效率和準確度，提高快速響應能力，縮短制造周期。該項技術已經成為國內蒙皮鈑金工件制造數字化的一種趨勢。該設備與國外同類設備相比較，價格優勢明顯，僅為國外相同規格設備價格的三分之一左右，具有很好的經濟前景。

參考文獻

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