一種用于錐形結構內表面柔性材料鋪敷的輔助裝置設計

王爽 王小黎 劉曉東 劉敬慧

（1.航天材料及工藝研究所，北京 100076；2.空軍駐中國運載火箭技術研究院軍事代表辦公室，北京 100076）

1 引言

科學技術不斷發展，對產品的功能化要求越來越高，這些功能一般可以通過在產品設計時直接引入或者后期加載的方式實現。對于現有的成熟產品，從技術風險、成本等方面加以考慮，通常采用后期加載的方式來實現，其中比較常見的方式為在產品表面貼敷各種功能性材料。而采用手工方式直接在產品表面加載薄膜、織物等柔性材料時，易出現鼓包、皺褶、位置滑移等現象，尤其在異形結構內表面，難以實現平整鋪敷。本文以錐形結構為例，設計了一種使薄膜、織物等多層柔性材料平整鋪敷于錐形結構內表面的輔助裝置，確保將多層材料平整鋪敷于錐形結構內表面指定位置，而且相對位置不發生滑移。

2 總體思路

多層柔性材料鋪敷于錐形結構內表面的總體思路是：（1）根據待鋪敷錐形結構內表面的尺寸，制作錐形支撐結構；（2）將各層材料依次鋪敷在支撐結構外表面，鋪敷位置與錐形結構內表面指定位置相匹配；（3）調節支撐結構和待貼敷錐形結構的相對位置，使兩者軸線重合；（4）沿著軸線，將鋪有多層材料的支撐結構整體推入錐形結構中，直至將多層材料置于錐形結構內表面的指定位置；（5）實現多層材料與支撐結構的分離，取出支撐結構。

為了實現將多層柔性材料平整地鋪敷于錐形結構內表面的指定位置，并且材料各層間不發生位置滑移，設計了由支撐系統、匹配系統和鋪層輔助系統這3部分組成的輔助裝置。考慮到現有加工工藝的局限性，錐角會在一定范圍內波動，而錐角的微小變化就會對展開尺寸造成較大影響，尤其是對于母線較大的錐形結構，會造成錐形支撐結構的適應性差，甚至一件產品對應一特定工裝，這極大地增加了生產成本，降低了生產效率。為了增加裝置的適應性，支撐系統采用可收縮的傘架結構設計，錐角可根據錐形結構的尺寸變化進行調節。同時將各層材料整體放置于錐形結構內表面指定位置后，通過骨架的收緊，實現材料與支撐系統的分離，以便于整個支撐系統的取出。鋪層輔助系統的環形卡箍設計，確保了各層材料鋪覆于支撐系統表面后，各層材料位置不發生相對滑移。而匹配系統不斷調節錐體結構和支撐系統的相對位置，直至兩者軸線重合，從而實現兩者位置的匹配。

3 工裝設計

3.1 支撐系統

支撐系統為傘狀可收縮支架結構，由錐形殼、中心軸和大端調節裝置這3部分組成，如圖1所示。其中錐形殼采用尼龍材質，由多片扇片和骨架構成，通過骨架的支撐作用，各扇片展開后形成錐形外殼，要求尺寸與待鋪敷錐形結構內表面相匹配。中心軸采用可伸縮的雙層套管結構，外層套管為中空結構，壁厚為3~5mm，管壁上有溝槽，活動螺套上的定位塊可以在溝槽中移動；內層套管同樣采用中空結構，可根據需要在外層套管中進行自由伸縮，以調節中心軸的長短。大端調節裝置包括末端套管、活動支架、調節螺母、頂緊螺母、快拆螺母、活動螺套、固定螺套和活動軸等8個部分，可通過各部分間的協同作用，實現對支撐系統的開合和錐角的調節。大端調節裝置為整個支撐系統的核心，下面介紹其結構特點和作用機理。

3.1.1 大端調節裝置的結構特點

大端調節裝置可近似看做是套于中心軸上的多層套管結構，其結構如圖2所示，末端套管和固定螺套套于中心軸表面，活動螺套套于固定螺套表面，活動支架、調節螺母和頂緊螺母均套于活動螺套表面，具有以下結構特點。

（1）末端套管套于中心軸末端并且固定于中心軸上，套管中間設有縱向卡口，當支撐系統錐角收縮至最小尺寸時，用于快拆螺母的卡緊固定。

（2）固定螺套為直徑不同的兩節套管，分為細管和粗管，細管和粗管間固定連接，均套于并且固定于中心軸表面，除中心軸所在區域外，固定螺套均采用實體結構。細管末端采用螺紋結構，當活動螺套在細管上移動到極限位置時，粗管末端可頂住活動螺套的活動端，而快拆螺母的活動端可與細管末端螺紋咬合固定。

（3）活動螺套帶有外螺紋，套于固定螺套的細套管表面。活動螺套的一端嵌有定位塊，能夠在中心軸表面溝槽中進行移動，活動螺套的另一端與快拆螺母固定連接，在活動螺套與快拆螺母連接處，活動螺套表面存在凸塊。

（4）快拆螺母的一端與活動螺套連接，當支撐系統收緊為最小尺寸時，快拆螺母的另一端通過末端套管上的卡口進行固定。同時快拆螺母與活動螺套接觸一側存在螺紋，當快拆螺母推動活動螺套到達極限位置后，能夠與固定螺套細管末端的螺紋咬合固定。

（5）活動支架包括套管和多根支撐棒。支撐棒一端沿套管一周環形均勻分布并與套管固定連接，支撐棒的另一端與活動軸活動連接。套管套于活動螺套表面，能夠沿著活動螺套的表面移動，當套管在活動螺套表面移動時，帶動支撐棒的另一端在活動軸上移動，使得支撐系統的錐角發生變化。

（6）活動軸為中空圓柱，固定在錐形殼的骨架上，活動支架的支撐棒一端穿過活動軸，可通過支撐棒在活動軸上的移動來實現支撐系統的錐角調節，并且錐角可調節的幅度取決于活動軸的長度。

（7）調節螺母和頂緊螺母均帶有內螺紋，皆套于活動螺套表面，能夠在活動螺套表面移動。

3.1.2 大端調節裝置的作用機理

當推動快拆螺母沿著活動軸向支撐系統小端移動時，活動螺套末端的表面凸塊依次推動活動螺套、頂緊螺母、調節螺母和活動支架的套管，沿著固定螺套向支撐系統小端移動，進而導致活動支架的支撐棒在活動軸上挪動，使支撐系統的錐角逐漸增大，實現支撐系統錐角的粗調。當活動螺套的活動端頂到固定螺套的粗套管末端時，利用固定螺套將快拆螺母鎖緊，支撐系統聯動被撐開至最小尺寸。

當支撐系統被撐開到最小尺寸后，可利用調節螺母在活動螺套上移動，推動活動支架的套管在活動螺套上移動，進而導致活動支架的支撐棒在活動軸上挪動，實現支撐系統錐角的微調。當將支撐系統的錐角調整到與待鋪層錐體錐角一致時，利用頂緊螺母頂緊調節螺母，實現錐角的固定。

3.2 鋪層輔助系統

鋪層輔助裝置包括底托和環形卡箍，如圖3所示。環形卡箍的尺寸根據支撐系統及貼覆區域位置進行設計，環形卡箍的直徑分別取貼覆區域小端向下10mm、大端向上10mm及中間位置尺寸，每間隔100mm設置1個卡箍，每個環形卡箍均預留1個5cm左右的缺口，用于使用膠黏劑等對鋪層進行黏結，環形卡箍采用塑料材質，本身存在一定彈性。在進行材料鋪層時，將支撐系統插入底托結構中，然后按要求依次在支撐系統表面鋪覆各層材料，每鋪覆一層捋平后，用環形卡箍卡住上、中、下3個部位，在缺口部位利用膠來黏結，確保各層材料位置不滑移。

3.3 匹配系統

匹配系統包括操作平臺、錐體托架、移動托架和校正支架4個部分，如圖4所示。將待鋪敷錐形結構和支撐系統分別放在錐體托架和移動托架中，通過調節錐體結構擺放姿勢和支撐系統在移動托架上的位置，使兩者軸線重合，實現兩者的位置匹配。

操作平臺表面設置雙導軌，其中一根為平軌，另一根為V形槽軌，確保移動托架和錐體托架在操作平臺表面平穩移動。錐體托架尺寸根據錐形結構的外表面進行設計，為了避免待鋪層錐體結構發生磕碰，內襯采用泡沫墊塊。

移動托架的下置滾輪與操作平臺上的雙導軌相匹配，能夠在操作平臺表面導軌上平穩移動；移動托架上帶有支架卡鎖，支架卡鎖包括縱向和橫向卡鎖，如圖5所示。該支架卡鎖用于固定支撐系統中的中心軸，首先將支撐系統橫臥卡入縱向卡鎖，然后通過橫向卡鎖鎖死，可以使中心軸穩定地橫置于移動托架上，不發生左右晃動。

校正支架為一可伸縮測高桿，可自由拆卸，當需要對錐體托架的中心軸進行校正時，校正支架安裝于操作平臺表面錐體托架左側，當需要對支撐系統的中心軸進行校正時，校正支架安裝于操作平臺表面移動托架右側中心軸線上。通過校正支架，來調節安裝在移動托架上的支撐系統和放置于錐體托架中錐體結構的中心軸距操作平臺表面高度，直至兩者軸線重合，實現兩者的位置匹配。

為了解決將特種多層材料鋪敷在錐形結構內表面產生的皺褶、滑移等問題，本文設計了一種使柔性多層材料平整鋪覆于錐形結構內表面的輔助裝置。支撐系統的傘架結構可收縮結構設計，增加了裝置的適應性；環形卡箍的設計，確保各層材料不發生相對位置的滑移；匹配系統的調節作用，使錐體結構和支撐系統軸線重合，從而實現兩者的位置匹配。

4 輔助裝置貼覆步驟

（1）匹配體系校正。調整操作平臺，確保臺面的平面度；在操作平臺上放置移動托架和錐體托架，將支撐系統（當前支撐系統為收縮的最小狀態）橫臥卡入移動托架的支架卡鎖上，將待鋪敷錐體放入錐體托架固定。

（2）利用校正支架，分別測量支撐系統和鋪敷錐體中心軸距操作平臺表面高度，通過對移動托架和錐體托架進行調節，使兩者高度一致，實現軸線重合。

（3）推動移動托架，沿著表面軌道向錐體托架移動，直至移動托架緊挨錐體托架。然后利用支撐系統中心軸的可伸縮功能，繼續推動支撐系統向錐體結構內部移動，直至兩者頂部重合。再通過支撐系統的大端調節裝置，對支撐系統的錐角進行微調，實現兩者錐角的一致，并利用頂緊螺母頂緊調節螺母，固定錐角。

（4）從移動托架上卸下支撐系統，立于底托立柱上，并加以固定。按照鋪覆區域，在支撐系統表面相應位置作好標記，然后將裁剪好的各層材料依次鋪覆于支撐系統表面，每鋪覆一層，捋平后用卡箍卡住，在缺口部位利用膠黏劑固定，確保各層材料位置不滑移。

（5）從底托立柱上卸下支撐系統，橫臥卡入移動托架的支架卡鎖上。然后沿著表面軌道推動移動托架向錐體托架移動，直至移動托架緊挨錐體托架。再利用支撐系統中心軸的可伸縮功能，繼續推動支撐系統向錐體結構內部移動，直至兩者頂部重合。此時，各層材料到達錐體內表面指定位置。

（6）利用大端調節裝置收緊支撐系統，將材料與支撐系統分離。最后從錐體里面取出支撐系統。

5 結束語

為了解決將特種多層材料鋪敷在錐形結構內表面產生的皺褶、滑移等問題，本文設計了一種使柔性多層材料平整鋪覆于錐形結構內表面的輔助裝置。支撐系統的傘架結構可收縮結構設計，增加了裝置的適應性；環形卡箍的設計，確保各層材料不發生相對位置的滑移；匹配系統的調節作用，使錐體結構和支撐系統軸線重合，從而實現兩者的位置匹配。