飛機結構件柔性夾具的設計與分析

韓文杰 邢晨

摘? 要：在現(xiàn)代飛機的生產(chǎn)制造過程中，我們研究的首要任務就是機身減重，然而整架飛機的主要受力部件就是飛機結構件。飛機結構件是飛機的框架結構，同時也是其他零部件與設備的載體，如何快速適應飛機制造業(yè)的發(fā)展，解決飛機零部件結構復雜、數(shù)量繁多、裝夾難度大等一系列問題，柔性快裝夾具系統(tǒng)的設計就顯得尤為重要了。

關鍵詞：飛機結構件;柔性快裝夾具;FFU

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 柔性夾具單元與功能

現(xiàn)代航空制造業(yè)中，飛機的結構件大多數(shù)采用整體式結構，該類型的飛機結構件不僅強度和剛度高，而且穩(wěn)定性高，同時也減輕了機身重量。然而飛機結構件的快速裝夾以及裝夾的柔性問題就是航空制造業(yè)發(fā)展的關鍵因素。

（1）柔性夾具單元（Flexible? Fixture? Unit，F(xiàn)FU）是一種模塊化的單元，其功能是為了更好地適應飛機結構件的外形與尺寸的多樣化。柔性夾具單元模型如圖1所示。

1.2 FFU的功能流程

（1）飛機結構件吊裝完畢，開啟整個柔性夾具系統(tǒng)。

（2）FFU自由的向飛機結構件移動，通過2個傳感器確定位置。

（3）當FFU有信號輸出時，PLC會自動處理，公式為：

（4）當β≥5 %時，則說明需要裝夾的面為圓弧形，需要做旋轉(zhuǎn)運動，在運動過程中至少保證一邊有信號輸出，直到β≤5 %。

（5）當β≤5 %時，定位完成，自動夾緊。

（6）自動夾緊后，加緊工作完成，數(shù)控系統(tǒng)開始加工。

1.3 主要功能的實現(xiàn)

（1）夾具在工作的時候要實現(xiàn)自由移動，實現(xiàn)這種功能需要液壓系統(tǒng)與底部電磁吸盤共同實現(xiàn)，在移動過程中要保證移動的精確度。

（2）自由旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)，飛機結構件在裝配的時候，需要從不同位置、不同角度進行組裝，要想實現(xiàn)底座的自由旋轉(zhuǎn)運動，在控制上需要增加轉(zhuǎn)動傳感器與轉(zhuǎn)動滑塊共同實現(xiàn)。

（3）自動定位的實現(xiàn)。在自由移動和旋轉(zhuǎn)功能上，都需要定位，同時在對結構件進行裝配的時候，也需要進行定位，實現(xiàn)夾持，最終實現(xiàn)裝配，實現(xiàn)精確定位主要依據(jù)2個自動傳感器的輸出值來判斷。

（4）自動夾緊的實現(xiàn)以上幾個功能實現(xiàn)之后，需要實現(xiàn)對結構件的夾緊，滿足移動、裝配的動作，依靠壓力傳感器的信號輸出值判斷，最終實現(xiàn)工件的夾緊。

2 柔性快裝夾具系統(tǒng)設計

隨著社會的發(fā)展，對飛機結構件的要求也越來越高，正在由單元化轉(zhuǎn)為整體化，簡單化轉(zhuǎn)為復雜化，小型化轉(zhuǎn)為大型化，這樣工藝裝夾、數(shù)控加工、設計精度等方面工作難度也在不斷增加。飛機結構件可以分為梁類結構件、壁板類結構件、框類結構件、接頭類結構件5大類。飛機結構件的裝夾面有平面型裝夾面與圓弧形裝夾面。通過不同裝夾面對夾具的要求，來設計能適應不同裝夾面的柔性快裝夾具系統(tǒng)。

（1）夾具的分類。針對飛機結構件工裝夾具快速性、穩(wěn)定性、自動型、柔性、智能型的特點，將飛機結構件的夾具分為通用夾具、專用夾具、可調(diào)夾具、成組夾具和組合夾具五大類。

（2）裝夾系統(tǒng)的主要工作流程。Step1：機床開機，夾具自動找到對刀點，即夾具系統(tǒng)的工作原點，裝夾系統(tǒng)進行復位;Step2：由車間航車將工件吊起，放在夾具系統(tǒng)的支撐座上，使其位于柔性夾具系統(tǒng)的中心;Step3：打開PLC，系統(tǒng)開始自檢，正產(chǎn)后自動工作;Step4：PLC開機正常以后，驅(qū)動相關電磁閥動作，電磁閥控制液壓系統(tǒng)，進而控制FFU的動作;Step5：FFU自動定位后，進行自動夾緊;Step6：自動定位與自動夾緊完成后，開始設置CNC機床的相關參數(shù)來進行飛機結構件的加工;Step7：自動記錄飛機結構件的偏差，將數(shù)據(jù)與圖紙數(shù)據(jù)進行對比，如果可以修復則返回相應部位進行修復，如果不能修復則進行Step8;Step8：工件檢測合格后，所有柔性夾具單元自動歸位。如果合格，車間航車將飛機結構件吊裝到工件庫，如果不合格而且無法修復，則吊裝到報廢區(qū)。

（3）自動定位方案的確定。飛機結構件在裝夾之前，要有好的定位方案，這樣才可以保證加工質(zhì)量、加工效率及零部件間的配合精度。

3 柔性快裝夾具系統(tǒng)開發(fā)與應用

飛機柔性快裝夾具系統(tǒng)是基于Catia V5平臺與VB6.0工具開發(fā)的。該系統(tǒng)的功能是對飛機結構件不同裝夾面的識別以及FFU系統(tǒng)中工件的快速定位與旋轉(zhuǎn)來滿足不同的裝夾需求。

3.1 系統(tǒng)的組成

1）飛機結構件自動裝夾面特征信息自動獲取模塊;2）飛機裝夾面自動識別模塊;3）FFU角度自動調(diào)整模塊;4）模擬裝夾模塊;5）模擬銑削模塊。

3.2 裝夾系統(tǒng)的實際應用

3.2.1 純平面裝夾面的飛機結構件

沒有圓弧只有平面的飛機結構件是最簡單的裝夾，只要FFU在底座的液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下做平移運動后，就完成了裝夾動作。

3.2.2 混合型裝夾面的飛機結構件

混合型結構件與平面型結構件的裝夾區(qū)別主要在于圓弧裝夾面的判斷、裝夾與柔性夾具單元的自動旋問題，其模型如圖2所示。

當FFU在遇到兩邊傳感器之比不一致或相差大于5 %時，判斷為圓弧面裝夾;在FFU旋轉(zhuǎn)之前，滑塊要下移到終止位置;當兩邊傳感器輸出的值差小于5%時，轉(zhuǎn)動滑塊回到初始位置。

3.2.3? 飛機結構件裝夾

純平面裝夾面的飛機結構件，指裝夾面只有圓弧沒有平面的裝夾，是最復雜的飛機結構件裝夾，在實際生產(chǎn)中應用的較少。

4 結論

該文主要介紹了可以應用于不同結構、不同尺寸、不同類型的飛機結構件柔性夾具的設計，通過介紹柔性夾具的單元與功能，連接夾具每個單元和功能的實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)、夾緊、定位等功能的實現(xiàn)，同時在夾具設計上，要實現(xiàn)快裝模塊，通過這種功能的實現(xiàn)，可以節(jié)約時間成本，系統(tǒng)的開發(fā)與應用，可以實現(xiàn)夾具系統(tǒng)的控制與監(jiān)控，使系統(tǒng)運行更精確與平穩(wěn)。

參考文獻

[1]劉洪.飛機工裝設計制造技術探討[J].航空制造技術，2006（12）：69-71.

[2]郭恩明.我國航空制造技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].航空制造技術，2002（1）：27-29.

[3]王亮，李東升.飛機數(shù)字化裝配柔性工裝的低成本化[J].南京航空航天大學學報，2012（4）：28-29.

[4]范玉清，梅忠義，陶健.大型飛機數(shù)字化制造工程[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011.