真空吸附式上架工藝裝備研究

周新房 鐘李欣 龍志華

摘 要 以飛機部件裝配過程中復合材料壁板轉運及對接裝置為研究對象，分析了上架工裝的本體結構、運行路徑、控制方式、產品吸附方式等。上架工裝采用真空吸盤作為末端執行器，將無抓取點的零件通過吸附牢牢抓住，通過工裝機架的三坐標（X、Y、Z）移動實現零件的準確移位及對接。闡述了其末端執行器關鍵參數的設計計算及控制系統實現。實踐證明，該上架工藝裝備能完成滿足復合材料零件的裝配要求。

關鍵詞 PLC;真空吸附;上架對接

引言

復合材料具有高強度質量比和高剛度質量比，近年來在飛機制造中的應用越來越廣泛。復合材料的應用可使飛機結構減重10%～40%、結構設計成本降低15%～30%。目前A400M飛機復合材料占比達30%，B747飛機復合材料占比已達40%，國內的C919、CR929等民用客機復合材料應用占比也在不斷加大。國內在復合材料生產制造及應用方面進行不斷探索，在復材零件試制的同時，相應的工裝裝備也在持續研發。

1機械結構設計

壁板類復合材料零件在制孔、吊裝、運輸等過程中都易引起變形，故在工藝裝備設計中需考慮保型及抓取或固定方式。移動式上架工藝裝備可實現復合材料壁板組件在脫模工裝和裝配工裝之間的轉運及上架對接。移動式上架工藝裝備由軌道、三坐標（X、Y、Z方向）移動工裝、真空吸附裝置、電氣控制系統等組成。

1.1 結構要求

結構簡便、輕巧、移動靈活。

1.2 總體結構

上架工裝在吸附產品移動時，其重心應始終在上架工裝兩地面導軌之間，保證工裝的穩定性。

1.3 傳動過程

雙絲杠同步驅動

X方向移動距離：10米，電機功率：1kW。

Y方向移動距離：0.4米，電機功率：0.75kW。

Z方向移動距離：0.7米，電機功率：2kW。

2真空吸附裝置設計

本上架工藝裝備氣路設計由兩部分組成，一是正壓部分，二是負壓部分。正壓部分由過濾減壓閥、多種接頭、氣管、卡箍、支座等組成;負壓部分（真空吸附裝置）由真空吸盤、彈簧緩沖支桿、止回閥、真空壓力表、真空分氣塊、真空過濾器、多級真空發生器、多種真空接頭、真空氣管等組成。多級集成真空發生器，配有系統監測、狀態監測，提高工藝的可靠性和優化能源的利用率。

2.1 真空吸附原理

本真空吸附原理是利用壓縮空氣作為動力，由真空發生器形成真空，真空發生器基于文丘里原理工作。真空發生器的優點：結構緊湊;重量輕;快速產生真空;無運動部件，無磨損;適合在任何方向安裝;不發熱等。吸盤是工件與搬運系統之間的連接件，當大氣壓力大于吸盤內部壓力時，氣壓將吸盤與工件壓在了一起[1]。

2.2 吸盤直徑計算

吸盤直徑計算：

吸盤的吸力取決于它的有效直徑。同時，整個真空系統吸力的大小還與工件的狀況、吸盤的數量等有直接關系。

垂直吸取：

d = 1.12

= 1.12? ?= 11.3cm

其中 d=吸盤直徑（cm）;m=工件重量（kg）;Pu=真空度（bar）;n=吸盤數量;μ=摩擦系數;s=安全系數

因此選取吸盤SAF 125，直徑125mm。

2.3 吸盤吸附力計算

計算理論吸力：F = （m/μ）*（g+a）*s

= （220/0.3）*（9.81+1）*2

= 15854N

其中 m-物體重量;g-重力加速度;a-系統加速度;μ-摩擦系數;s-安全系數。

3路徑規劃設計

選用最短路徑進行規劃設計

（1）脫模工裝按照劃定好的區域放置，并調整蒙皮壁板的弦長垂直于地面。

（2）依次合上總空開、按下遙控器上的急停按鈕并旋轉復位后，系統即可正常使用。

（3）當脫模工裝就位后，使用控制箱面板或遙控器上相應的X向、Y向、Z向移動控制按鈕，將上架工裝運行到脫模工裝旁預定位置。當接近預定位置時，應將高低速選擇開關置于低速擋，對上架工裝位置進行精確調整。

（4）X向、Y向和Z向電機不能聯動，必須使用“移動停止”將上架工裝停止后，按下其他按鈕才能起作用。在點動模式下，當按下按鈕不松開時，其他按鈕按下不起作用。

（5）調整上架工裝下邊緣托件，低速點動Y方向與Z方向電機運動，使上架工裝吸盤壓住蒙皮，調整蒙皮下邊緣托件托住蒙皮，蒙皮上邊緣掛件掛住蒙皮，用安全索摟住蒙皮，松開脫模工裝扎緊帶。確認以上安全措施完成后，按下“真空吸附”按鈕，真空吸附電磁閥通電，真空吸盤將工件吸住。

（6）依次檢查32個吸盤是否已正常吸附，檢查4個真空表真空度值是否高于0.6（預設），檢查控制箱真空報警指示燈是否已滅，經確認工件吸附牢固后，將運行模式置于低速擋，按“+Y向移動”按鈕，將工件從脫模工裝脫開一段距離后，再將運行模式置于高速擋，使用控制箱面板或遙控器上相應的X向、Y向、Z向移動按鈕，將上架工裝運行到裝配工裝旁預定位置，當接近裝配工裝旁預定位置時，應將高低速選擇開關置于低速擋，對上架工裝位置進行精確調整。

（7）當上架工裝Y向和Z向移動到位后，用安全索摟住蒙皮，工件可靠固定后，按下“真空釋放”按鈕，真空釋放電磁閥通電，真空吸附電磁閥斷電，真空吸盤真空釋放，工件從吸盤上釋放。再調節裝配型架兩側的定位耳片，使蒙皮在X向移動，實現精確定位后固定蒙皮。

（8）當工件從吸盤釋放后，將運行模式置于低速擋，按“+Y向移動”按鈕，將上架工裝從工件脫開一段距離后，再將運行模式置于高速擋，使用相應的X向、Y向、Z向移動按鈕，將上架工裝脫離裝配位置。

（9）按下控制箱面板或遙控器上“真空閥關”或“關閥”按鈕，真空系統斷電。

（10）在上架工裝X向、Y向和Z向兩端頭分別安裝了1個限位開關，當上架工裝移動到某限位位置時，上架工裝會保護性停止并且聲光報警指示燈報警，現場人員只需按下控制箱面板上“異警清除”按鈕后，再將上架工裝反方向運行使之與限位塊脫離后即可正常使用。

（11）當系統處于“真空吸附”狀態時，當真空發生器真空度達不到預設值，真空壓力開關報警信號輸出，控制箱上真空報警指示燈將閃光并蜂鳴，提醒現場人員注意，報維護人員進行檢修。

（12）在上架工裝兩端立柱上、控制箱上和遙控器操作盒上共安裝了4只急停按鈕，在任何情況下，現場人員按下任意急停按鈕，上架工裝將停止運行，電機停轉并抱閘剎車。

4集控系統設計

采用臺達PLC集中控制，將電機控制、閥門控制、位置檢測信號等進行集中控制。

5安全保護設計

（1）在工件裝卸過程中，當工件相對于目標工裝在某一方向上的位置小于100mm時，上架工裝在該方向的位置調整速度必須置于低速擋，以免對工件及設備造成損傷。

（2）對控制箱按鈕控制及遙控器按鈕進行切換設置，防止誤操作。

（3）在轉運蒙皮過程中，任何情況下，必須先扎緊安全索將蒙皮固定后，才能松開另一條安全索。

（4）當上架工作處于運動狀態時，人員嚴禁進入其有效運行區域。

（5）非電氣人員嚴禁打開控制箱門，設備故障處理及檢修由電氣人員處理。

（6）真空系統與壓空系統管路安裝完后，必須按規范作強度及氣密性試驗。

（7）運行過程中隨時注意真空系統報警信號，若報警，請及時檢查真空系統。

（8）系統連接壓縮空氣源時，必須保證氣源干燥、無油、無水。連接氣源的軟管必須牢固固定。

6結束語

本項目在現場實際應用后，效果良好，各項運行指標達到設計要求，為進一步研制超常復材部件的輔助裝配工裝打下基礎。

參考文獻

[1] ASDA-A2系列伺服驅動器應用技術手冊[ED/OL].http：//www.cechina.cn/member/delta/DownloadList.aspx？Id=143418，2011-04-28.