蒙皮鈑金工件銑切吸盤式柔性工裝設計

◎張爽

現階段國內許多飛機制造公司，在進行蒙皮鈑金工件的工裝設計和加工制作時，還是以模線樣板和標準樣件等方法為主，在加工中使用輔助剛性工裝。雖然制作出來的工件也可以滿足使用需求，但是由于一套工裝只能適用于一種工件，具有適應性不強、生產成本高、制作周期長等問題。在工業自動化、數字化發展背景下，本文提出了一種蒙皮鈑金工件高速切邊、鉆銑加工的吸盤式柔性工裝設計方案。從實際應用效果來看，有精度高、成本低、速度快等特點，具有推廣應用價值。

引言：蒙皮既是飛機氣動外形的重要組成，同時由于其形狀與結構的復雜化，曲率與尺寸變化大等特點，也成為了工裝設計和加工制造的難點。實現蒙皮鈑金工件的自動化、高精度設計，成為現階段飛機制造公司技術研究的重點內容之一。目前，國內幾家大型航空制造公司已經著手開始蒙皮鈑金件的自動化工裝設計，但是仍然處于試點階段，并且從試點情況來看，在工件精度、加工穩定性等方面還存在不足。基于此，本文就蒙皮鈑金工件銑切吸盤式柔性工作設計的基本原理和核心要點進行了簡要分析。

一、設計原理

吸盤式柔性工裝包含了若干個真空吸盤，并且按照一定順序排列組合形成具有較強吸力的吸盤陣列。需要進行工件定位時，需要將工件放置在指定位置，然后將該工裝上水平方向上的2個定位銷打開，將工件固定住。此時，由控制臺調節掃描設備，完成對工件形狀、尺寸等各項參數的掃描、獲取，然后將所得數據進行后臺處理，在計算機中得到一個三維模型。以該模型作為參照，調用控制指令對吸盤進行仿形三維排列，排列方式與蒙皮工件表面完全契合，從而實現了全面貼合和牢牢固定。完成該工件的加工后，如果下一個工件在形狀、尺寸、結構上存在差異，則根據新工件的三維模型和數據參數，自動重新調整柔性工裝的吸盤陣列，從而使新工件與吸盤也可以無縫貼合，完成加工。

二、工裝結構設計

該套工裝主要包括支架床身、移動橫梁、Y、Z方向可數控調整的可調立柱、以及可以在空間轉動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；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；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。

三、主要結構件的設計

1.底座部分。

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。在保證底座牢固的前提下，應當盡量提升底座結構的整體性，減少通過焊接或是螺栓固定等方式進行底座裝配，這也有利于提高工裝組件正常使用時的穩定性，避免因為底座不牢固、工裝夾持不緊，而影響到工件的加工精度。

2.、移動橫梁部分。

移動橫梁作為該套工裝中主要的動力裝置，對運動精度有著極為嚴格的要求。同時，結合移動橫梁的運行原理，定位精度與運動精度有明顯的影響，因此在設計移動橫梁時，必須要同時考慮定位精度與運動精度兩方面的內容。以伺服電機作為驅動，在伺服電機的兩側各有一條直線導軌滑塊，當伺服電機啟動后，通過齒輪、齒條帶動導軌上的滑塊進行定向移動。移動橫梁由多個子模塊組成的，各個模塊之間采用焊接的方式連接形成。

3.釘柱部分。

釘柱主要發揮真空吸盤的支撐作用，另外為了保證支撐效果，釘柱與真空吸盤接觸部位，還采取了防塵、防潮設計。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。考慮到柔性夾持工裝對定位精度要求極高，因此釘柱部分與移動橫梁部分一樣，也是采用伺服電機驅動。但是在具體的連接結構和傳動方式上，又存在不同。例如釘柱部分的伺服電機，通過滾珠絲杠與真空吸盤相連。這樣在釘柱做定向移動時，利用滾珠絲杠可以實現對真空吸盤的高速進給和低速微調，進一步提高了實用性。

4.萬向吸盤部分。

萬向吸盤必須具有良好的氣密性，這樣才可以通過真空負壓的形式，讓吸盤與蒙皮鈑金工件表面牢牢吸附。另外，萬向吸盤是由密集分布的若干個微小真空吸盤組合而成，這就保證了即便是蒙皮鈑金工件的結構復雜，也能夠讓微小吸盤與工件曲面完美貼合，對于進一步提高固定效果有較好的幫助。除此之外，還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。

5.真空吸附系統。

該部分的組成結構為：真空吸盤、過濾器、防脫落閥、電磁換向閥、真空發生系統等元器件組成。從整體結構上來看，真空吸附系統在吸盤的下方，與吸盤末端固定。為了保證吸附效果和加強外部保護，將其置于釘柱的中空部位。真空吸盤的前端連接過濾器，可以將空氣中的一些雜質（如金屬屑等）過濾掉，避免釘柱內部出現雜質堆積和堵塞。吸盤管路中設置有高靈敏度的壓力傳感器，在真空吸附系統運行時，可以通過壓力傳感器同步感知并傳遞壓力信號，以便于控制系統靈活調節真空負壓。這樣就可以靈活的調節壓力大小，從而讓工裝的夾緊力大小適中，既不會因為固定不牢，出現工件松動而影響加工精度的問題，同時又避免了夾緊力過大而讓工件變形的情況。

結語：蒙皮鈑金工件對于加工精度的高要求，以及本身結構的復雜性，決定了蒙皮鈑金工件加工、制造一直以來都是飛機制造中的難點。本文介紹的這種吸盤式柔性工裝設計，采用萬向真空吸盤可以實現對工件的全面包裹，同時又能夠采用電氣化控制，靈活調整夾緊力，為下一步的工件加工創造了良好條件。在蒙皮鈑金工件的裁邊、鉆孔、銑切等常規加工中，均表現出了良好的應用效果，在實用效果、經濟效益方面實現了統籌兼顧，具有推廣應用價值。