某盤型工件內外自由曲面自動化測量夾具設計

譚 駿 朱元慶 王德龍

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900 )

自由曲面在航空航天、模具、船舶等許多工業領域都有著廣泛的應用，其曲面檢測一般是通過坐標測量的方式從實際曲面獲得離散的點集來實現[1]。通過對離散點集進行擬合，可以得到用于評價被測空間曲面輪廓相對理想曲面輪廓符合程度的曲面輪廓度[2]。

測量夾具是保證坐標測量精度和提升測量效率的重要工具，在許多場合都有著廣泛的應用[3-4]，合適的夾具能極大簡化測量操作以及降低出錯風險。某盤型工件批量大，加工要求高，其內外自由曲面是衡量加工質量的重要指標。當前，該工件的檢測是通過人工采用氣吸的方式進行定位夾緊以滿足測量需求，操作耗時且自動化程度低，隨著任務量增多已難以滿足車間的批量檢測需求。針對該工件的檢測特點，設計了一款專用的自動化檢測夾具，通過將該夾具與機械臂、坐標測量機配合，可實現工件的自動上下料及檢測。

1 盤型工件內外自由曲面自動測量方案設計

圖1是現有的檢測工裝，氣吸環槽和輔助銷、定位銷設計可實現工件的定位夾緊，夾緊力由工裝連接的負壓氣源提供，工件圓形法蘭端面作為氣吸端面。工裝的U型槽設計可保證坐標測量機的測針順利通過，實現對盤型工件內外曲面的一次裝夾測量?，F有工裝由人工進行取放料和氣吸夾緊，改進的測量方案擬對現有工裝重新進行結構設計以實現該工件的自動上下料，工件的定位固定方式沿用現有工裝的設計思想。

1.1 工件自動上下料方案設計

工件的自動上下料操作由機械臂完成，若工裝如圖1所示保持直立姿態，則機械臂在上下料時就必須要求有非常高的定位精度，且需要完成取料、旋轉到放料姿態、放料、收回等多個機械動作，實現成本高且操作困難，細微的差異就可能導致機械臂與工裝的碰撞干涉。因此，本測量方案采用放料時平放工裝，測量時直立工裝的設計，平放和直立姿態的切換由氣動轉臺完成，具體放料動作示意如圖2所示。

該方案設計的亮點在于降低了對機械臂上下料的操作要求，上料操作時，機械臂只需要將工件大致移動至工件放置區，后續工件的準確定位由直推氣缸配合兩組導向和定位銷釘實現，操作簡便且實現難度低。工件由直推氣缸推至定位固定區后，工裝負壓氣源開啟，完成工件的氣吸固定。直推氣缸的頭部粘有發泡膠墊片以避免推力過大，氣缸頭損傷產品。此外，夾具內置的節流閥可以對直推氣缸的推出速度進行調節，防止推出過快撞傷產品。

1.2 工裝自動回轉方案設計

對工裝進行三維建模和結構改進，得到的工裝回轉方案示意如圖3所示。為了保證回轉所需的扭矩足夠小，工裝外形及回轉軸線的位置選取充分考慮了工裝自身的重量分布并做了局部減重設計，盡可能保證回轉軸線經過工裝重心。工裝自動翻轉的動作通過氣動轉臺實現，氣動轉臺的回轉則受PLC和電磁閥控制。

2 自動化夾具總體設計

2.1 夾具整體結構設計

對上述測量方案進行具體實現，獲得的自動化夾具整體三維結構模型如圖4所示。

整個夾具的動作通過氣源驅動，主要包括：工裝主體的回轉運動、直推氣缸的伸縮運動以及工裝對工件的吸緊和放松。各運動狀態的切換通過內置于夾具的3個2位5通電磁閥進行控制，其中氣動轉臺采用雙電控電磁閥，提供掉電后的自鎖保護，防止工裝主體與坐標測量機測頭發生碰撞。

2.2 夾具電氣布局方案設計

為實現夾具預期的各項自動化動作，夾具內部布置了兩位五通電磁閥、真空發生器等器件并配備有相應氣路，對內部氣路布局進行合理規劃可以簡化夾具的裝配操作，降低裝配和維護難度。

用于控制氣路轉換的3個2位5通電磁閥安裝于夾具底部，電磁閥所需的電源通過預置的電路接口與外部電源連通。電磁閥上部放置了一個用于產生負壓的真空發生器，將真空發生器布置在夾具內部主要出于兩方面的考慮：

(1)實際使用時，外部氣源距離夾具較遠，若真空發生器布置在外部，因距離產生的氣壓損失會導致產品吸不住。

(2)因距離較遠導致的氣路過長會使夾具的各器件動作產生延遲，嚴重影響夾具各器件的動作節拍，不利于夾具的自動化應用。

本夾具電氣布局設計的一大亮點是將氣路盡可能地內嵌于結構件中，可以極大減少氣路轉接工作量和降低實際裝配時的復雜程度。內嵌式氣路布局如圖5所示。

從圖5中可以看出，通過對夾具部分結構件進行氣路鉆孔加工，可省略部分氣管安裝和轉接的操作，簡化了氣路布局和裝配難度。

2.3 夾具底座安裝柔性化設計

坐標測量機的大理石平臺上預留有用于測量夾具固定的安裝孔，而不同型號坐標測量機的安裝孔孔位布置和孔徑是不同的，為滿足本夾具在不同型號坐標測量機上的安裝需求，對夾具底座的安裝孔位進行了柔性化設計。

目前常用的坐標測量機，其大理石平臺安裝孔布局一般有100 mm×200 mm，200 mm×200 mm和250 mm×250 mm等。在盡量保證夾具整體外形尺寸小巧和簡約設計的前提下，對夾具底座安裝孔布局進行了優化設計。底座上3種預留安裝孔設計可以滿足包括CONTURA、DuraMAX和力德、思瑞、航銳思維等在內的各種型號坐標測量機的安裝需求。

2.4 夾具防干涉碰撞測量裝配仿真

夾具設計的另一重點是避免測量過程中的干涉碰撞，因自動化夾具工作時無人值守，一旦發生碰撞導致設備停機，輕則影響生產檢測效率，重則導致檢測設備損壞，因此需要對夾具工作狀態下的干涉碰撞進行仿真和預消除。

選取雷尼紹TP200測頭和φ3 mm×100 mm測針作為仿真對象，并建立測針和測頭的三維模型，分別在各測量極限位置裝配測針和測頭，評估夾具實際工作時的碰撞風險。

根據該產品的實際檢測要求，模擬的4類極限位置如圖6所示，仿真裝配的目的就是保證測頭和測針在這4類極限位置不與夾具和產品發生干涉碰撞，從圖中可以看出，坐標測量機在極限位置測量時能夠避讓夾具，不會產生碰撞。

3 自動化夾具實物裝配及功能驗證

根據三維模型設計制造的自動化夾具實物裝配圖如圖7所示，定位和導向銷釘選用尼龍材質以防止工件碰傷，夾具正常工作所需的氣路和電路均內置在夾具內部。夾具側板上預留有與外部連接的電路接口，用于控制負責氣路轉換的電磁閥及應對可能的功能擴展對接口的需求。電路接口實物圖如圖8a圖所示。

整個自動化夾具內部所需的氣源均通過圖8b圖所示的氣源接口輸入，在夾具內部再細分至各個功能器件，降低了自動化夾具對外部氣源供應路數的要求。對自動化夾具接通電源、氣源進行功能驗證，實驗結果證明該自動化夾具能滿足預期的功能要求，各功能部件能夠按照固定節拍執行相應動作。下一步計劃將該自動化夾具與即將完成采購的自動化檢測單元(含坐標測量機、機械臂、儲料架等)進行集成，以期實現該盤型工件內外自由曲面的批量自動化檢測。

4 結語

本文以實際生產中某盤型工件的內外自由曲面測量需求為牽引，以實現該工件自動化檢測為目標，設計了一款專用的自動化夾具。經實際功能測試，證明該自動化夾具能夠實現盤型工件內外自由曲面的一次裝夾檢測。通過將該夾具與自動化檢測單元集成，可以實現該種工件的批量自動化檢測，對推進車間現場檢測的自動化、無人化具有促進作用。