智能裝夾技術在直升機旋翼系統關鍵零件中的應用

摘 要：直升機旋翼系統是直升機核心部件，升力的源泉，直接關系整機飛行過程的機動性，隨著智能制造技術發展，目前機械工裝已無法滿足旋翼系統高效率、高質量的裝夾需求。本文針對上述問題，首先，研制了智能裝夾實驗平臺，確定功能模塊，設計夾緊力控制和補償方式，定位狀態監測系統。其次，對該實驗平臺進行性能測試與評價。最后，設計并研制了智能工裝夾具，對其可靠性、裝夾變形量、裝夾效率以及加工質量等方面進行測試。試驗結果表明，本文提出的智能裝夾技術有效解決了旋翼系統關鍵零件在裝配過程中出現的問題，提高了裝配效率和質量。

關鍵詞：智能裝夾實驗平臺；裝夾效率；智能夾具；直升機旋翼系統

中圖分類號： TP 11" " " " " " 文獻標志碼：A

直升機旋翼系統的制造水平是衡量直升機制造水平的標尺。直升機旋翼系統是直升機核心部件，升力的源泉，直接關系整機飛行過程的機動性、操縱靈活性和穩定性，也代表直升機公司整體制造水平，作用非常重要。大部分航空產品加工廠的機床平利用率約為 40%，其中機床裝夾停工等待時間占總工作時間的30%以上[1]，嚴重制約中小結構件數控設備加工能力提升。智能裝夾技術能夠大幅縮短裝夾時間，提升生產加工效率。應用智能夾具能夠有效提高航空航天領域中直升機旋翼系統的生產效率[2]。因此，目前在科研工作和生產實踐中亟待解決的問題是設計高精度、高效率的智能裝夾設備，滿足直升機旋翼系統關鍵零件的需求，提升直升機的安全性和穩定性[3]。

1 智能裝夾實驗平臺研制

1.1 功能模塊確定及平臺搭建

在智能夾具的研制過程中，須對智能工裝夾具實驗平臺進行研制，為夾具設計提供夾緊力與工件變形、工件與工裝之間關系以及夾緊力作用點設計等方面的依據[4]。由于部件種類眾多且結構復雜，很難確定工件與多個工裝之間的映射關系，變形采集對象范圍較大，因此增加了使用位移傳感器采集工件變形數據的難度[5]。

本文利用功能化模塊對夾具系統進行功能設計與試驗驗證，模塊包括平臺、氣動液壓泵、無泄漏閥、蓄能器、壓力指示器以及夾緊器等。分析并優化工裝夾具設計，提高工裝夾具的適應性和靈活性，提升智能工裝夾具實驗平臺的工作效率。

1.2 夾緊力控制和補償方式設計

夾緊力對零件的加工穩定性和質量有重要影響。夾緊力過小會導致工件整體裝夾剛性不足，產生工件讓刀和刀具顫動現象；夾緊力過大，超過工件結構剛性，易產生工件變形[6]。因此，需要實時控制夾緊力大小，提高自動化裝夾水平，減少工件變形。還需要確定工件的目標夾緊力值，保證工件加工質量。

夾具系統工作原理如圖1所示，使用PLC閉環控制調節電液比例，降低減壓閥的出口壓力，使智能夾具獲得更加精確并可控的夾緊力，對夾緊力進行動態調控。夾具系統使用PC端編譯PLC控制程序，下載至PLC程序控制器中，PLC運算各類傳感器檢測得到的電平信號，控制電磁閥動作順序，從而控制夾緊元件的動作順序，工件完成夾緊。

1.3 定位狀態監測系統的研制

定位狀態監測系統架構如圖2所示，架構主要由硬件系統和軟件系統2個部分構成。硬件系統是監控設備的核心，包括壓力傳感器、位移傳感器等一系列檢測設備以及數據采集卡、工控機和控制面板等配套設備。軟件系統是監測系統的重要組成部分，主要基于LabVIEW平臺進行開發。監測系統主要功能包括參數配置、數據采集、數據分析和數據監測。

1.4 確定定位夾緊方式

在生產過程中，定位夾緊變形現象是一個普遍存在且難以控制的問題。為解決這個問題，采用數值分析與有限元仿真技術尋找優化方案，該方法利用計算來預測裝夾變形，優化夾持點的布局。

有限元法的分析過程主要包括3個步驟：結構離散化、單元分析和整體分析。結構離散化將實際結構劃分為若干單元，將復雜的力學模型轉化為簡單的離散模型，大幅提高有限元分析的計算進度和效率[7]。單元分析的主要目的是導出“單元剛度矩陣”，常用的推導方法有直接法、變分法和加權余數法。整體結構分析是將原始結構視為由若干單元組成的離散結構進行分析。具體的分析步驟如下所述。

推導單元剛度矩陣和載荷向量。根據假設的位移模式，利用平衡條件或適當的變分原理就可以推導出單元e的剛度矩陣和載荷向量。將結構切割成N個小單元。假設每個單元e的位移模式為 （e），V為位移，則該單元的剛度矩陣[k（e）]和載荷向量p（e）的計算過程如公式（1）、公式（2）所示[8]。

[k（e）]=∫[B（e）]'[D（e）]dV （1）

[p（e）]=∫[N（e）]'[f ]dV （2）

式中：B（e）為形狀函數矩陣，代表單元中各節點的位移對場變量的影響；D（e）為材料屬性矩陣；N（e）為對應單元e的形狀函數矩陣；f為體積力 。

集合各單元的平衡方程得到總的平衡方程組。由于結構是由若干個單元組成的，因此應該將各個單元剛度矩陣和載荷向量按適當方式進行集合，建立總的平衡方程組，如公式（3）所示。

（3）

式中：k為集合剛度矩陣；為整體結構的節點位移向量；p為節點力向量。

根據計算得到的節點位移，利用固體力學或結構力學的有關方程計算單元的應變和應力。

直升機旋翼系統關鍵零件結構剛性差，夾具的穩定性直接影響工件的尺寸和形狀誤差[9]，因此只考慮變形嚴重的方向上的位移。在分析過程中，當選擇單元類型和劃分網格時，盡量選擇準確度較高的單元類型。關鍵動部件裝夾變形的有限元計算方法屬于三維問題。

為分析并驗證夾具不同支撐數量和夾緊點數量對工件裝夾變形的影響，分別建立四點支承、四點夾緊；六點支承、四點夾緊；六點支承、六點夾緊的模型，并對3種不同情況的裝夾變形進行測量，見表1。

由表1可知，當采用六點支承時，工件的受力變形量為0.001 57 mm，約為四點支承變形量的1/2；當采用四點夾緊與六點夾緊時，工件的變形量基本相同。支承數量對工件變形的影響更大，六點支承效果比四點支承效果更好。六點支承、四點夾緊是最理想的夾緊方式。

2 智能裝夾實驗平臺性能測試與評價

智能裝夾實驗平臺的性能不僅直接影響零件夾具的設計、制造以及裝配，還影響專用定位和夾緊系統的優化以及性能評估[10]。

對夾緊系統和液壓部件的壓力性能進行詳細分析，并且對每個液壓部件的保壓性能進行測試，保證平臺在整體測試過程中能夠迅速定位影響壓力的相關因素。將2個壓力表同時接入油路，對壓力表的量程進行校核，以檢測2個壓力表的示值。

在進行后續壓力測試的前提下，在同一個系統、同一個位置測量油壓，如果2個表的壓力值相同，那么能夠保證測量準確性和后續試驗正常進行。

無泄漏閥壓力測試單元如圖3所示，其是由無泄漏閥和壓力表組成的。當執行夾緊操作時，將壓縮空氣端接入氣動油壓單元，利用快速接頭連接至無泄漏閥。啟動油壓源并記錄壓力表示值，跟蹤壓力值隨時間變化的曲線，評估無泄漏閥的保壓性能。

蓄能器壓力測試單元如圖4所示，其由無泄漏閥和壓力表組成。當執行夾緊操作時，壓縮空氣端接入至氣動油壓單元，使用快速接頭連接至無泄漏閥。啟動油壓源并記錄壓力表示值，跟蹤壓力值隨時間變化的曲線，評估蓄能器的保壓性能。

壓力表壓力測試單元如圖5所示，其是由無泄漏閥、蓄能器和 2 個壓力表組成的。當執行夾緊操作時，將壓縮空氣端接入氣動油壓單元，利用快速接頭接至無泄漏閥，開啟油壓源，讀取壓力表示值，利用壓力值隨時間變化曲線測試壓力表的保壓性能。

為測試升降平臺的調整范圍和位移測量精度，建立升降測量平臺（如圖6所示）。

分析升降平臺10個測量點示值，位移測量結果見表2。升降平臺調整范圍為1 mm，位移測量精度≤2 μm，滿足技術指標要求。

3 智能工裝夾具設計以及研制

直升機旋翼系統的關鍵部件品種多樣，結構復雜，對薄壁和加工精度要求高。部件定位夾緊變形現象廣泛存在，變形控制難度大，因此需要優化工裝夾具[11]。傳統方法是為每種零件設計專用的工裝夾具，但是該方法成本高，效率低。因此，研發能夠適應不同零件和批次的通用工裝夾具十分重要，不僅能降低成本，還能提升制造過程的靈活性和效率。

本文以直升機旋翼系統的折疊接頭零件為例，將其應用于新開發的智能裝夾技術和智能工裝夾具實驗平臺，對折疊接頭采用精加工工序的夾具進行設計。該夾具包括基座、蓄能器、外供油聯接閥、電源盒、順序閥、旋轉式夾緊器、液壓脹套、壓力繼電器和蜂鳴器等元器件。

折疊接頭夾具如圖7所示，夾具主要利用壓力傳遞介質的流動性使薄壁套產生彈性變形，達到對工件進行定位夾緊的目的。該夾具采用2種規格的液壓脹套：一種油腔長度為25 mm的脹套用于工件一側兩孔的全脹緊；另一種油腔長度為15 mm的脹套用于工件另一側兩孔的局部脹緊。配合旋轉夾緊器以保證工件裝夾穩固。夾具兩側設置4個LED燈和蜂鳴器，當夾具內部油壓低于設定值時，使用蜂鳴器進行報警提醒。

3.1 夾具可靠性測試

對驗證夾具的密封性和穩定性進行測試，當壓力lt;9.0 MPa時，報警裝置發出閃光進行提示，將壓力值逐步增至13.0 MPa，報警裝置的警示燈熄滅。說明報警系統正常，當滿足預定條件時能夠自動報警和解除報警。斷開加壓泵連接，靜置24 h后，壓力降至12.5 MPa，說明其密封性能和穩定性良好。

3.2 裝夾變形量測試

為檢測并記錄零件加壓和泄壓后的變形情況（如圖8所示），使用4個杠桿表撐到零件的A、B、C和D點，讀取加壓前后杠桿表表針變化情況，記錄零件變形情況，使用內徑千分表測量零件中叉口尺寸變化。

4個杠桿表加壓和泄壓后變化值見表3。使用內徑千分表測量零件叉口內側間距尺寸，加壓前后尺寸變化在0.02 mm以下。

經過數據分析得到以下2個結論。1）零件加壓前后零件AC點位置向右移動約0.08 mm～0.10 mm，BD點位置向右移動約0.03 mm～0.05 mm。2） 零件叉口變形量在0.02 mm以下。夾具滿足折疊接頭加工需求。

3.3 裝夾效率測試

為測試裝夾效率，對夾具使用過程各個階段所需時間進行測試，測試結果見表4。

零件拆裝總時間為14 min，與通常機械夾具裝夾所需的40 min相比，效率提升了65%，縮短了占機時間，降低了生產成本。

3.4 加工質量測試

完成裝夾后按照工藝文件進行加工，加工完后檢測尺寸。記錄工序折疊接頭易超差尺寸（見表5），叉口尺寸理論值為（103±0.1）mm，結果表明零件表面質量、加工后零件尺寸等經檢測均符合藍圖要求。

4 結論

本文研究智能裝夾實驗平臺和典型零件精加工夾具。試驗結果表明，采用該夾具能將零件變形量控制在在極小范圍內，保證加工精度。夾具裝卸時間為1 min，與傳統機械夾具相比，裝夾效率提升了65%，不僅加快了產品生產流程，還顯著降低了生產成本。加工后的零件尺寸和表面質量均滿足藍圖要求，說明夾具能夠有效保證加工質量。

雖然該夾具沒有完全智能化，但是其應用的壓力傳感技術、反饋報警技術和自適應夾緊調整技術已具備智能雛形，為未來智能夾具提供了有力的技術支持。隨著智能制造技術進一步發展，該夾具在航空航天領域小批次、多品種結構件的高效加工方面應用價值廣泛。

參考文獻

[1]程榮展.懸臂件加工智能夾具的機械結構設計及優化研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2020.

[2]高鑫，龔清洪，孫超.飛機結構件智能制造關鍵技術研究[J].制造技術與機床，2017（8）：45-49.

[3]喬彩燕，余隋懷，陸長德.航空產品夾具設計的智能自適應關鍵技術研究[J].航空計算技術，2009，39（6）：92-95.

[4]支含緒.基于知識工程的夾具智能CAD技術研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2019.

[5]趙悅.智能夾具在自動化加工中的重要應用[J].現代制造，2019（合刊1）：12.

[6]王方倫.基于混合推理的汽車焊裝夾具智能設計系統的研究與開發[D].煙臺：煙臺大學，2016.

[7] 趙悅.智能夾具在自動化加工中的重要作用[J].現代制造，2019（5）：12.

[8]齊洪喜，陸穎.VHDL電路設計實用教程[M].北京：清華大學出版社，2004.

[9]萬能，茍園捷，莫蓉.基于智能元件的柔性夾具設計新方法[J]. 計算機集成制造系統，2012（11）：1366-2361．

[10]王運巧，梅中義，范玉青.薄壁弧形件裝夾布局有限元優化[J].機械工程學報，2005（6）：214-217.

[11]張得禮，秦崢，劉哲，等.航空發動機復合材料葉片切削加工智能裝夾系統[J].航空學報，2023，44（20）：292-300.