小型三維柔性?shī)A持工裝平臺(tái)設(shè)計(jì)

郭巧榮　于洪

摘要：擬設(shè)計(jì)自制一種基于模塊單元的三維柔性?shī)A持工裝臺(tái)，主要包括三維柔性工裝的詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)及工作臺(tái)的搭建，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：模塊單元；三維柔性；工裝

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）21-0107-02

目前我國(guó)大多飛機(jī)裝配型架的設(shè)計(jì)制造都是沿用傳統(tǒng)方法或憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，柔性工裝涉及較少，現(xiàn)代一些高校根據(jù)國(guó)外的研究技術(shù)，對(duì)工裝進(jìn)行改進(jìn)，但是費(fèi)用較多。現(xiàn)計(jì)劃在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資金有限的情況下，自制一套小型柔性工裝，供教學(xué)演示使用。將來(lái)也可在此基礎(chǔ)上采用液壓及自動(dòng)化設(shè)備改進(jìn)和飛機(jī)維修柔性工裝開(kāi)發(fā)，幫助本科和研究生飛機(jī)制造技術(shù)課程教學(xué)，方便進(jìn)行技術(shù)探索。本課題中自建的三維柔性工裝，是對(duì)于我校進(jìn)行柔性定位技術(shù)的開(kāi)發(fā)，可以提供一個(gè)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，更利于科研技術(shù)的探索。

針對(duì)曲面零件加工、裝配過(guò)程中存在定位難、易變形的問(wèn)題進(jìn)行研究，建立三維柔性模塊化智能夾持工裝平臺(tái)。基于模塊支撐單元和多點(diǎn)技術(shù)，根據(jù)曲面定位點(diǎn)坐標(biāo)的求解方法，可將定位點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為定位系統(tǒng)的坐標(biāo)，通過(guò)曲面薄壁零件柔性工裝定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)零件定位可靠、不易變形的柔性定位。此工裝能夠?qū)崿F(xiàn)在工作臺(tái)上方便移動(dòng)支撐單元，并可旋轉(zhuǎn)調(diào)整夾持裝置，達(dá)到精確定位和調(diào)姿曲面零件的目的。此課題對(duì)本科課程《現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)》中工裝內(nèi)容的教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)有重要支撐作用，也可為有效解決柔性工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題提供一定參考。

一、三維柔性?shī)A持工裝平臺(tái)詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)曲面件的工裝特點(diǎn)，結(jié)合工裝夾具的理論和設(shè)計(jì)要求，提出用于曲面件的三維柔性?shī)A持臺(tái)的整體設(shè)計(jì)方案。

1.模塊單元設(shè)計(jì)的概念、方法和原則。課題研制的柔性?shī)A持工裝是模塊化可重組的工裝系統(tǒng)，它可以調(diào)整、更換動(dòng)態(tài)模塊或局部重組，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的裝配需求。在模塊單元設(shè)計(jì)中，首先，設(shè)計(jì)并劃分相應(yīng)的通用功能模塊和專(zhuān)用模塊；其次，根據(jù)需求，選擇合理的模塊并進(jìn)行組合。模塊化設(shè)計(jì)，是把機(jī)械產(chǎn)品的某些部件組合在一起，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)作為一個(gè)通用性的模塊與其他模塊進(jìn)行組合來(lái)構(gòu)成新的系統(tǒng)，從而具有不同功能。所以柔性工裝夾具主要功能是支承、夾緊作用。該柔性工裝的結(jié)構(gòu)包括底板、連接模塊、支承模塊、夾緊模塊。三維模塊化工裝夾具需要采用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)要求制作的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的許多模塊組成，所有模塊的鏈接、固定和壓緊可以孔定位用鎖緊銷(xiāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速鎖緊，模塊與模塊之間可以根據(jù)工件的實(shí)際尺寸而調(diào)整，整個(gè)一套工裝夾具系統(tǒng)的組合可以實(shí)現(xiàn)二維和三維空間的搭建，模塊化拼裝易于操作，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、容易、快捷等特點(diǎn)。

2.多點(diǎn)陣成形定位。柔性定位技術(shù)是柔性工裝技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵的子技術(shù)。本工裝平臺(tái)擬采用多點(diǎn)陣成形方法，基于用多孔平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。該類(lèi)柔性工裝主要依靠軟件系統(tǒng)模擬計(jì)算，對(duì)工裝的多點(diǎn)陣運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行X軸、Y軸、Z軸方向的定位點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)計(jì)。并按照數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，擬合零件氣動(dòng)外形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位和夾緊等功能。

3.柔性調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的真空吸附式裝置。柔性工裝可通過(guò)自身柔性調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)適應(yīng)工件形狀的功能，是一種被動(dòng)式的裝置。當(dāng)夾緊時(shí)能改變形狀與工件相適應(yīng)。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，這種柔性自動(dòng)適應(yīng)裝置過(guò)于復(fù)雜，且成本較高。所以對(duì)于外形復(fù)雜并且具有不同曲率的自由曲面零件，此柔性工裝平臺(tái)中擬采用真空吸盤(pán)進(jìn)行多點(diǎn)陣真空吸附式定位夾持，并采用擁有能夠運(yùn)動(dòng)可調(diào)的旋轉(zhuǎn)伸縮臂式結(jié)構(gòu)和真空吸盤(pán)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)柔性工裝的臥式結(jié)構(gòu)、立式結(jié)構(gòu)和環(huán)式機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，并能夠根據(jù)曲面法矢量的變化調(diào)節(jié)柔性定位夾持裝置。

4.柔性工裝工作性能CAE技術(shù)仿真和分析。在平臺(tái)設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案進(jìn)行時(shí)，可應(yīng)用CATIA軟件針對(duì)工裝傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。利用有限元軟件分別對(duì)不同高度的立柱單元及工裝臺(tái)架進(jìn)行了有限元靜力分析和模態(tài)分析，獲得了立柱單元隨高度變化的靜、動(dòng)態(tài)規(guī)律以及工裝臺(tái)架應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖和模態(tài)振型，并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

5.材料選擇和加工、制造成本核算。柔性工裝的工作臺(tái)、模塊、角鋼和智能夾持裝置材料需要設(shè)計(jì)定制，另外根據(jù)資金問(wèn)題合理安排加工和制造成本，力求實(shí)現(xiàn)成本低、定位精度高、便于操作等，后續(xù)還可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)放和改進(jìn)。柔性?shī)A具的長(zhǎng)度尺寸方面，擬選取最小的規(guī)格進(jìn)行研制以節(jié)省材料，完成工裝臺(tái)的搭建工作。

二、三維柔性?shī)A持工裝搭建

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目搭建的柔性?shī)A持工裝可將支撐功能、定位功能和夾緊功能有機(jī)的結(jié)合在一起，并基于三維焊接工裝的基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)薄壁件三維柔性模塊化智能夾持工裝平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和搭建。

1.三維多孔工裝平臺(tái)設(shè)計(jì)。本平臺(tái)裝置的多孔平臺(tái)可參考三維柔性焊接平臺(tái)來(lái)進(jìn)行加工定制。三維柔性組合焊接工裝是將金屬切削加工領(lǐng)域使用的組合夾具理論運(yùn)用到鈑金焊接加工領(lǐng)域，是從傳統(tǒng)的T型平臺(tái)，槽系平臺(tái)發(fā)展起來(lái)的三維平面孔系組合夾具系統(tǒng)。是一種新型的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化的環(huán)保工裝夾具[1]。三維柔性焊接夾具的組成包括一組三維工裝臺(tái)和一組標(biāo)準(zhǔn)附件。其中，三維工裝臺(tái)由五面孔系平臺(tái)和機(jī)架組成。所謂標(biāo)準(zhǔn)附件是有統(tǒng)一圖紙并按尺寸精度要求經(jīng)機(jī)械加工完成的具有互換性的零件，包括各類(lèi)型的定位角鐵、壓緊件、連接件、緊固件、支承件。三維柔性焊接的多孔平臺(tái)，裝置操作簡(jiǎn)便、使用安全。此工裝平臺(tái)的承載能力高，剛性穩(wěn)定，工作臺(tái)的五面均加工有規(guī)則的孔，刻有網(wǎng)線，可以方便地延伸和擴(kuò)展、組合。經(jīng)擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)面可模塊化的定位和夾緊零件。

2.伸縮旋轉(zhuǎn)手臂調(diào)節(jié)定位系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的柔性定位，可借鑒搬運(yùn)板件的機(jī)械手設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方向性靈活的定位[2]。機(jī)械手臂的靈活性由機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)角度所制約，可以利用機(jī)械手臂控制方法來(lái)對(duì)定位坐標(biāo)和調(diào)姿做具體仿真研究[3]。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建，可使用用于機(jī)械手配件的鋁合金萬(wàn)向座，配合吸盤(pán)金具，實(shí)現(xiàn)方向性靈活的伸縮旋轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便多角度旋轉(zhuǎn)。其中機(jī)械旋轉(zhuǎn)臂的固定座需要和多孔平臺(tái)相連，這里可使用焊接平臺(tái)的快速鎖緊銷(xiāo)，對(duì)固定座進(jìn)行平臺(tái)緊固鎖緊。

3.真空吸盤(pán)吸附系統(tǒng)。真空吸盤(pán)是制造業(yè)中一種常用的氣動(dòng)執(zhí)行元件，真空吸盤(pán)采用真空負(fù)壓來(lái)“吸附”工件以達(dá)到夾持工件的目的。這種夾持工件的方法，可不受工件的幾何形狀和材料限制。定位夾持裝置最重要的功能是起著固定作用，零件被固定不動(dòng)后，有利于裝配加工流程的順利進(jìn)行。真空吸盤(pán)的吸附效果特別關(guān)鍵，主要在于真空吸盤(pán)與被吸附零件之間的密封性。所以兩者之間的密封性很重要，這和兩者的貼合程度相關(guān)。傳統(tǒng)的真空吸盤(pán)理念中是柔-剛貼合的模式。即吸盤(pán)用具有柔性的橡膠制作，而應(yīng)用的對(duì)象都具有一定剛度且有可以用來(lái)吸附的較平整的平面，從而在二者貼合時(shí)可以緊密的貼合，得到良好的密封效果。如果要使兩者之間能夠較好貼合，需要隨時(shí)調(diào)節(jié)兩者之間的貼合狀況。

對(duì)于如何產(chǎn)生真空，是需要考慮的問(wèn)題。本裝置通過(guò)真空發(fā)生器產(chǎn)生真空，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，無(wú)可動(dòng)機(jī)械部件，計(jì)算安裝方便。真空吸盤(pán)在工作時(shí)，壓縮空氣可以一直通過(guò)真空發(fā)生器，持續(xù)產(chǎn)生負(fù)壓，保持吸盤(pán)真空，所以吸盤(pán)直徑的選擇很重要，可以根據(jù)物料重量、真空發(fā)生器最大真空度、安全系數(shù)進(jìn)行吸盤(pán)直徑計(jì)算。

4.檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。本柔性工裝特點(diǎn)是運(yùn)用軟件計(jì)算柔性工裝的定位，并在工裝臺(tái)上高度尺，對(duì)定位點(diǎn)位置進(jìn)行人工檢測(cè)，然后與計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到誤差，從而進(jìn)行調(diào)整，做到更加精確定位。在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)中，需要根據(jù)工件坐標(biāo)位置信息對(duì)整個(gè)柔性工裝系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃。根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)各支承單元的移動(dòng)操控，還可以實(shí)現(xiàn)各支承機(jī)構(gòu)在工件上的布局優(yōu)化計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)柔性工裝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

三、總結(jié)

目前我國(guó)對(duì)柔性裝配工裝的研究水平和利用率還很低。在課程教學(xué)方面缺少實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)教學(xué)效果有一定影響。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研制一種曲面零件夾持三維柔性工裝臺(tái)，在《現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)上，可以指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)軟件對(duì)柔性工作的定位進(jìn)行分析，不同算法對(duì)于定位的準(zhǔn)確性有較大影響，從而也可以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)制造水平。

參考文獻(xiàn)：

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