一種用于錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面柔性材料鋪敷的輔助裝置設(shè)計(jì)

王爽 王小黎 劉曉東 劉敬慧

（1.航天材料及工藝研究所，北京 100076；2.空軍駐中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院軍事代表辦公室，北京 100076）

1 引言

科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的功能化要求越來(lái)越高，這些功能一般可以通過(guò)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)直接引入或者后期加載的方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品，從技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、成本等方面加以考慮，通常采用后期加載的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中比較常見的方式為在產(chǎn)品表面貼敷各種功能性材料。而采用手工方式直接在產(chǎn)品表面加載薄膜、織物等柔性材料時(shí)，易出現(xiàn)鼓包、皺褶、位置滑移等現(xiàn)象，尤其在異形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，難以實(shí)現(xiàn)平整鋪敷。本文以錐形結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計(jì)了一種使薄膜、織物等多層柔性材料平整鋪敷于錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的輔助裝置，確保將多層材料平整鋪敷于錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面指定位置，而且相對(duì)位置不發(fā)生滑移。

2 總體思路

多層柔性材料鋪敷于錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的總體思路是：（1）根據(jù)待鋪敷錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的尺寸，制作錐形支撐結(jié)構(gòu)；（2）將各層材料依次鋪敷在支撐結(jié)構(gòu)外表面，鋪敷位置與錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面指定位置相匹配；（3）調(diào)節(jié)支撐結(jié)構(gòu)和待貼敷錐形結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置，使兩者軸線重合；（4）沿著軸線，將鋪有多層材料的支撐結(jié)構(gòu)整體推入錐形結(jié)構(gòu)中，直至將多層材料置于錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的指定位置；（5）實(shí)現(xiàn)多層材料與支撐結(jié)構(gòu)的分離，取出支撐結(jié)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)將多層柔性材料平整地鋪敷于錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的指定位置，并且材料各層間不發(fā)生位置滑移，設(shè)計(jì)了由支撐系統(tǒng)、匹配系統(tǒng)和鋪層輔助系統(tǒng)這3部分組成的輔助裝置?？紤]到現(xiàn)有加工工藝的局限性，錐角會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，而錐角的微小變化就會(huì)對(duì)展開尺寸造成較大影響，尤其是對(duì)于母線較大的錐形結(jié)構(gòu)，會(huì)造成錐形支撐結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性差，甚至一件產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一特定工裝，這極大地增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。為了增加裝置的適應(yīng)性，支撐系統(tǒng)采用可收縮的傘架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，錐角可根據(jù)錐形結(jié)構(gòu)的尺寸變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)將各層材料整體放置于錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面指定位置后，通過(guò)骨架的收緊，實(shí)現(xiàn)材料與支撐系統(tǒng)的分離，以便于整個(gè)支撐系統(tǒng)的取出。鋪層輔助系統(tǒng)的環(huán)形卡箍設(shè)計(jì)，確保了各層材料鋪覆于支撐系統(tǒng)表面后，各層材料位置不發(fā)生相對(duì)滑移。而匹配系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)錐體結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)的相對(duì)位置，直至兩者軸線重合，從而實(shí)現(xiàn)兩者位置的匹配。

3 工裝設(shè)計(jì)

3.1 支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)為傘狀可收縮支架結(jié)構(gòu)，由錐形殼、中心軸和大端調(diào)節(jié)裝置這3部分組成，如圖1所示。其中錐形殼采用尼龍材質(zhì)，由多片扇片和骨架構(gòu)成，通過(guò)骨架的支撐作用，各扇片展開后形成錐形外殼，要求尺寸與待鋪敷錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面相匹配。中心軸采用可伸縮的雙層套管結(jié)構(gòu)，外層套管為中空結(jié)構(gòu)，壁厚為3~5mm，管壁上有溝槽，活動(dòng)螺套上的定位塊可以在溝槽中移動(dòng)；內(nèi)層套管同樣采用中空結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要在外層套管中進(jìn)行自由伸縮，以調(diào)節(jié)中心軸的長(zhǎng)短。大端調(diào)節(jié)裝置包括末端套管、活動(dòng)支架、調(diào)節(jié)螺母、頂緊螺母、快拆螺母、活動(dòng)螺套、固定螺套和活動(dòng)軸等8個(gè)部分，可通過(guò)各部分間的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐系統(tǒng)的開合和錐角的調(diào)節(jié)。大端調(diào)節(jié)裝置為整個(gè)支撐系統(tǒng)的核心，下面介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作用機(jī)理。

3.1.1 大端調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大端調(diào)節(jié)裝置可近似看做是套于中心軸上的多層套管結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，末端套管和固定螺套套于中心軸表面，活動(dòng)螺套套于固定螺套表面，活動(dòng)支架、調(diào)節(jié)螺母和頂緊螺母均套于活動(dòng)螺套表面，具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

（1）末端套管套于中心軸末端并且固定于中心軸上，套管中間設(shè)有縱向卡口，當(dāng)支撐系統(tǒng)錐角收縮至最小尺寸時(shí)，用于快拆螺母的卡緊固定。

（2）固定螺套為直徑不同的兩節(jié)套管，分為細(xì)管和粗管，細(xì)管和粗管間固定連接，均套于并且固定于中心軸表面，除中心軸所在區(qū)域外，固定螺套均采用實(shí)體結(jié)構(gòu)。細(xì)管末端采用螺紋結(jié)構(gòu)，當(dāng)活動(dòng)螺套在細(xì)管上移動(dòng)到極限位置時(shí)，粗管末端可頂住活動(dòng)螺套的活動(dòng)端，而快拆螺母的活動(dòng)端可與細(xì)管末端螺紋咬合固定。

（3）活動(dòng)螺套帶有外螺紋，套于固定螺套的細(xì)套管表面?；顒?dòng)螺套的一端嵌有定位塊，能夠在中心軸表面溝槽中進(jìn)行移動(dòng)，活動(dòng)螺套的另一端與快拆螺母固定連接，在活動(dòng)螺套與快拆螺母連接處，活動(dòng)螺套表面存在凸塊。

（4）快拆螺母的一端與活動(dòng)螺套連接，當(dāng)支撐系統(tǒng)收緊為最小尺寸時(shí)，快拆螺母的另一端通過(guò)末端套管上的卡口進(jìn)行固定。同時(shí)快拆螺母與活動(dòng)螺套接觸一側(cè)存在螺紋，當(dāng)快拆螺母推動(dòng)活動(dòng)螺套到達(dá)極限位置后，能夠與固定螺套細(xì)管末端的螺紋咬合固定。

（5）活動(dòng)支架包括套管和多根支撐棒。支撐棒一端沿套管一周環(huán)形均勻分布并與套管固定連接，支撐棒的另一端與活動(dòng)軸活動(dòng)連接。套管套于活動(dòng)螺套表面，能夠沿著活動(dòng)螺套的表面移動(dòng)，當(dāng)套管在活動(dòng)螺套表面移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)支撐棒的另一端在活動(dòng)軸上移動(dòng)，使得支撐系統(tǒng)的錐角發(fā)生變化。

（6）活動(dòng)軸為中空?qǐng)A柱，固定在錐形殼的骨架上，活動(dòng)支架的支撐棒一端穿過(guò)活動(dòng)軸，可通過(guò)支撐棒在活動(dòng)軸上的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐系統(tǒng)的錐角調(diào)節(jié)，并且錐角可調(diào)節(jié)的幅度取決于活動(dòng)軸的長(zhǎng)度。

（7）調(diào)節(jié)螺母和頂緊螺母均帶有內(nèi)螺紋，皆套于活動(dòng)螺套表面，能夠在活動(dòng)螺套表面移動(dòng)。

3.1.2 大端調(diào)節(jié)裝置的作用機(jī)理

當(dāng)推動(dòng)快拆螺母沿著活動(dòng)軸向支撐系統(tǒng)小端移動(dòng)時(shí)，活動(dòng)螺套末端的表面凸塊依次推動(dòng)活動(dòng)螺套、頂緊螺母、調(diào)節(jié)螺母和活動(dòng)支架的套管，沿著固定螺套向支撐系統(tǒng)小端移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致活動(dòng)支架的支撐棒在活動(dòng)軸上挪動(dòng)，使支撐系統(tǒng)的錐角逐漸增大，實(shí)現(xiàn)支撐系統(tǒng)錐角的粗調(diào)。當(dāng)活動(dòng)螺套的活動(dòng)端頂?shù)焦潭萏椎拇痔坠苣┒藭r(shí)，利用固定螺套將快拆螺母鎖緊，支撐系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)被撐開至最小尺寸。

當(dāng)支撐系統(tǒng)被撐開到最小尺寸后，可利用調(diào)節(jié)螺母在活動(dòng)螺套上移動(dòng)，推動(dòng)活動(dòng)支架的套管在活動(dòng)螺套上移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致活動(dòng)支架的支撐棒在活動(dòng)軸上挪動(dòng)，實(shí)現(xiàn)支撐系統(tǒng)錐角的微調(diào)。當(dāng)將支撐系統(tǒng)的錐角調(diào)整到與待鋪層錐體錐角一致時(shí)，利用頂緊螺母頂緊調(diào)節(jié)螺母，實(shí)現(xiàn)錐角的固定。

3.2 鋪層輔助系統(tǒng)

鋪層輔助裝置包括底托和環(huán)形卡箍，如圖3所示。環(huán)形卡箍的尺寸根據(jù)支撐系統(tǒng)及貼覆區(qū)域位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，環(huán)形卡箍的直徑分別取貼覆區(qū)域小端向下10mm、大端向上10mm及中間位置尺寸，每間隔100mm設(shè)置1個(gè)卡箍，每個(gè)環(huán)形卡箍均預(yù)留1個(gè)5cm左右的缺口，用于使用膠黏劑等對(duì)鋪層進(jìn)行黏結(jié)，環(huán)形卡箍采用塑料材質(zhì)，本身存在一定彈性。在進(jìn)行材料鋪層時(shí)，將支撐系統(tǒng)插入底托結(jié)構(gòu)中，然后按要求依次在支撐系統(tǒng)表面鋪覆各層材料，每鋪覆一層捋平后，用環(huán)形卡箍卡住上、中、下3個(gè)部位，在缺口部位利用膠來(lái)黏結(jié)，確保各層材料位置不滑移。

3.3 匹配系統(tǒng)

匹配系統(tǒng)包括操作平臺(tái)、錐體托架、移動(dòng)托架和校正支架4個(gè)部分，如圖4所示。將待鋪敷錐形結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)分別放在錐體托架和移動(dòng)托架中，通過(guò)調(diào)節(jié)錐體結(jié)構(gòu)擺放姿勢(shì)和支撐系統(tǒng)在移動(dòng)托架上的位置，使兩者軸線重合，實(shí)現(xiàn)兩者的位置匹配。

操作平臺(tái)表面設(shè)置雙導(dǎo)軌，其中一根為平軌，另一根為V形槽軌，確保移動(dòng)托架和錐體托架在操作平臺(tái)表面平穩(wěn)移動(dòng)。錐體托架尺寸根據(jù)錐形結(jié)構(gòu)的外表面進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了避免待鋪層錐體結(jié)構(gòu)發(fā)生磕碰，內(nèi)襯采用泡沫墊塊。

移動(dòng)托架的下置滾輪與操作平臺(tái)上的雙導(dǎo)軌相匹配，能夠在操作平臺(tái)表面導(dǎo)軌上平穩(wěn)移動(dòng)；移動(dòng)托架上帶有支架卡鎖，支架卡鎖包括縱向和橫向卡鎖，如圖5所示。該支架卡鎖用于固定支撐系統(tǒng)中的中心軸，首先將支撐系統(tǒng)橫臥卡入縱向卡鎖，然后通過(guò)橫向卡鎖鎖死，可以使中心軸穩(wěn)定地橫置于移動(dòng)托架上，不發(fā)生左右晃動(dòng)。

校正支架為一可伸縮測(cè)高桿，可自由拆卸，當(dāng)需要對(duì)錐體托架的中心軸進(jìn)行校正時(shí)，校正支架安裝于操作平臺(tái)表面錐體托架左側(cè)，當(dāng)需要對(duì)支撐系統(tǒng)的中心軸進(jìn)行校正時(shí)，校正支架安裝于操作平臺(tái)表面移動(dòng)托架右側(cè)中心軸線上。通過(guò)校正支架，來(lái)調(diào)節(jié)安裝在移動(dòng)托架上的支撐系統(tǒng)和放置于錐體托架中錐體結(jié)構(gòu)的中心軸距操作平臺(tái)表面高度，直至兩者軸線重合，實(shí)現(xiàn)兩者的位置匹配。

為了解決將特種多層材料鋪敷在錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面產(chǎn)生的皺褶、滑移等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種使柔性多層材料平整鋪覆于錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的輔助裝置。支撐系統(tǒng)的傘架結(jié)構(gòu)可收縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了裝置的適應(yīng)性；環(huán)形卡箍的設(shè)計(jì)，確保各層材料不發(fā)生相對(duì)位置的滑移；匹配系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使錐體結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)軸線重合，從而實(shí)現(xiàn)兩者的位置匹配。

4 輔助裝置貼覆步驟

（1）匹配體系校正。調(diào)整操作平臺(tái)，確保臺(tái)面的平面度；在操作平臺(tái)上放置移動(dòng)托架和錐體托架，將支撐系統(tǒng)（當(dāng)前支撐系統(tǒng)為收縮的最小狀態(tài)）橫臥卡入移動(dòng)托架的支架卡鎖上，將待鋪敷錐體放入錐體托架固定。

（2）利用校正支架，分別測(cè)量支撐系統(tǒng)和鋪敷錐體中心軸距操作平臺(tái)表面高度，通過(guò)對(duì)移動(dòng)托架和錐體托架進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩者高度一致，實(shí)現(xiàn)軸線重合。

（3）推動(dòng)移動(dòng)托架，沿著表面軌道向錐體托架移動(dòng)，直至移動(dòng)托架緊挨錐體托架。然后利用支撐系統(tǒng)中心軸的可伸縮功能，繼續(xù)推動(dòng)支撐系統(tǒng)向錐體結(jié)構(gòu)內(nèi)部移動(dòng)，直至兩者頂部重合。再通過(guò)支撐系統(tǒng)的大端調(diào)節(jié)裝置，對(duì)支撐系統(tǒng)的錐角進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)兩者錐角的一致，并利用頂緊螺母頂緊調(diào)節(jié)螺母，固定錐角。

（4）從移動(dòng)托架上卸下支撐系統(tǒng)，立于底托立柱上，并加以固定。按照鋪覆區(qū)域，在支撐系統(tǒng)表面相應(yīng)位置作好標(biāo)記，然后將裁剪好的各層材料依次鋪覆于支撐系統(tǒng)表面，每鋪覆一層，捋平后用卡箍卡住，在缺口部位利用膠黏劑固定，確保各層材料位置不滑移。

（5）從底托立柱上卸下支撐系統(tǒng)，橫臥卡入移動(dòng)托架的支架卡鎖上。然后沿著表面軌道推動(dòng)移動(dòng)托架向錐體托架移動(dòng)，直至移動(dòng)托架緊挨錐體托架。再利用支撐系統(tǒng)中心軸的可伸縮功能，繼續(xù)推動(dòng)支撐系統(tǒng)向錐體結(jié)構(gòu)內(nèi)部移動(dòng)，直至兩者頂部重合。此時(shí)，各層材料到達(dá)錐體內(nèi)表面指定位置。

（6）利用大端調(diào)節(jié)裝置收緊支撐系統(tǒng)，將材料與支撐系統(tǒng)分離。最后從錐體里面取出支撐系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了解決將特種多層材料鋪敷在錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面產(chǎn)生的皺褶、滑移等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種使柔性多層材料平整鋪覆于錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的輔助裝置。支撐系統(tǒng)的傘架結(jié)構(gòu)可收縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了裝置的適應(yīng)性；環(huán)形卡箍的設(shè)計(jì)，確保各層材料不發(fā)生相對(duì)位置的滑移；匹配系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使錐體結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)軸線重合，從而實(shí)現(xiàn)兩者的位置匹配。