真空吸夾裝置失壓防錯系統的研究及應用

戴永紅，趙國波，祝紅英，馬 康

（航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都 610092）

0 引言

目前航空結構件中的薄壁類零件越來越多，由于其剛性差、強度低、易變形等特性，對數控加工過程中的裝夾要求越來越高[1]。傳統的數控加工模式是對每種壁板類零件均設計制造一套專用夾具，采用真空吸附裝夾工裝，具有裝夾快速簡單、無裝夾應力變形等特點，是加工薄壁、薄底結構件的主要裝夾方式[2]。近年來真空吸附式柔性裝夾，因具有根據零件形狀進行定位和調姿、可適用于不同結構的飛機壁板外形的加工得到廣泛關注及研究[3-6]，解決了傳統的一對一專用工裝的固化模式。但真空吸附式工裝在遇到各種原因導致的真空泄漏時，其吸附能力會降低，零件與工裝可能出現局部甚至完全分離。本文主要研究如何對加工過程中的真空工裝壓力狀態進行實時監控，建立了一套真空失壓時設備快速響應、自動保護系統。

1 傳統結構的真空工裝檢測機理分析

傳統的真空工裝裝置主要采用真空吸附裝置、真空泵儲壓裝置、連接管道等構成，真空壓力狀態監測在多數情況下采用外置式聲光報警器方式（圖1～圖2）。

圖1 聲光報警器

傳統外置式真空壓力檢測方式存在問題是在加工過程中出現真空壓力異常時可產生聲光報警，但需人為中斷加工。且此類真空壓力表多安裝在機床外部，當真空管路較遠時，壓力監測具有一定的失真。如果圖2 中真空工裝接頭處A 點若出現泄漏，從A 點到機床外部壓力表C 點管路中的氣體特性基本符合伯努利方程：C=p+。

圖2 真空吸夾裝置連接示意

因管道基本鋪設于工作臺高度，檢測位置與泄漏位置可忽略重力勢能差。

利用上式分析管路中壓力變化情況：

（1）當真空工裝完全密封、無泄漏時，AC 管路中無氣流形成，即vA≈vC，進而得到pA≈pC。此時，C 點真空表能較準確地檢測到真空工裝內部壓力。

（2）當真空工裝A 點出現泄漏時，工裝外的空氣將從A點進入管道，在真空泵的作用下加速流向C 點，此時管路中會快速形成一個新的穩態，且C 點的空氣流速明顯高于A 點。設管路中氣體單位時間流量為Q，管路截面積為S，則有Q=vASρA=vCSρC。

因為vA＜vC，則可得pA＞pC，即A 點的壓力大于C 點。當A 點出現泄漏、壓力變大時，C 點的檢測壓力并不能準確的代表A 點的壓力，所以無法準確監測到A 點的壓力變化。這種壓力檢測失真的情況會隨著泄漏量的增加而愈發嚴重。

針對以上分析，選取一臺數控機床進行實驗驗證：選用相同的兩塊真空表，分別安裝在機床聲光報警器位置P1和靠近工裝位置P2（圖3）。當工裝端真空出現不同數值變化時，獲取真空表壓力值。

圖3 壓力失真驗證實驗原理

典型樣本數據分析如下（圖4）：

圖4 壓力失真驗證實驗結果

（1）在遠離工裝端設置檢測裝置P2，對于真空工裝的狀態檢測出現嚴重的失真。該機床從工裝到檢測裝置的真空管路約20 m，真空表壓力讀數差達到0.048 MPa，相當于遠端壓力檢測衰減了68%。

（2）當壓力泄漏達到穩態后，檢測管路長度L2對壓力的檢測無明顯影響。因檢測管中處于封閉狀態，無氣流行程，壓力檢測不失真。

2 真空吸附裝置失壓防錯裝置建立

2.1 硬件配置

在本方案的設計中，選用高精度模擬量負壓傳感器替代原有系統真空表，安裝在近工裝端，可實時監控壓力的真實值。做好線纜保護使其能夠適應加工區環境工況。數控機床操作系統以西門子公司的SINUMERIK 840D 為例，通過在硬件上增加模擬量模塊，將負壓傳感器的模擬量信號輸入PLC，通過處理壓力模擬量信號，提取功能控制點位，設置預警和報警兩級提示和應對方案，保障零件加工過程中壓力異常情況的準確響應題。其連接示意圖如圖5、圖6 所示，其中HMI 為Human Machine Interface，即人機接口、人機界面。

圖5 真空失壓防錯系統連接示意

圖6 傳感器連接

2.2 功能控制點位提取

在機床原有控制系統中尋找空余點位，用于實現硬件的連接組態、功能啟停控制、報警信息的設置與壓力的實時監控。本套裝置確定所需功能點位如表1 所示。

表1 功能控制點位表

2.3 PLC 控制程序設計

本套真空工裝失壓防錯裝置的控制系統程序主要包括5 個部分：

（1）負壓傳感器輸入的模擬量信號轉換為PLC 中顯示的實際真實壓力值。

（2）設置按鍵控制該功能的啟停，僅在用到真空工裝時啟動該功能。

（3）設置兩級失壓泄漏報警的閾值，并與實際壓力值進行比較判斷。

（4）選取合適的報警點位，編寫壓力異常時觸發的機床響應動作。

（5）根據報警點位編寫NC 系統管理的報警顯示內容（圖7）。

圖7 PLC 控制程序及對應關系（部分）

2.4 設置報警閾值

報警閾值的提取與設置是真空失壓系統是否有效的關鍵，閾值設置過高，起不到失壓防錯的作用；設置過低，則會受到壓力波動而頻繁報警，干擾正常加工。因此，現場以為對真空要求較高的2.5 mm 厚鋁材壁板為實驗對象，采用無輔助壓緊吸附方式，給出多種不同加工參數進行試切，提取出安全加工閾值。根據實驗結果，將壓力報警值設置為-0.70 bar（-0.070 MPa），預警值設置為-0.75 bar（-0.075 MPa）。

3 真空失壓防錯系統的應用

本方案研制形成的真空吸夾裝置失壓防錯系統，經測試對因工藝方案問題、真空管路破損、零件變形、密封不嚴、裝夾不到位等因素造成的真空壓力值變化超過系統設置的報警閥值時，機床均可實現預警—報警二級防錯。實際應用于采用真空吸附式工裝加工飛機結構件薄壁零件時，檢測出因工裝密封條破損產生的真空壓力異常情況，機床發出報警信息“真空壓力太低停止加工”并自動中止加工。

4 結束語

本項目成功研制出一套基于西門子SINUMERIK 840D 控制系統的真空吸附式工裝失壓自動防錯系統，將功能控制集成在數控系統操作面板中，可以實現一鍵式操作。該方案適用于多種不同結構的工裝，隨裝隨用、高效快捷，且具有靈敏度更高、性能可靠、響應速度精準快捷等優勢，具有推廣價值。