多點定位式柔性夾持工裝設計與研究

孫巖

摘要：為了解決飛機、汽車等行業的薄壁零件在常規方法定位加工中勞動強度大、自動化程度低、生產效率低、成本高、質量不穩定，且因形狀復雜、剛度低不易定位夾持等問題，提出了基于多點真空吸附式柔性夾持工裝方法。設計了一套X-Z兩坐標的點陣式機械結構和采用真空泵系統的真空回路，并運用CATIA有限元分析模塊對工裝橫梁的強度和剛度進行了校核，完成了一套用于薄壁零件的柔性工裝系統。結果表明該設計滿足要求，系統能有效提高制造柔性，為解決傳統定位方法的缺陷提供了一種思路。

關鍵詞：柔性夾持;薄壁零件;真空吸附;有限元

0? 引言

薄壁零件包括各種鈑金零件、復合材料壁板等，廣泛應用在汽車、航空和航天的領域。薄壁類零件在生產實踐中通常是先成形后加工，加工包括切邊、開孔等。大型薄壁零件體積大、壁薄，不易固定夾緊，在加工過程中容易變形。傳統的加工方法是采用專用工裝，此類工裝具有和零件表面一樣的曲面形狀用于定位零件，并用壓緊卡板固定工件，為了便于數控加工，也可采用吸附式專用工裝。專用工裝可以可靠固定薄壁零件，并且制造成本低，非常適用于零件種類少、批量大的企業。對于產品數量多并且經常改型的企業，將不得不制造大量專用工裝，這是很大的負擔。隨著市場經濟的不斷發展，產品的批量越來越小，種類越來越多。對于這種零件種類比較多的薄壁零件尤其是大型薄壁零件生產企業，需要新的工藝裝備。柔性工裝可以實現一個工裝滿足多個零件的加工，大幅度提高了生產效率與制造柔性。如何實現薄壁零件定位和夾持的柔性化，使同一個工裝可以用于多個薄壁零件是柔性夾持工裝設計的關鍵問題[1，2]。

結合薄壁零件的切邊和開孔等銑削加工特點，確定了柔性定位和夾緊的方式，設計了具有自適應功能的柔性吸盤，并設計了一套具有多個可以移動調整的橫梁和立柱的柔性夾持工裝系統。通過調整橫梁和立柱的位置，多點柔性工裝可以適用于不同形狀尺寸的薄壁零件。根據真空吸附原理并結合柔性定位原理，設計了真空吸附系統。最后通過CATIA有限元分析模塊對柔性工裝的主要零部件進行了強度和剛度分析。

1? 工作原理及核心技術

薄壁零件曲面的空間定位是基于多點定位原理[3，4]，如圖1所示。

各定位點位于定位球體表面，定位球體的半徑相等，薄壁零件曲面與各個定位球體相切。定位球體的球心與切點的距離為球半徑并位于切點處曲面的法線上，只要確定球體球心的位置就可以實現薄壁零件的定位，可以利用等距面法確定球心。薄壁零件曲面的等距面可以利用CATIA、UG等三維設計軟件獲得，并根據球心的X、Y坐標值確定其Z坐標值。根據不同的零件曲面確定不同的空間定位點陣。柔性工裝可以根據不同的定位點陣進行調整，實現柔性定位。

柔性夾持工裝具有由定位吸附裝置組成的點陣，定位球體由該裝置的結構實現。工作時控制系統根據設定好的各個定位吸附單元的坐標，驅動柔性夾持工裝的定位系統進行調形運動，生成與薄壁零件表面形狀相吻合且均勻分布的定位吸附點陣，將零件放置在定位吸附點陣上，再通過控制真空系統，使參與定位吸附的吸盤產生適當的真空吸附力，從而精確可靠地定位夾持薄壁零件。當薄壁零件改變時，吸附點陣位置可以根據新的坐標數據自動進行調整，以滿足不同曲面形狀的需求，實現了工裝的柔性化。

2? 工裝的機械結構設計

柔性夾持工裝的整體機械結構如圖2所示。機械系統包括定位吸附系統、柔性調整系統、基礎支撐裝置。根據各定位單元的自由度，柔性調整方式分為單自由度調整[5]、兩自由度調整和三自由度調整[6]。兩自由度系統比單自由度系統的適應性和定位單元利用率要高，并且制造成本和系統復雜性比三自由度系統要低，因此該柔性調整系統選用兩自由度系統。

定位吸附系統包括定位吸附裝置和真空系統。定位吸附裝置由吸盤、萬向關節、安裝結構組成。萬向關節可以根據零件的表面形狀自動調整，使吸盤與零件表面相切，并可靠吸附零件;通過吸盤表面準確定位薄壁零件。安裝結構設計成可以快速拆卸的形式，便于定位吸附裝置的維修和更換。真空系統向各個吸盤提供真空負壓，并自動檢測吸盤的真空吸附狀態。

柔性調整系統可以對工裝各定位點在X和Z方向進行調整。在Y方向，通過增加定位點數量來實現對零件曲面的適應性。Z方向調整通過升降柱實現，定位吸附裝置位于升降柱頂端隨升降柱移動。Z向采用滾珠絲杠傳動，通過伺服電機及其編碼器實現半閉環控制。為了保證Z向定位準確穩定，伺服電機具有制動功能，能可靠鎖定升降柱。橫梁的X向移動采用兩臺伺服電機同步驅動。兩臺電機位于橫梁兩端，通過蝸輪蝸桿減速機及齒輪齒條傳動帶動橫梁移動。通過編碼器反饋控制，伺服電機驅動橫梁移動到指定位置，然后，利用蝸桿蝸輪減速機的自鎖功能實現橫梁的定位。為了盡量消除橫梁移動的反向間隙，齒輪齒條傳動采用雙斜齒輪消間隙。基礎支撐裝置用于支持整個工裝系統。

3? 真空系統

3.1 真空回路

在真空吸附夾緊的場合，通常有兩種方式產生真空，一種是采用真空發生器，另一種是利用真空泵。為了提高系統工作的可靠性，這里采用真空泵組成回路，如圖3。真空泵適用于連續大流量工作，可以有效應對各種微小泄露;并且使用真空泵的回路具有真空罐，可以有效應對真空系統斷電等意外情況。

真空泵產生真空負壓。真空罐可以穩定真空壓力，并且在真空系統斷電時維持一定時間的真空壓力。真空電磁閥采用兩位雙電控，防止斷電復位造成零件脫落。根據真空壓力開關檢測的壓力值可以了解零件是否可靠吸附。真空過濾器可以阻止污染物從吸盤吸入真空系統，保護各個元件不受污染。

3.2 定位吸附裝置

為了保證薄壁零件能夠可靠的定位吸附，用于定位吸附的吸盤應具有萬向轉動能力，便于貼合任意工件曲面。具體結構，如圖4所示。

該裝置的萬向轉動能力通過球鉸鏈實現。在零件的壓迫下吸盤會發生轉動使其上表面與零件表面貼合，球鉸鏈的球心與吸盤定位面距離為R。薄壁零件與吸盤相接觸的表面可以近似看做平面，吸盤表面與零件相切即是半徑為R的球與零件相切，從而只要確定球鉸鏈球心的位置即可實現薄壁零件的定位。

4? 結論

基于多點吸附的柔性夾持工裝可以有效解決薄壁零件表面形狀復雜、剛度低不易定位夾緊的問題，極大地提高了生產自動化程度和生產效率。該工裝采用多點吸附定位支撐取代傳統的固定曲面形狀的專用工裝夾具，極大地降低了生產成本，提高了工裝夾具的利用率，減少了工裝的數量。通過真空吸附方式來夾緊薄壁零件，避免了工裝的壓緊裝置與零件的加工軌跡產生干涉的問題。通過調整各個升降柱的高度，就可以使工裝適應不同薄壁零件的曲面定位需求，提高了生產效率，降低了勞動強度。

參考文獻：

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[3]門延武，周凱.自由曲面薄壁工件加工的柔性定位方法研究[J].制造技術與機床，2008（10）：113-117.

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