飛機結(jié)構(gòu)件多工位柔性夾具設(shè)計*

（南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌 330063）

工藝裝備的柔性化，一直是航空工業(yè)需要解決的難題，柔性工裝系統(tǒng)不僅能夠降低工裝制造成本，而且還可以縮短工裝準(zhǔn)備時間，同時能大幅度提高生產(chǎn)率。務(wù)俊杰等[1]介紹了飛機柔性工裝國外現(xiàn)狀、分類及特點，并針對某型柔性夾具在型號產(chǎn)品研制中的應(yīng)用進行了分析與研究。甄瑞等[2]設(shè)計了柔性夾具系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，研制了柔性夾具的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了飛機蒙皮加工的定位夾緊。李紀(jì)磊等[3]針對飛機薄壁件的銑削加工設(shè)計了一套真空柔性夾具，介紹了真空柔性夾具的結(jié)構(gòu)和工作原理。Zhou等[4]提出了一種基于特征的夾具設(shè)計方法，能夠綜合描述設(shè)計知識與飛機結(jié)構(gòu)零件的幾何信息。Li等[5]針對飛機結(jié)構(gòu)件的銑削加工，介紹了一種新的固定方法和靈活的夾具，自動響應(yīng)工件在加工過程中的變形。

氣動柔性夾具集成機械、電氣、氣動和控制等技術(shù)，實現(xiàn)工件的快速定位、裝夾以及加工過程對零件壓緊件的隨行功能[6]。針對飛機長梁數(shù)控加工，采用PLC實現(xiàn)工件自動快速裝夾控制，實現(xiàn)一種多工位柔性自動夾具。

飛機結(jié)構(gòu)件不僅是構(gòu)成飛機機體骨架的重要零件，而且還是構(gòu)成氣動外形的重要部件，其品種比較繁多、材料不同、功能重要，為了減輕其重量，在進行等強度設(shè)計上，往往形成各種復(fù)雜的型腔和筋，機械加工難度大、效率低[7]。其中，梁類零件是飛機上非常重要的受力件與結(jié)構(gòu)件，平面種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高。由于特殊的零件結(jié)構(gòu)及所滿足的功能要求等原因，導(dǎo)致其裝夾困難、加工難度大、工序分散、裝夾次數(shù)多。特別是長梁類零件，所需配套夾具較多，且夾具柔性化與自動化程度低。

梁類零件主要通過數(shù)控銑削加工各類平面，針對飛機長梁類零件外平面的數(shù)控銑削工序設(shè)計了柔性多工位夾具系統(tǒng)。飛機長梁零件如圖1所示。

1 夾具結(jié)構(gòu)方案

1.1 氣動增力機構(gòu)

圖1 飛機長梁零件Fig.1 Aircraft girder part

為了克服氣動裝置夾緊力不足的缺點，一般會在夾緊機構(gòu)中設(shè)置增力機構(gòu)來保證所需的夾緊力。吳冬敏等[8]介紹了單缸雙活塞的鉸桿增力機構(gòu)、鉸桿與杠桿增力機構(gòu)的夾緊裝置。沈銘等[9]利用氣動肌肉的工作原理和特點，設(shè)計了一種由氣動肌肉驅(qū)動的增力式夾具。郭瑞潔等[10]設(shè)計了一種基于鉸桿與杠桿串聯(lián)增力機構(gòu)的內(nèi)夾持氣動機械手，分析了其工作原理和性能特點，同時采用了二級增力機構(gòu)。在夾緊機構(gòu)中設(shè)置增力機構(gòu)來保證所需的夾緊力，克服了氣壓傳動系統(tǒng)因壓力較低而導(dǎo)致夾持力不足的缺點。

二次正交氣動增力機構(gòu)主要由氣缸、鉸桿、壓板和導(dǎo)軌組成。當(dāng)氣缸處于圖中所示工作狀態(tài)時，氣壓缸后端進入壓縮空氣，推動活塞向前運動，氣缸推桿分別與鉸桿1、2的壓力角β減小，氣缸將推力分別傳遞給鉸桿1、2，完成第一次放大；鉸桿1分別與鉸桿3、5的壓力角α減小，鉸桿2分別與鉸桿4、6的壓力角α減小，鉸桿 1、2 將推力分別傳遞給鉸桿 3、4、5、6，完成第二次放大，鉸桿5、6將推力傳遞給壓板，變?yōu)閵A持工件的作用力F。

當(dāng)氣缸前端進入壓縮空氣時，氣缸推桿將帶動鉸桿1、2向后移動，氣缸推桿分別與鉸桿1、2的壓力角β增大，鉸桿1分別與鉸桿3、5的壓力角α增大，鉸桿2分別與鉸桿4、6的壓力角α增大，鉸桿5、6帶動壓板沿導(dǎo)軌方向向后移動，夾持機構(gòu)松開工件。二次正交氣動增力機構(gòu)如圖2所示。

不考慮連桿鉸接的摩擦?xí)r，兩連桿作用到壓板上的總力Ft的計算公式為：

式中，D為氣缸內(nèi)徑； P為壓縮空氣的工作壓力。

考慮連桿鉸接的摩擦?xí)r，兩連桿實際作用到壓板上的總力Fp的計算公式為：

式中，θ1為與鉸支座和與壓板相連的桿兩處鉸接的當(dāng)量摩擦角；θ2為與氣缸相連的桿兩處鉸接的當(dāng)量摩擦角。

圖2 氣動增力機構(gòu)Fig.2 Pneumatic boosting mechanism

式中：d為相應(yīng)鉸接處鉸鏈軸的直徑；L為連桿兩端鉸接孔的中心距；f為鉸鏈副的摩擦因數(shù)。

式中各角的值越小，增力效果越明顯。例如，機構(gòu)處于夾持狀態(tài)時，取α=β=7°，f=0.1， d=10mm，L=200mm，可計算得該增力機構(gòu)把氣缸實際輸出力擴大約75倍，這一數(shù)據(jù)充分說明在夾緊機構(gòu)中設(shè)置此增力機構(gòu)，能夠解決氣動傳動系統(tǒng)壓力不足的問題。

1.2 夾具結(jié)構(gòu)

為了克服工件裝夾困難、加工難度大、工序分散和所需配套夾具多等缺點，夾具系統(tǒng)一般都能實現(xiàn)多工位加工，從而減少工裝時間和降低加工成本。喻步賢等[11]為提高工件加工精度和加工效率，充分運用臥式加工中心特點，設(shè)計了一套多工位鏜銑專用夾具。周永良等[12]介紹了一種多工位轉(zhuǎn)臺自旋轉(zhuǎn)夾具的夾緊、松開控制裝置，該結(jié)構(gòu)裝置巧妙簡化了傳統(tǒng)的配氣環(huán)裝置。余冠洲等[13]帶雙斜面壓板的多工位專用夾具，且能夠快速夾緊，滿足了批量加工的要求，大大提高了生產(chǎn)效率。

工件屬于較大梁類零件，平面種類多，定位精度要求高，定位復(fù)雜。以工件底面和兩側(cè)面作為定位基準(zhǔn)，底面采用支撐板定位，端面與側(cè)面采用擋板定位，從而避免工件在銑床銑削過程中受力過大發(fā)生變形，影響工件質(zhì)量。

采用氣動增力機構(gòu)在工件側(cè)面夾緊，加工面完全敞開，夾具元件不干涉刀具，氣動增力機構(gòu)高效、快速。在夾緊過程中，能夠沿導(dǎo)軌精確滑動，提高了工件的夾持穩(wěn)定性，從而保證工件在加工過程中不會松動和錯位，防止了工件變形。加工人員可根據(jù)具體情況，靈活變換工件工位，從而實現(xiàn)一套夾具多工位加工，避免了加工過程中更換多套夾具。針對尺寸差距較大的飛機大梁類零件，只需要合理調(diào)整氣動增力機構(gòu)、擋板、氣動增力機構(gòu)底座、支撐板和傳感器的具體位置，便可快速、準(zhǔn)確實現(xiàn)工件定位與夾緊，從而提高夾具的柔性化與自動化程度。夾具機構(gòu)如圖3所示。

工件位于工位1與工位3時，底面采用支撐板8、10定位，端面采用擋板3定位，側(cè)面采用擋板13定位，工件實現(xiàn)完全定位；當(dāng)系統(tǒng)通過傳感器檢測到工件完全定位時，上部氣動增力機構(gòu)動作并夾緊工件，夾具工位示意圖依次為a工位1、b工位3如圖4所示。

工件位于工位2時，底面采用支撐板10定位，端面采用擋板13定位，側(cè)面采用擋板15定位，工件實現(xiàn)完全定位；當(dāng)系統(tǒng)通過傳感器檢測到工件完全定位時，底部氣動增力機構(gòu)7、17、23動作并夾緊工件。工件位于工位4時，底面采用支撐板8定位，端面采用擋板13定位，側(cè)面采用擋板16定位，工件實現(xiàn)完全定位；當(dāng)系統(tǒng)通過傳感器檢測到工件完全定位時，底部氣動增力機構(gòu)9、18、22動作并夾緊工件。另外，工位2與工位4可以同時裝夾工件，夾具工位示意圖依次為c工位2、d工位4，如圖5所示。

1.3 夾具氣動系統(tǒng)

圖3 夾具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Fixture structure diagram

圖4 夾具工位1和3Fig.4 Fixture station 1 and 3

圖5 夾具工位2和4Fig.5 Fixture station 2 and 4

氣動系統(tǒng)以空氣為工作介質(zhì)，來源方便，用后可以直接排放入大氣而不污染環(huán)境，其結(jié)構(gòu)簡單、輕便、安裝維護方便，具有動作迅速、反應(yīng)快、適應(yīng)性好、成本低、安全可靠等特點。根據(jù)氣動夾緊機構(gòu)的順序動作要求，設(shè)計了一種由氣缸驅(qū)動和傳感器檢測的氣動控制回路。夾具氣動系統(tǒng)主要由氣泵、壓力傳感器、壓力表、減壓閥、氣缸、電磁閥和單向節(jié)流閥等組成，系統(tǒng)通過氣源裝置為氣缸提供壓縮空氣，電磁閥用來控制氣缸伸縮，單向節(jié)流閥用來調(diào)節(jié)氣缸伸縮速度，并通過壓力傳感器實時檢測氣體壓力大小，從而精確控制夾緊力大小，避免工件變形。夾具氣動原理如圖6所示。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制要求

夾具工作過程主要包括：工件吊裝、選擇工位、工件完全定位、工件夾緊、加工工件、釋放工件與變換工位等多個工序。系統(tǒng)流程如圖7所示。

（1）首先機床主軸尋找對刀點，機床與夾具建立坐標(biāo)關(guān)系。

（2）然后進行系統(tǒng)檢測及其他準(zhǔn)備工作，檢測氣缸、氣泵和氣動回路等是否正常，以保證整個系統(tǒng)正常工作。

（3）通過吊裝裝置將待加工工件吊裝到夾具工作臺上，選擇工件工位，系統(tǒng)檢測到工件存在，并完成定位。

（4）工件定位完成以后，氣動增力機構(gòu)動作，并沿導(dǎo)軌方向夾緊工件，數(shù)控機床調(diào)出工件加工工藝程序，進行工件加工。

（5）工件在當(dāng)前工位加工完成之后，氣缸動作，并完全釋放工件，工件可由當(dāng)前工位轉(zhuǎn)至其他工位，繼續(xù)加工。

（6）工件完全加工完成之后，可通過吊裝裝置吊出已加工工件，進入下一次加工準(zhǔn)備或加工結(jié)束。

2.2 I/O分配及接線圖

圖6 夾具氣動原理圖Fig.6 Fixture pneumatic schematic

圖7 系統(tǒng)流程圖Fig.7 System flow chart

S7-200系列PLC帶有輸入與輸出單元，不僅能夠進行單機運行，而且能夠擴展其他模塊運行，結(jié)構(gòu)較簡單、體積較小、較豐富指令集，可以完成多種控制功能。根據(jù)夾具的控制要求，確定控制系統(tǒng)I/O口分配表，如表1所示。根據(jù)PLC控制系統(tǒng)I/O地址分配表，確定系統(tǒng)接線圖，如圖8所示。

2.3 控制程序

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，在STEP7軟件中編制PLC梯形圖，并通過PLC成功調(diào)試。（1）系統(tǒng)啟動，Network1-Network2、Network8、Network13，通過吊裝裝置將待加工工件吊裝到夾具工作臺上，并選擇工件工位。（2）定位夾緊，Network3-Network5、Network9-Network10、Network14-Network15，系統(tǒng)通過光電開關(guān)檢測到待加工工件存在，并通過限位開關(guān)進行工件定位。工件完全定位后，系統(tǒng)延遲3s，驅(qū)動氣缸動作，氣動增力機構(gòu)沿導(dǎo)軌方向夾緊工件，數(shù)控機床調(diào)出工件加工工藝程序，進行工件加工。（3）工位更換，Network6-Network7、Network11-Network12、Network16-Network17，工件加工完成之后，驅(qū)動氣缸動作，氣動增力機構(gòu)完全釋放工件，工件可由當(dāng)前工位轉(zhuǎn)至其他工位，繼續(xù)加工。

表1 PLC控制系統(tǒng)I/O分配表

（4）卸載復(fù)位，工件完全加工完成之后，可通過吊裝裝置吊出已加工工件，進入下一次加工準(zhǔn)備或加工結(jié)束。

3 結(jié)論

（1）分析了飛機結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點和工藝要求，主要研究了飛機長梁類零件的結(jié)構(gòu)特點和加工要求。

（2）針對飛機長梁類零件的數(shù)控銑削加工，提出一種柔性、快速、多工位夾具方案。詳細論述了柔性系統(tǒng)的機構(gòu)組成、工作原理及PLC控制系統(tǒng)。

圖8 控制系統(tǒng)接線圖Fig.8 Wiring diagram of control system

（3）采用支撐板與擋板定位，氣動增力機構(gòu)夾緊，利用PLC控制器，實現(xiàn)傳感器感知、工件自動定位與夾緊，并編制了相應(yīng)控制程序及調(diào)試成功。

（4）該柔性多工位自動夾具具有一定的柔性，可以靈活變換工位，工件夾持穩(wěn)定性得到很大改善，并且能夠有效減少夾具組裝時間和工件裝夾時間，降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)率，提升了工件的加工質(zhì)量，并為飛機結(jié)構(gòu)件柔性多工位夾具系統(tǒng)在數(shù)控加工中的應(yīng)用提供參考。

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