智能裝夾技術(shù)在直升機(jī)旋翼系統(tǒng)關(guān)鍵零件中的應(yīng)用

摘 要：直升機(jī)旋翼系統(tǒng)是直升機(jī)核心部件，升力的源泉，直接關(guān)系整機(jī)飛行過程的機(jī)動(dòng)性，隨著智能制造技術(shù)發(fā)展，目前機(jī)械工裝已無法滿足旋翼系統(tǒng)高效率、高質(zhì)量的裝夾需求。本文針對(duì)上述問題，首先，研制了智能裝夾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確定功能模塊，設(shè)計(jì)夾緊力控制和補(bǔ)償方式，定位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其次，對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行性能測(cè)試與評(píng)價(jià)。最后，設(shè)計(jì)并研制了智能工裝夾具，對(duì)其可靠性、裝夾變形量、裝夾效率以及加工質(zhì)量等方面進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的智能裝夾技術(shù)有效解決了旋翼系統(tǒng)關(guān)鍵零件在裝配過程中出現(xiàn)的問題，提高了裝配效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能裝夾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；裝夾效率；智能夾具；直升機(jī)旋翼系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP 11" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的制造水平是衡量直升機(jī)制造水平的標(biāo)尺。直升機(jī)旋翼系統(tǒng)是直升機(jī)核心部件，升力的源泉，直接關(guān)系整機(jī)飛行過程的機(jī)動(dòng)性、操縱靈活性和穩(wěn)定性，也代表直升機(jī)公司整體制造水平，作用非常重要。大部分航空產(chǎn)品加工廠的機(jī)床平利用率約為 40%，其中機(jī)床裝夾停工等待時(shí)間占總工作時(shí)間的30%以上[1]，嚴(yán)重制約中小結(jié)構(gòu)件數(shù)控設(shè)備加工能力提升。智能裝夾技術(shù)能夠大幅縮短裝夾時(shí)間，提升生產(chǎn)加工效率。應(yīng)用智能夾具能夠有效提高航空航天領(lǐng)域中直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的生產(chǎn)效率[2]。因此，目前在科研工作和生產(chǎn)實(shí)踐中亟待解決的問題是設(shè)計(jì)高精度、高效率的智能裝夾設(shè)備，滿足直升機(jī)旋翼系統(tǒng)關(guān)鍵零件的需求，提升直升機(jī)的安全性和穩(wěn)定性[3]。

1 智能裝夾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

1.1 功能模塊確定及平臺(tái)搭建

在智能夾具的研制過程中，須對(duì)智能工裝夾具實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研制，為夾具設(shè)計(jì)提供夾緊力與工件變形、工件與工裝之間關(guān)系以及夾緊力作用點(diǎn)設(shè)計(jì)等方面的依據(jù)[4]。由于部件種類眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難確定工件與多個(gè)工裝之間的映射關(guān)系，變形采集對(duì)象范圍較大，因此增加了使用位移傳感器采集工件變形數(shù)據(jù)的難度[5]。

本文利用功能化模塊對(duì)夾具系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證，模塊包括平臺(tái)、氣動(dòng)液壓泵、無泄漏閥、蓄能器、壓力指示器以及夾緊器等。分析并優(yōu)化工裝夾具設(shè)計(jì)，提高工裝夾具的適應(yīng)性和靈活性，提升智能工裝夾具實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作效率。

1.2 夾緊力控制和補(bǔ)償方式設(shè)計(jì)

夾緊力對(duì)零件的加工穩(wěn)定性和質(zhì)量有重要影響。夾緊力過小會(huì)導(dǎo)致工件整體裝夾剛性不足，產(chǎn)生工件讓刀和刀具顫動(dòng)現(xiàn)象；夾緊力過大，超過工件結(jié)構(gòu)剛性，易產(chǎn)生工件變形[6]。因此，需要實(shí)時(shí)控制夾緊力大小，提高自動(dòng)化裝夾水平，減少工件變形。還需要確定工件的目標(biāo)夾緊力值，保證工件加工質(zhì)量。

夾具系統(tǒng)工作原理如圖1所示，使用PLC閉環(huán)控制調(diào)節(jié)電液比例，降低減壓閥的出口壓力，使智能夾具獲得更加精確并可控的夾緊力，對(duì)夾緊力進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。夾具系統(tǒng)使用PC端編譯PLC控制程序，下載至PLC程序控制器中，PLC運(yùn)算各類傳感器檢測(cè)得到的電平信號(hào)，控制電磁閥動(dòng)作順序，從而控制夾緊元件的動(dòng)作順序，工件完成夾緊。

1.3 定位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

定位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，架構(gòu)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2個(gè)部分構(gòu)成。硬件系統(tǒng)是監(jiān)控設(shè)備的核心，包括壓力傳感器、位移傳感器等一系列檢測(cè)設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)和控制面板等配套設(shè)備。軟件系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要基于LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能包括參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

1.4 確定定位夾緊方式

在生產(chǎn)過程中，定位夾緊變形現(xiàn)象是一個(gè)普遍存在且難以控制的問題。為解決這個(gè)問題，采用數(shù)值分析與有限元仿真技術(shù)尋找優(yōu)化方案，該方法利用計(jì)算來預(yù)測(cè)裝夾變形，優(yōu)化夾持點(diǎn)的布局。

有限元法的分析過程主要包括3個(gè)步驟：結(jié)構(gòu)離散化、單元分析和整體分析。結(jié)構(gòu)離散化將實(shí)際結(jié)構(gòu)劃分為若干單元，將復(fù)雜的力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為簡單的離散模型，大幅提高有限元分析的計(jì)算進(jìn)度和效率[7]。單元分析的主要目的是導(dǎo)出“單元?jiǎng)偠染仃嚒保Ｓ玫耐茖?dǎo)方法有直接法、變分法和加權(quán)余數(shù)法。整體結(jié)構(gòu)分析是將原始結(jié)構(gòu)視為由若干單元組成的離散結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。具體的分析步驟如下所述。

推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃嚭洼d荷向量。根據(jù)假設(shè)的位移模式，利用平衡條件或適當(dāng)?shù)淖兎衷砭涂梢酝茖?dǎo)出單元e的剛度矩陣和載荷向量。將結(jié)構(gòu)切割成N個(gè)小單元。假設(shè)每個(gè)單元e的位移模式為 （e），V為位移，則該單元的剛度矩陣[k（e）]和載荷向量p（e）的計(jì)算過程如公式（1）、公式（2）所示[8]。

[k（e）]=∫[B（e）]'[D（e）]dV （1）

[p（e）]=∫[N（e）]'[f ]dV （2）

式中：B（e）為形狀函數(shù)矩陣，代表單元中各節(jié)點(diǎn)的位移對(duì)場(chǎng)變量的影響；D（e）為材料屬性矩陣；N（e）為對(duì)應(yīng)單元e的形狀函數(shù)矩陣；f為體積力 。

集合各單元的平衡方程得到總的平衡方程組。由于結(jié)構(gòu)是由若干個(gè)單元組成的，因此應(yīng)該將各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚭洼d荷向量按適當(dāng)方式進(jìn)行集合，建立總的平衡方程組，如公式（3）所示。

（3）

式中：k為集合剛度矩陣；為整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移向量；p為節(jié)點(diǎn)力向量。

根據(jù)計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)位移，利用固體力學(xué)或結(jié)構(gòu)力學(xué)的有關(guān)方程計(jì)算單元的應(yīng)變和應(yīng)力。

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)剛性差，夾具的穩(wěn)定性直接影響工件的尺寸和形狀誤差[9]，因此只考慮變形嚴(yán)重的方向上的位移。在分析過程中，當(dāng)選擇單元類型和劃分網(wǎng)格時(shí)，盡量選擇準(zhǔn)確度較高的單元類型。關(guān)鍵動(dòng)部件裝夾變形的有限元計(jì)算方法屬于三維問題。

為分析并驗(yàn)證夾具不同支撐數(shù)量和夾緊點(diǎn)數(shù)量對(duì)工件裝夾變形的影響，分別建立四點(diǎn)支承、四點(diǎn)夾緊；六點(diǎn)支承、四點(diǎn)夾緊；六點(diǎn)支承、六點(diǎn)夾緊的模型，并對(duì)3種不同情況的裝夾變形進(jìn)行測(cè)量，見表1。

由表1可知，當(dāng)采用六點(diǎn)支承時(shí)，工件的受力變形量為0.001 57 mm，約為四點(diǎn)支承變形量的1/2；當(dāng)采用四點(diǎn)夾緊與六點(diǎn)夾緊時(shí)，工件的變形量基本相同。支承數(shù)量對(duì)工件變形的影響更大，六點(diǎn)支承效果比四點(diǎn)支承效果更好。六點(diǎn)支承、四點(diǎn)夾緊是最理想的夾緊方式。

2 智能裝夾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

智能裝夾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能不僅直接影響零件夾具的設(shè)計(jì)、制造以及裝配，還影響專用定位和夾緊系統(tǒng)的優(yōu)化以及性能評(píng)估[10]。

對(duì)夾緊系統(tǒng)和液壓部件的壓力性能進(jìn)行詳細(xì)分析，并且對(duì)每個(gè)液壓部件的保壓性能進(jìn)行測(cè)試，保證平臺(tái)在整體測(cè)試過程中能夠迅速定位影響壓力的相關(guān)因素。將2個(gè)壓力表同時(shí)接入油路，對(duì)壓力表的量程進(jìn)行校核，以檢測(cè)2個(gè)壓力表的示值。

在進(jìn)行后續(xù)壓力測(cè)試的前提下，在同一個(gè)系統(tǒng)、同一個(gè)位置測(cè)量油壓，如果2個(gè)表的壓力值相同，那么能夠保證測(cè)量準(zhǔn)確性和后續(xù)試驗(yàn)正常進(jìn)行。

無泄漏閥壓力測(cè)試單元如圖3所示，其是由無泄漏閥和壓力表組成的。當(dāng)執(zhí)行夾緊操作時(shí)，將壓縮空氣端接入氣動(dòng)油壓單元，利用快速接頭連接至無泄漏閥。啟動(dòng)油壓源并記錄壓力表示值，跟蹤壓力值隨時(shí)間變化的曲線，評(píng)估無泄漏閥的保壓性能。

蓄能器壓力測(cè)試單元如圖4所示，其由無泄漏閥和壓力表組成。當(dāng)執(zhí)行夾緊操作時(shí)，壓縮空氣端接入至氣動(dòng)油壓單元，使用快速接頭連接至無泄漏閥。啟動(dòng)油壓源并記錄壓力表示值，跟蹤壓力值隨時(shí)間變化的曲線，評(píng)估蓄能器的保壓性能。

壓力表壓力測(cè)試單元如圖5所示，其是由無泄漏閥、蓄能器和 2 個(gè)壓力表組成的。當(dāng)執(zhí)行夾緊操作時(shí)，將壓縮空氣端接入氣動(dòng)油壓單元，利用快速接頭接至無泄漏閥，開啟油壓源，讀取壓力表示值，利用壓力值隨時(shí)間變化曲線測(cè)試壓力表的保壓性能。

為測(cè)試升降平臺(tái)的調(diào)整范圍和位移測(cè)量精度，建立升降測(cè)量平臺(tái)（如圖6所示）。

分析升降平臺(tái)10個(gè)測(cè)量點(diǎn)示值，位移測(cè)量結(jié)果見表2。升降平臺(tái)調(diào)整范圍為1 mm，位移測(cè)量精度≤2 μm，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3 智能工裝夾具設(shè)計(jì)以及研制

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的關(guān)鍵部件品種多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)薄壁和加工精度要求高。部件定位夾緊變形現(xiàn)象廣泛存在，變形控制難度大，因此需要優(yōu)化工裝夾具[11]。傳統(tǒng)方法是為每種零件設(shè)計(jì)專用的工裝夾具，但是該方法成本高，效率低。因此，研發(fā)能夠適應(yīng)不同零件和批次的通用工裝夾具十分重要，不僅能降低成本，還能提升制造過程的靈活性和效率。

本文以直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的折疊接頭零件為例，將其應(yīng)用于新開發(fā)的智能裝夾技術(shù)和智能工裝夾具實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)折疊接頭采用精加工工序的夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)。該夾具包括基座、蓄能器、外供油聯(lián)接閥、電源盒、順序閥、旋轉(zhuǎn)式夾緊器、液壓脹套、壓力繼電器和蜂鳴器等元器件。

折疊接頭夾具如圖7所示，夾具主要利用壓力傳遞介質(zhì)的流動(dòng)性使薄壁套產(chǎn)生彈性變形，達(dá)到對(duì)工件進(jìn)行定位夾緊的目的。該夾具采用2種規(guī)格的液壓脹套：一種油腔長度為25 mm的脹套用于工件一側(cè)兩孔的全脹緊；另一種油腔長度為15 mm的脹套用于工件另一側(cè)兩孔的局部脹緊。配合旋轉(zhuǎn)夾緊器以保證工件裝夾穩(wěn)固。夾具兩側(cè)設(shè)置4個(gè)LED燈和蜂鳴器，當(dāng)夾具內(nèi)部油壓低于設(shè)定值時(shí)，使用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提醒。

3.1 夾具可靠性測(cè)試

對(duì)驗(yàn)證夾具的密封性和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)壓力lt;9.0 MPa時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出閃光進(jìn)行提示，將壓力值逐步增至13.0 MPa，報(bào)警裝置的警示燈熄滅。說明報(bào)警系統(tǒng)正常，當(dāng)滿足預(yù)定條件時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警和解除報(bào)警。斷開加壓泵連接，靜置24 h后，壓力降至12.5 MPa，說明其密封性能和穩(wěn)定性良好。

3.2 裝夾變形量測(cè)試

為檢測(cè)并記錄零件加壓和泄壓后的變形情況（如圖8所示），使用4個(gè)杠桿表撐到零件的A、B、C和D點(diǎn)，讀取加壓前后杠桿表表針變化情況，記錄零件變形情況，使用內(nèi)徑千分表測(cè)量零件中叉口尺寸變化。

4個(gè)杠桿表加壓和泄壓后變化值見表3。使用內(nèi)徑千分表測(cè)量零件叉口內(nèi)側(cè)間距尺寸，加壓前后尺寸變化在0.02 mm以下。

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到以下2個(gè)結(jié)論。1）零件加壓前后零件AC點(diǎn)位置向右移動(dòng)約0.08 mm～0.10 mm，BD點(diǎn)位置向右移動(dòng)約0.03 mm～0.05 mm。2） 零件叉口變形量在0.02 mm以下。夾具滿足折疊接頭加工需求。

3.3 裝夾效率測(cè)試

為測(cè)試裝夾效率，對(duì)夾具使用過程各個(gè)階段所需時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表4。

零件拆裝總時(shí)間為14 min，與通常機(jī)械夾具裝夾所需的40 min相比，效率提升了65%，縮短了占機(jī)時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。

3.4 加工質(zhì)量測(cè)試

完成裝夾后按照工藝文件進(jìn)行加工，加工完后檢測(cè)尺寸。記錄工序折疊接頭易超差尺寸（見表5），叉口尺寸理論值為（103±0.1）mm，結(jié)果表明零件表面質(zhì)量、加工后零件尺寸等經(jīng)檢測(cè)均符合藍(lán)圖要求。

4 結(jié)論

本文研究智能裝夾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和典型零件精加工夾具。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該夾具能將零件變形量控制在在極小范圍內(nèi)，保證加工精度。夾具裝卸時(shí)間為1 min，與傳統(tǒng)機(jī)械夾具相比，裝夾效率提升了65%，不僅加快了產(chǎn)品生產(chǎn)流程，還顯著降低了生產(chǎn)成本。加工后的零件尺寸和表面質(zhì)量均滿足藍(lán)圖要求，說明夾具能夠有效保證加工質(zhì)量。

雖然該夾具沒有完全智能化，但是其應(yīng)用的壓力傳感技術(shù)、反饋報(bào)警技術(shù)和自適應(yīng)夾緊調(diào)整技術(shù)已具備智能雛形，為未來智能夾具提供了有力的技術(shù)支持。隨著智能制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，該夾具在航空航天領(lǐng)域小批次、多品種結(jié)構(gòu)件的高效加工方面應(yīng)用價(jià)值廣泛。

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