数字化飞机钣金件加工定位用柔性夹具的设计

数字化飞机钣金件加工定位用柔性夹具的设计

王亮

航空工业哈飞

黑龙江省哈尔滨市160060

摘要：本文所开发的一套通用钣金类夹具，可用于已成型的异形曲面的铣削等加工。由于夹具的设计使用模块化结构，夹具自身大小及装夹精度可调节，所以该夹具可适用于不同尺寸的钣金件加工，从而保证产品更新速度，降低夹具设计和制造费用。

关键词：飞机钣金件；加工定位；柔性夹具设计

航空工业是国家经济和国防建设的战略性产业，其持续发展推动了如新材料、通信及先进制造等技术的发展。飞机制造具有结构尺寸大、零件形状复杂且种类繁多、气动外形严格及加工精度高等特点。目前国内飞机制造企业在机加件加工中已基本实现全数字化制造，但钣金件加工制造仍采用传统模线样板和标准样件等传统的模拟量工作法，一个机种一套夹具，增加了飞机制造的准备周期和成本，随着机种的增多，这些夹具也占用了企业大量的土地资源和库存面积。因此，钣金件加工制造成为飞机全机数字化制造、装配的瓶颈。基于此，本文探讨了数字化飞机钣金件加工定位用柔性夹具的设计。

一、柔性工装夹具的工艺要求

柔性工装夹具是针对加工钣金零部件而设计，其质量的好坏将影响零部件的加工质量。

1、柔性工装上的定位点数量较多，设计时会采用多点定位方法减少钣金件在加工过程中的变形情况。由于加工的钣金形状不同，柔性工装的各个定位夹紧点的位置也不相同。因此，在柔性工装夹具的结构设计过程中，需对各个定位、夹紧机构的位置运动情况进行协调控制。

2、由于柔性工装夹具中所需要加工的钣金零部件尺寸形状多样，对应着不同的钣金零部件，所需要的夹紧高度不同。因此，在设计柔性工装夹具时，不仅要求定位和夹紧元件在X、Y方向的位置可调，同时在Z轴方向上的高度也需具备调节功能。

3、柔性工装夹具可加工多种形状的钣金零部件，工作中要求切换速度快，重复定位精度高。

4、为了提高柔性工装夹具工作效率，降低制造成本，夹具重量应尽可能轻。由于柔性工装夹具需长期运动，因此要求疲劳寿命大于2×10⁶次。

5、柔性工装夹具中各个定位、夹紧单元机构应是独立结构，方便后期维修保养。并且各个机构都需满足自动控制要求，可通过计算机控制系统快速操作。

二、钣金件柔性夹具结构

柔性夹具总体由3部分构成，即单元立柱、横向进给机构、纵向进给机构。在设计过程中，它们既相互独立又有所联系，分别有各自的直线运动装置及锁紧机构，设计上较独立且重复部分多，但运动机构间又有相连部分，使之成为一个整体。

单元立柱夹头的顶端是橡胶皮碗，与真空夹紧装置连接。支撑立柱按要求设计成不超过40mm的圆柱体，顶端设计4个凹槽，使之在夹头夹紧后不会随意转动；支撑立柱底端设计一段20mm的内螺纹，用于与电动缸螺旋推杆的连接。支撑立柱内部设计有 9mm的通孔，用于真窄管线的通过。

图1所示为真空夹头爆炸视图，连接件1连接夹头1、2，两端的卡钩分别与夹头1、2底部的凹槽相配合，两端用钢丝软轴连接。这样在保证夹头1、2之间可自由转动，并允许一定角度下移动的前提下，保证了夹头1、2的Z方向上无相对位移。同样连接件2也以相同原理将夹头2与底座相连接。而且由于连接件两端不是固定连接，钢丝软轴的直径小，所以在装配时，可通过错开连接件顶端的卡钩来防止产生干涉，同时也留出足够空间，使真空管道通过。

图1 真空夹头爆炸视图

三、柔性夹具工作原理及零件表面应力

根据柔性化思想，以飞机机身舱门钣金件进行边铣和舱门部位激光切削为例，设计一套柔性夹具，零件尺寸为800mm×500mm×5mm。此套夹具不直接安装在机床上，用地脚螺栓与地面连接。本夹具可模块化，能适应不同尺寸飞机钣金件加工，还可适用于不同加工环境。此夹具可通过在Z、X、Y方向上的移动，实现单元立柱顶端吸附皮碗与工件表面的完全贴合。零件通过工人放到夹具皮碗上，可调整装夹位置，并通过重力固定。在此之前，各支柱都已达到加工位置。

第一步：根据零件外形、材料、密度等已知参数计算零件重力，分析零件在重力场和外力中的受力及变形情况。

第二步：在加工零件时，先输入各个轴的Z、X、Y轴的坐标和加工的各个参数，如刀具的进给速度、切削深度等。Z、X、Y轴坐标的选取原则根据第一步计算的零件变形获得，原则上变形越大的地方，支撑密度越大，但要考虑立柱间的距离等因素，也可在不影响加工精度的前提下选择均匀支撑。各轴坐标的获取可由人工手动输入，也可由工程图纸直接计算得到，或调用数据库中已存档的数据，这部分由控制软件部分实现。针对不同零件曲面函数的不同，可选择不同立柱单元装夹。

第三步：确定无误后开动机床，将各单元立柱运动到指定位置，定位装置也要同时到位，放好零件。由于单元立柱顶端设计的真空吸附装置能自动固定零件，所以当放上零件后，零件不会由于重力的影响而滑动。

第四步：零件装好后，按动开关，气动真空装置吸紧零件。开动机床，开始加工。

由于零件中有4个直径为8mm的定位孔，装夹前，先由定位孔确定工件位置及装夹角度。由于在立柱升起前，工件完全由4个对刀装置支撑，此时工件受重力影响变形并达到最大值。零件为铝合金，重力81.81N。在CATIA软件AnalysisSimulation模块中对零件进行受力分析得到重力影响下产生的微小变形位移图。结果表明，远离支撑点的4个角变形较大，定位孔附近的部分变形最小。而零件在2个定位孔支撑的情况下，同样远离支撑点的两边变形较大，定位孔附近的部分变形较小。通过对比可知，只有2个定位孔的情况比有4个定位孔的情况变形量更大。其未考虑加工时零件承受的切削力，因本文中加工零件用激光切削，加工力小。但若用其他方法加工零件，如铣削、钻孔等加工，需考虑加工力。该零件有4个定位孔，但并不是所有的零件都有4个定位孔，大多数零件只有2个定位孔。

四、运动控制系统构成

为方便、准确、可靠地装夹(固定)工件，控制系统应能控制每个排架沿Y轴精确运动、每个支撑杆沿X与Z轴精确运动、真空系统的启动停止、伺服驱动器及控制回路等供电电路的通断，还应具有根据工件图纸尺寸自动计算出每个支撑杆沿Z轴的运动坐标(距离)的功能。对于具有检测功能的柔性装夹系统，控制系统还应具有数据采集及处理功能。综合考虑以上各因素，本控制系统拟采用工业控制计算机加多轴运动控制器的开放式数控结构。工控机为上位机，完成系统参数设定、根据图纸尺寸对X，Y，Z轴运动坐标的计算、数据采集、数据处理及系统工作状态的显示等工作；多轴运动控制器为下位机，用于根据上位机要求，控制X，Y，Z轴精确运动，这样既可发挥计算机速度快、处理功能强的特点，又能发挥多轴运动控制器实时性强、稳定性好的特点。

工控机具有运行速度快、存储量大、应用灵活、功能强大的特点，在本系统中用于实现系统初始化、给PAMC多轴运动控制器发送命令、支撑杆运动参数的设定、运动信息的实时显示等功能，同时还完成对Z轴运动坐标的计算、数据采集、数据处理及系统工作状态的显示等。

本系统中PMAC作为下位机，主要用于控制支撑杆沿Z轴的运动和X/Y方向上开合螺母的运动，还要完成伺服驱动、程序解释及高速数据采集等实时性任务。充分利用其精度高、速度快的特点，它可在任何时间与上位机通信，完成对工作台运动的实时控制。每根轴的正、负限位信号(+LIMn和-LIMn)、放大器使能信号(AENAX／DIRn)、回零信号(HMFLn)、真空篷力信号及系统的启动、停止、J+、J-的点动控制及故障指示等信息都通过PMAC的I/O接口输入给PMAC。

参考文献：

[1]陈昌伟.飞机数字化柔性工装技术研究[J].中国制造业信息化，2015(05)．

[2]汤军社.数字化飞机钣金件加工定位用柔性夹具的设计[J].现代设计与先进制造技术,2015(01).