趙天洛

（錦州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，遼寧 錦州 121000）

蒙皮是氣動(dòng)外形的關(guān)鍵零件，有形狀復(fù)雜、種類繁多、曲率變化大、尺寸變化大、剛性差、生產(chǎn)批量小等加工難點(diǎn)。我國(guó)現(xiàn)有企業(yè)加工此類零件在裝夾時(shí)主要采用模線樣板與標(biāo)準(zhǔn)樣件等傳統(tǒng)的模擬加工方法，而加工中使用的輔助剛性工裝屬專用工裝，一套工裝只能對(duì)應(yīng)一種零件。存在制造周期長(zhǎng)，投入成本大，占用資源多等缺陷。因此，蒙皮鈑金零件的工裝設(shè)計(jì)成為整機(jī)數(shù)字化制造、裝配的瓶頸。

基于以上原因，提出了蒙皮數(shù)字化柔性工裝設(shè)計(jì)：以產(chǎn)品數(shù)字化為基礎(chǔ)的一套制造輔助工裝——輔助工裝能夠完成二個(gè)或二個(gè)以上系列產(chǎn)品的工裝，實(shí)現(xiàn)專用工裝的多途任務(wù)，提高產(chǎn)品的制造速度和質(zhì)量，縮短產(chǎn)品輔助工裝的設(shè)計(jì)和制造周期。柔性工裝可以實(shí)現(xiàn)大尺寸三維蒙皮零件的柔性支撐與定位，一套柔性工裝可以代替無數(shù)套固定工裝，大幅度減少專用工裝和夾具數(shù)量，解決原有剛性工裝的問題。該工裝可應(yīng)用于制造行業(yè)中蒙皮類與壁板類零件測(cè)量、裁邊、鉆孔、銑切操作時(shí)的支撐與定位，是大型蒙皮零件制造數(shù)字化的一種趨勢(shì)。

1 設(shè)計(jì)原理

吸盤式柔性工裝由多點(diǎn)陣真空吸盤組成，吸盤在控制程序中根據(jù)工件的掃描尺寸進(jìn)行三維移動(dòng)成形，生成與蒙皮工件表面完全符合且分布均勻的夾持點(diǎn)陣，從而達(dá)到均勻并且牢固的夾持工件。當(dāng)加工另外一組尺寸形狀不同的工件時(shí)，可以根據(jù)工件形狀對(duì)點(diǎn)陣自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，從而適應(yīng)不同的蒙皮工件外形。并通過真空吸附裝置有效吸附蒙皮零件,形成柔性?shī)A持工裝定位。

圖1 柔性工裝裝配簡(jiǎn)圖

2 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸盤式柔性工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，該套工裝主要包括支架床身（該床身通過底座坐落于地面基礎(chǔ)中）、5套移動(dòng)橫梁、35套Y、Z方向可數(shù)控調(diào)整的可調(diào)立柱、以及35個(gè)可以在空間轉(zhuǎn)動(dòng)45°的真空吸盤、真空吸附系統(tǒng)等。其中，支架床身由本體、齒條、線性滑軌等組成，長(zhǎng)度達(dá)到8000mm；5套可移動(dòng)橫梁分別由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用雙齒條保證橫梁同步,左右各一條線性滑軌導(dǎo)向，并分別設(shè)置左右限位開關(guān)、零點(diǎn)開關(guān)及機(jī)械限位，可調(diào)立柱由真空吸盤、直線軸承、調(diào)形機(jī)構(gòu)、線性滑軌組成，其Y向移動(dòng)由伺服電機(jī)加減速器驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)方式為齒輪齒條，Z向移動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Y、Z方向分別安裝限位開關(guān)及零點(diǎn)開關(guān)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在X、Y、Z的最大設(shè)計(jì)工作范圍為7000mm×4000mm×1800mm，各方向的設(shè)計(jì)精度為：X、Y、Z坐標(biāo)的直線定位精度≤±0.1mm，重復(fù)定位精度≤±0.05mm，可滿足現(xiàn)有蒙皮零件的加工要求。

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

（1）底座設(shè)計(jì)。底座與地基連接是整個(gè)工裝的基礎(chǔ)，其剛性是決定工裝精度的先決條件。考慮到在蒙皮加工中精度要求較高，安裝時(shí)在X方向留出足夠的調(diào)整余量，因此底座設(shè)計(jì)成可以對(duì)各個(gè)方向進(jìn)行調(diào)整的分體式，根據(jù)常見蒙皮尺寸，確定X向長(zhǎng)度為7000mm。選擇由鋼板焊接的框架形式，由上下平板，左右側(cè)立板，筋板組成，整體結(jié)構(gòu)為焊接結(jié)構(gòu)，橫梁與底座由導(dǎo)軌滑塊連接。材料選擇Q235A鋼板，通過時(shí)效處理、粗精加工而成。

圖2 移動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)圖

（2）移動(dòng)橫梁設(shè)計(jì)。移動(dòng)橫梁坐落在底座上，用來實(shí)現(xiàn)X向移動(dòng)并支撐釘柱。共有5個(gè)移動(dòng)橫梁坐落在底座上，由于移動(dòng)橫梁在底座上移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)精度、定位精度及重復(fù)定位精度要求較高，因此選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪齒條傳動(dòng)，直線導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)的形式。直線導(dǎo)軌副中的直線導(dǎo)軌安裝在底座上，滑塊通過調(diào)整墊板與移動(dòng)橫梁進(jìn)行連接。其主體結(jié)構(gòu)仍采用焊接結(jié)構(gòu)件的形式，由若干個(gè)Q235板料焊接而成，通過加熱時(shí)效處理，經(jīng)過粗精加工的方式保證其質(zhì)量及精度符合要求，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（3）釘柱設(shè)計(jì)。釘柱是真空吸盤的支撐部件，由于防塵等需要設(shè)計(jì)成箱體結(jié)構(gòu)。每個(gè)移動(dòng)橫梁上放置7個(gè)釘柱，可根蒙皮形狀自適應(yīng)排列，并可根據(jù)具體情況進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)整。釘柱安裝在橫梁上，隨橫梁進(jìn)行移動(dòng)，釘柱箱體中放置兩臺(tái)伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)釘柱沿橫梁進(jìn)行水平及沿垂直移動(dòng)。為確保加工零件精度，該柔性?shī)A持工裝對(duì)運(yùn)動(dòng)精度、定位精度及重復(fù)定位精度要求較高，因此橫梁、釘柱等結(jié)構(gòu)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過齒輪齒條及直線導(dǎo)軌副傳動(dòng)，在確保驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，消除反向誤差，保證運(yùn)動(dòng)精度。伺服電機(jī)通過精密滾珠絲杠，推動(dòng)釘柱頂端吸盤，可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給和低速微調(diào)。釘柱內(nèi)部上端安裝直線軸承，下端安裝滾珠絲杠座，既可以保證垂直方向的各種精度要求，又便于安裝調(diào)試，釘柱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 釘柱結(jié)構(gòu)圖

（4）萬向吸盤設(shè)計(jì)。萬向吸盤安裝在釘柱的最上端，是工裝的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過真空負(fù)壓實(shí)現(xiàn)對(duì)蒙皮零件的吸附夾緊，這就要求萬向吸盤應(yīng)該具有良好的氣密性，以保證吸盤與蒙皮工件中真空室的形成。為保證吸盤能夠任意貼合工件曲面，要求吸盤具有萬向轉(zhuǎn)動(dòng)能力，可以滿足吸盤能夠在一定范圍內(nèi)自動(dòng)適應(yīng)蒙皮零件的曲率變化，吸盤方向回轉(zhuǎn)的角度一般設(shè)計(jì)在45°左右，且能夠保證吸盤定位中心點(diǎn)位置不變，以保證零件表面輪廓的準(zhǔn)確定位。同時(shí)，萬向吸盤還應(yīng)該易于與釘柱組裝，不同吸盤直徑的夾持單元應(yīng)該具有互換性。其結(jié)構(gòu)如圖所示，該種萬向吸盤關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)在幾何結(jié)構(gòu)上可以滿足吸盤吸附工件時(shí)的萬向轉(zhuǎn)動(dòng)能力的需求，對(duì)不同零件要求不同規(guī)格吸盤的需求，改變吸附部分的吸盤尺寸即可，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 釘柱結(jié)構(gòu)圖

（5）真空吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)。真空系統(tǒng)是用來抽取吸盤與蒙皮間空氣，從而產(chǎn)生負(fù)壓吸附蒙皮，使蒙皮在銑削過程之中夾持工件的作用，其組成結(jié)構(gòu)為：真空吸盤、過濾器、防脫落閥、一分七閥塊板、電磁換向閥、一分五閥塊板、真空發(fā)生系統(tǒng)等元器件組成。真空系統(tǒng)通過置于釘柱內(nèi)部的管路與吸盤連接。吸盤裝有過濾雜物的過濾裝置，防止釘柱內(nèi)部的管路堵塞。在吸盤管路中安裝壓力傳感器，檢測(cè)吸盤的真空壓力，壓力低于設(shè)定值應(yīng)立即報(bào)警。每一個(gè)真空吸盤的管路應(yīng)配有一個(gè)電磁閥，根據(jù)需要控制該路真空的通斷。吸盤和管路應(yīng)可靠密封，以確保在銑削加工中，吸盤可靠吸附工件，既達(dá)到剛性工裝的裝夾剛度，又可達(dá)到均勻施加夾緊力，使工件減小變形，提升加工精度。

4 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了吸盤式柔性工裝中主要機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)介紹了底座、橫梁、釘柱、萬向吸盤及真空吸附系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成，以上重要部件均運(yùn)用CATIAV5 ANSYS模塊進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度及變形量計(jì)算和校核，經(jīng)校核該套柔性工裝可以適應(yīng)現(xiàn)有大部分蒙皮零件的工裝要求。利用三維模型建立及分析軟件，節(jié)省了大量計(jì)算及校核時(shí)間，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。經(jīng)實(shí)測(cè)，經(jīng)過吸盤式柔性工裝加工的蒙皮零件與原有模胎加工的蒙皮零件經(jīng)過對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，其工裝預(yù)備時(shí)間與工裝加工精度在一定程度上得以提升。

吸盤式柔性工裝實(shí)現(xiàn)了大尺寸空間曲率變化三維蒙皮零件的柔性支撐與定位，因柔性工裝屬于可調(diào)式專用夾具，一套柔性工裝通過對(duì)吸盤分布的調(diào)整可代替數(shù)套通用工裝，用于適應(yīng)不同幾何形狀蒙皮零件的銑切操作，大幅度減少專用工裝和夾具數(shù)量，降低工裝輔助時(shí)間，節(jié)省制造成本與工裝庫(kù)存。作為蒙皮類與薄壁類零件數(shù)字化制造技術(shù)之一，柔性工裝在數(shù)字化制造過程中，解決了各種曲面零件測(cè)量、裁邊、鉆孔、銑切操作時(shí)支撐與定位的數(shù)字化，解決了我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)中夾具品種多、數(shù)量大、協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、精度質(zhì)量差等重大瓶頸問題，可以大幅縮短零件研制周期，減低研制成本，顯著提高大型薄壁構(gòu)件的制造效率和準(zhǔn)確度，提高快速響應(yīng)能力，縮短制造周期。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)鈑金零件制造數(shù)字化的一種趨勢(shì)。該設(shè)備與國(guó)外同類設(shè)備相比較，價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，僅為國(guó)外相同規(guī)格設(shè)備價(jià)格的三分之一左右，具有很好的經(jīng)濟(jì)前景。