面向數(shù)字化檢測的飛機鈑金件固持系統(tǒng)設(shè)計

陳李學

摘 要：飛機鈑金件在數(shù)字化檢測中，依靠固持系統(tǒng)實現(xiàn)鈑金件的支撐、固定與定位。本文根據(jù)飛機鈑金件特征提出一套完整的固持系統(tǒng)方案，包括基于檢驗?zāi)５墓坛旨夹g(shù)、基于三維組合夾具的固持技術(shù)、基于三維柔性托板的固持技術(shù)和基于多點吸附裝置的固持技術(shù)，可滿足飛機各類鈑金件的數(shù)字化測量需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化檢測 固持系統(tǒng) 飛機鈑金

中圖分類號：V26 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（b）-0071-04

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的快速發(fā)展和裝備安全性、可靠性要求的日益提高，對飛機鈑金件的檢測精度提出了更為嚴格的要求。以三維模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化檢測技術(shù)快速發(fā)展，成為提升裝備制造精度與效率的關(guān)鍵[1]。鈑金零件的檢測技術(shù)是航天航空制造過程的重要構(gòu)成部分，是實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)特性的一項主要技術(shù)。飛機鈑金零件的品種、尺寸、大小、批量各異，通常具有剛性弱、尺寸跨度大、回彈現(xiàn)象顯著等特點，在鈑金件數(shù)字化檢測時，需要根據(jù)鈑金件結(jié)構(gòu)特征設(shè)計固持系統(tǒng)，以實現(xiàn)飛機鈑金件在數(shù)字化測量中的支撐、固定與定位。為了滿足飛機上各類鈑金件的檢測需求，本文結(jié)合飛機鈑金件的特征提出一套完整的固持系統(tǒng)方案，并給出各種固持技術(shù)的適用范圍和技術(shù)方案。

1 基于檢驗?zāi)５墓坛旨夹g(shù)

檢驗?zāi)＜锤鶕?jù)零件的尺寸大小所加工制造出的檢驗?zāi)＞?。傳統(tǒng)的鈑金件檢驗是將零件固定在檢驗?zāi)＞呱希ㄟ^檢驗零件與模具之間的間隙以及對比零件邊緣與模具上刻線的偏差來衡量零件是否合格[2]。因此，檢驗?zāi)Ｔ诩庸r通常在上面添加3～4個加工基準孔，制孔方法為劃線制孔和數(shù)控加工制孔。而對于鈑金數(shù)字化測量，為了保證定位精度，檢驗?zāi)５幕鶞士缀屯庑伪仨毻ㄟ^數(shù)控加工得到。

（1）適用范圍。

在飛機鈑金數(shù)字化檢測過程中，為了保證生產(chǎn)協(xié)調(diào)以及模具運輸，對于尺寸存在著比較嚴格的要求，較大的零件不適合采用基于檢驗?zāi)５臏y量方式。通常檢驗?zāi)５倪m用范圍為：最大尺寸在1000mm以內(nèi)的鈑金液壓件和鈑金蒙皮件（最大尺寸是指三維空間內(nèi)零件上距離最遠的兩點的坐標相對值）。

（2）技術(shù)方案。

根據(jù)相應(yīng)的數(shù)字化測量設(shè)備以及檢驗?zāi)Ｋ鶖y帶的幾何特征，例如定位孔和數(shù)控加工孔等，設(shè)計了基于檢驗?zāi)５拟k金數(shù)字化測量總體方案，該方案中涉及到激光雷達、定位銷、沙袋以及檢驗?zāi)５?，如圖1所示。

支撐方法：零件依靠檢驗?zāi)Ｖ?，在具體實施時，盡量將零件耳片定位孔對準模具上定位孔，以便于后續(xù)零件的固定操作。

固定方法：在固定時，主要依靠定位銷與加沙袋。具體操作時，根據(jù)檢驗?zāi)６ㄎ豢椎某叽缫约皞€數(shù)選擇相應(yīng)的定位銷種類和個數(shù)，為了避免零件在模具上發(fā)生滑動和局部不貼模的現(xiàn)象，應(yīng)當進行完全固定，即在檢驗?zāi)Ｋ卸ㄎ豢咨暇惭b定位銷，不留空余。

定位方法（測量基準）：在確定測量基準時，主要依靠檢驗?zāi)?shù)控加工基準孔建立測量場，以實現(xiàn)對零件的定位。模具通常有3～4個數(shù)控加工孔，直徑尺寸在12～16mm之間，精度等級通常為H7，可以滿足零件定位的要求。在具體實施時，應(yīng)當在數(shù)控加工孔上安裝靶球基座和靶球，通過測量靶球的位置來實現(xiàn)定位。

測量方法：測量設(shè)備選用激光雷達。在測量時，基于開發(fā)的測量程序，采用交互定位的方法，將激光雷達的光束引至基準處所安裝的靶球上，驅(qū)動單點測量，測量基準后與理論數(shù)模擬合匹配，完成數(shù)字化測量場的構(gòu)建。完成測量場的構(gòu)建之后，基于開發(fā)的測量程序，導入生成的測量點的理論值以及自動生成的測量參數(shù)，實施對飛機鈑金型面的自動化測量[3]。

2 基于三維組合夾具的固持技術(shù)

三維組合夾具是由特定標準的夾具的零部件組合而成，可以根據(jù)零件的尺寸和形狀，自由地連接與拆卸，以此實現(xiàn)對飛機鈑金零件的固持[4]。組合夾具主要組成包括基本件、支持件和夾緊件?；A(chǔ)件上有高精度的陣列式安裝孔，支撐件和夾緊件可以通過安裝孔固定在基礎(chǔ)件上。支撐件通過安裝孔固定在預先設(shè)定好的位置上，搭建出所需的空間，以便于夾緊件的安裝。夾緊件通過支撐件上面的安裝孔固定在支撐件上面，根據(jù)飛機鈑金零件的具體大小和形狀，對零件進行固持定位。

（1）適用范圍。

為了便于運輸和操作，三維組合夾具的尺寸受到了限制，因此適用于最大尺寸在1000mm以內(nèi)的小型鈑金液壓件和鈑金型材件。

（2）技術(shù)方案。

根據(jù)三維組合夾具所攜帶的組件（支撐件和夾緊件）以及相應(yīng)的數(shù)字化測量設(shè)備（測量關(guān)節(jié)臂），設(shè)計了基于三維組合夾具的鈑金數(shù)字化測量總體方案，如圖2所示。

支撐方法：零件依靠組合夾具支撐件支撐，在具體實施時，通過CATIA裝配環(huán)境，根據(jù)零件的外形和尺寸生成能夠貼合零件外形的支撐理論點，基于這些理論點，在組合夾具基礎(chǔ)件的對應(yīng)位置通過標準安裝孔安裝支撐件，隨后在支撐件上放置零件。

固定方法：主要依靠夾緊件與加沙袋固定，根據(jù)零件外形，在距零件邊緣50mm處（組合夾具夾緊件尺寸通常為100mm左右）安裝夾緊件，通過夾緊件實現(xiàn)飛機鈑金零件的固定。

定位方法：型材件在裝配前沒有定位孔，因此定位方案與小型液壓件不同。小型液壓件：由于液壓件剛性較好，可以在液壓件的耳片上直接安裝靶球基座和靶球，用測量關(guān)節(jié)臂測量靶球，以此實現(xiàn)對零件的定位。型材件：由于型材件的特征相對簡單，可以直接對零件進行測量，然后直接提取檢測特征。

測量方法：測量設(shè)備為關(guān)節(jié)臂。操作時，采用交互定位的方法，將關(guān)節(jié)臂引至基準處安裝的靶球上，驅(qū)動單點測量，測量基準后與理論數(shù)模擬合匹配，完成數(shù)字化測量場的構(gòu)建。完成測量場的構(gòu)建之后，基于開發(fā)的測量程序，導入生成的測量點的理論值以及自動生成的測量參數(shù)，實施對飛機鈑金型面的自動化測量。

3 基于三維柔性托板的固持技術(shù)

三維柔性拖板是由支持平臺、托板和控制平臺組成，如圖3所示。在數(shù)字化檢測過程中，可以根據(jù)零件的尺寸形狀的不同選擇不同的托板[5]。托板上有定位孔，零件通過定位銷與托板連接，達到固定零件的目的；在固定好零件之后，可以通過電機驅(qū)動將拖板和零件移動至指定的位置，實施對鈑金零件的數(shù)字化檢測。

（1）適用范圍。

在基于三維柔性拖板的固持平臺方案中，由于托板的尺寸可根據(jù)零件自行設(shè)計，因此適用的零件尺寸較為靈活，通常適用于最大尺寸在1000～2000mm之間中型鈑金件。

（2）技術(shù)方案。

根據(jù)三維柔性托板的結(jié)構(gòu)特征以及數(shù)字化測量的需求，設(shè)計基于三維柔性托板的鈑金數(shù)字化總體方案，如圖4所示。

支撐方法：零件依靠柔性托板支撐，實施時在CATIA裝配環(huán)境中根據(jù)零件外形和尺寸生成能夠貼合零件外形的三維理論托板，在支撐平臺上安裝托板，用電機驅(qū)動托板至指定位置，隨后在托板上放置零件，完成支撐。

固定方法：主要依靠定位銷和加沙袋固定，在每個托板上開2～3個定位孔，和蒙皮零件上的工程定位孔相一致，通過定位銷和沙袋可以將零件精準地固定到三維柔性托板上。

定位方法：主要依靠支撐平臺數(shù)控加工基準孔建立測量場實現(xiàn)對零件的定位，在支撐平臺上設(shè)置3～4個數(shù)控加工孔，具體實施時，在數(shù)控加工孔上安裝靶球基座和靶球，通過測量靶球的位置實現(xiàn)定位。

測量方法：測量設(shè)備為激光雷達，其使用方法同基于經(jīng)驗?zāi)５墓坛旨夹g(shù)。

4 基于多點吸附裝置的鈑金固持方案

多點吸附裝置是由吸盤結(jié)構(gòu)（升降柱、吸盤）和控制系統(tǒng)組成。在實施數(shù)字化測量時，可以根據(jù)零件的尺寸形狀選擇相應(yīng)個數(shù)與位置的吸盤，調(diào)整升降柱，使吸盤到達指定高度，放置零件后對每個吸盤施加吸附力，以此實現(xiàn)對零件的固定[6]。

（1）適用范圍。

在基于多點吸附裝置的固持平臺方案中，由于吸盤和升降柱的數(shù)量可根據(jù)零件自行設(shè)計，因此多點吸附裝置可適用于尺寸在1000mm以上的中、大型鈑金件。

（2）技術(shù)方案。

根據(jù)多點吸附裝置的結(jié)構(gòu)特征以及數(shù)字化測量需求，設(shè)計2種基于多點吸附裝置的鈑金數(shù)字化測量總體方案，分別如圖5和圖6所示。

圖5所示為基于多點吸附裝置和龍門架的鈑金固持方案，在此方案中，通過多點吸附裝置固定零件，將激光雷達的掃描頭固定在龍門架的滑動橫梁上，實施對鈑金零件的數(shù)字化檢測。

圖6所示為基于多點吸附裝置和機器人的鈑金固持方案，在此方案中，通過多點吸附裝置固定零件，將激光雷達的掃描頭固持到機器人的操作臂上，通過機器人操作臂的移動，實施對鈑金零件的數(shù)字化測量。

支撐方法與固定方法：主要依靠真空吸盤對零件進行支撐和固定，對于每個零件根據(jù)設(shè)計給出的要求調(diào)整真空吸盤的位置和高度，放置零件后施加吸附力，最大不超過5kg，該方案與傳統(tǒng)的加沙袋類似。

定位方法：主要依靠零件耳片定位孔進行定位，具體實施時直接在零件耳片定位孔上安裝靶球基座和靶球，通過測量靶球?qū)崿F(xiàn)定位。

測量方法：測量設(shè)備為激光雷達，其使用方法同基于經(jīng)驗?zāi)５墓坛旨夹g(shù)。

5 對比分析

4種固持技術(shù)的優(yōu)缺點分析見表1?；跈z驗?zāi)５拟k金固持技術(shù)結(jié)構(gòu)比較簡單，在廠房也比較容易搭建。一旦搭建完成固持系統(tǒng)，可以有效地降低檢測的單件成本；而且基于檢驗?zāi)５墓潭ǜ臃€(wěn)定，因此可以大大提高數(shù)字化檢測的精度；該技術(shù)操作簡單，可以有效地減少培訓的成本和時間。但一個檢驗?zāi)Ｖ荒軝z驗一種零件，會導致不同尺寸的鈑金件需要不同尺寸的檢驗?zāi)砉坛??；谌S組合夾具的鈑金固持技術(shù)通用性好，可以用于檢測多種尺寸的鈑金件，大幅度降低了固持設(shè)備的數(shù)量與占地面積，降低了成本。但是該技術(shù)的夾持空間有限，僅適用于固持小型平面類鈑金零件。基于三維柔性拖板的鈑金固持系統(tǒng)可以夾持較大尺寸的零件，操作較為便捷，精度較高但是該技術(shù)成本較高，需要加工出不同尺寸大小的柔性托板以適用于不同尺寸的鈑金件?；诙帱c吸附系統(tǒng)的鈑金固持系統(tǒng)，最大的特點是通用型號，可以適用于多種尺寸多種形狀的鈑金件，并且能夠保證精度較高。但該技術(shù)的缺點是搭建成本很高，占地面積也比較大，使用之前要進行大量的培訓。

6 結(jié)語

本文面向數(shù)字化檢測系統(tǒng)地設(shè)計了飛機鈑金件固持方案，包括基于檢驗?zāi)５墓坛旨夹g(shù)、基于三維組合夾具的固持技術(shù)、基于三維柔性托板的固持技術(shù)和基于多點吸附裝置的固持技術(shù)，可滿足飛機各類鈑金件的數(shù)字化測量需求，給出了每種固持技術(shù)的適用范圍和技術(shù)方案，并對4種技術(shù)的優(yōu)缺點進行對比分析。在開展飛機鈑金件數(shù)字化檢測時，需根據(jù)待測零件的具體大小和形狀來選擇相應(yīng)的固持技術(shù)。

參考文獻

[1] 李亞南.鈑金零件智能檢測規(guī)劃技術(shù)[D].沈陽理工大學， 2014.

[2] 施華.基于三維模型的飛機鈑金零件檢驗技術(shù)[D].沈陽理工大學，2013.

[3] 張引引，劉慶潤，賈敏，等.鈑金件數(shù)字化測量方案[J].航空制造技術(shù)，2011（17）：96-98.

[4] 范玉青編著.航空宇航制造工程飛行器制造技術(shù)[M]. 重慶：重慶出版社，2001.

[5] 張楠，湯軍社，馬剛.數(shù)字化飛機鈑金件加工定位用柔性夾具的設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造工程，2010，39（1）：41-44.

[6] 孫巖，生宏偉.鈑金零件用真空夾持工裝研制[J].機械設(shè)計與制造，2012（4）：268-270.