飛機(jī)結(jié)構(gòu)件柔性?shī)A具的設(shè)計(jì)與分析

韓文杰 邢晨

摘? 要：在現(xiàn)代飛機(jī)的生產(chǎn)制造過(guò)程中，我們研究的首要任務(wù)就是機(jī)身減重，然而整架飛機(jī)的主要受力部件就是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是飛機(jī)的框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是其他零部件與設(shè)備的載體，如何快速適應(yīng)飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展，解決飛機(jī)零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量繁多、裝夾難度大等一系列問(wèn)題，柔性快裝夾具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要了。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件;柔性快裝夾具;FFU

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 柔性?shī)A具單元與功能

現(xiàn)代航空制造業(yè)中，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件大多數(shù)采用整體式結(jié)構(gòu)，該類(lèi)型的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件不僅強(qiáng)度和剛度高，而且穩(wěn)定性高，同時(shí)也減輕了機(jī)身重量。然而飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的快速裝夾以及裝夾的柔性問(wèn)題就是航空制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

（1）柔性?shī)A具單元（Flexible? Fixture? Unit，F(xiàn)FU）是一種模塊化的單元，其功能是為了更好地適應(yīng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的外形與尺寸的多樣化。柔性?shī)A具單元模型如圖1所示。

1.2 FFU的功能流程

（1）飛機(jī)結(jié)構(gòu)件吊裝完畢，開(kāi)啟整個(gè)柔性?shī)A具系統(tǒng)。

（2）FFU自由的向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件移動(dòng)，通過(guò)2個(gè)傳感器確定位置。

（3）當(dāng)FFU有信號(hào)輸出時(shí)，PLC會(huì)自動(dòng)處理，公式為：

（4）當(dāng)β≥5 %時(shí)，則說(shuō)明需要裝夾的面為圓弧形，需要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中至少保證一邊有信號(hào)輸出，直到β≤5 %。

（5）當(dāng)β≤5 %時(shí)，定位完成，自動(dòng)夾緊。

（6）自動(dòng)夾緊后，加緊工作完成，數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)始加工。

1.3 主要功能的實(shí)現(xiàn)

（1）夾具在工作的時(shí)候要實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這種功能需要液壓系統(tǒng)與底部電磁吸盤(pán)共同實(shí)現(xiàn)，在移動(dòng)過(guò)程中要保證移動(dòng)的精確度。

（2）自由旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件在裝配的時(shí)候，需要從不同位置、不同角度進(jìn)行組裝，要想實(shí)現(xiàn)底座的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在控制上需要增加轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器與轉(zhuǎn)動(dòng)滑塊共同實(shí)現(xiàn)。

（3）自動(dòng)定位的實(shí)現(xiàn)。在自由移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)功能上，都需要定位，同時(shí)在對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行裝配的時(shí)候，也需要進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)夾持，最終實(shí)現(xiàn)裝配，實(shí)現(xiàn)精確定位主要依據(jù)2個(gè)自動(dòng)傳感器的輸出值來(lái)判斷。

（4）自動(dòng)夾緊的實(shí)現(xiàn)以上幾個(gè)功能實(shí)現(xiàn)之后，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)件的夾緊，滿足移動(dòng)、裝配的動(dòng)作，依靠壓力傳感器的信號(hào)輸出值判斷，最終實(shí)現(xiàn)工件的夾緊。

2 柔性快裝夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的要求也越來(lái)越高，正在由單元化轉(zhuǎn)為整體化，簡(jiǎn)單化轉(zhuǎn)為復(fù)雜化，小型化轉(zhuǎn)為大型化，這樣工藝裝夾、數(shù)控加工、設(shè)計(jì)精度等方面工作難度也在不斷增加。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件可以分為梁類(lèi)結(jié)構(gòu)件、壁板類(lèi)結(jié)構(gòu)件、框類(lèi)結(jié)構(gòu)件、接頭類(lèi)結(jié)構(gòu)件5大類(lèi)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的裝夾面有平面型裝夾面與圓弧形裝夾面。通過(guò)不同裝夾面對(duì)夾具的要求，來(lái)設(shè)計(jì)能適應(yīng)不同裝夾面的柔性快裝夾具系統(tǒng)。

（1）夾具的分類(lèi)。針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工裝夾具快速性、穩(wěn)定性、自動(dòng)型、柔性、智能型的特點(diǎn)，將飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的夾具分為通用夾具、專(zhuān)用夾具、可調(diào)夾具、成組夾具和組合夾具五大類(lèi)。

（2）裝夾系統(tǒng)的主要工作流程。Step1：機(jī)床開(kāi)機(jī)，夾具自動(dòng)找到對(duì)刀點(diǎn)，即夾具系統(tǒng)的工作原點(diǎn)，裝夾系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位;Step2：由車(chē)間航車(chē)將工件吊起，放在夾具系統(tǒng)的支撐座上，使其位于柔性?shī)A具系統(tǒng)的中心;Step3：打開(kāi)PLC，系統(tǒng)開(kāi)始自檢，正產(chǎn)后自動(dòng)工作;Step4：PLC開(kāi)機(jī)正常以后，驅(qū)動(dòng)相關(guān)電磁閥動(dòng)作，電磁閥控制液壓系統(tǒng)，進(jìn)而控制FFU的動(dòng)作;Step5：FFU自動(dòng)定位后，進(jìn)行自動(dòng)夾緊;Step6：自動(dòng)定位與自動(dòng)夾緊完成后，開(kāi)始設(shè)置CNC機(jī)床的相關(guān)參數(shù)來(lái)進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工;Step7：自動(dòng)記錄飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的偏差，將數(shù)據(jù)與圖紙數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果可以修復(fù)則返回相應(yīng)部位進(jìn)行修復(fù)，如果不能修復(fù)則進(jìn)行Step8;Step8：工件檢測(cè)合格后，所有柔性?shī)A具單元自動(dòng)歸位。如果合格，車(chē)間航車(chē)將飛機(jī)結(jié)構(gòu)件吊裝到工件庫(kù)，如果不合格而且無(wú)法修復(fù)，則吊裝到報(bào)廢區(qū)。

（3）自動(dòng)定位方案的確定。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件在裝夾之前，要有好的定位方案，這樣才可以保證加工質(zhì)量、加工效率及零部件間的配合精度。

3 柔性快裝夾具系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

飛機(jī)柔性快裝夾具系統(tǒng)是基于Catia V5平臺(tái)與VB6.0工具開(kāi)發(fā)的。該系統(tǒng)的功能是對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件不同裝夾面的識(shí)別以及FFU系統(tǒng)中工件的快速定位與旋轉(zhuǎn)來(lái)滿足不同的裝夾需求。

3.1 系統(tǒng)的組成

1）飛機(jī)結(jié)構(gòu)件自動(dòng)裝夾面特征信息自動(dòng)獲取模塊;2）飛機(jī)裝夾面自動(dòng)識(shí)別模塊;3）FFU角度自動(dòng)調(diào)整模塊;4）模擬裝夾模塊;5）模擬銑削模塊。

3.2 裝夾系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 純平面裝夾面的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件

沒(méi)有圓弧只有平面的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是最簡(jiǎn)單的裝夾，只要FFU在底座的液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下做平移運(yùn)動(dòng)后，就完成了裝夾動(dòng)作。

3.2.2 混合型裝夾面的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件

混合型結(jié)構(gòu)件與平面型結(jié)構(gòu)件的裝夾區(qū)別主要在于圓弧裝夾面的判斷、裝夾與柔性?shī)A具單元的自動(dòng)旋問(wèn)題，其模型如圖2所示。

當(dāng)FFU在遇到兩邊傳感器之比不一致或相差大于5 %時(shí)，判斷為圓弧面裝夾;在FFU旋轉(zhuǎn)之前，滑塊要下移到終止位置;當(dāng)兩邊傳感器輸出的值差小于5%時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)滑塊回到初始位置。

3.2.3? 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件裝夾

純平面裝夾面的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，指裝夾面只有圓弧沒(méi)有平面的裝夾，是最復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件裝夾，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的較少。

4 結(jié)論

該文主要介紹了可以應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸、不同類(lèi)型的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件柔性?shī)A具的設(shè)計(jì)，通過(guò)介紹柔性?shī)A具的單元與功能，連接夾具每個(gè)單元和功能的實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)、夾緊、定位等功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在夾具設(shè)計(jì)上，要實(shí)現(xiàn)快裝模塊，通過(guò)這種功能的實(shí)現(xiàn)，可以節(jié)約時(shí)間成本，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)夾具系統(tǒng)的控制與監(jiān)控，使系統(tǒng)運(yùn)行更精確與平穩(wěn)。

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