真空吸夾裝置失壓防錯(cuò)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

戴永紅，趙國波，祝紅英，馬 康

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都 610092）

0 引言

目前航空結(jié)構(gòu)件中的薄壁類零件越來越多，由于其剛性差、強(qiáng)度低、易變形等特性，對(duì)數(shù)控加工過程中的裝夾要求越來越高[1]。傳統(tǒng)的數(shù)控加工模式是對(duì)每種壁板類零件均設(shè)計(jì)制造一套專用夾具，采用真空吸附裝夾工裝，具有裝夾快速簡單、無裝夾應(yīng)力變形等特點(diǎn)，是加工薄壁、薄底結(jié)構(gòu)件的主要裝夾方式[2]。近年來真空吸附式柔性裝夾，因具有根據(jù)零件形狀進(jìn)行定位和調(diào)姿、可適用于不同結(jié)構(gòu)的飛機(jī)壁板外形的加工得到廣泛關(guān)注及研究[3-6]，解決了傳統(tǒng)的一對(duì)一專用工裝的固化模式。但真空吸附式工裝在遇到各種原因?qū)е碌恼婵招孤r(shí)，其吸附能力會(huì)降低，零件與工裝可能出現(xiàn)局部甚至完全分離。本文主要研究如何對(duì)加工過程中的真空工裝壓力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，建立了一套真空失壓時(shí)設(shè)備快速響應(yīng)、自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的真空工裝檢測(cè)機(jī)理分析

傳統(tǒng)的真空工裝裝置主要采用真空吸附裝置、真空泵儲(chǔ)壓裝置、連接管道等構(gòu)成，真空壓力狀態(tài)監(jiān)測(cè)在多數(shù)情況下采用外置式聲光報(bào)警器方式（圖1～圖2）。

圖1 聲光報(bào)警器

傳統(tǒng)外置式真空壓力檢測(cè)方式存在問題是在加工過程中出現(xiàn)真空壓力異常時(shí)可產(chǎn)生聲光報(bào)警，但需人為中斷加工。且此類真空壓力表多安裝在機(jī)床外部，當(dāng)真空管路較遠(yuǎn)時(shí)，壓力監(jiān)測(cè)具有一定的失真。如果圖2 中真空工裝接頭處A 點(diǎn)若出現(xiàn)泄漏，從A 點(diǎn)到機(jī)床外部壓力表C 點(diǎn)管路中的氣體特性基本符合伯努利方程：C=p+。

圖2 真空吸夾裝置連接示意

因管道基本鋪設(shè)于工作臺(tái)高度，檢測(cè)位置與泄漏位置可忽略重力勢(shì)能差。

利用上式分析管路中壓力變化情況：

（1）當(dāng)真空工裝完全密封、無泄漏時(shí)，AC 管路中無氣流形成，即vA≈vC，進(jìn)而得到pA≈pC。此時(shí)，C 點(diǎn)真空表能較準(zhǔn)確地檢測(cè)到真空工裝內(nèi)部壓力。

（2）當(dāng)真空工裝A 點(diǎn)出現(xiàn)泄漏時(shí)，工裝外的空氣將從A點(diǎn)進(jìn)入管道，在真空泵的作用下加速流向C 點(diǎn)，此時(shí)管路中會(huì)快速形成一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，且C 點(diǎn)的空氣流速明顯高于A 點(diǎn)。設(shè)管路中氣體單位時(shí)間流量為Q，管路截面積為S，則有Q=vASρA=vCSρC。

因?yàn)関A＜vC，則可得pA＞pC，即A 點(diǎn)的壓力大于C 點(diǎn)。當(dāng)A 點(diǎn)出現(xiàn)泄漏、壓力變大時(shí)，C 點(diǎn)的檢測(cè)壓力并不能準(zhǔn)確的代表A 點(diǎn)的壓力，所以無法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到A 點(diǎn)的壓力變化。這種壓力檢測(cè)失真的情況會(huì)隨著泄漏量的增加而愈發(fā)嚴(yán)重。

針對(duì)以上分析，選取一臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：選用相同的兩塊真空表，分別安裝在機(jī)床聲光報(bào)警器位置P1和靠近工裝位置P2（圖3）。當(dāng)工裝端真空出現(xiàn)不同數(shù)值變化時(shí)，獲取真空表壓力值。

圖3 壓力失真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理

典型樣本數(shù)據(jù)分析如下（圖4）：

圖4 壓力失真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）在遠(yuǎn)離工裝端設(shè)置檢測(cè)裝置P2，對(duì)于真空工裝的狀態(tài)檢測(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。該機(jī)床從工裝到檢測(cè)裝置的真空管路約20 m，真空表壓力讀數(shù)差達(dá)到0.048 MPa，相當(dāng)于遠(yuǎn)端壓力檢測(cè)衰減了68%。

（2）當(dāng)壓力泄漏達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，檢測(cè)管路長度L2對(duì)壓力的檢測(cè)無明顯影響。因檢測(cè)管中處于封閉狀態(tài)，無氣流行程，壓力檢測(cè)不失真。

2 真空吸附裝置失壓防錯(cuò)裝置建立

2.1 硬件配置

在本方案的設(shè)計(jì)中，選用高精度模擬量負(fù)壓傳感器替代原有系統(tǒng)真空表，安裝在近工裝端，可實(shí)時(shí)監(jiān)控壓力的真實(shí)值。做好線纜保護(hù)使其能夠適應(yīng)加工區(qū)環(huán)境工況。數(shù)控機(jī)床操作系統(tǒng)以西門子公司的SINUMERIK 840D 為例，通過在硬件上增加模擬量模塊，將負(fù)壓傳感器的模擬量信號(hào)輸入PLC，通過處理壓力模擬量信號(hào)，提取功能控制點(diǎn)位，設(shè)置預(yù)警和報(bào)警兩級(jí)提示和應(yīng)對(duì)方案，保障零件加工過程中壓力異常情況的準(zhǔn)確響應(yīng)題。其連接示意圖如圖5、圖6 所示，其中HMI 為Human Machine Interface，即人機(jī)接口、人機(jī)界面。

圖5 真空失壓防錯(cuò)系統(tǒng)連接示意

圖6 傳感器連接

2.2 功能控制點(diǎn)位提取

在機(jī)床原有控制系統(tǒng)中尋找空余點(diǎn)位，用于實(shí)現(xiàn)硬件的連接組態(tài)、功能啟?？刂啤?bào)警信息的設(shè)置與壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本套裝置確定所需功能點(diǎn)位如表1 所示。

表1 功能控制點(diǎn)位表

2.3 PLC 控制程序設(shè)計(jì)

本套真空工裝失壓防錯(cuò)裝置的控制系統(tǒng)程序主要包括5 個(gè)部分：

（1）負(fù)壓傳感器輸入的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC 中顯示的實(shí)際真實(shí)壓力值。

（2）設(shè)置按鍵控制該功能的啟停，僅在用到真空工裝時(shí)啟動(dòng)該功能。

（3）設(shè)置兩級(jí)失壓泄漏報(bào)警的閾值，并與實(shí)際壓力值進(jìn)行比較判斷。

（4）選取合適的報(bào)警點(diǎn)位，編寫壓力異常時(shí)觸發(fā)的機(jī)床響應(yīng)動(dòng)作。

（5）根據(jù)報(bào)警點(diǎn)位編寫NC 系統(tǒng)管理的報(bào)警顯示內(nèi)容（圖7）。

圖7 PLC 控制程序及對(duì)應(yīng)關(guān)系（部分）

2.4 設(shè)置報(bào)警閾值

報(bào)警閾值的提取與設(shè)置是真空失壓系統(tǒng)是否有效的關(guān)鍵，閾值設(shè)置過高，起不到失壓防錯(cuò)的作用；設(shè)置過低，則會(huì)受到壓力波動(dòng)而頻繁報(bào)警，干擾正常加工。因此，現(xiàn)場(chǎng)以為對(duì)真空要求較高的2.5 mm 厚鋁材壁板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用無輔助壓緊吸附方式，給出多種不同加工參數(shù)進(jìn)行試切，提取出安全加工閾值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將壓力報(bào)警值設(shè)置為-0.70 bar（-0.070 MPa），預(yù)警值設(shè)置為-0.75 bar（-0.075 MPa）。

3 真空失壓防錯(cuò)系統(tǒng)的應(yīng)用

本方案研制形成的真空吸夾裝置失壓防錯(cuò)系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試對(duì)因工藝方案問題、真空管路破損、零件變形、密封不嚴(yán)、裝夾不到位等因素造成的真空壓力值變化超過系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警閥值時(shí)，機(jī)床均可實(shí)現(xiàn)預(yù)警—報(bào)警二級(jí)防錯(cuò)。實(shí)際應(yīng)用于采用真空吸附式工裝加工飛機(jī)結(jié)構(gòu)件薄壁零件時(shí)，檢測(cè)出因工裝密封條破損產(chǎn)生的真空壓力異常情況，機(jī)床發(fā)出報(bào)警信息“真空壓力太低停止加工”并自動(dòng)中止加工。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目成功研制出一套基于西門子SINUMERIK 840D 控制系統(tǒng)的真空吸附式工裝失壓自動(dòng)防錯(cuò)系統(tǒng)，將功能控制集成在數(shù)控系統(tǒng)操作面板中，可以實(shí)現(xiàn)一鍵式操作。該方案適用于多種不同結(jié)構(gòu)的工裝，隨裝隨用、高效快捷，且具有靈敏度更高、性能可靠、響應(yīng)速度精準(zhǔn)快捷等優(yōu)勢(shì)，具有推廣價(jià)值。