多點(diǎn)定位式柔性夾持工裝設(shè)計(jì)與研究

孫巖

摘要：為了解決飛機(jī)、汽車等行業(yè)的薄壁零件在常規(guī)方法定位加工中勞動強(qiáng)度大、自動化程度低、生產(chǎn)效率低、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定，且因形狀復(fù)雜、剛度低不易定位夾持等問題，提出了基于多點(diǎn)真空吸附式柔性夾持工裝方法。設(shè)計(jì)了一套X-Z兩坐標(biāo)的點(diǎn)陣式機(jī)械結(jié)構(gòu)和采用真空泵系統(tǒng)的真空回路，并運(yùn)用CATIA有限元分析模塊對工裝橫梁的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了校核，完成了一套用于薄壁零件的柔性工裝系統(tǒng)。結(jié)果表明該設(shè)計(jì)滿足要求，系統(tǒng)能有效提高制造柔性，為解決傳統(tǒng)定位方法的缺陷提供了一種思路。

關(guān)鍵詞：柔性夾持;薄壁零件;真空吸附;有限元

0? 引言

薄壁零件包括各種鈑金零件、復(fù)合材料壁板等，廣泛應(yīng)用在汽車、航空和航天的領(lǐng)域。薄壁類零件在生產(chǎn)實(shí)踐中通常是先成形后加工，加工包括切邊、開孔等。大型薄壁零件體積大、壁薄，不易固定夾緊，在加工過程中容易變形。傳統(tǒng)的加工方法是采用專用工裝，此類工裝具有和零件表面一樣的曲面形狀用于定位零件，并用壓緊卡板固定工件，為了便于數(shù)控加工，也可采用吸附式專用工裝。專用工裝可以可靠固定薄壁零件，并且制造成本低，非常適用于零件種類少、批量大的企業(yè)。對于產(chǎn)品數(shù)量多并且經(jīng)常改型的企業(yè)，將不得不制造大量專用工裝，這是很大的負(fù)擔(dān)。隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的批量越來越小，種類越來越多。對于這種零件種類比較多的薄壁零件尤其是大型薄壁零件生產(chǎn)企業(yè)，需要新的工藝裝備。柔性工裝可以實(shí)現(xiàn)一個工裝滿足多個零件的加工，大幅度提高了生產(chǎn)效率與制造柔性。如何實(shí)現(xiàn)薄壁零件定位和夾持的柔性化，使同一個工裝可以用于多個薄壁零件是柔性夾持工裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題[1，2]。

結(jié)合薄壁零件的切邊和開孔等銑削加工特點(diǎn)，確定了柔性定位和夾緊的方式，設(shè)計(jì)了具有自適應(yīng)功能的柔性吸盤，并設(shè)計(jì)了一套具有多個可以移動調(diào)整的橫梁和立柱的柔性夾持工裝系統(tǒng)。通過調(diào)整橫梁和立柱的位置，多點(diǎn)柔性工裝可以適用于不同形狀尺寸的薄壁零件。根據(jù)真空吸附原理并結(jié)合柔性定位原理，設(shè)計(jì)了真空吸附系統(tǒng)。最后通過CATIA有限元分析模塊對柔性工裝的主要零部件進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析。

1? 工作原理及核心技術(shù)

薄壁零件曲面的空間定位是基于多點(diǎn)定位原理[3，4]，如圖1所示。

各定位點(diǎn)位于定位球體表面，定位球體的半徑相等，薄壁零件曲面與各個定位球體相切。定位球體的球心與切點(diǎn)的距離為球半徑并位于切點(diǎn)處曲面的法線上，只要確定球體球心的位置就可以實(shí)現(xiàn)薄壁零件的定位，可以利用等距面法確定球心。薄壁零件曲面的等距面可以利用CATIA、UG等三維設(shè)計(jì)軟件獲得，并根據(jù)球心的X、Y坐標(biāo)值確定其Z坐標(biāo)值。根據(jù)不同的零件曲面確定不同的空間定位點(diǎn)陣。柔性工裝可以根據(jù)不同的定位點(diǎn)陣進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)柔性定位。

柔性夾持工裝具有由定位吸附裝置組成的點(diǎn)陣，定位球體由該裝置的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。工作時控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的各個定位吸附單元的坐標(biāo)，驅(qū)動柔性夾持工裝的定位系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)形運(yùn)動，生成與薄壁零件表面形狀相吻合且均勻分布的定位吸附點(diǎn)陣，將零件放置在定位吸附點(diǎn)陣上，再通過控制真空系統(tǒng)，使參與定位吸附的吸盤產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼婵瘴搅?，從而精確可靠地定位夾持薄壁零件。當(dāng)薄壁零件改變時，吸附點(diǎn)陣位置可以根據(jù)新的坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同曲面形狀的需求，實(shí)現(xiàn)了工裝的柔性化。

2? 工裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性夾持工裝的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)械系統(tǒng)包括定位吸附系統(tǒng)、柔性調(diào)整系統(tǒng)、基礎(chǔ)支撐裝置。根據(jù)各定位單元的自由度，柔性調(diào)整方式分為單自由度調(diào)整[5]、兩自由度調(diào)整和三自由度調(diào)整[6]。兩自由度系統(tǒng)比單自由度系統(tǒng)的適應(yīng)性和定位單元利用率要高，并且制造成本和系統(tǒng)復(fù)雜性比三自由度系統(tǒng)要低，因此該柔性調(diào)整系統(tǒng)選用兩自由度系統(tǒng)。

定位吸附系統(tǒng)包括定位吸附裝置和真空系統(tǒng)。定位吸附裝置由吸盤、萬向關(guān)節(jié)、安裝結(jié)構(gòu)組成。萬向關(guān)節(jié)可以根據(jù)零件的表面形狀自動調(diào)整，使吸盤與零件表面相切，并可靠吸附零件;通過吸盤表面準(zhǔn)確定位薄壁零件。安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以快速拆卸的形式，便于定位吸附裝置的維修和更換。真空系統(tǒng)向各個吸盤提供真空負(fù)壓，并自動檢測吸盤的真空吸附狀態(tài)。

柔性調(diào)整系統(tǒng)可以對工裝各定位點(diǎn)在X和Z方向進(jìn)行調(diào)整。在Y方向，通過增加定位點(diǎn)數(shù)量來實(shí)現(xiàn)對零件曲面的適應(yīng)性。Z方向調(diào)整通過升降柱實(shí)現(xiàn)，定位吸附裝置位于升降柱頂端隨升降柱移動。Z向采用滾珠絲杠傳動，通過伺服電機(jī)及其編碼器實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制。為了保證Z向定位準(zhǔn)確穩(wěn)定，伺服電機(jī)具有制動功能，能可靠鎖定升降柱。橫梁的X向移動采用兩臺伺服電機(jī)同步驅(qū)動。兩臺電機(jī)位于橫梁兩端，通過蝸輪蝸桿減速機(jī)及齒輪齒條傳動帶動橫梁移動。通過編碼器反饋控制，伺服電機(jī)驅(qū)動橫梁移動到指定位置，然后，利用蝸桿蝸輪減速機(jī)的自鎖功能實(shí)現(xiàn)橫梁的定位。為了盡量消除橫梁移動的反向間隙，齒輪齒條傳動采用雙斜齒輪消間隙?；A(chǔ)支撐裝置用于支持整個工裝系統(tǒng)。

3? 真空系統(tǒng)

3.1 真空回路

在真空吸附夾緊的場合，通常有兩種方式產(chǎn)生真空，一種是采用真空發(fā)生器，另一種是利用真空泵。為了提高系統(tǒng)工作的可靠性，這里采用真空泵組成回路，如圖3。真空泵適用于連續(xù)大流量工作，可以有效應(yīng)對各種微小泄露;并且使用真空泵的回路具有真空罐，可以有效應(yīng)對真空系統(tǒng)斷電等意外情況。

真空泵產(chǎn)生真空負(fù)壓。真空罐可以穩(wěn)定真空壓力，并且在真空系統(tǒng)斷電時維持一定時間的真空壓力。真空電磁閥采用兩位雙電控，防止斷電復(fù)位造成零件脫落。根據(jù)真空壓力開關(guān)檢測的壓力值可以了解零件是否可靠吸附。真空過濾器可以阻止污染物從吸盤吸入真空系統(tǒng)，保護(hù)各個元件不受污染。

3.2 定位吸附裝置

為了保證薄壁零件能夠可靠的定位吸附，用于定位吸附的吸盤應(yīng)具有萬向轉(zhuǎn)動能力，便于貼合任意工件曲面。具體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

該裝置的萬向轉(zhuǎn)動能力通過球鉸鏈實(shí)現(xiàn)。在零件的壓迫下吸盤會發(fā)生轉(zhuǎn)動使其上表面與零件表面貼合，球鉸鏈的球心與吸盤定位面距離為R。薄壁零件與吸盤相接觸的表面可以近似看做平面，吸盤表面與零件相切即是半徑為R的球與零件相切，從而只要確定球鉸鏈球心的位置即可實(shí)現(xiàn)薄壁零件的定位。

4? 結(jié)論

基于多點(diǎn)吸附的柔性夾持工裝可以有效解決薄壁零件表面形狀復(fù)雜、剛度低不易定位夾緊的問題，極大地提高了生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)效率。該工裝采用多點(diǎn)吸附定位支撐取代傳統(tǒng)的固定曲面形狀的專用工裝夾具，極大地降低了生產(chǎn)成本，提高了工裝夾具的利用率，減少了工裝的數(shù)量。通過真空吸附方式來夾緊薄壁零件，避免了工裝的壓緊裝置與零件的加工軌跡產(chǎn)生干涉的問題。通過調(diào)整各個升降柱的高度，就可以使工裝適應(yīng)不同薄壁零件的曲面定位需求，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強(qiáng)度。

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