基于Abaqus的吸盤式柔性工裝吸附力優(yōu)化研究

王巍，閔習瑞

（沈陽航空航天大學 航空宇航學院，沈陽 110136）

0 引言

在數(shù)字化飛機裝配領域中，柔性工裝逐步取代了傳統(tǒng)工裝，柔性裝配技術也越來越成熟，但對于吸盤吸附力對零件產(chǎn)生的影響缺少深入的研究，現(xiàn)在很多高校都對吸盤式柔性工裝進行了研究，并取得了一定的進展。文獻[1]提出飛機裝配數(shù)字化柔性工裝的主要系統(tǒng)組成部分，并總結了多點吸盤式柔性工裝、行列式柔性工裝、分散式部件裝配柔性工裝及大部件自動化對接平臺4類典型柔性工裝的關鍵技術，建立了對應的整套技術體系。文獻[2]利用激光跟蹤儀對柔性工裝進行X、Y、Z方向的測量，提高了柔性工裝的重復定位精度。文獻[3]利用了光筆坐標測量儀提高了柔性工裝系統(tǒng)的運動定位精度。本文在以上研究的基礎上，采用了有限元分析方法，對不同真空壓力下登機門裝配時的受力情況進行比較，分析得出吸盤吸附時最優(yōu)的真空壓力有效值，為類似的飛機零件在多點吸盤式柔性工裝上的裝配吸附提供一些指導和借鑒。

1 柔性工裝系統(tǒng)

1.1 柔性工裝構成

柔性工裝主要由底座、萬向真空吸盤、夾緊器、定位器、移動框架和控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。該柔性工裝系統(tǒng)先利用耳片定位器對飛機登機門進行初步定位，然后按照裝配需要布置m×n的吸附矩陣，對登機門進行柔性定位和夾緊，在根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)吸盤的真空壓力和X、Y、Z三軸移動[4]。

圖1 柔性工裝

1.2 登機門裝配流程

柔性工裝通過控制系統(tǒng)預先設定好每個定位吸盤的空間坐標，再通過交流伺服電動機驅動萬向真空吸盤沿著X、Y、Z方向移動，生成與登機門表面相符合的吸附點陣，當安裝其他類似艙門表面弧度發(fā)生變化時，吸盤吸附點陣可以再次根據(jù)工件的弧度和大小進行坐標轉換，以滿足不同弧度曲面的要求，實現(xiàn)工裝的柔性化，進行一對多的裝配，且該柔性工裝系統(tǒng)擴展性強，可以任意增加、減少吸盤的使用個數(shù)，且每個吸盤可以相互替換，可以進行單軸驅動，便于控制[5]。在吸附點陣坐標確定后，需要將工件放在吸盤吸附點上，通過控制真空吸盤的真空壓力，實現(xiàn)精準可靠的登機門定位[6]。登機門裝配流程如圖2所示。

圖2 登機門裝配流程

1.3 真空吸盤工作原理

真空吸盤的工作原理是：壓縮機通過氣管將空氣送入過濾器凈化，凈化后的氣體通過真空發(fā)生器調(diào)節(jié)真空氣壓后在工件內(nèi)表面和外表面形成壓力差，完成工件的吸附[7]。吸盤的工作原理和吸附流程如圖3、圖4所示。

圖4 吸盤吸附流程

在圖3中，閥門開啟，將吸盤內(nèi)部的空氣抽出，形成一個真空環(huán)境，其真空壓力為P2。此時，吸盤內(nèi)部的空氣壓力小于外部的大氣壓力P1，即P2

圖3 吸盤工作原理

式中：A為吸盤有效吸附面積，cm2；P為吸盤的真空度，kPa。真空吸盤在工作中有3種運動狀態(tài)：1）吸盤水平吸附，在豎直方向運動；2）吸盤水平吸附，在水平方向運動；3）吸盤垂直吸附，在豎直方向運動[9]。工作狀況如圖5所示。多點吸盤式柔性工裝采用垂直吸附的方式，對登機門進行吸附定位。

圖5 吸盤工作情況

2 柔性工裝吸盤吸附力分析

2.1 登機門模擬建模

利用有限元軟件Abaqus對登機門在多點吸盤式柔性工裝裝配進行變形應力分析，建立多點吸附的簡化支撐模型，根據(jù)有限元的單元選用原則，仿真類型為可變形體間的通用接觸時，選用的最佳單元為線性四邊形或六面體[10]，在以上研究基礎上，登機門有限元模型采用的單元類型為C3D8（8節(jié)點6面體單元）,網(wǎng)格劃分如圖6所示。登機門選用7050-T7451鋁合金材料，尺寸為150 mm×120 mm×4 mm（長×寬×厚）,彈性模量E=71.7 GPa，泊松比λ=0.3，密度ρ=2820 kg/m3，真空壓力為353～550 kPa，吸附力隨時間變化[11]，吸盤直徑為φ100 mm。

圖6 登機門有限元模型

2.2 吸盤真空度和吸附力分析

多點吸盤式柔性工裝吸附方式是垂直吸附，吸盤垂直起吊的吸附力計算公式為

吸盤直徑計算公式為

式中：W為吸附力，N；M為吸附物的質量，kg；g為比例系數(shù)，9.8N/kg；P 為 真空壓力，kPa；S為吸盤面積，cm2；D為吸盤直徑，mm；n為吸盤個數(shù)；t為安全系數(shù)，水平起吊時t≥4，垂直起吊時t≥8。

多點吸盤式柔性工裝常用6組真空壓力為353、393、432、471、510、550 kPa, 本文選取這6組不同的真空壓力進行試驗，并計算出對應吸盤吸附力，如表1所示。

表1 吸盤的真空壓力及對應的吸附力

2.3 登機門在不同吸附力下的仿真結果

在登記門裝配過程中，吸盤的吸附力決定了登機門定位的可靠性，采用以上6組真空壓力進行應變分析，對應的登機門應變云圖如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著真空壓力逐漸增加，吸盤吸附力引起的登機門變形量也在逐漸增加，當真空壓力為353 kPa時，吸盤吸附力小，登機門定位不可靠，當真空壓力為550 kPa時，登機門的應變較大，考慮到吸附力較大會造成登機門塑性變形，綜合材料性能和經(jīng)濟效益，確定優(yōu)化后的真空壓力為432 kPa，此時吸盤的吸附力為54 N，然后在理想真空壓力下對登機門進行分析，此時登機門的位移云圖如圖8所示，位移曲線如圖9所示。

圖7 登機門在不同壓力下應變云圖

由圖8可知，登機門的位移情況符合材料性能要求。由圖9可知，隨著真空壓力的變化，登機門的變形速率越來越大，當真空壓力為432 kPa左右的范圍值時，登機門的變形速率相對穩(wěn)定，在此方案下進行裝配能夠保證登機門的裝配精度。

圖8 登機門位移云圖

圖9 位移隨真空壓力變化

3 結論

本文通過Abaqus對在多點吸盤式柔性工裝裝配吸附時的飛機登機門進行受力分析，在不影響登機門材料性能的前提下，讓登機門在裝配時定位可靠，同時綜合了吸盤真空氣壓的有效閾值，分析得出吸盤壓力在432 kPa時為理想真空壓力，此時吸盤吸附力為54 N。在理想的真空壓力下進行裝配，可以使登機門定位精準可靠，同時減少了后續(xù)裝配時產(chǎn)生的累計誤差，滿足了飛機生產(chǎn)裝配的精度要求，對柔性工裝裝配具有一定的指導意義，不僅對登機門裝配可以使用此真空壓力，對其他類似零件在柔性工裝裝配時吸盤的真空壓力設計也具有一定的參考意義。