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小型三维柔性夹持工装平台设计
小型三维柔性夹持工装平台设计
郭巧荣,于 洪
（中国民航大学航空工程学院,天津 300300）
摘 要：拟设计自制一种基于模块单元的三维柔性夹持工装台,主要包括三维柔性工装的详细技术指标设计及工作台的搭建,为实验平台提供设计方案.
关键词：模块单元；三维柔性；工装
中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）21-0107-02
目前我国大多飞机装配型架的设计制造都是沿用传统方法或凭借经验来确定,柔性工装涉及较少,现代一些高校根据国外的研究技术,对工装进行改进,但是费用较多.现计划在现有实验设备和资金有限的情况下,自制一套小型柔性工装,供教学演示使用.将来也可在此基础上采用液压及自动化设备改进和飞机维修柔性工装开发,帮助本科和研究生飞机制造技术课程教学,方便进行技术探索.本课题中自建的三维柔性工装,是对于我校进行柔性定位技术的开发,可以提供一个实际的实验平台,更利于科研技术的探索.
针对曲面零件加工、装配过程中存在定位难、易变形的问题进行研究,建立三维柔性模块化智能夹持工装平台.基于模块支撑单元和多点技术,根据曲面定位点坐标的求解方法,可将定位点的坐标转化为定位系统的坐标,通过曲面薄壁零件柔性工装定位系统,实现零件定位可靠、不易变形的柔性定位.此工装能够实现在工作台上方便移动支撑单元,并可旋转调整夹持装置,达到精确定位和调姿曲面零件的目的.此课题对本科课程《现代飞机制造技术》中工装内容的教学以及实验课程设计有重要支撑作用,也可为有效解决柔性工装的优化设计问题提供一定参考.
一、三维柔性夹持工装平台详细技术指标设计
根据曲面件的工装特点,结合工装夹具的理论和设计要求,提出用于曲面件的三维柔性夹持台的整体设计方案.
1.模块单元设计的概念、方法和原则.课题研制的柔性夹持工装是模块化可重组的工装系统,它可以调整、更换动态模块或局部重组,以适应不同产品的装配需求.在模块单元设计中,首先,设计并划分相应的通用功能模块和专用模块；其次,根据需求,选择合理的模块并进行组合.模块化设计,是把机械产品的某些部件组合在一起,构成一个具有特定功能的子系统,子系统作为一个通用性的模块与其他模块进行组合来构成新的系统,从而具有不同功能.所以柔性工装夹具主要功能是支承、夹紧作用.该柔性工装的结构包括底板、连接模块、支承模块、夹紧模块.三维模块化工装夹具需要采用标准化技术要求制作的标准化、系列化、通用化的许多模块组成,所有模块的链接、固定和压紧可以孔定位用锁紧销来实现快速锁紧,模块与模块之间可以根据工件的实际尺寸而调整,整个一套工装夹具系统的组合可以实现二维和三维空间的搭建,模块化拼装易于操作,实现简单、容易、快捷等特点.
2.多点阵成形定位.柔性定位技术是柔性工装技术的一个关键的子技术.本工装平台拟采用多点阵成形方法,基于用多孔平台实现.该类柔性工装主要依靠软件系统模拟计算,对工装的多点阵运动单元进行X轴、Y轴、Z轴方向的定位点坐标设计.并按照数据进行设计,拟合零件气动外形,进而实现定位和夹紧等功能.
3.柔性调节设计的真空吸附式装置.柔性工装可通过自身柔性调节设计适应工件形状的功能,是一种被动式的装置.当夹紧时能改变形状与工件相适应.对于本实验平台来说,这种柔性自动适应装置过于复杂,且成本较高.所以对于外形复杂并且具有不同曲率的自由曲面零件,此柔性工装平台中拟采用真空吸盘进行多点阵真空吸附式定位夹持,并采用拥有能够运动可调的旋转伸缩臂式结构和真空吸盘相结合实现柔性工装的卧式结构、立式结构和环式机构的特点,并能够根据曲面法矢量的变化调节柔性定位夹持装置.
4.柔性工装工作性能CAE技术仿真和分析.在平台设计验证方案进行时,可应用CATIA软件针对工装传动系统进行运动仿真.利用有限元软件分别对不同高度的立柱单元及工装台架进行了有限元静力分析和模态分析,获得了立柱单元随高度变化的静、动态规律以及工装台架应力、应变分布云图和模态振型,并提出结构优化方案.
5.材料选择和加工、制造成本核算.柔性工装的工作台、模块、角钢和智能夹持装置材料需要设计,另外根据资金问题合理安排加工和制造成本,力求实现成本低、定位精度高、便于操作等,后续还可以进行实验项目开放和改进.柔性夹具的长度尺寸方面,拟选取最小的规格进行研制以节省材料,完成工装台的搭建工作.
二、三维柔性夹持工装搭建
实验项目搭建的柔性夹持工装可将支撑功能、定位功能和夹紧功能有机的结合在一起,并基于三维焊接工装的基础平台进行改进,实现薄壁件三维柔性模块化智能夹持工装平台的开发和搭建.
1.三维多孔工装平台设计.本平台装置的多孔平台可参考三维柔性焊接平台来进行加工.三维柔性组合焊接工装是将金属切削加工领域使用的组合夹具理论运用到钣金焊接加工领域,是从传统的T型平台,槽系平台发展起来的三维平面孔系组合夹具系统.是一种新型的数字化、标准化、模块化、通用化的环保工装夹具[1].三维柔性焊接夹具的组成包括一组三维工装台和一组标准附件.其中,三维工装台由五面孔系平台和机架组成.所谓标准附件是有统一图纸并按尺寸精度要求经机械加工完成的具有互换性的零件,包括各类型的定位角铁、压紧件、连接件、紧固件、支承件.三维柔性焊接的多孔平台,装置操作简便、使用安全.此工装平台的承载能力高,刚性稳定,工作台的五面均加工有规则的孔,刻有网线,可以方便地延伸和扩展、组合.经扩展的标准台面可模块化的定位和夹紧零件.
2.伸缩旋转手臂调节定位系统.为了实现对零件的柔性定位,可借鉴搬运板件的机械手设计,实现方向性灵活的定位[2].机械手臂的灵活性由机械手臂的运动角度所制约,可以利用机械手臂控制方法来对定位坐标和调姿做具体仿真研究[3].对于本实验台的搭建,可使用用于机械手配件的铝合金万向座,配合吸盘金具,实现方向性灵活的伸缩旋转臂式结构设计,方便多角度旋转.其中机械旋转臂的固定座需要和多孔平台相连,这里可使用焊接平台的快速锁紧销,对固定座进行平台紧固锁紧.3.真空吸盘吸附系统.真空吸盘是制造业中一种常用的气动执行元件,真空吸盘采用真空负压来“吸附”工件以达到夹持工件的目的.这种夹持工件的方法,可不受工件的几何形状和材料限制.定位夹持装置最重要的功能是起着固定作用,零件被固定不动后,有利于装配加工流程的顺利进行.真空吸盘的吸附效果特别关键,主要在于真空吸盘与被吸附零件之间的密封性.所以两者之间的密封性很重要,这和两者的贴合程度相关.传统的真空吸盘理念中是柔－刚贴合的模式.即吸盘用具有柔性的橡胶制作,而应用的对象都具有一定刚度且有可以用来吸附的较平整的平面,从而在二者贴合时可以紧密的贴合,得到良好的密封效果.如果要使两者之间能够较好贴合,需要随时调节两者之间的贴合状况.
对于如何产生真空,是需要考虑的问题.本装置通过真空发生器产生真空,其结构简单,体积小,无可动机械部件,计算安装方便.真空吸盘在工作时,压缩空气可以一直通过真空发生器,持续产生负压,保持吸盘真空,所以吸盘直径的选择很重要,可以根据物料重量、真空发生器最大真空度、安全系数进行吸盘直径计算.
4.检验测量系统.本柔性工装特点是运用软件计算柔性工装的定位,并在工装台上高度尺,对定位点位置进行人工检测,然后与计算机中的数据进行对比,得到误差,从而进行调整,做到更加精确定位.在计算机软件系统中,需要根据工件坐标位置信息对整个柔性工装系统进行规划.根据计算机软件系统的数据驱动,不仅可以实现各支承单元的移动操控,还可以实现各支承机构在工件上的布局优化计算,从而实现整个柔性工装系统优化设计.
三、总结
目前我国对柔性装配工装的研究水平和利用率还很低.在课程教学方面缺少实验平台,对教学效果有一定影响.实验项目研制一种曲面零件夹持三维柔性工装台,在《现代飞机制造技术》实验课程设计上,可以指导学生通过软件对柔性工作的定位进行分析,不同算法对于定位的准确性有较大影响,从而也可以增强学生的实践能力和设计制造水平.
参考文献：
[1]李鑫生.三维柔性焊接工装打造柔性焊接生产线[J].纺织机械,2013,(6)：43-46.
[2]司震鹏,曹西京,姜小放.真空吸附式机械手系统设计[J].包装与食品机械,2009,27(6)：26-30.
[3]闫妍.机械手臂智能角度控制方法研究[J].中国西部科技, 2015,(7)：45-46.
SmallDesigningPlatform ofThreeDimensionFlexibleTool
GUOQiao-rong,YUHong
(CollegeofAeronauticalEngineering,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)
Abstract：Smallthreedimensionflexibletoolisdesignedbasedonmoduleunits,includingthedetailtechnicalin-dexesandtheputtingupplan.Itprovidesthedesignschemefortheplatform.
Keywords：moduleunits；threedimensionflexible；tool
小型论文范文结:
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