蒙皮钣金工件铣切吸盘式柔性工装设计

◎张爽

现阶段国内许多飞机制造公司，在进行蒙皮钣金工件的工装设计和加工制作时，还是以模线样板和标准样件等方法为主，在加工中使用辅助刚性工装。虽然制作出来的工件也可以满足使用需求，但是由于一套工装只能适用于一种工件，具有适应性不强、生产成本高、制作周期长等问题。在工业自动化、数字化发展背景下，本文提出了一种蒙皮钣金工件高速切边、钻铣加工的吸盘式柔性工装设计方案。从实际应用效果来看，有精度高、成本低、速度快等特点，具有推广应用价值。

引言：蒙皮既是飞机气动外形的重要组成，同时由于其形状与结构的复杂化，曲率与尺寸变化大等特点，也成为了工装设计和加工制造的难点。实现蒙皮钣金工件的自动化、高精度设计，成为现阶段飞机制造公司技术研究的重点内容之一。目前，国内几家大型航空制造公司已经着手开始蒙皮钣金件的自动化工装设计，但是仍然处于试点阶段，并且从试点情况来看，在工件精度、加工稳定性等方面还存在不足。基于此，本文就蒙皮钣金工件铣切吸盘式柔性工作设计的基本原理和核心要点进行了简要分析。

一、设计原理

吸盘式柔性工装包含了若干个真空吸盘，并且按照一定顺序排列组合形成具有较强吸力的吸盘阵列。需要进行工件定位时，需要将工件放置在指定位置，然后将该工装上水平方向上的2个定位销打开，将工件固定住。此时，由控制台调节扫描设备，完成对工件形状、尺寸等各项参数的扫描、获取，然后将所得数据进行后台处理，在计算机中得到一个三维模型。以该模型作为参照，调用控制指令对吸盘进行仿形三维排列，排列方式与蒙皮工件表面完全契合，从而实现了全面贴合和牢牢固定。完成该工件的加工后，如果下一个工件在形状、尺寸、结构上存在差异，则根据新工件的三维模型和数据参数，自动重新调整柔性工装的吸盘阵列，从而使新工件与吸盘也可以无缝贴合，完成加工。

二、工装结构设计

该套工装主要包括支架床身、移动横梁、Y、Z方向可数控调整的可调立柱、以及可以在空间转动45°的真空吸盘、真空吸附系统等。其中，支架床身由本体、齿条、线性滑轨等组成，长度达到8000mm；可移动横梁分别由交流伺服电机驱动，用双齿条保证横梁同步，左右各一条线性滑轨导向；可调立柱由真空吸盘、直线轴承、调形机构、线性滑轨组成，其Y向移动由伺服电机加减速器驱动，传动方式为齿轮齿条，Z向移动由伺服电机驱动，Y、Z方向分别安装限位开关及零点开关。

三、主要结构件的设计

1.底座部分。

考虑到在蒙皮加工中精度要求较高，安装时在X方向留出足够的调整余量，因此底座设计成可以对各个方向进行调整的分体式，根据常见蒙皮尺寸，确定X向长度为7000mm。在保证底座牢固的前提下，应当尽量提升底座结构的整体性，减少通过焊接或是螺栓固定等方式进行底座装配，这也有利于提高工装组件正常使用时的稳定性，避免因为底座不牢固、工装夹持不紧，而影响到工件的加工精度。

2.、移动横梁部分。

移动横梁作为该套工装中主要的动力装置，对运动精度有着极为严格的要求。同时，结合移动横梁的运行原理，定位精度与运动精度有明显的影响，因此在设计移动横梁时，必须要同时考虑定位精度与运动精度两方面的内容。以伺服电机作为驱动，在伺服电机的两侧各有一条直线导轨滑块，当伺服电机启动后，通过齿轮、齿条带动导轨上的滑块进行定向移动。移动横梁由多个子模块组成的，各个模块之间采用焊接的方式连接形成。

3.钉柱部分。

钉柱主要发挥真空吸盘的支撑作用，另外为了保证支撑效果，钉柱与真空吸盘接触部位，还采取了防尘、防潮设计。每个移动横梁上放置7个钉柱，可根蒙皮形状自适应排列，并可根据蒙皮特殊位置进行人工干预调整，达到装夹的要求。钉柱安装在横梁上，随横梁进行移动，钉柱箱体中放置两台伺服电机，驱动钉柱沿横梁进行水平及沿垂直移动。考虑到柔性夹持工装对定位精度要求极高，因此钉柱部分与移动横梁部分一样，也是采用伺服电机驱动。但是在具体的连接结构和传动方式上，又存在不同。例如钉柱部分的伺服电机，通过滚珠丝杠与真空吸盘相连。这样在钉柱做定向移动时，利用滚珠丝杠可以实现对真空吸盘的高速进给和低速微调，进一步提高了实用性。

4.万向吸盘部分。

万向吸盘必须具有良好的气密性，这样才可以通过真空负压的形式，让吸盘与蒙皮钣金工件表面牢牢吸附。另外，万向吸盘是由密集分布的若干个微小真空吸盘组合而成，这就保证了即便是蒙皮钣金工件的结构复杂，也能够让微小吸盘与工件曲面完美贴合，对于进一步提高固定效果有较好的帮助。除此之外，还要求吸盘具有万向转动能力，可以满足吸盘能够在一定范围内自动适应蒙皮工件的空间三维曲率变化，吸盘方向回转的角度一般设计在45°左右，且能够保证吸盘定位中心点位置不变，以保证零件表面轮廓的准确定位。

5.真空吸附系统。

该部分的组成结构为：真空吸盘、过滤器、防脱落阀、电磁换向阀、真空发生系统等元器件组成。从整体结构上来看，真空吸附系统在吸盘的下方，与吸盘末端固定。为了保证吸附效果和加强外部保护，将其置于钉柱的中空部位。真空吸盘的前端连接过滤器，可以将空气中的一些杂质（如金属屑等）过滤掉，避免钉柱内部出现杂质堆积和堵塞。吸盘管路中设置有高灵敏度的压力传感器，在真空吸附系统运行时，可以通过压力传感器同步感知并传递压力信号，以便于控制系统灵活调节真空负压。这样就可以灵活的调节压力大小，从而让工装的夹紧力大小适中，既不会因为固定不牢，出现工件松动而影响加工精度的问题，同时又避免了夹紧力过大而让工件变形的情况。

结语：蒙皮钣金工件对于加工精度的高要求，以及本身结构的复杂性，决定了蒙皮钣金工件加工、制造一直以来都是飞机制造中的难点。本文介绍的这种吸盘式柔性工装设计，采用万向真空吸盘可以实现对工件的全面包裹，同时又能够采用电气化控制，灵活调整夹紧力，为下一步的工件加工创造了良好条件。在蒙皮钣金工件的裁边、钻孔、铣切等常规加工中，均表现出了良好的应用效果，在实用效果、经济效益方面实现了统筹兼顾，具有推广应用价值。