飞机壁板柔性装配系统真空吸盘设计概述

祝忠杰

摘 要 飞机壁板柔性装配技术已成为当今国内外所有航空企业重点发展的技术。本文详细介绍了飞机壁板柔性装配系统中真空吸盘的布局、结构、安装方法、选型计算等內容，通过该系统的使用，将大大提高飞机装配质量，加快飞机研制周期。

关键词 飞机壁板;真空吸盘;柔性装配

随着工装定位技术的发展，传统卡板定位式的壁板装配工装在加工成本、可重复利用性、可调性均无较大改进可能，急需设计一种可重复利用、具有柔性可调性的壁板外形定位方式来改进飞机壁板的定位装配方式。飞机壁板装配系统中工装框架上安装有卡板，卡板上布局有真空吸盘点阵。其技术要点为吸盘点阵如何安全可靠地吸附壁板，同时保证壁板外形。

1吸盘点阵布局

真空吸盘布局采用整体点阵式布局。工装框架上安装有卡板，每块卡板上安装有若干个吸盘组件，真空吸盘的布局根据壁板的承载能力和吸附力大小来确定，尽量均匀分布在卡板上，保证每个点受力均衡，从而减小壁板的局部变形，保证壁板整体外形[1]。

2吸盘组件结构

吸盘组件的组成结构如图1所示，安装支座安装在卡板上，缓冲弹簧起到缓冲的作用，叉耳支座允许转接头绕Z轴有一定的旋转自由度（±10°）以适应壁板的曲面外形，直通接头接出的管路通过转接头和真空发生器相连，真空吸盘选择成品件。

2.1 真空吸盘选型

（1）吸盘直径

吸盘直径计算公式：

真空发生器场合的真空度大致在+60kPa，壁板的重量为30kg，吸盘点阵中吸盘的总数量为25，吸盘垂直吸吊时安全系数要大于或等于8，因此公式中各参数的数值如下：

D：吸盘直径（mm）

P：真空度 +60 kPa

W：吸吊力 300N

n：吸盘数量 25

t：垂直吸吊安全率8

出于安全性考虑，建议选用更大一号的吸盘，吸盘直径最终选用Φ50。

（2）真空度要求

真空度计算公式：

S：吸盘的面积19.6cm?

W：吸吊力 300N

n：吸盘数量25

t：垂直吸吊安全率8

真空度要求大于50kPa，使用真空发生器场合的真空度大致在+60kPa左右，因此满足要求。

（3）吸吊力验算

单个吸盘吸吊力计算公式：

技术需求中要求每个点受力不得大于50N。经计算真空度取最大值+85时，吸吊力为21N，小于50N，因此满足技术需求。

（4）真空吸盘的形状

根据比较常见的吸盘形状，建议选用平型带肋形状的吸盘，理由如下：

1）为了保证壁板的外形，尽量减少壁板的变形，不宜使用普通平型吸盘;

2）壁板表面曲率不大，局部可视为小平面，无须选用深型，深型也容易导致表面变形;

3）吸盘的支架上安装有缓冲弹簧，风琴吸盘也容易导致表面变形，不宜选用。

综合以上分析，建议选用平型带肋形状的吸盘。

（5）真空吸盘型号

真空吸盘选用SMC品牌的无缓冲ZPT系列，从以上结果得出具体型号为ZPT50CN-A8。

2.2 缓冲弹簧选型

（1）假定弹簧受到50N的压力时为最大压力，此时对应最大变形量为6mm。

（2）根据工作性质，查阅弹簧常用材料表格，选用C级碳素弹簧钢丝。假设钢丝直径d=2mm，查看弹簧钢丝抗拉强度资料可知，对应σ b =1710MPa，查阅弹簧材料许用应力表格可以计算许用切应力：

（3）初选旋绕比C=10。

（4）弹簧曲度系数：

弹簧钢丝直径：

钢丝直径在所设范围内，圆整为标准系列d=2mm（符合标准直径系列）。

（5）由（符合标准中径系列）。

（6）C级碳素弹簧钢丝的切变模量G=79000MPa，计算弹簧有效圈数：

圆整为3圈，两端各取一圈支承圈，则总圈数

（7）稳定性校核

所以弹簧是稳定的。

3吸盘安装方法

具体安装方法如下：

（1）以真空点阵单元的吸盘中心点投影在壁板外形上的点求壁板外形曲面的切平面;

（2）将真空点阵单元与外接抽真空回路连接，启动抽真空回路;

（3）将安装板吸附在真空点阵单元的吸盘上，安装板的孔避开吸附区域;

（4）以工装坐标系为基准，用相同的激光目标反射球测量安装板上的三个安装孔的孔位坐标值;

（5）将三个坐标点值拟合成一个真空点阵单元的实测平面;

（6）将该实测平面与壁板外形曲面的切平面对比并不停地修正，使实测平面与壁板外形曲面最终重合;

（7）撤离安装板，完成真空点阵单元安装。

4气路布局

单块卡板上的气路管线布局图如图2所示，真空发生器的真空口输出管通过T型接头和直通接头与真空吸盘相连。

5结束语

设计了一套应用于飞机壁板装配的真空吸盘，实现了真空点阵单元在飞机壁板的空间曲面调整，实现了壁板理论外形的准确形成和精密定位装配。多点阵真空吸盘式柔性装配工装系统解决了多年来困扰航空制造业的设计制造周期长、成本高、工装数量庞大等一系列问题，具备足够的柔性和可重组性，减少了大量的专用工装，装配效率及质量随之大幅提高，将大力推进航空制造技术领域数字化、自动化、柔性化的水平。

参考文献

[1] 陈国涛，屈力刚.飞机壁板真空吸盘式柔性装配工装系统设计[J].沈阳航空航天大学学报，2014，31（6）：36-41.