李向國(guó)，張洪雙，何 暉，鄭東陽(yáng)，牛 耕

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州213022）

0 引言

薄壁件的生產(chǎn)和使用在航空飛機(jī)蒙皮、汽車外殼以及船體的制造中比較常見(jiàn)。薄壁件主要由鈑金件或者復(fù)合材料壁板件經(jīng)過(guò)緊固件連接而成，在裝配過(guò)程中容易受連接的力影響而變形，且薄壁件剛度較差，在自身重力的作用下也會(huì)發(fā)生變形。傳統(tǒng)的薄壁曲面件的成型和加工，是采用與之具有相同曲面形狀的模線樣板，通過(guò)模線樣板實(shí)現(xiàn)薄壁件的成型和加工。因此，每一種薄壁件都要有一個(gè)對(duì)應(yīng)的模線樣板，從而造成了工裝成本高、占地大和生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。這樣的加工和成型方式顯然已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品小批量、多品種的需求，所以國(guó)內(nèi)外在薄壁件的柔性工裝技術(shù)方面進(jìn)行了了大量的研究和探索。

國(guó)外柔性工裝技術(shù)起步早，在可重構(gòu)性、可調(diào)整柔性工裝的研究和開(kāi)發(fā)方面采用了很多技術(shù)，如液壓技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、真空技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)等，有效減少了各制造行業(yè)專用工裝的數(shù)量，效率得到顯著提高。柔性支撐工裝在國(guó)外航空制造、汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用廣泛，在設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用等方面，具有代表意義的包括歐洲的JAM和ADFAST項(xiàng)目，西班牙MTorres公司研發(fā)的TORRESTOOL柔性工裝系統(tǒng)和美國(guó)CAN制造系統(tǒng)公司研發(fā)的基于POGO柱單元的柔性工裝系統(tǒng)，以及波音航空航天公司和歐洲航空防務(wù)航天公司在飛機(jī)裝配中采用的柔性工裝系統(tǒng)［1-3］。

國(guó)內(nèi)航空企業(yè)大部分仍然使用傳統(tǒng)的型架裝配方式，在柔性裝配技術(shù)的應(yīng)用方面與歐美的廠商有較大差距。許多科研院校進(jìn)行了一些相關(guān)的研究，并將柔性工裝成功應(yīng)用到陜飛、成飛和西飛等航空制造企業(yè)［4-5］。但這類工裝主要用于支撐大尺寸的高剛度部件，如機(jī)身機(jī)翼等。目前，南京航空航天大學(xué)、沈陽(yáng)航空航天大學(xué)、華南理工大學(xué)和清華大學(xué)等對(duì)多點(diǎn)柔性支撐技術(shù)進(jìn)行了研究，但未見(jiàn)在企業(yè)成功應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容［6-9］。在此，分析了多點(diǎn)柔性支撐夾具的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)控制系統(tǒng)方案、原理、及控制的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，使夾具滿足通過(guò)多個(gè)支撐點(diǎn)擬合曲面形狀的功能需求。

1 多點(diǎn)柔性支撐夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多點(diǎn)柔性支撐夾具采用多點(diǎn)柔性支撐原理［6-9］，其主要思想是將傳統(tǒng)支撐工裝的整體支承面離散為多個(gè)支撐點(diǎn)，來(lái)擬合各復(fù)雜曲面的支承站位截面，各個(gè)離散支撐點(diǎn)各向行程獨(dú)立可調(diào)。其中，每個(gè)離散支撐點(diǎn)等效于一個(gè)柔性單元立柱，將柔性支撐裝置用多點(diǎn)支撐陣列來(lái)替代傳統(tǒng)的支撐托板，這樣調(diào)節(jié)各支撐點(diǎn)的空間位置，使柔性支撐裝置與復(fù)雜曲面表面完全貼合，達(dá)到支撐目的。

多點(diǎn)支撐夾具裝置由整體框架、升降機(jī)構(gòu)、萬(wàn)向球頭和伺服電機(jī)等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多點(diǎn)支撐夾具結(jié)構(gòu)

多點(diǎn)支撐夾具的工作原理為：當(dāng)工件來(lái)時(shí)，系統(tǒng)控制器向各支撐立柱單元發(fā)送Z坐標(biāo)定位信息，然后每根立柱升起相應(yīng)高度，立柱上的真空吸盤與工件表面貼合以實(shí)現(xiàn)定位夾緊。

升降機(jī)構(gòu)和萬(wàn)向球頭的設(shè)計(jì)較為重要。升降機(jī)構(gòu)工作原理如圖2所示。當(dāng)控制信號(hào)傳到電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)減速器運(yùn)作，從而使絲桿帶動(dòng)升降桿在Z方向上移動(dòng)，升降桿旁邊的光柵尺會(huì)檢測(cè)到升降桿上升的高度，并發(fā)出反饋信號(hào)以便實(shí)現(xiàn)精確定位。

萬(wàn)向球頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。真空吸盤與曲面件表面直接接觸，萬(wàn)向球頭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為球鉸副，真空吸盤隨著工藝球頭能實(shí)現(xiàn)35°角范圍內(nèi)全向自由轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，使得萬(wàn)向球頭對(duì)不同曲面型面具有足夠的自適應(yīng)性，同時(shí)也使得整個(gè)柔性支撐裝置具有足夠的柔性度。

圖3 萬(wàn)向球頭結(jié)構(gòu)

2 多點(diǎn)柔性支撐裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多點(diǎn)柔性支撐裝置是一套完整的自動(dòng)化工藝裝備，不僅需要有完善合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更需要有功能完整、反應(yīng)迅速的控制系統(tǒng)支持?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)工裝系統(tǒng)的核心部分，它的主要功能是根據(jù)上位機(jī)軟件提供的曲面形狀，經(jīng)過(guò)一定的控制算法處理后，向多單元立柱發(fā)出指令，調(diào)整立柱的位置、高度和控制真空吸盤的吸合，同時(shí)根據(jù)初步成型及測(cè)量裝置反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正調(diào)形。

2．1 控制系統(tǒng)方案與原理

由于多點(diǎn)陣柔性工裝包含多個(gè)運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)，所以采取“上位機(jī)＋下位機(jī)＋執(zhí)行單元”的控制模式，其控制原理如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)原理

上位機(jī)是1臺(tái)工業(yè)PC機(jī)，用戶根據(jù)需要，通過(guò)PC機(jī)發(fā)送待加工曲面薄壁蒙皮工件支撐點(diǎn)坐標(biāo)信息或?qū)崟r(shí)控制指令，對(duì)工裝系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。下位機(jī)由GUC800、運(yùn)動(dòng)控制器及指令發(fā)生器構(gòu)成，它首先通過(guò)通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，獲取工件加工曲面支撐點(diǎn)坐標(biāo)信息或?qū)崟r(shí)控制指令，然后根據(jù)所獲信息進(jìn)行支撐單元運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，再將運(yùn)動(dòng)控制信息發(fā)送給各運(yùn)動(dòng)控制器；同時(shí)，它也實(shí)時(shí)獲取各單元立柱的狀態(tài)信息，并將獲取的狀態(tài)信息及時(shí)反饋給上位機(jī)，供用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。執(zhí)行單元主要由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成，驅(qū)動(dòng)器接收下位機(jī)發(fā)送的指令，控制各個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)立柱的運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)，光柵尺實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)單元立柱的高度信息，并反饋給下位機(jī)進(jìn)行與目標(biāo)高度的比對(duì)，以實(shí)現(xiàn)精確定位。

2．2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多點(diǎn)柔性支撐控制系統(tǒng)硬件的組成如圖5所示。

圖5 多點(diǎn)柔性支撐控制系統(tǒng)組成

GUC800運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，由DSP和相關(guān)外圍電路組成，完成控制量計(jì)算、各電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖量分配和檢測(cè)信號(hào)處理等功能。

驅(qū)動(dòng)模塊主要由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)隔離模塊組成，負(fù)責(zé)將控制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬電壓或脈沖數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

執(zhí)行元件主要由控制各個(gè)單元柱的伺服電機(jī)和電動(dòng)油缸組成，完成各個(gè)支撐點(diǎn)的升降。

測(cè)量元件主要由光柵尺、光電編碼器以及檢測(cè)處理電路組成?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)光柵尺檢測(cè)單元立柱當(dāng)前的位置信息，光電編碼器用來(lái)獲取電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的位置信息，而檢測(cè)處理電路主要將這2類信號(hào)進(jìn)行濾波處理，然后再傳遞給控制器。

2．3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件完成控制指令發(fā)送及狀態(tài)監(jiān)控。柔性支撐控制系統(tǒng)軟件是基于 Microsoft eVC4．0開(kāi)發(fā)的程序，軟件控制流程如圖6所示。

圖6 軟件控制流程

各個(gè)模塊的功能如下：

a．初始化模塊。清除限位開(kāi)關(guān)、伺服報(bào)警等狀態(tài)信息，以及完成伺服驅(qū)動(dòng)器的初始化操作，伺服使能。

b．運(yùn)動(dòng)控制模塊。設(shè)置運(yùn)行速度、加速度和運(yùn)行位移量等信息。

c．限位監(jiān)控模塊。監(jiān)控每個(gè)升降桿上的限位信息，某一位的限位信號(hào)有效，監(jiān)控程序作用，完成相應(yīng)操作。

d．回原點(diǎn)模塊。在每一次操作的最后，要執(zhí)行退出操作，每個(gè)升降桿回到初始位置，為下次運(yùn)行做準(zhǔn)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)工業(yè)中一些薄壁曲面類零件難以加工的情況，設(shè)計(jì)了多點(diǎn)柔性支撐夾具系統(tǒng)，并對(duì)整套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方案進(jìn)行了簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。此方案相較于傳統(tǒng)的薄壁曲面類零件加工方法，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

a．用多點(diǎn)支撐代替固定形狀的夾具，可以降低成本，提高產(chǎn)品的利用率，減小夾具的占地面積。

b．通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)支撐單元的高度，實(shí)現(xiàn)控制的自動(dòng)化。

c．通過(guò)閉環(huán)控制，保證控制精度。

基于陣列式的柔性工裝，能有效解決傳統(tǒng)的薄壁曲面件加工工裝的不足，滿足薄壁曲面件加工過(guò)程中對(duì)工裝柔性化的需求，同時(shí)證明了此種控制方案的可行性。

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