梁建光，孔 嘯，殷 莉，李 銘

（1.上海交通大學(xué)，上海 200030；2.上海申模模具制造有限公司，上海 201203）

0 引言

在汽車主模型檢具（如圖1所示）中，許多零件屬于大型鋁合金復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件，厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)寬尺寸，薄壁整體結(jié)構(gòu)件材料切除率高達(dá)90%以上，平均厚度4mm，局部區(qū)域厚度小于1mm。由于薄壁零件剛性差、強(qiáng)度弱，加工中極易變形，導(dǎo)致加工難度較大，難以保證零件的加工質(zhì)量[1,2]。

圖1 汽車主模型和引擎蓋部分加工時(shí)的輔助支承

由于工件薄壁處均為曲面，并且整個(gè)表面均為待加工面，普通夾具既不方便夾持曲面，又容易與銑刀發(fā)生干涉，所以在實(shí)際加工過(guò)程中，通常用的輔助支承夾具為代木，代木是一種復(fù)合樹脂材料，具有良好的切削性能[3]，比較容易加工成各種高度的支承條。代木支承條的頂端用小的楔形代木塊墊上，然后再將代木頂端與工件之間、代木底端與工作臺(tái)之間用502膠水粘結(jié)起來(lái)，防止加工的時(shí)候發(fā)生移動(dòng)。

然而代木支承存在以下弊端：生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)；支承位置憑經(jīng)驗(yàn)確定，疏密不一，無(wú)法控制精度；剛性較差，支承穩(wěn)定性不夠；大部分代木與工件的接觸方式為線接觸，且接觸位置為工件外緣曲邊上，支承效果不理想；借助502膠水來(lái)固定代木，加工后需要用有機(jī)溶劑丙酮清洗，長(zhǎng)期吸入丙酮對(duì)工人的健康不利。

國(guó)外波音公司及空客公司在加工大型薄壁覆蓋件時(shí)用到了柔性度極高的多點(diǎn)夾具，如西班牙的TORRESMILL和TORRESTOOL、美國(guó)的CAN系統(tǒng)[4,5]。本文借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，旨在開發(fā)出一套能適用于檢具制造精度要求的柔性?shī)A具系統(tǒng)。

1 柔性工裝夾具結(jié)構(gòu)與功能分析

針對(duì)汽車主模型檢具中引擎蓋模擬塊的尺寸大小，做出如圖2所示的初步工裝系統(tǒng)模型。該模型并非柔性工裝系統(tǒng)的布局圖，僅體現(xiàn)出柔性工裝系統(tǒng)應(yīng)包括的結(jié)構(gòu)特征，含有：底座結(jié)構(gòu)、滑動(dòng)結(jié)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)和夾緊結(jié)構(gòu)。其中，滑動(dòng)結(jié)構(gòu)由液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，包括相關(guān)的液壓控制機(jī)構(gòu)等。夾緊結(jié)構(gòu)通過(guò)真空吸附方式進(jìn)行吸附夾緊，包括真空泵等真空動(dòng)力源。

圖2 柔性工裝系統(tǒng)整體構(gòu)思圖和實(shí)物照片

底座結(jié)構(gòu)：根據(jù)定位準(zhǔn)則設(shè)置定位基準(zhǔn)，保證工件的定位精度同時(shí)連接各個(gè)結(jié)構(gòu)的載體。

滑動(dòng)結(jié)構(gòu)：包括系統(tǒng)中所有起柔性定位作用的導(dǎo)軌、滑塊、夾具上的伸縮機(jī)構(gòu)以及起驅(qū)動(dòng)作用的液壓機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)夾具在X、Y、Z三個(gè)方向上的柔性定位。

支承結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)中起支承作用的結(jié)構(gòu)由夾具的伸縮機(jī)構(gòu)和夾具頭上的頂珠（如圖3所示）組成。頂珠與工件的曲面構(gòu)成點(diǎn)接觸，一般情況下，只有定位元件處的接觸變形才導(dǎo)致工件位置偏移，夾緊元件處的接觸變形對(duì)工件偏移沒(méi)有直接影響。這里的接觸屬于夾緊元件處的接觸，不考慮由接觸引起的變形。

圖3 柔性工裝夾具結(jié)構(gòu)示意圖

頂珠材料為L(zhǎng)Y12鋁合金，通過(guò)502膠水粘在吸盤內(nèi)部。頂珠上部為球頭形，下部為柱形，方便加工時(shí)的夾持。吸盤與頂珠的設(shè)計(jì)在銑削加工中起到支承和減振的作用。

頂珠頂部的球頭結(jié)構(gòu)同曲面薄壁件表面始終為點(diǎn)接觸，可以很好的適應(yīng)各種曲面結(jié)構(gòu)。但并不是所有曲率的曲面都可以吸附，對(duì)于曲率還是有一定的要求。如圖4所示，理想情況下，假設(shè)工件表面無(wú)限光滑，吸盤與頂珠能夠吸住工件的最小半徑為10.5mm，但實(shí)際上由于工件表面存在粗糙度等因素，滿足工件正常吸附的最小半徑將大于10.5mm。

圖4 頂珠示意圖

夾緊結(jié)構(gòu)：由升降柱頂部的真空吸盤（如圖5所示）和真空泵組成。真空吸盤應(yīng)具有足夠的柔度和貼合度，才能滿足工件表面的吸附要求。真空泵的選取要使得吸盤對(duì)工件有足夠的吸附力，以減小加工過(guò)程中由振動(dòng)或翹曲引起的變形。

圖5 支承模塊和滑動(dòng)示意圖

2 柔性工裝夾具支承穩(wěn)定性研究

柔性?shī)A具在支承過(guò)程中會(huì)受到軸向的銑削力，這時(shí)可以將柔性?shī)A具中的升降柱看作壓桿。由于不同薄壁件的支承點(diǎn)高度范圍不同，即使是同一工件，不同支承點(diǎn)處的高度也有很大差別，如圖1汽車主模型引擎蓋薄壁件所示，引擎蓋前端與后端支承點(diǎn)的高度就相差約280mm之多，而支撐桿的直徑又只有20～30mm，這樣一來(lái)，支撐桿成了細(xì)長(zhǎng)桿（d/h＜1/10），支承的穩(wěn)定性得不到保證。因此需要設(shè)計(jì)不同高度規(guī)格的柔性?shī)A具系列，以滿足不同高度的支承需求。首先需要求出滿足支承穩(wěn)定性桿件的許用長(zhǎng)度。

不同剛性支承條件下的壓桿，由靜力學(xué)平衡方法得到的平衡微分方程和邊界條件都可能各不相同，確定臨界載荷的表達(dá)式亦因此而異，但基本分析方法和分析過(guò)程卻是相同的。

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)桿，這些公式可以寫成通用形式，稱為歐拉公式[6]：

其中，μl為不同壓桿屈曲后撓曲線上正弦半波的長(zhǎng)度，稱為有效長(zhǎng)度；μ為反映不同支承影響的系數(shù)，稱為長(zhǎng)度系數(shù)，可由屈曲后的正弦半波長(zhǎng)度與兩端鉸支壓桿初始屈曲時(shí)的正弦半波長(zhǎng)度的比值確定。

長(zhǎng)細(xì)比又稱柔度(Compliance)，用λ表示。長(zhǎng)細(xì)比是綜合反映壓桿長(zhǎng)度、約束條件、截面尺寸和截面形狀對(duì)壓桿分叉載荷影響的量，由（2）式確定：

其中，i為壓桿橫截面的慣性半徑：

當(dāng)壓桿的長(zhǎng)細(xì)比λ大于或等于某個(gè)極限值λp時(shí)，壓桿將發(fā)生彈性屈曲。λp僅與材料有關(guān)，一般低碳鋼的λp約為100，鋁合金的λp約為63[7]。

圖6中壓桿長(zhǎng)度系數(shù)μ的數(shù)值是根據(jù)理想化的約束情況而來(lái)的，本文中柔性工裝夾具的桿件類型類似于千斤頂，故取μ=2。

圖6 壓桿的約束情況與長(zhǎng)度系數(shù)的關(guān)系

當(dāng)作用于壓桿的軸向力P達(dá)到臨界值Plj時(shí)，壓桿就會(huì)失穩(wěn)，但是出于安全考慮，還需要有一個(gè)安全儲(chǔ)備，故許用載荷形式的穩(wěn)定條件為：

式中nw稱為穩(wěn)定安全系數(shù)。一般規(guī)定比強(qiáng)度安全系數(shù)要大。在具體計(jì)算時(shí)，nw的數(shù)值可從有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查閱，結(jié)合本文中柔性工裝夾具的情況，取nw=4。

根據(jù)式(1)和式(4)可得：

其中，根據(jù)圓柱慣性矩公式有：

對(duì)于本文中的柔性工裝夾具，將其簡(jiǎn)化為直徑為16mm的壓桿，軸向力P為最大銑削力600N[8]。鋁合金彈性模量E=68GPa，查手冊(cè)得μ=2, nw=3。將以上條件代入式(5)中，求得l最大值為473mm。即升降柱的長(zhǎng)度應(yīng)小于473mm才能保證支撐過(guò)程中的穩(wěn)定性要求。由于引擎蓋最高與最低加工點(diǎn)的差距為280mm，因此柔性?shī)A具能支撐的最大最小距離應(yīng)至少間隔280mm以上。

綜合以上要求，設(shè)計(jì)四種規(guī)格的柔性?shī)A具，每種規(guī)格的夾具可調(diào)節(jié)范圍由套筒高度所決定，若規(guī)格一的套筒高度設(shè)為h，理想的情況是升降柱完全在套筒內(nèi)時(shí)為夾具最低點(diǎn)，升降柱剛剛脫離套筒時(shí)為夾具最高點(diǎn)，則四種規(guī)格的柔性?shī)A具理想情況下的高度范圍應(yīng)是[h, 2h]，[2h, 4h]，[4h, 8h]，[8h,16h]。但是由于升降柱不可能完全脫離套筒，于是可調(diào)節(jié)的有效高度差應(yīng)小于套筒距離。在這里，設(shè)升降柱在套筒內(nèi)的最小余量為10mm，即可調(diào)節(jié)高度范圍為[h, 2h-10]，[2h-10, 4h-30]，[4h-30, 8h-70]，[8h-70, 16h-150]。為了保證支承高度的連續(xù)性，每種規(guī)格之間設(shè)定10mm的重合區(qū)間，在此重合區(qū)間內(nèi)的支承點(diǎn)，盡量使用高一級(jí)規(guī)格的夾具進(jìn)行支承以保證支承穩(wěn)定性，則柔性?shī)A具可調(diào)節(jié)高度范圍變成 [h, 2h-10]，[2h-20, 4h-50]，[4h-60, 8h-130]，[8h-140, 16h-270]。最后，將吸盤高度等其他不可調(diào)節(jié)高度統(tǒng)記為a，則四種規(guī)格的柔性?shī)A具支承高度范圍為 [h+a, (2h-10)+a]，[(2h-20)+a, (4h-50)+a]，[(4h-60)+a, (8h-130)+a]，[(8h-140)+a, (16h-270)+a]。

其中，升降桿的高度需小于473mm，即：

最高與最低支承點(diǎn)間距應(yīng)大于280mm，即

由式(7)和(8)解得h的范圍應(yīng)是：37mm≤h≤76mm。

圖7 四種規(guī)格的柔性?shī)A具套筒高度

將規(guī)格一的套筒高度h定為50mm，則四種規(guī)格的夾具可調(diào)節(jié)高度范圍為[50+a, 90+a]，[80+a,150+a]，[140+a, 270+a]，[250+a, 510+a]。

3 柔性工裝夾具應(yīng)用中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，用于根據(jù)工件坐標(biāo)信息文件對(duì)整個(gè)柔性工裝系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和決策，并生成對(duì)應(yīng)的控制指令發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)各支承單元的移動(dòng)操控，還可以實(shí)現(xiàn)各支承機(jī)構(gòu)在工件上的布局優(yōu)化計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)柔性工裝系統(tǒng)的自動(dòng)化。

圖8 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的柔性工裝系統(tǒng)，適用于主模型檢具和其他鋁合金曲面薄壁件的銑削等加工。根據(jù)銑削裝夾中的實(shí)際工作情況，設(shè)計(jì)了四種高度規(guī)格的柔性?shī)A具。根據(jù)上海申模公司提供的數(shù)據(jù)，該工裝的裝夾時(shí)間是代木式的1/3，工件加工精度提高20%，具有較大實(shí)用性，加上工裝設(shè)計(jì)大部分采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化結(jié)構(gòu)，也降低了制造和維護(hù)的成本。

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