劉天寶，陶紅艷，于文澤，王書付，王 晟

(1.重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400050;2.中國科學院深圳先進技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)

蜂窩材料以其吸能特性穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕而越來越多地應用在航空航天、汽車以及國防裝備等領域［1］。到20世紀80年代末，我國蜂窩材料的研究和制備有了質(zhì)的飛躍，同時鋁制蜂窩也因其獨有的特性，較為成熟的制造工藝得到了廣泛應用［2］。盡管如此，國內(nèi)鋁蜂窩的研制現(xiàn)狀仍存在著不足，主要表現(xiàn)在生產(chǎn)的鋁蜂窩強度低，一致性較差。目前我國還未系統(tǒng)掌握高強度鋁蜂窩的研制技術(shù)，國內(nèi)尚屬空白，完全依賴于進口。因此，迫切需要對高強度鋁蜂窩的自動化加工工藝及裝備進行攻關。

1 高強度鋁蜂窩

鋁蜂窩結(jié)構(gòu)材料的核心是鋁蜂窩，鋁蜂窩三維形狀如圖1所示，它是一種二維的多胞材料，具有密度小、剛度低、壓縮變形能力大且變形可控等優(yōu)點，是理想的防撞材料，在各種防撞結(jié)構(gòu)中有廣闊的應用前景［3］。

鋁蜂窩防撞器的工作原理是，當外部輸入的沖擊力大于某一設定的閾值(與設計有關)時，外部的沖擊能量將轉(zhuǎn)換為鋁蜂窩的變形能、從而達到緩和沖擊、保護有效載荷的作用，且轉(zhuǎn)換過程不可逆，該種結(jié)構(gòu)只能工作一次，作為防撞器，蜂窩材料承受軸向方向的載荷。

圖1 鋁蜂窩三維模型

2 鋁蜂窩制造工藝過程分析

鋁蜂窩的制造方法有拉伸法和成形法兩種，如圖2、圖3所示。成形法是將鋁箔先成形為波紋條再膠接;拉伸法則是先膠接而后拉伸成六角形［4］。由于拉伸法制造的蜂窩芯一致性差，軸向壓縮強度遠低于高強度鋁蜂窩的設計標準。相對于拉伸法，成形法所制造的鋁蜂窩芯具有優(yōu)良的一致性和較高的軸向壓縮強度，由該種工藝制造的鋁蜂窩能滿足相應防撞器的技術(shù)指標。

圖2 拉伸法制造工藝示意圖

圖3 成形法制造工藝示意圖

3 組裝設備系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)方案評價與決策

為了確定機械系統(tǒng)的原理功能方案，現(xiàn)對系統(tǒng)功能進行方案評價與決策。利用形態(tài)學矩陣將原理功能解加以組合，用以尋求整個系統(tǒng)的最優(yōu)方案，整體設備系統(tǒng)的形態(tài)學矩陣如表1所示。

表1 組裝設備系統(tǒng)形態(tài)學矩陣

由形態(tài)學矩陣，可以得到的組合方案數(shù)為1228。由于方案數(shù)目過大，給評選工作帶來不便，需要對一些方案進行剔除?？紤]到半波紋結(jié)構(gòu)鋁箔的規(guī)格不一，所以選擇人工上下料的方式將會帶來很大的便利;考慮到工控設備的穩(wěn)定性、開發(fā)周期以及系統(tǒng)的柔性，選擇PLC作為設備的控制方式;出于成本的考慮，剔除所有液壓系統(tǒng)形成的機構(gòu)。根據(jù)設備的主要分功能:涂膠和疊加，考慮到各種涂膠、疊加方法，經(jīng)過剔除之后選擇了以下所示的八種較佳方案:

評價的權(quán)重系數(shù)按如下分布:組裝成本(0.2)、組裝質(zhì)量(0.4)、組裝效率(0.2)、系統(tǒng)維修性(0.1)、系統(tǒng)容差性(0.1)，結(jié)合項目的實際情況，列出了如表2所示的各個方案的初步評語。

表2 方案初步評語

決策時，選取M=(·，+)模型先乘后加進行矩陣合成計算

式中g(shù)i為加權(quán)系數(shù)矩陣，rij為各個方案隸屬度矩陣，采用該模型的優(yōu)點是綜合考慮了gi，rij的影響，保留了全部信息。由于該模型評價實際效果好，故常用于機械產(chǎn)品的模糊綜合評價和模糊優(yōu)化設計［5］。按照最大隸屬度法，對以上8個方案的順序進行優(yōu)劣排隊為:Ⅵ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅷ、Ⅳ。所以最佳方案為方案Ⅵ，即人工上下料，真空氣吸轉(zhuǎn)移，光軸式涂膠，機械定位，氣動疊加，配重加壓，PLC控制，傳感器監(jiān)控。

3.2 組裝設備機械結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)過程

組裝設備機械結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由以下重要機構(gòu)或部件組成:半格結(jié)構(gòu)鋁箔送料機構(gòu)、A/B涂膠模塊、直角坐標機器人、預壓機構(gòu)、輔助壓緊機構(gòu)、疊加機構(gòu)。

圖4 蜂窩組裝設備示意圖

1)首先一定寬度的半格結(jié)構(gòu)鋁箔經(jīng)人工送料至送料機構(gòu)上方，位置對齊后，送料機構(gòu)的吸盤將半格結(jié)構(gòu)鋁箔吸住，同時氣缸動作完成進料，油壓緩沖器和剛性定位保證其正確進料位置;

2)送料完成后直角坐標機器人1的吸盤下降，并將半格結(jié)構(gòu)鋁箔吸起并提升至一定高度，緊接著直角坐標機器人1帶著半格結(jié)構(gòu)鋁箔涂A膠，涂膠完成后，直角坐標機器人1帶著半格結(jié)構(gòu)鋁箔在疊加區(qū)附近做調(diào)整等待;

3)一定時間后直角坐標機器人1帶著涂好膠后的半格結(jié)構(gòu)鋁箔至疊加區(qū)上方，到達X方向指定位置后，直角坐標機器人1吸盤下降進行半格結(jié)構(gòu)鋁箔的疊加，此時輔助壓緊機構(gòu)將半格結(jié)構(gòu)鋁箔定位并壓緊，壓緊可靠后，直角坐標機器人1吸盤脫離半格結(jié)構(gòu)鋁箔并上升、返回離開疊加區(qū);

4)直角坐標機器人1離開疊加區(qū)后，預壓機構(gòu)的壓板下降至蜂窩芯疊層上方并進行預壓，預壓一定時間后，壓板上升并給直角坐標機器人2騰出涂膠空間;

5)壓板上升后，蘸有B膠的直角坐標機器人2運行至疊加區(qū)上方并涂B膠，涂好膠后直角坐標機器人2返回離開疊加區(qū)，接著直角坐標機器人1帶著涂好A膠后的半格結(jié)構(gòu)鋁箔在疊加區(qū)進行下一層的疊加組裝。

3.3 組裝設備控制系統(tǒng)設計

3.3.1 硬件控制系統(tǒng)的設計

FP-X是由日本松下電工公司在2006年推出的一種現(xiàn)代化的、功能較強的小型可編程控制器，在某些功能上甚至能同大型機媲美。主機控制單元內(nèi)有高速計數(shù)器，借助功能插件AFPX-PLS，單相2通道可輸入頻率高達80 kHZ，雙相1通道可輸入30kHZ的脈沖。另外還可輸出頻率為100 kHZ的脈沖信號。該機具有15個中斷源的優(yōu)先權(quán)管理。主機控制單元如需要同多種設備進行連接時，在通信插件的配合下，可提供RS232、RS485、RS422等多種接口，主機控制單元上還有一個標準USB接口，可方便地實現(xiàn)PLC與PC之間的通信［6］?；贔P-X控制器的系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖5所示。

該硬件控制系統(tǒng)以松下FP-X-C60T為主機，以 FP-XE30T及FP-X-C14T為擴展模塊。PC的主要作用是程序的編寫、下載和調(diào)試。通過接口與PLC連接，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)訪問。HMI(觸摸屏)作為人機界面，通過RS232串口與PLC通信，其功能是像PLC發(fā)出運動控制指令、監(jiān)控PLC及設備相關狀態(tài)參數(shù)。

圖5 蜂窩組裝設備示意圖

3.3.2 軟件控制系統(tǒng)的設計

蜂窩芯組裝設備的控制流程如圖6所示，程序主要分為手動模式，自動模式，程序的編寫采用PLC梯形圖的形式。根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求，以工藝流程為向?qū)?，依?jù)各種變量的邏輯關系在FPWIN-GR環(huán)境下編制相應的PLC程序。

圖6 設備控制流程

4 結(jié)束語

本文通過深入分析現(xiàn)有鋁蜂窩材料的成形工藝，提出應用成形法的制造工藝，在此基礎上以工藝為向?qū)В瑢C械結(jié)構(gòu)進行了基于模塊化的結(jié)構(gòu)設計，并輔以相應的控制系統(tǒng)設計，通過相應實驗驗證得出所研制的組裝設備成形的蜂窩材料強度高、一致性好，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。

［1］ 尹漢鋒，文桂林.蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖裝置的優(yōu)化設計［J］.中國機械工程，2011，22(10):1155 －1158.

［2］ 王曉光.大型鋁蜂窩部件工藝質(zhì)量控制［J］.航天工藝，1994(4):52－54.

［3］ 羅昌杰.腿式著陸緩沖器的理論模型及優(yōu)化設計研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2009.

［4］ 郭忠信.鋁合金結(jié)構(gòu)膠接［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1992.

［5］ 廖林清，王化培.機械設計方法學［M］.重慶:重慶大學出版社，2000.

［6］ 吳建強.可編程控制器原理及其應用［M］.北京:高等教育出版社，2009.

(責任編輯楊繼森)