陳李學(xué)

摘 要：飛機(jī)鈑金件在數(shù)字化檢測(cè)中，依靠固持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鈑金件的支撐、固定與定位。本文根據(jù)飛機(jī)鈑金件特征提出一套完整的固持系統(tǒng)方案，包括基于檢驗(yàn)?zāi)５墓坛旨夹g(shù)、基于三維組合夾具的固持技術(shù)、基于三維柔性托板的固持技術(shù)和基于多點(diǎn)吸附裝置的固持技術(shù)，可滿足飛機(jī)各類(lèi)鈑金件的數(shù)字化測(cè)量需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化檢測(cè) 固持系統(tǒng) 飛機(jī)鈑金

中圖分類(lèi)號(hào)：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）07（b）-0071-04

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的快速發(fā)展和裝備安全性、可靠性要求的日益提高，對(duì)飛機(jī)鈑金件的檢測(cè)精度提出了更為嚴(yán)格的要求。以三維模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，成為提升裝備制造精度與效率的關(guān)鍵[1]。鈑金零件的檢測(cè)技術(shù)是航天航空制造過(guò)程的重要構(gòu)成部分，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)特性的一項(xiàng)主要技術(shù)。飛機(jī)鈑金零件的品種、尺寸、大小、批量各異，通常具有剛性弱、尺寸跨度大、回彈現(xiàn)象顯著等特點(diǎn)，在鈑金件數(shù)字化檢測(cè)時(shí)，需要根據(jù)鈑金件結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)固持系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)鈑金件在數(shù)字化測(cè)量中的支撐、固定與定位。為了滿足飛機(jī)上各類(lèi)鈑金件的檢測(cè)需求，本文結(jié)合飛機(jī)鈑金件的特征提出一套完整的固持系統(tǒng)方案，并給出各種固持技術(shù)的適用范圍和技術(shù)方案。

1 基于檢驗(yàn)?zāi)５墓坛旨夹g(shù)

檢驗(yàn)?zāi)＜锤鶕?jù)零件的尺寸大小所加工制造出的檢驗(yàn)?zāi)＞?。傳統(tǒng)的鈑金件檢驗(yàn)是將零件固定在檢驗(yàn)?zāi)＞呱?，通過(guò)檢驗(yàn)零件與模具之間的間隙以及對(duì)比零件邊緣與模具上刻線的偏差來(lái)衡量零件是否合格[2]。因此，檢驗(yàn)?zāi)Ｔ诩庸r(shí)通常在上面添加3～4個(gè)加工基準(zhǔn)孔，制孔方法為劃線制孔和數(shù)控加工制孔。而對(duì)于鈑金數(shù)字化測(cè)量，為了保證定位精度，檢驗(yàn)?zāi)５幕鶞?zhǔn)孔和外形必須通過(guò)數(shù)控加工得到。

（1）適用范圍。

在飛機(jī)鈑金數(shù)字化檢測(cè)過(guò)程中，為了保證生產(chǎn)協(xié)調(diào)以及模具運(yùn)輸，對(duì)于尺寸存在著比較嚴(yán)格的要求，較大的零件不適合采用基于檢驗(yàn)?zāi)５臏y(cè)量方式。通常檢驗(yàn)?zāi)５倪m用范圍為：最大尺寸在1000mm以?xún)?nèi)的鈑金液壓件和鈑金蒙皮件（最大尺寸是指三維空間內(nèi)零件上距離最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)的坐標(biāo)相對(duì)值）。

（2）技術(shù)方案。

根據(jù)相應(yīng)的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備以及檢驗(yàn)?zāi)Ｋ鶖y帶的幾何特征，例如定位孔和數(shù)控加工孔等，設(shè)計(jì)了基于檢驗(yàn)?zāi)５拟k金數(shù)字化測(cè)量總體方案，該方案中涉及到激光雷達(dá)、定位銷(xiāo)、沙袋以及檢驗(yàn)?zāi)５龋鐖D1所示。

支撐方法：零件依靠檢驗(yàn)?zāi)Ｖ?，在具體實(shí)施時(shí)，盡量將零件耳片定位孔對(duì)準(zhǔn)模具上定位孔，以便于后續(xù)零件的固定操作。

固定方法：在固定時(shí)，主要依靠定位銷(xiāo)與加沙袋。具體操作時(shí)，根據(jù)檢驗(yàn)?zāi)６ㄎ豢椎某叽缫约皞€(gè)數(shù)選擇相應(yīng)的定位銷(xiāo)種類(lèi)和個(gè)數(shù)，為了避免零件在模具上發(fā)生滑動(dòng)和局部不貼模的現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行完全固定，即在檢驗(yàn)?zāi)Ｋ卸ㄎ豢咨暇惭b定位銷(xiāo)，不留空余。

定位方法（測(cè)量基準(zhǔn)）：在確定測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，主要依靠檢驗(yàn)?zāi)?shù)控加工基準(zhǔn)孔建立測(cè)量場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的定位。模具通常有3～4個(gè)數(shù)控加工孔，直徑尺寸在12～16mm之間，精度等級(jí)通常為H7，可以滿足零件定位的要求。在具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)當(dāng)在數(shù)控加工孔上安裝靶球基座和靶球，通過(guò)測(cè)量靶球的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。

測(cè)量方法：測(cè)量設(shè)備選用激光雷達(dá)。在測(cè)量時(shí)，基于開(kāi)發(fā)的測(cè)量程序，采用交互定位的方法，將激光雷達(dá)的光束引至基準(zhǔn)處所安裝的靶球上，驅(qū)動(dòng)單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量基準(zhǔn)后與理論數(shù)模擬合匹配，完成數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)的構(gòu)建。完成測(cè)量場(chǎng)的構(gòu)建之后，基于開(kāi)發(fā)的測(cè)量程序，導(dǎo)入生成的測(cè)量點(diǎn)的理論值以及自動(dòng)生成的測(cè)量參數(shù)，實(shí)施對(duì)飛機(jī)鈑金型面的自動(dòng)化測(cè)量[3]。

2 基于三維組合夾具的固持技術(shù)

三維組合夾具是由特定標(biāo)準(zhǔn)的夾具的零部件組合而成，可以根據(jù)零件的尺寸和形狀，自由地連接與拆卸，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)鈑金零件的固持[4]。組合夾具主要組成包括基本件、支持件和夾緊件。基礎(chǔ)件上有高精度的陣列式安裝孔，支撐件和夾緊件可以通過(guò)安裝孔固定在基礎(chǔ)件上。支撐件通過(guò)安裝孔固定在預(yù)先設(shè)定好的位置上，搭建出所需的空間，以便于夾緊件的安裝。夾緊件通過(guò)支撐件上面的安裝孔固定在支撐件上面，根據(jù)飛機(jī)鈑金零件的具體大小和形狀，對(duì)零件進(jìn)行固持定位。

（1）適用范圍。

為了便于運(yùn)輸和操作，三維組合夾具的尺寸受到了限制，因此適用于最大尺寸在1000mm以?xún)?nèi)的小型鈑金液壓件和鈑金型材件。

（2）技術(shù)方案。

根據(jù)三維組合夾具所攜帶的組件（支撐件和夾緊件）以及相應(yīng)的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備（測(cè)量關(guān)節(jié)臂），設(shè)計(jì)了基于三維組合夾具的鈑金數(shù)字化測(cè)量總體方案，如圖2所示。

支撐方法：零件依靠組合夾具支撐件支撐，在具體實(shí)施時(shí)，通過(guò)CATIA裝配環(huán)境，根據(jù)零件的外形和尺寸生成能夠貼合零件外形的支撐理論點(diǎn)，基于這些理論點(diǎn)，在組合夾具基礎(chǔ)件的對(duì)應(yīng)位置通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)安裝孔安裝支撐件，隨后在支撐件上放置零件。

固定方法：主要依靠夾緊件與加沙袋固定，根據(jù)零件外形，在距零件邊緣50mm處（組合夾具夾緊件尺寸通常為100mm左右）安裝夾緊件，通過(guò)夾緊件實(shí)現(xiàn)飛機(jī)鈑金零件的固定。

定位方法：型材件在裝配前沒(méi)有定位孔，因此定位方案與小型液壓件不同。小型液壓件：由于液壓件剛性較好，可以在液壓件的耳片上直接安裝靶球基座和靶球，用測(cè)量關(guān)節(jié)臂測(cè)量靶球，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的定位。型材件：由于型材件的特征相對(duì)簡(jiǎn)單，可以直接對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量，然后直接提取檢測(cè)特征。

測(cè)量方法：測(cè)量設(shè)備為關(guān)節(jié)臂。操作時(shí)，采用交互定位的方法，將關(guān)節(jié)臂引至基準(zhǔn)處安裝的靶球上，驅(qū)動(dòng)單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量基準(zhǔn)后與理論數(shù)模擬合匹配，完成數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)的構(gòu)建。完成測(cè)量場(chǎng)的構(gòu)建之后，基于開(kāi)發(fā)的測(cè)量程序，導(dǎo)入生成的測(cè)量點(diǎn)的理論值以及自動(dòng)生成的測(cè)量參數(shù)，實(shí)施對(duì)飛機(jī)鈑金型面的自動(dòng)化測(cè)量。

3 基于三維柔性托板的固持技術(shù)

三維柔性拖板是由支持平臺(tái)、托板和控制平臺(tái)組成，如圖3所示。在數(shù)字化檢測(cè)過(guò)程中，可以根據(jù)零件的尺寸形狀的不同選擇不同的托板[5]。托板上有定位孔，零件通過(guò)定位銷(xiāo)與托板連接，達(dá)到固定零件的目的；在固定好零件之后，可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)將拖板和零件移動(dòng)至指定的位置，實(shí)施對(duì)鈑金零件的數(shù)字化檢測(cè)。

（1）適用范圍。

在基于三維柔性拖板的固持平臺(tái)方案中，由于托板的尺寸可根據(jù)零件自行設(shè)計(jì)，因此適用的零件尺寸較為靈活，通常適用于最大尺寸在1000～2000mm之間中型鈑金件。

（2）技術(shù)方案。

根據(jù)三維柔性托板的結(jié)構(gòu)特征以及數(shù)字化測(cè)量的需求，設(shè)計(jì)基于三維柔性托板的鈑金數(shù)字化總體方案，如圖4所示。

支撐方法：零件依靠柔性托板支撐，實(shí)施時(shí)在CATIA裝配環(huán)境中根據(jù)零件外形和尺寸生成能夠貼合零件外形的三維理論托板，在支撐平臺(tái)上安裝托板，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)托板至指定位置，隨后在托板上放置零件，完成支撐。

固定方法：主要依靠定位銷(xiāo)和加沙袋固定，在每個(gè)托板上開(kāi)2～3個(gè)定位孔，和蒙皮零件上的工程定位孔相一致，通過(guò)定位銷(xiāo)和沙袋可以將零件精準(zhǔn)地固定到三維柔性托板上。

定位方法：主要依靠支撐平臺(tái)數(shù)控加工基準(zhǔn)孔建立測(cè)量場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的定位，在支撐平臺(tái)上設(shè)置3～4個(gè)數(shù)控加工孔，具體實(shí)施時(shí)，在數(shù)控加工孔上安裝靶球基座和靶球，通過(guò)測(cè)量靶球的位置實(shí)現(xiàn)定位。

測(cè)量方法：測(cè)量設(shè)備為激光雷達(dá)，其使用方法同基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)５墓坛旨夹g(shù)。

4 基于多點(diǎn)吸附裝置的鈑金固持方案

多點(diǎn)吸附裝置是由吸盤(pán)結(jié)構(gòu)（升降柱、吸盤(pán)）和控制系統(tǒng)組成。在實(shí)施數(shù)字化測(cè)量時(shí)，可以根據(jù)零件的尺寸形狀選擇相應(yīng)個(gè)數(shù)與位置的吸盤(pán)，調(diào)整升降柱，使吸盤(pán)到達(dá)指定高度，放置零件后對(duì)每個(gè)吸盤(pán)施加吸附力，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的固定[6]。

（1）適用范圍。

在基于多點(diǎn)吸附裝置的固持平臺(tái)方案中，由于吸盤(pán)和升降柱的數(shù)量可根據(jù)零件自行設(shè)計(jì)，因此多點(diǎn)吸附裝置可適用于尺寸在1000mm以上的中、大型鈑金件。

（2）技術(shù)方案。

根據(jù)多點(diǎn)吸附裝置的結(jié)構(gòu)特征以及數(shù)字化測(cè)量需求，設(shè)計(jì)2種基于多點(diǎn)吸附裝置的鈑金數(shù)字化測(cè)量總體方案，分別如圖5和圖6所示。

圖5所示為基于多點(diǎn)吸附裝置和龍門(mén)架的鈑金固持方案，在此方案中，通過(guò)多點(diǎn)吸附裝置固定零件，將激光雷達(dá)的掃描頭固定在龍門(mén)架的滑動(dòng)橫梁上，實(shí)施對(duì)鈑金零件的數(shù)字化檢測(cè)。

圖6所示為基于多點(diǎn)吸附裝置和機(jī)器人的鈑金固持方案，在此方案中，通過(guò)多點(diǎn)吸附裝置固定零件，將激光雷達(dá)的掃描頭固持到機(jī)器人的操作臂上，通過(guò)機(jī)器人操作臂的移動(dòng)，實(shí)施對(duì)鈑金零件的數(shù)字化測(cè)量。

支撐方法與固定方法：主要依靠真空吸盤(pán)對(duì)零件進(jìn)行支撐和固定，對(duì)于每個(gè)零件根據(jù)設(shè)計(jì)給出的要求調(diào)整真空吸盤(pán)的位置和高度，放置零件后施加吸附力，最大不超過(guò)5kg，該方案與傳統(tǒng)的加沙袋類(lèi)似。

定位方法：主要依靠零件耳片定位孔進(jìn)行定位，具體實(shí)施時(shí)直接在零件耳片定位孔上安裝靶球基座和靶球，通過(guò)測(cè)量靶球?qū)崿F(xiàn)定位。

測(cè)量方法：測(cè)量設(shè)備為激光雷達(dá)，其使用方法同基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)５墓坛旨夹g(shù)。

5 對(duì)比分析

4種固持技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表1?；跈z驗(yàn)?zāi)５拟k金固持技術(shù)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在廠房也比較容易搭建。一旦搭建完成固持系統(tǒng)，可以有效地降低檢測(cè)的單件成本；而且基于檢驗(yàn)?zāi)５墓潭ǜ臃€(wěn)定，因此可以大大提高數(shù)字化檢測(cè)的精度；該技術(shù)操作簡(jiǎn)單，可以有效地減少培訓(xùn)的成本和時(shí)間。但一個(gè)檢驗(yàn)?zāi)Ｖ荒軝z驗(yàn)一種零件，會(huì)導(dǎo)致不同尺寸的鈑金件需要不同尺寸的檢驗(yàn)?zāi)?lái)固持?；谌S組合夾具的鈑金固持技術(shù)通用性好，可以用于檢測(cè)多種尺寸的鈑金件，大幅度降低了固持設(shè)備的數(shù)量與占地面積，降低了成本。但是該技術(shù)的夾持空間有限，僅適用于固持小型平面類(lèi)鈑金零件?；谌S柔性拖板的鈑金固持系統(tǒng)可以?shī)A持較大尺寸的零件，操作較為便捷，精度較高但是該技術(shù)成本較高，需要加工出不同尺寸大小的柔性托板以適用于不同尺寸的鈑金件?；诙帱c(diǎn)吸附系統(tǒng)的鈑金固持系統(tǒng)，最大的特點(diǎn)是通用型號(hào)，可以適用于多種尺寸多種形狀的鈑金件，并且能夠保證精度較高。但該技術(shù)的缺點(diǎn)是搭建成本很高，占地面積也比較大，使用之前要進(jìn)行大量的培訓(xùn)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文面向數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了飛機(jī)鈑金件固持方案，包括基于檢驗(yàn)?zāi)５墓坛旨夹g(shù)、基于三維組合夾具的固持技術(shù)、基于三維柔性托板的固持技術(shù)和基于多點(diǎn)吸附裝置的固持技術(shù)，可滿足飛機(jī)各類(lèi)鈑金件的數(shù)字化測(cè)量需求，給出了每種固持技術(shù)的適用范圍和技術(shù)方案，并對(duì)4種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。在開(kāi)展飛機(jī)鈑金件數(shù)字化檢測(cè)時(shí)，需根據(jù)待測(cè)零件的具體大小和形狀來(lái)選擇相應(yīng)的固持技術(shù)。

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