譚 駿 朱元慶 王德龍

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900 )

自由曲面在航空航天、模具、船舶等許多工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，其曲面檢測一般是通過坐標(biāo)測量的方式從實際曲面獲得離散的點集來實現(xiàn)[1]。通過對離散點集進行擬合，可以得到用于評價被測空間曲面輪廓相對理想曲面輪廓符合程度的曲面輪廓度[2]。

測量夾具是保證坐標(biāo)測量精度和提升測量效率的重要工具，在許多場合都有著廣泛的應(yīng)用[3-4]，合適的夾具能極大簡化測量操作以及降低出錯風(fēng)險。某盤型工件批量大，加工要求高，其內(nèi)外自由曲面是衡量加工質(zhì)量的重要指標(biāo)。當(dāng)前，該工件的檢測是通過人工采用氣吸的方式進行定位夾緊以滿足測量需求，操作耗時且自動化程度低，隨著任務(wù)量增多已難以滿足車間的批量檢測需求。針對該工件的檢測特點，設(shè)計了一款專用的自動化檢測夾具，通過將該夾具與機械臂、坐標(biāo)測量機配合，可實現(xiàn)工件的自動上下料及檢測。

1 盤型工件內(nèi)外自由曲面自動測量方案設(shè)計

圖1是現(xiàn)有的檢測工裝，氣吸環(huán)槽和輔助銷、定位銷設(shè)計可實現(xiàn)工件的定位夾緊，夾緊力由工裝連接的負壓氣源提供，工件圓形法蘭端面作為氣吸端面。工裝的U型槽設(shè)計可保證坐標(biāo)測量機的測針順利通過，實現(xiàn)對盤型工件內(nèi)外曲面的一次裝夾測量?，F(xiàn)有工裝由人工進行取放料和氣吸夾緊，改進的測量方案擬對現(xiàn)有工裝重新進行結(jié)構(gòu)設(shè)計以實現(xiàn)該工件的自動上下料，工件的定位固定方式沿用現(xiàn)有工裝的設(shè)計思想。

1.1 工件自動上下料方案設(shè)計

工件的自動上下料操作由機械臂完成，若工裝如圖1所示保持直立姿態(tài)，則機械臂在上下料時就必須要求有非常高的定位精度，且需要完成取料、旋轉(zhuǎn)到放料姿態(tài)、放料、收回等多個機械動作，實現(xiàn)成本高且操作困難，細微的差異就可能導(dǎo)致機械臂與工裝的碰撞干涉。因此，本測量方案采用放料時平放工裝，測量時直立工裝的設(shè)計，平放和直立姿態(tài)的切換由氣動轉(zhuǎn)臺完成，具體放料動作示意如圖2所示。

該方案設(shè)計的亮點在于降低了對機械臂上下料的操作要求，上料操作時，機械臂只需要將工件大致移動至工件放置區(qū)，后續(xù)工件的準確定位由直推氣缸配合兩組導(dǎo)向和定位銷釘實現(xiàn)，操作簡便且實現(xiàn)難度低。工件由直推氣缸推至定位固定區(qū)后，工裝負壓氣源開啟，完成工件的氣吸固定。直推氣缸的頭部粘有發(fā)泡膠墊片以避免推力過大，氣缸頭損傷產(chǎn)品。此外，夾具內(nèi)置的節(jié)流閥可以對直推氣缸的推出速度進行調(diào)節(jié)，防止推出過快撞傷產(chǎn)品。

1.2 工裝自動回轉(zhuǎn)方案設(shè)計

對工裝進行三維建模和結(jié)構(gòu)改進，得到的工裝回轉(zhuǎn)方案示意如圖3所示。為了保證回轉(zhuǎn)所需的扭矩足夠小，工裝外形及回轉(zhuǎn)軸線的位置選取充分考慮了工裝自身的重量分布并做了局部減重設(shè)計，盡可能保證回轉(zhuǎn)軸線經(jīng)過工裝重心。工裝自動翻轉(zhuǎn)的動作通過氣動轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)，氣動轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)則受PLC和電磁閥控制。

2 自動化夾具總體設(shè)計

2.1 夾具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

對上述測量方案進行具體實現(xiàn)，獲得的自動化夾具整體三維結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

整個夾具的動作通過氣源驅(qū)動，主要包括：工裝主體的回轉(zhuǎn)運動、直推氣缸的伸縮運動以及工裝對工件的吸緊和放松。各運動狀態(tài)的切換通過內(nèi)置于夾具的3個2位5通電磁閥進行控制，其中氣動轉(zhuǎn)臺采用雙電控電磁閥，提供掉電后的自鎖保護，防止工裝主體與坐標(biāo)測量機測頭發(fā)生碰撞。

2.2 夾具電氣布局方案設(shè)計

為實現(xiàn)夾具預(yù)期的各項自動化動作，夾具內(nèi)部布置了兩位五通電磁閥、真空發(fā)生器等器件并配備有相應(yīng)氣路，對內(nèi)部氣路布局進行合理規(guī)劃可以簡化夾具的裝配操作，降低裝配和維護難度。

用于控制氣路轉(zhuǎn)換的3個2位5通電磁閥安裝于夾具底部，電磁閥所需的電源通過預(yù)置的電路接口與外部電源連通。電磁閥上部放置了一個用于產(chǎn)生負壓的真空發(fā)生器，將真空發(fā)生器布置在夾具內(nèi)部主要出于兩方面的考慮：

(1)實際使用時，外部氣源距離夾具較遠，若真空發(fā)生器布置在外部，因距離產(chǎn)生的氣壓損失會導(dǎo)致產(chǎn)品吸不住。

(2)因距離較遠導(dǎo)致的氣路過長會使夾具的各器件動作產(chǎn)生延遲，嚴重影響夾具各器件的動作節(jié)拍，不利于夾具的自動化應(yīng)用。

本夾具電氣布局設(shè)計的一大亮點是將氣路盡可能地內(nèi)嵌于結(jié)構(gòu)件中，可以極大減少氣路轉(zhuǎn)接工作量和降低實際裝配時的復(fù)雜程度。內(nèi)嵌式氣路布局如圖5所示。

從圖5中可以看出，通過對夾具部分結(jié)構(gòu)件進行氣路鉆孔加工，可省略部分氣管安裝和轉(zhuǎn)接的操作，簡化了氣路布局和裝配難度。

2.3 夾具底座安裝柔性化設(shè)計

坐標(biāo)測量機的大理石平臺上預(yù)留有用于測量夾具固定的安裝孔，而不同型號坐標(biāo)測量機的安裝孔孔位布置和孔徑是不同的，為滿足本夾具在不同型號坐標(biāo)測量機上的安裝需求，對夾具底座的安裝孔位進行了柔性化設(shè)計。

目前常用的坐標(biāo)測量機，其大理石平臺安裝孔布局一般有100 mm×200 mm，200 mm×200 mm和250 mm×250 mm等。在盡量保證夾具整體外形尺寸小巧和簡約設(shè)計的前提下，對夾具底座安裝孔布局進行了優(yōu)化設(shè)計。底座上3種預(yù)留安裝孔設(shè)計可以滿足包括CONTURA、DuraMAX和力德、思瑞、航銳思維等在內(nèi)的各種型號坐標(biāo)測量機的安裝需求。

2.4 夾具防干涉碰撞測量裝配仿真

夾具設(shè)計的另一重點是避免測量過程中的干涉碰撞，因自動化夾具工作時無人值守，一旦發(fā)生碰撞導(dǎo)致設(shè)備停機，輕則影響生產(chǎn)檢測效率，重則導(dǎo)致檢測設(shè)備損壞，因此需要對夾具工作狀態(tài)下的干涉碰撞進行仿真和預(yù)消除。

選取雷尼紹TP200測頭和φ3 mm×100 mm測針作為仿真對象，并建立測針和測頭的三維模型，分別在各測量極限位置裝配測針和測頭，評估夾具實際工作時的碰撞風(fēng)險。

根據(jù)該產(chǎn)品的實際檢測要求，模擬的4類極限位置如圖6所示，仿真裝配的目的就是保證測頭和測針在這4類極限位置不與夾具和產(chǎn)品發(fā)生干涉碰撞，從圖中可以看出，坐標(biāo)測量機在極限位置測量時能夠避讓夾具，不會產(chǎn)生碰撞。

3 自動化夾具實物裝配及功能驗證

根據(jù)三維模型設(shè)計制造的自動化夾具實物裝配圖如圖7所示，定位和導(dǎo)向銷釘選用尼龍材質(zhì)以防止工件碰傷，夾具正常工作所需的氣路和電路均內(nèi)置在夾具內(nèi)部。夾具側(cè)板上預(yù)留有與外部連接的電路接口，用于控制負責(zé)氣路轉(zhuǎn)換的電磁閥及應(yīng)對可能的功能擴展對接口的需求。電路接口實物圖如圖8a圖所示。

整個自動化夾具內(nèi)部所需的氣源均通過圖8b圖所示的氣源接口輸入，在夾具內(nèi)部再細分至各個功能器件，降低了自動化夾具對外部氣源供應(yīng)路數(shù)的要求。對自動化夾具接通電源、氣源進行功能驗證，實驗結(jié)果證明該自動化夾具能滿足預(yù)期的功能要求，各功能部件能夠按照固定節(jié)拍執(zhí)行相應(yīng)動作。下一步計劃將該自動化夾具與即將完成采購的自動化檢測單元(含坐標(biāo)測量機、機械臂、儲料架等)進行集成，以期實現(xiàn)該盤型工件內(nèi)外自由曲面的批量自動化檢測。

4 結(jié)語

本文以實際生產(chǎn)中某盤型工件的內(nèi)外自由曲面測量需求為牽引，以實現(xiàn)該工件自動化檢測為目標(biāo)，設(shè)計了一款專用的自動化夾具。經(jīng)實際功能測試，證明該自動化夾具能夠?qū)崿F(xiàn)盤型工件內(nèi)外自由曲面的一次裝夾檢測。通過將該夾具與自動化檢測單元集成，可以實現(xiàn)該種工件的批量自動化檢測，對推進車間現(xiàn)場檢測的自動化、無人化具有促進作用。