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摘要：本文基于蒙皮钣金工件曲面复杂、种类繁多、刚性差、精度要求高等加工难点，以吸盘式柔性夹持技术研究项目为背景，提出了一套针对蒙皮钣金工件铣切加工的工装设计方案，该柔性工装可以替代原有刚性固定工装，实现对蒙皮钣金工件的柔性装夹。
关键词：蒙皮钣金工件；柔性工装；真空万向吸盘
1.引言
蒙皮是气动外形的关键组成部分，有形状复杂、种类繁多、曲率变化大、尺寸变化大、刚性差、生产批量小等加工难点。在飞机蒙皮制造过程中，需对蒙皮毛坯进行净边铣切、预制铆钉孔等二次加工。我国各大航空集团、汽车制造企业主要采用模线样板与标准样件等传统的模拟加工方法，而加工中使用的辅助刚性工装属专用工装，一套工装只能对应一种工件。存在制造周期长，投入成本大，适应性差，占用资源多等缺陷，很大程度上影响了蒙皮加工的总效率。因此，蒙皮钣金工件的工装设计成为整机数字化制造、装配的瓶颈。
为实现钣金件的快速装夹，波音公司及空客公司现阶段使用多点柔性工装，其中由西班牙M-TORRES公司生产制造的多点柔性工装覆盖面较广，主要用于蒙皮薄壁板高速切边和钻铣等加工。该工装又称TORRESMILL和TORRESTOOL系统，可以满足各种型号飞机钣金件的加工制造，其通用性较强，具有全面推广的趋势。但国内至今尚无生产此类工装的专业化厂家。只有中航工业北京航空制造工程研究所正在研制此类产品，但目前还仅仅处在科研样机阶段，设计的成熟度和制造的稳定性方面仍与国外同类产品有一定差距。
基于以上原因，笔者在原有国内外的研究基础上，对薄壁类零件的类型和加工难点进行分析，提出了蒙皮的数字化柔性工装设计：以产品数字化为基础的一套制造辅助工装——辅助工装能够完成二个或二个以上系列产品的工装，实现专用工装的多途任务，提高产品的制造速度和质量，缩短产品辅助工装的设计和制造周期。柔性工装可以实现大尺寸三维蒙皮工件的柔性支撑与定位，一套柔性工装可以代替无数套固定工装，大幅度减少专用工装和夹具数量，解决原有刚性工装夹紧力分布不均、工件变形大、加工精度低的问题。该工装可广泛应用于飞机、汽车等制造行业中蒙皮钣金类与壁板类工件测量、裁边、钻孔、铣切操作时的支撑与定位，是大型蒙皮钣金工件制造数字化的一种趋势。
2.设计原理
吸盘式柔性工装由多点阵真空吸盘组成。在工件定位过程中，首先利用工装上的两个定位销进行定位，然后在控制程序中根据工件的扫描尺寸，建立三维数模，并根据数模对吸盘进行仿形三维排列，生成与蒙皮工件表面完全符合且分布均匀的夹持点阵，从而达到均匀并且牢固的夹持工件。当加工另外一组尺寸形状不同的工件时，可以根据工件形状对点阵重新自动调整，从而适应不同的蒙皮工件外形。在夹紧过程中，该工装通过真空吸附装置驱动真空吸盘有效吸附蒙皮工件，调节装夹压力值，最终形成柔性夹持工装定位。
3.工装结构设计
吸盘式柔性工装结构如图1所示，该套工装主要包括支架床身（该床身通过底座坐落于地面基础中）、5套移动横梁、35套Y、Z方向可数控调整的可调立柱、以及35个可以在空间转动45°的真空吸盘、真空吸附系统等。其中，支架床身由本体、齿条、线性滑轨等组成，长度达到8000mm；5套可移动横梁分别由交流伺服电机驱动，用双齿条保证横梁同步，左右各一条线性滑轨导向，并分别设置左右限位开关、零点开关及机械限位，可调立柱由真空吸盘、直线轴承、调形机构、线性滑轨组成，其Y向移动由伺服电机加减速器驱动，传动方式为齿轮齿条，Z向移动由伺服电机驱动，Y、Z方向分别安装限位开关及零点开关，运动系统在X、Y、Z的最大设计工作范围为7000mm×4000mm×1800mm，各方向的设计精度为：X、Y、Z坐标的直线定位精度≤±0.1mm，重复定位精度≤±0.05mm，可满足现有蒙皮工件的加工要求。
4.关键结构件设计
4.1.底座设计
底座是整套工装的基体部分，底座与地基连接是整个工装的基础，其刚性是决定工装精度的先决条件。考虑到在蒙皮加工中精度要求较高，安装时在X方向留出足够的调整余量，因此底座设计成可以对各个方向进行调整的分体式，根据常见蒙皮尺寸，确定X向长度为7000mm。底座在保证变形精度符合要求的同时，还要保证在其上运动横梁的运动精度，综合各种情况考虑，选用直线导轨副的运动形式，这样既可以保证底座的支撑刚度，又兼顾了横梁运动时的直线及垂直精度要求。
在分析夹持过程中发现，横梁的相对中心位置时受到的刚性变形最大。同时在保证强度、刚度及变形量的基础上，还需尽量减少底座结构中焊缝数量，保证底座尺寸，并在此基础上对工艺孔、减轻孔进行优化，尽量减轻底座重量减少装配、调试工作量。所以选择由钢板焊接的框架形式，由上下平板，左右侧立板，筋板组成，整体结构为焊接结构，横梁与底座由导轨滑块连接。材料选择Q235A钢板，通过时效处理、粗精加工而成。
4.2.移动横梁设计
移动横梁作为整套工装夹持机构的导向部分，放置在底座的导轨上，用来实现导向钉柱在X向移动并支撑钉柱。共有5个移动横梁坐落在底座上，由于移动横梁在底座上移动的运动精度、定位精度及重复定位精度要求较高，因此选用伺服电機驱动，齿轮齿条传动，直线导轨副运动的形式，可满足在Y向上，工装的精度及移动要求。直线导轨副中的直线导轨安装在底座导轨上，滑块通过调整垫板与移动横梁进行连接。其主体结构仍采用焊接结构件的形式，由若干个Q235板料焊接而成，通过加热时效处理，经过粗精加工的方式保证其质量及精度符合要求，结构如图2所示。
4.3.钉柱设计
钉柱是真空吸盘的支撑部件，由于防尘等需要设计成箱体结构。每个移动横梁上放置7个钉柱，可根蒙皮形状自适应排列，并可根据蒙皮特殊位置进行人工干预调整，达到装夹的要求。钉柱安装在横梁上，随横梁进行移动，钉柱箱体中放置两台伺服电机，驱动钉柱沿横梁进行水平及沿垂直移动。为确保加工零件精度，该柔性夹持工装对运动精度、定位精度及重复定位精度要求较高，因此横梁、钉柱等结构均采用伺服电机驱动，并通过齿轮齿条及直线导轨副传动，在确保驱动转矩的同时，消除反向误差，保证运动精度。伺服电机通过精密滚珠丝杠，推动钉柱顶端吸盘，可实现高速进给和低速微调。钉柱内部上端安装直线轴承，下端安装滚珠丝杠座，既可以保证垂直方向的各种精度要求，又便于安装调试，钉柱结构如图3所示。 4.4.万向吸盘设计
万向吸盘安装在钉柱的最上端，是工装的夹紧终端执行机构，它通过真空负压实现对蒙皮工件的吸附夹紧，要求万向吸盘应具有良好的气密性，以保证吸盘与蒙皮工件中真空室的形成。为保证吸盘能够任意贴合工件曲面，要求吸盘具有万向转动能力，可以满足吸盘能够在一定范围内自动适应蒙皮工件的空间三维曲率变化，吸盘方向回转的角度一般设计在45°左右，且能够保证吸盘定位中心点位置不变，以保证零件表面轮廓的准确定位。同时，万向吸盘还应该易于与钉柱组装，不同吸盘直径的夹持单元应该具有互换性。其结构如图4所示，万向吸盘的转动关键部分由三层半球形球面叠放而成，各球面实体及空心球实体共同对应一个中心角，该种万向吸盘关节结构在几何结构上可以满足吸盘吸附工件时的万向转动能力的需求，对应不同尺寸工件时，可以采用不同规格尺寸的吸盘，其结构如图4所示。
4.5.真空吸附系统设计
真空系统是用来抽取吸盘与蒙皮间空气，从而产生负压吸附蒙皮，使蒙皮在銑削过程之中夹持工件的作用，其组成结构为：真空吸盘、过滤器、防脱落阀、一分七阀块板、电磁换向阀、一分五阀块板、真空发生系统等元器件组成。
真空系统通过置于钉柱内部的管路与吸盘连接。吸盘装有过滤杂物的过滤装置，防止钉柱内部的管路堵塞。在吸盘管路中安装压力传感器，检测吸盘的真空压力，压力低于设定值应立即报警。每一个真空吸盘的管路应配有一个电磁阀，根据需要控制该路真空的通断。吸盘和管路应可靠密封，以确保在铣削加工中，吸盘可靠吸附工件，既达到刚性工装的装夹刚度，又可达到均匀施加夹紧力，使工件减小变形，提升加工精度。
5.结论
本文介绍了吸盘式柔性工裝中主要机械结构的设计方案，并重点介绍了底座、横梁、钉柱、万向吸盘及真空吸附系统的结构及组成，以上重要部件均运用CATIAV5 ANSYS模块进行了刚度、强度及变形量计算和校核，经校核该套柔性工装可以适应现有大部分蒙皮工件的工装要求。利用三维模型建立及分析软件，节省了大量计算及校核时间，极大的提高了设计效率。经实测，经过吸盘式柔性工装加工的蒙皮工件与原有模胎加工的蒙皮工件经过对比后发现，其工装预备时间与工装加工精度在一定程度上得以提升。
吸盘式柔性工装实现了大尺寸空间曲率变化三维蒙皮钣金工件的柔性支撑与定位，因柔性工装属于可调式专用夹具，一套柔性工装通过对吸盘分布的调整可代替数套通用工装，用于适应不同几何形状蒙皮钣金工件的铣切操作，大幅度减少专用工装和夹具数量，降低工装辅助时间，节省制造成本与工装库存。作为蒙皮钣金类与薄壁类工件数字化制造技术之一，柔性工装在数字化制造过程中，解决了各种曲面零件测量、裁边、钻孔、铣切操作时支撑与定位的数字化，解决了我国机械制造行业中夹具品种多、数量大、协调关系复杂、生产准备周期长、精度质量差等重大瓶颈问题，可以大幅缩短零件研制周期，减低研制成本，显著提高大型薄壁构件的制造效率和准确度，提高快速响应能力，缩短制造周期。该项技术已经成为国内蒙皮钣金工件制造数字化的一种趋势。该设备与国外同类设备相比较，价格优势明显，仅为国外相同规格设备价格的三分之一左右，具有很好的经济前景。
参考文献
[1]李东升.胡福文等.基于可重构柔性工装夹持的蒙皮数控切边关键技术及发展[J].航空制造技术，2009（23），26-29.
[2]房泽鲁.汤军社.赵慧凯.多点定位柔性夹具的结构设计[J].中国制造业信息化，2010（13），31-34.
[3]陈昌伟.胡国青.张冬至.飞机数字化柔性工装技术研究[J].中国制造业信息化，2009，38（9）.
[4]杨黎明.机电一体化系统设计手册[M].国防工业出版社，1997.
关键词：蒙皮钣金工件；柔性工装；真空万向吸盘
1.引言
蒙皮是气动外形的关键组成部分，有形状复杂、种类繁多、曲率变化大、尺寸变化大、刚性差、生产批量小等加工难点。在飞机蒙皮制造过程中，需对蒙皮毛坯进行净边铣切、预制铆钉孔等二次加工。我国各大航空集团、汽车制造企业主要采用模线样板与标准样件等传统的模拟加工方法，而加工中使用的辅助刚性工装属专用工装，一套工装只能对应一种工件。存在制造周期长，投入成本大，适应性差，占用资源多等缺陷，很大程度上影响了蒙皮加工的总效率。因此，蒙皮钣金工件的工装设计成为整机数字化制造、装配的瓶颈。
为实现钣金件的快速装夹，波音公司及空客公司现阶段使用多点柔性工装，其中由西班牙M-TORRES公司生产制造的多点柔性工装覆盖面较广，主要用于蒙皮薄壁板高速切边和钻铣等加工。该工装又称TORRESMILL和TORRESTOOL系统，可以满足各种型号飞机钣金件的加工制造，其通用性较强，具有全面推广的趋势。但国内至今尚无生产此类工装的专业化厂家。只有中航工业北京航空制造工程研究所正在研制此类产品，但目前还仅仅处在科研样机阶段，设计的成熟度和制造的稳定性方面仍与国外同类产品有一定差距。
基于以上原因，笔者在原有国内外的研究基础上，对薄壁类零件的类型和加工难点进行分析，提出了蒙皮的数字化柔性工装设计：以产品数字化为基础的一套制造辅助工装——辅助工装能够完成二个或二个以上系列产品的工装，实现专用工装的多途任务，提高产品的制造速度和质量，缩短产品辅助工装的设计和制造周期。柔性工装可以实现大尺寸三维蒙皮工件的柔性支撑与定位，一套柔性工装可以代替无数套固定工装，大幅度减少专用工装和夹具数量，解决原有刚性工装夹紧力分布不均、工件变形大、加工精度低的问题。该工装可广泛应用于飞机、汽车等制造行业中蒙皮钣金类与壁板类工件测量、裁边、钻孔、铣切操作时的支撑与定位，是大型蒙皮钣金工件制造数字化的一种趋势。
2.设计原理
吸盘式柔性工装由多点阵真空吸盘组成。在工件定位过程中，首先利用工装上的两个定位销进行定位，然后在控制程序中根据工件的扫描尺寸，建立三维数模，并根据数模对吸盘进行仿形三维排列，生成与蒙皮工件表面完全符合且分布均匀的夹持点阵，从而达到均匀并且牢固的夹持工件。当加工另外一组尺寸形状不同的工件时，可以根据工件形状对点阵重新自动调整，从而适应不同的蒙皮工件外形。在夹紧过程中，该工装通过真空吸附装置驱动真空吸盘有效吸附蒙皮工件，调节装夹压力值，最终形成柔性夹持工装定位。
3.工装结构设计
吸盘式柔性工装结构如图1所示，该套工装主要包括支架床身（该床身通过底座坐落于地面基础中）、5套移动横梁、35套Y、Z方向可数控调整的可调立柱、以及35个可以在空间转动45°的真空吸盘、真空吸附系统等。其中，支架床身由本体、齿条、线性滑轨等组成，长度达到8000mm；5套可移动横梁分别由交流伺服电机驱动，用双齿条保证横梁同步，左右各一条线性滑轨导向，并分别设置左右限位开关、零点开关及机械限位，可调立柱由真空吸盘、直线轴承、调形机构、线性滑轨组成，其Y向移动由伺服电机加减速器驱动，传动方式为齿轮齿条，Z向移动由伺服电机驱动，Y、Z方向分别安装限位开关及零点开关，运动系统在X、Y、Z的最大设计工作范围为7000mm×4000mm×1800mm，各方向的设计精度为：X、Y、Z坐标的直线定位精度≤±0.1mm，重复定位精度≤±0.05mm，可满足现有蒙皮工件的加工要求。
4.关键结构件设计
4.1.底座设计
底座是整套工装的基体部分，底座与地基连接是整个工装的基础，其刚性是决定工装精度的先决条件。考虑到在蒙皮加工中精度要求较高，安装时在X方向留出足够的调整余量，因此底座设计成可以对各个方向进行调整的分体式，根据常见蒙皮尺寸，确定X向长度为7000mm。底座在保证变形精度符合要求的同时，还要保证在其上运动横梁的运动精度，综合各种情况考虑，选用直线导轨副的运动形式，这样既可以保证底座的支撑刚度，又兼顾了横梁运动时的直线及垂直精度要求。
在分析夹持过程中发现，横梁的相对中心位置时受到的刚性变形最大。同时在保证强度、刚度及变形量的基础上，还需尽量减少底座结构中焊缝数量，保证底座尺寸，并在此基础上对工艺孔、减轻孔进行优化，尽量减轻底座重量减少装配、调试工作量。所以选择由钢板焊接的框架形式，由上下平板，左右侧立板，筋板组成，整体结构为焊接结构，横梁与底座由导轨滑块连接。材料选择Q235A钢板，通过时效处理、粗精加工而成。
4.2.移动横梁设计
移动横梁作为整套工装夹持机构的导向部分，放置在底座的导轨上，用来实现导向钉柱在X向移动并支撑钉柱。共有5个移动横梁坐落在底座上，由于移动横梁在底座上移动的运动精度、定位精度及重复定位精度要求较高，因此选用伺服电機驱动，齿轮齿条传动，直线导轨副运动的形式，可满足在Y向上，工装的精度及移动要求。直线导轨副中的直线导轨安装在底座导轨上，滑块通过调整垫板与移动横梁进行连接。其主体结构仍采用焊接结构件的形式，由若干个Q235板料焊接而成，通过加热时效处理，经过粗精加工的方式保证其质量及精度符合要求，结构如图2所示。
4.3.钉柱设计
钉柱是真空吸盘的支撑部件，由于防尘等需要设计成箱体结构。每个移动横梁上放置7个钉柱，可根蒙皮形状自适应排列，并可根据蒙皮特殊位置进行人工干预调整，达到装夹的要求。钉柱安装在横梁上，随横梁进行移动，钉柱箱体中放置两台伺服电机，驱动钉柱沿横梁进行水平及沿垂直移动。为确保加工零件精度，该柔性夹持工装对运动精度、定位精度及重复定位精度要求较高，因此横梁、钉柱等结构均采用伺服电机驱动，并通过齿轮齿条及直线导轨副传动，在确保驱动转矩的同时，消除反向误差，保证运动精度。伺服电机通过精密滚珠丝杠，推动钉柱顶端吸盘，可实现高速进给和低速微调。钉柱内部上端安装直线轴承，下端安装滚珠丝杠座，既可以保证垂直方向的各种精度要求，又便于安装调试，钉柱结构如图3所示。 4.4.万向吸盘设计
万向吸盘安装在钉柱的最上端，是工装的夹紧终端执行机构，它通过真空负压实现对蒙皮工件的吸附夹紧，要求万向吸盘应具有良好的气密性，以保证吸盘与蒙皮工件中真空室的形成。为保证吸盘能够任意贴合工件曲面，要求吸盘具有万向转动能力，可以满足吸盘能够在一定范围内自动适应蒙皮工件的空间三维曲率变化，吸盘方向回转的角度一般设计在45°左右，且能够保证吸盘定位中心点位置不变，以保证零件表面轮廓的准确定位。同时，万向吸盘还应该易于与钉柱组装，不同吸盘直径的夹持单元应该具有互换性。其结构如图4所示，万向吸盘的转动关键部分由三层半球形球面叠放而成，各球面实体及空心球实体共同对应一个中心角，该种万向吸盘关节结构在几何结构上可以满足吸盘吸附工件时的万向转动能力的需求，对应不同尺寸工件时，可以采用不同规格尺寸的吸盘，其结构如图4所示。
4.5.真空吸附系统设计
真空系统是用来抽取吸盘与蒙皮间空气，从而产生负压吸附蒙皮，使蒙皮在銑削过程之中夹持工件的作用，其组成结构为：真空吸盘、过滤器、防脱落阀、一分七阀块板、电磁换向阀、一分五阀块板、真空发生系统等元器件组成。
真空系统通过置于钉柱内部的管路与吸盘连接。吸盘装有过滤杂物的过滤装置，防止钉柱内部的管路堵塞。在吸盘管路中安装压力传感器，检测吸盘的真空压力，压力低于设定值应立即报警。每一个真空吸盘的管路应配有一个电磁阀，根据需要控制该路真空的通断。吸盘和管路应可靠密封，以确保在铣削加工中，吸盘可靠吸附工件，既达到刚性工装的装夹刚度，又可达到均匀施加夹紧力，使工件减小变形，提升加工精度。
5.结论
本文介绍了吸盘式柔性工裝中主要机械结构的设计方案，并重点介绍了底座、横梁、钉柱、万向吸盘及真空吸附系统的结构及组成，以上重要部件均运用CATIAV5 ANSYS模块进行了刚度、强度及变形量计算和校核，经校核该套柔性工装可以适应现有大部分蒙皮工件的工装要求。利用三维模型建立及分析软件，节省了大量计算及校核时间，极大的提高了设计效率。经实测，经过吸盘式柔性工装加工的蒙皮工件与原有模胎加工的蒙皮工件经过对比后发现，其工装预备时间与工装加工精度在一定程度上得以提升。
吸盘式柔性工装实现了大尺寸空间曲率变化三维蒙皮钣金工件的柔性支撑与定位，因柔性工装属于可调式专用夹具，一套柔性工装通过对吸盘分布的调整可代替数套通用工装，用于适应不同几何形状蒙皮钣金工件的铣切操作，大幅度减少专用工装和夹具数量，降低工装辅助时间，节省制造成本与工装库存。作为蒙皮钣金类与薄壁类工件数字化制造技术之一，柔性工装在数字化制造过程中，解决了各种曲面零件测量、裁边、钻孔、铣切操作时支撑与定位的数字化，解决了我国机械制造行业中夹具品种多、数量大、协调关系复杂、生产准备周期长、精度质量差等重大瓶颈问题，可以大幅缩短零件研制周期，减低研制成本，显著提高大型薄壁构件的制造效率和准确度，提高快速响应能力，缩短制造周期。该项技术已经成为国内蒙皮钣金工件制造数字化的一种趋势。该设备与国外同类设备相比较，价格优势明显，仅为国外相同规格设备价格的三分之一左右，具有很好的经济前景。
参考文献
[1]李东升.胡福文等.基于可重构柔性工装夹持的蒙皮数控切边关键技术及发展[J].航空制造技术，2009（23），26-29.
[2]房泽鲁.汤军社.赵慧凯.多点定位柔性夹具的结构设计[J].中国制造业信息化，2010（13），31-34.
[3]陈昌伟.胡国青.张冬至.飞机数字化柔性工装技术研究[J].中国制造业信息化，2009，38（9）.
[4]杨黎明.机电一体化系统设计手册[M].国防工业出版社，1997.