航天典型结构件数控加工高效装夹技术研究

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航天产品具有结构复杂、细长、薄壁、重量轻、强度高等特点旧，针对不同零件的结构形式，需要采用不同装夹方式目。零件加工过程中的装夹-般有四种方式：简单装夹方式、真空吸附方式、内胀式夹持方式和摩擦固持方式 。简单装夹方式较为简单，在生产实际得到广泛应用，但受人为因素影响，夹紧力不容易控制。真空吸附方式比较适用于平面型单面结构、厚度较小的结构件的夹紧，对于厚度较大、带双面结构的结构件的吸附效果较差。对于轴套类零件，常采用内胀式弹性心轴来装夹工件71。对于蜂窝结构零件，目前较多采用双面胶进行固持，该固持方法在现场零件加工中并不十分理想，因此，文献喂 出了基于强磁惩摩擦学原理的蜂窝芯加工固持夹紧方法。目前基于气动原理的装夹方式鲜有文献报道。在借鉴以上四种装夹方式优缺点基础上，对航天产品中具有细长、薄壁结构特点的结构件数控加工的装夹进行了深入研究，设计了基于气动原理的快速装夹系统。

2气动工装设计2.1零件结构特点分析航天产品中典型铝合金零件的截面，如图1所示。该类零件属于典型细长、薄壁、易变形类零件，局部细杏工特征比较多。

零件加工过程存在的主要工艺问题：(1)零件装夹次数多，在进人下-道加工工序之前，需要重新装夹零件，工装多为手工重新搭建，费时费力；(2)装夹方式原始，手工装夹时间长，装夹效率低 ，因为装夹涉及的压板个数多，搭建鹏压板的时间长。

图1典型结构件截面Fig.1 Cross Section of Typical Component2.2气动夹紧力计算为了解决以上零件加工过程手工装夹时间长、效率低等问题，采用基于气动原理的装夹方案。以如图 1所示典型结构件铣削加工为例，首先需要计算气动夹紧力，依此确定气缸数量。加工来稿日期：2012-09-14 作者简介：成群林，(1977-)，男，湖北咸宁人，工学博士，高级工程师，主要研究方向：先进制造技术研究第7期 成群林等：航天典型结构件数控hT-高效装夹技术研究 243该零件采用的切削参数为：切削速度(450-600)m/min，轴向切深(3-10)mm，径向切宽(3-10)mm，转速(6500～9000)r/min，每齿进给量(0.05～0.2)ram。在以上切削参数范围内，铝合金切削力-般在(70 200)N之间，数控车间使用的气压压力为(0.5～0.7)MPa，选择的气缸缸径为50mm，因此可以计算出-个气缸可以提供的有效夹紧力为700N。钢与铝合金的静摩擦系数为0.1，认高的安全系数4，则需要提供的用于抵抗零件移动的总夹紧力如式(1)所示。

F -4x2-00：8000N -0.1由于每个气缸可以提供的夹紧力为 700N，则至少需要气缸12个〖虑到该类零件需要的辅助支撑点较多，-个工装上装夹2个零件，最终采用 18个气缸，满足实际夹紧要求。

2.3气路设计为了确保加工时夹紧可靠、安全，需要设计合理的气路。气路设计原理，如图2所示。分别配有除水过滤器、除油雾过滤器、调压阀、二位五通电磁阀、压力传感器等。除水过滤器、除油雾过滤器对气源进行过滤净化。调压阀可对供气压力进行适当调整。

二位五通电磁阀实现气缸的松开和压紧，共 18个。为了保证安全，采用并行气路设计，相互之间互不影响。在每个气路上均设置有压力传感器，共 18个，可以实时监控每路气的压力情况，当小于设定值时，则发出报警信号。

图 2气路原理设计Fig.2 Principle Design of Gas Path2.4夹紧工装机械结构3 21.固定底板 2.右专用平台 3.左专用平台 4.短臂气缸5.长臂气缸 6.机床工作台图3工装设计原理图Fig.3 Principle Design of Fixture由于细长类零件的手动夹紧方式费时费力，采用气动装夹方式来替代原有装夹方式。气动装夹方式的优点是效率高，同时由于气动装夹的压力均匀，可以减少零件的装夹变形，提高装夹精度以及零件加工尺寸-致性。设计的机械结构，如图 3所示。为组合夹具式设计思路”，固定底板为零件装夹时的共用支撑平台，加工不同零件时不做更换，可更换部分”为个性化定制的专用平台，由于零件尺寸不同，加工时该部分需要更换。设计时充分考虑了实际加工机床的工作台面大小，最终确定的长、宽、高外形尺寸为 1949x585x207，该工装可以实现-次装夹 2个零件 ，因此大大提高了辅助装夹效率。标准的长、短臂气缸利用螺钉安装在左、右专用平台上。利用该工装即可以实现 18个气缸的同步压紧，也可以实现分步压紧，可以根据现场实际需要选择。

3控制系统设计控制系统主要控制工装对零件的夹紧和松开，其原理是通过控制电磁阀的吸合与释放来控制长臂、短臂气缸的动作。同时控制系统还可监测气路的气压是否满足系统要求，系统若出现故障可通过指示灯和扬声器进行报警。该控制系统主要由以下几个部分组成：(1)人机交互界面；(2)DSP控制系统；(3)电磁阀控制电路；(4)气压检测及报警系统；(5)电源系统。系统的组成示意图，如图4所示。

压力采集 气压传感器 18个图4控制系统组成示意图Fig.4 Formation of Control System3.1人机界面功能设计人机界面主要包括按键操作、电磁阀动作指示、压力显示及报警指示等部分。

3.1.1按键设计S1-S18按键：分别控制 1-18号电磁阀的吸合与释放，按键采用保持按键，当某个按键按下时对应的电磁阀吸合，从而控制对应的气缸动作；当某个按键释放时，对应的电磁阀释放。

S闭合与S断开按键：用于整体控制，当 S闭合按键按下时，1-18号电磁阀全都吸合；当S断开按键按下时，1-18号电磁阀全都释放。

SET键：当按键操作完毕时，按下该键方可进行加工，同时使S1-S18及S闭合、s断开键失效；加工结束后，释放该按键，使S1-$18及 S闭合、S断开键有效。

按键的互锁关系为当S闭合与 S断开按键全都释放时，s1-S18按键才起作用，否则失效。

3.1.2电磁 阀动作设计当某个电磁阀吸合时，对应的指示灯为绿色，释放时为黄色；当S闭合或 S断开动作时，对应的绿色指示灯亮，否则灭。

3.13气压显示与报警设计DSP采集到的主气路气压通过操作面板显示出来 ，显示方式为数码显示。当主气路气压满足报警要求时，报警指示灯亮，同时开启报警声音。DSP采集到的 l8条支路气压，通过计算当满足报警条件时，产生报警信号，使该路的红色指示灯亮。

244 机 械设 计 与制 造NO.7July.201 33.2 DSP控制系统控制系统主控制器采用 TMS320F2812，该控制器是面向电机控制、lT业自动化的带片内 Flash、工作频率达到 150MHz的32位 DSP。该控制器采用经典哈佛总线结构，利用多总线在存储器、外围拈和CPU之间转换数据，它可以在-个周期内并行完成取指令、读数据和写数据，同时它采用了指令流水线技术，保证信号处理的快速性和实时性。

3.3电磁阀控制通过 DSP控制继电器的吸合 ，从而控制电磁阀的吸合。电磁阀采用 24V直流供电。

3.4气压采集系统需要采集的气压有：1路主气路气压、18路支气路气压，压力传感器采用(O～5)v直流电压输出型。采集到的电压信号，通过整形 、滤波后送给 DSP系统，进行模数转换，通过计算得到对应的压力。

3.5电源系统控制柜外部电源为 220VAC，采用交流接触器实现对系统电源的通断。DSP系统采用 5VDC供 电。电磁阀控制系统采用24VDC供电∝制系统各部分的组成原理如图5所示，完成的控制系统硬件设计，如图6所示。

竺 墼 惜 叵 - 电磁阀动作指标 DSP系统- ，q 数码管显示气压电源系统 报警指示灯指示(220VAC输入， --24VDC、5VDC输 ) 报警蜂鸣器图5控制系统组成原理Fig.5 Principle of Control System图6控制系统实物Fig.6 Picture of Control System4零件加工分析基于以上气动压紧工装及其控制系统设计开发，在数控车间进行了实际零件加工，如图7所示。零件的辅助装夹时间由原来的平均 3 lmin减少到 6rain，主要原因是原有装夹的每个压板均需要逐-压紧，而通过气动压紧工装可以实现零件的快速压紧。同时，采用本工装后，更加方便切屑的清理。加工后零件经过检验，质量和尺寸精度均满足设计图样要求。

图7零件加工照片(松开状态)Fig.7 Picture of'Part Machining(released)5结论(1)基于拈化、组合夹具式设计思路，设计了航天产品中某典型细长零件数控加工气动装夹系统，主要包括气动工装及其控制系统两部分。

(2)研究成果已经在工程中得到成功应用，解决了该零件加工过程中装夹次数多，装夹繁琐等问题。零件装夹时间得到了大幅缩减，生产效率得到了显著提高。