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飛機結構件夾具設計系統的開發

添加時間:2020/07/07 來源:南昌航空大學 作者:張昆侖
在飛機結構件夾具設計過程中,需要花費大量的時間去構建零部件模型和虛擬裝配,影響了夾具的設計效率。為了解決上述問題,本文進行了以下幾方面的研究。
以下為本篇論文正文:

摘要

  飛機結構件作為構成飛機機體骨架和氣動外形的重要部件,它具有品種繁多、功能重要的特點。為了提高飛機結構件的加工質量,國內采用了先進的加工工藝,但是由于機床夾具的柔性化與自動化程度低,導致夾具數量多、夾具適用范圍窄、工件裝夾困難,嚴重影響了飛機結構件的加工效率和加工質量。在飛機結構件夾具設計過程中,需要花費大量的時間去構建零部件模型和虛擬裝配,影響了夾具的設計效率。為了解決上述問題,本文進行了以下幾方面的研究。

  首先,在CATIA環境下,利用VB語言開發了飛機結構件夾具設計系統。利用VB開發了夾具設計系統界面,實現了CATIA與系統界面的銜接,并設計了系統程序。運用變量驅動參數化建模方法與程序驅動參數化建模方法,實現了夾具元件的參數化建模,并使用宏錄制方式來獲取部分建模程序。利用CATIA提供的API接口和VB語言實現了附帶約束關系的夾具各零部件間的虛擬裝配。詳細說明了夾具標準件庫的建庫方案,并舉例說明了構建夾具標準件庫的具體方法,介紹了夾具標準件庫的結構。

  其次,以飛機桁類結構件的銑削加工為例,提出了一種柔性、快速、自適應、多工位夾具方案,并利用夾具設計系統實現了各零部件的參數化建模和虛擬裝配,提高了夾具的設計效率。分析了飛機桁類結構件的特點,確定了夾具的夾緊和定位方案,實現了夾具結構的總體設計。詳細分析了鉸桿增力機構的原理,并設計了二次正交鉸桿増力機構,以彌補氣動傳動夾緊力不足的缺點。設計了夾具氣動夾緊系統,并詳細說明了氣動夾緊原理,提高了夾具的自動化程度。此夾具適用于不同尺寸的桁類零件,實現了工件的多工位加工,從而提高了夾具的柔性化程度。

  最后,采用西門子S7-200系列PLC設計了夾具控制系統。詳細說明了夾具控制系統的控制要求,繪制了夾具控制系統的控制流程圖,并完成了PLC控制器與傳感器的選型,確定了夾具控制系統的組成結構。根據控制系統的控制要求,確定了I/O口地址分配,并根據I/O地址分配表,確定了控制系統接線圖。根據程序設計的一般方法,在STEP7-Micro/WIN軟件中編制了相應的控制程序,并對控制程序進行相應的調試,模擬實際工況,以保證控制程序的可行性。

  關鍵詞:飛機結構件,CATIA,參數化設計,柔性夾具,氣動夾緊,PLC

飛機結構件夾具

Abstract

  The aircraft structural parts are important components of the aircraft frame and aircraft aerodynamic shape. They have the characteristics of important function and different material. In order to improve the processing quality of aircraft structural parts, advanced processing technology is adopted at home. However, because of the low flexibility and low automation of the machine tool fixture, the number of fixture, the narrow application range of the fixture and the difficult clamping of the workpiece are caused. The processing efficiency and processing quality of aircraft structural parts are seriously affected. During the design of fixture for aircraft structural parts, It takes a lot of time to build parts model and virtual assembly, which affects the design efficiency of the fixture. In order to solve the above problems, this paper has carried out the following aspects of research.

  Firstly, in the environment of CATIA, a fixture design system for aircraft structural parts is developed with VB. The interface of the fixture design system is developed with VB, and the interface between CATIA and the system interface is realized, and the system program is designed. Parameterized modeling of fixture elements is realized by variable driving parametric modeling method and program driven parametric modeling method, and macro modeling is used to get part of modeling program. Using the API interface provided by CATIA and the VB language,the virtual assembly between the parts of the fixture with the attached constraint is realized. The construction plan of fixture standard part library is explained in detail. An example is given to illustrate the specific method of building fixture standard part library, and the structure of fixture standard part library is introduced.

  Secondly, taking the milling process of aircraft truss structure as an example, a flexible, fast, adaptive and multi station fixture scheme is proposed, and the fixture design system is used to realize parametric modeling and virtual assembly of components, which improves the efficiency of fixture design. The characteristics of the aircraft truss structure are analyzed, the clamping and positioning scheme of the fixture is determined, and the overall design of the fixture structure is realized. To make up for the lack of pneumatic clamping force transmission faults, a detailedanalysis of the principle of toggle force amplifier, and the design of the two orthogonal toggle incremental force mechanism. The pneumatic clamping system of the fixture is designed, and the principle of pneumatic clamping is explained in detail,and the degree of automation of the fixture is improved. The fixture is suitable for different sizes of the truss parts, and the multi position processing of the workpiece is realized, thus the flexibility of the fixture is improved.

  Finally, the fixture control system is designed by using the SIEMENS S7-200 series PLC. The control requirements of the fixture control system are explained in detail, the control flow chart of the fixture control system is drawn, and the selection of the PLC controller and sensor is completed, and the structure of the fixture control system is determined. According to the control requirements of the control system, the I/O address distribution is determined, and the wiring diagram of the control system is determined according to the I/O address distribution table. According to the general method of programming, the corresponding control program is programmed in STEP7-Micro/WIN software, and the control program is debugged correspondingly to simulate the actual working condition, so as to ensure the feasibility of the control program.

  Keywords: Aircraft structural parts, CATIA, Parameterized design, Flexible fixture,Pneumatic clamping, PLC

目 錄

  第 1 章 緒論

  1.1 課題來源及意義

  在飛機制造業中,工藝裝備的柔性化與自動化備受關注,柔性工裝系統是降低工裝制造成本和縮短工裝準備時間的重要手段,同時也能有效提高生產率。據統計,飛機結構件夾具數量大約占工裝總量的30%,一套專用夾具的平均設計周期為40天左右。在傳統的夾具設計中,各零部件的重復建模、虛擬裝配等占用了大量的工作時間,導致夾具設計周期長、效率低、勞動量大等缺點,不能適用于現代制造業[1].

  為了提高整體飛機結構件的加工質量,國內采用了先進的加工工藝,但是由于與之相應的工藝裝備不能有效改進,嚴重影響了飛機結構件的加工質量。據調研,30%的飛機結構件加工質量與工藝裝備有關,飛機結構件工藝裝備利用率大約只有 40%.新的加工工藝不能有效應用,是造成飛機結構件加工質量難以滿足相應加工要求的主要原因[2-3].機械加工是確實飛機結構件特征和設計精度的主要手段,而機床夾具是在機械加工過程中使結構件滿足加工質量要求、提高工裝效率的關鍵 [4-5].飛機結構件機械加工夾具存在如下問題。

 。1)夾具元件的標準化程度低,缺乏夾具元件三維模型庫和虛擬裝配系統。

  夾具元件大部分是標準件和非標常用件,此類零件雖然尺寸大小有所不同,但是幾何結構大多相似,缺乏相應的夾具元件三維模型庫。標準件和通用件大約占夾具總元件量的50%~ 70%.在機床夾具設計過程中,設計者通常要花費大量的時間去設計計算、建立標準件模型等,使得設計周期長、勞動量大、效率低。

  在飛機夾具元件的裝配設計中,設計人員往往需要手動插入標準件,并且要重復地選擇零件和拾取幾何約束,并且要定義兩對約束才能實現兩個元件間的完全約束,但是拾取和約束幾何元素過于繁瑣、費時費力,裝配的元件越多,裝配重復性就越高,降低了夾具裝配的效率。

 。2)夾具柔性化程度低,夾具數量較多。

  在飛機的研制過程中,需要使用大量的飛機整體結構件,這類飛機結構件不僅結構復雜、加工難度大、易變性,而且每一種結構件的機械加工都需要與之相應的專用夾具。目前,夾具研究人員對飛機裝配工裝的柔性關注較多,而對飛機結構件機械加工夾具的柔性研究少和重視程度低,導致普通夾具數量多、適用性差等缺點。例如,中航工業某公司在飛機研制過程中,需要加工以毛坯和型材為原材料的飛機結構件,這類零件主要以銑削和鉆孔加工為主,由于零件種類多、數量少,每種零件均需要研制相應的專用夾具,從加工一種零件到加工另一種零件,夾具重組時間約2小時,影響了生產效率。

 。3)夾具自動化程度低。

  在飛機結構件的裝夾方面,仍然采用人工的裝夾方式,如螺釘和壓板夾緊、預留工藝凸臺,費時費力。夾具組裝、工件裝夾花費的時間過長,使得工件的切削時間在整個加工過程中實用時較少,導致產品加工的效率低。由于加工人員的人為因素,導致裝夾工件的差異較大,造成工件加工質量不穩定,既浪費了材料,又增加了工裝準備時間。缺乏自動工裝系統,無法實現工件的精確定位、快速夾緊以及加工過程中對工件的隨行控制,不僅工作強度高,而且對加工人員的整體素質要求高,必然增加零件的制造時間和成本。夾具自動化程度低,缺乏氣動或液壓夾緊功能,可靠性與穩定性差,工件加工效率低。

  為了解決上述飛機結構件夾具設計中的難題,本文利用VB語言開發了飛機結構件夾具設計系統,利用參數化設計與虛擬裝配,實現了夾具零部件的快速建模與虛擬裝配,并詳細說明了夾具標準件庫的建庫方案,構建了夾具標準件庫,從而提高夾具設計的效率。以飛機桁類零件的數控銑削為例,提出一種柔性、快速、自適應、多工位夾具方案,并利用夾具設計系統實現了各零部件的參數化建模和虛擬裝配。此夾具適用于不同尺寸的桁類零件,從而提高了夾具的柔性化程度。最后采用PLC控制器和氣動増力機構,實現傳感器感知、工件自動定位與夾緊,從而提高了夾具的自動化程度。

  1.2 國內外研究現狀

  1.2.1 柔性夾具的研究現狀

  隨著航空工業的發展,飛機結構件的需求量不斷增加,這種需求不僅體現在數量上,更體現在種類與質量上。飛機結構件品類繁多,傳統的生產模式已經不能滿足生產需求,為了適應這種變化,就必須提高工藝裝備的柔性。目前,柔性制造系統被作為研制新產品的有效途徑,并成為機械制造業主要發展方向之一[6-7].機床夾具作為工藝裝備的主要組成部分之一,是實現工件與機床、刀具準確位置的重要環節,它直接影響工件的加工質量、生產效率、制造成本。

  隨著數控機床與加工中心在實際生產中的普遍應用,滿足高適應要求的柔性夾具在計算機集成制造系統(CIMS)與柔性制造系統(FMS)發展的形勢下應運而生[8-9].柔性夾具是指在同一夾具系統下能夠適應不同形狀與尺寸工件的夾具,也是與NC機床、加工中心配合使用,具有加工多種工件能力的夾具[10].和傳統的夾具相比,柔性夾具具有明顯的優點,能夠應對飛機結構件尺寸和形狀的變化,減少了研制夾具的時間與成本,適用于設計變化大、小批量生產的零件。

  柔性夾具的研究分為兩類方向:一種是在傳統柔性夾具的基礎上進行創新的夾具,即可調整夾具、組合夾具;另一種是突破原有柔性夾具的限制,在結構與原理上進行創新的夾具,即相變和偽相變材料式柔性夾具、適應性材料夾具、模塊化程序控制夾具。

  可調整夾具,是根據工件在尺寸上的相近性與工藝的相似性對工件進行分類編組設計而成的,具有較小范圍的柔性,包括專用可調整夾具與通用可調整夾具。

  可調整夾具主要由基本部分和可調整部分組成,基本部分包括夾緊裝置、操縱機構和夾具體等,長期固定于機床;可調整部分包括定位元件、夾緊元件和導向元件等,隨著不同的加工對象而變換調整。成組夾具是一種按成組原理設計而成的專用可調夾具,能夠加工尺寸和幾何輪廓相似的工件,它適合于結構單一、尺寸及幾何輪廓相似性零件族。通用可調夾具是根據適當調整可多次使用的原理進行設計的,它適用范圍比通用夾具更大?烧{整夾具見效快、技術成熟、易于推廣,并在國內外得到廣泛應用。劉映泉[11]提出了一種斜楔夾緊的成組發動機支架車削夾具,并介紹了發動機懸置支架的加工過程以及成組懸置支架端面斜楔夾緊夾具的結構。王道林[12]針對套類零件的結構特點,提出了一種面向套類零件的成組夾具。由于飛機結構件形狀、尺寸差異較大,因此只有同類飛機結構件才適合采用可調夾具來實現柔性,一種可調夾具,如圖1-1所示。

  組合夾具是指在標準化與模塊化的基礎上,針對不同的加工對象,由一套標準的元件與組件裝配成的專用夾具。標準的元件與組件具有高精度、可拆卸性、互換性和耐磨性。由于組合夾具具有組合性、可調性、高柔性等優點,是一種可重復使用的夾具系統,能夠有效減少專用夾具的數量,因此組合夾具適用于單件、小批量和多品種的生產加工。組合夾具分為槽系組合夾具與孔系組合夾具。隨著數控機床和加工中心在機械加工中的普遍使用,切削速度與進給量的不斷提高,孔系組合夾具得到有效的發展。Ma等人[13]提出了一種數字組合夾具管理系統,并說明了夾具系統管理的定義與關鍵技術。歐彥江等人[14]提出了一種基于實例推理的組合夾具自動拼裝技術,將實例推理原理引入組合夾具計算機輔助拼裝中。張琦等人[15]提出了一種組合夾具智能選件系統,并建立了組合夾具零件庫,實現了人機交互的夾具設計系統的智能選件。瞿暢等人[16]提出了一種組合夾具網絡虛擬裝配平臺,并通過實例驗證了裝配技術的可行性。Peng[17]提出了一種基于多視圖的組合夾具虛擬裝配技術,支持虛擬環境中組合夾具裝配設計。組合夾具存在如下問題:夾具標準件較多,投資大,組裝成的夾具體積大,占用一定的存儲空間;夾具元件之間的配合環節多,精度不高,累積誤差大。因此,大型飛機結構件不適合采用組合夾具來實現柔性,一種組合夾具,如圖1-2所示。

  相變與偽相變材料式柔性夾具發展迅速,相繼出現了電流相變夾具、磁流相變夾具、溫度式液體相變夾具以及偽相變材料夾具等。相變柔性夾具一般有一個充滿相應介質的容器,并通過改變外界條件的方式來控制介質的物理形態,從而達到夾持工件的目的。宋燦等人[18]提出了具有實用價值的低熔點合金相變夾具,并指出其尚未解決的問題。Rong等人[19]對磁流相變材料進行了試驗研究,并通過對磁流相變材料施加壓力的方式來改變磁流相變材料的顯微結構,顯著增加了磁流相變夾具的夾緊力。宋燦等人[20]提出了一種新的基于相變材料的柔性夾具,為柔性夾具的研究與設計提出了一種新方法。張先舟等人[21]提出了一種利用磁流變特性變液相的柔性夾具。通過提高磁流變液在磁場中受到沿磁場方向的外界正壓力,來大幅度提高剪切應力,從而提高了夾緊力[22-23].

  適應性材料夾具是一種能夠自動適應工件外形的被動式夾緊裝置,可用于夾持帶有曲面或橫截面積不規則的工件。針對葉片易受裝夾、切削力和殘余應力的影響而產生彎曲、扭轉變形的特點,于建華等人[24]提出了一種雙臂自適應夾具加工變形控制方法,將加工過程中產生的變形逐層消除。針對葉片頂端在修復過程中幾何形體差異導致的難以使用固定夾具夾緊的問題,鄧海洋[25]提出了一種面向自由曲面零件裝夾的自適應夾具。針對特定飛機機翼的機械加工,Vaughan等人[26]開發一種新的自適應夾具系統,評估了自適應裝置的能力,并適用于飛機機翼制造和裝配的實施。

  模塊化程控夾具是一種由數字控制的支承元件、定位元件和夾緊元件組成的裝置,可以代替機床工作臺或固定在機床工作臺上,能夠做出多種布局的機電程控式夾具。近年來,計算機數字控制式的柔性夾具系統發展成為一種可重用、可重構、高效率的機械加工系統。計算機數字控制式的柔性夾具是由若干組在垂直方向上能夠精確調整高度和尺寸的陣列式支柱、水平面上能夠進行位置調整的部件、計算機控制系統和機電式驅動裝置組成,支柱陣列能夠根據工件的尺寸和幾何參數重構成各種曲面或平面的定位系統,工件可通過機械或真空吸附方式實現夾持。此類夾具系統具有良好的重構性,能夠快速調整自身結構來適應不同工件的定位與夾緊,適用于多品種、小批量的零件生產。模塊化程控夾具在空間異型薄壁零件加工、飛機蒙皮切邊、復合材料零件修整與鉆孔、飛機柔性裝配和激光焊接等方面得到廣泛應用[27-28].西班牙某公司研制了一種TORRESTOOL夾具系統[29],如圖1-3所示。北京某航空研究所針對飛機蒙皮壁板的切割制造,研制了一種具有多軸控制、定位器、夾持單元、離線仿真等關鍵技術的柔性工裝系統[30].

  1.2.2 CATIA二次開發的夾具研究現狀

  美國、英國和日本等發達的工業化國家運用先進的自動化技術與計算機技術,在CAD、CATIA、UG和Pro/E等三維軟件的二次開發方面有了成熟的技術研究 ,并取得了顯著的技術成果。在國內,UG、Pro/E和CAD的二次開發技術已經走向成熟,并得到廣泛的應用,但CATIA 軟件的二次開發技術還處于研究階段,CATIA標準零件庫的二次開發逐漸受到國內的重視。CATIA 是由法國航空航天企業達索公司開發的一款集CAD、CAM 、CAE 和PDM于一體的三維軟件,憑借其突出的曲面處理能力被廣泛應用于制造業的各個領域,尤其是航空航天領域[31].

  CATIA不僅為用戶提供了相應的二次開發接口,而且還提供了開放式的命令集,給CATIA的二次開發帶來了極大的方便,在熟練運用 CATIA功能模塊的條件下,用戶可以對CATIA軟件進行相應的二次開發研究。二次開發是實現軟件專業化的有效手段,在提高產品質量、降低研發成本和提高工作效率方面起到重要作用。CATIA二次開發的夾具研究現狀主要分為以下幾個方面。

 。1)參數化設計的研究現狀參數化設計又稱尺寸驅動,是指設計對象的幾何輪廓大致一樣,并可以用相應參數約束其尺寸關系的技術。近年來,國內對參數化技術做了大量的研究,參數化技術是實際生產中提出的課題,它不僅使CATIA軟件具有交互式的繪圖功能,而且還有自動繪圖功能[32-33].利用參數化技術開發的設計系統能夠運用相應的知識和經驗,減少了設計人員的操作錯誤,并提高了產品設計速度。傅蔡安[34]

  提出了基于CATIA參數化的夾具設計方法,提高了專用夾具的設計效率;ㄍ玔35]研究了CATIA參數化的夾具設計系統,構建了參數化夾具設計系統的構架,實現了設計系統與 SQL 數據庫的鏈接,簡化了機床夾具的設計過程。

 。2)元件庫的研究現狀國外發達國家的生產經驗表明,標準件作為機械產品的重要部件,夾具元件大部分是標準件和非標常用件,此類零件雖然尺寸大小有所不同,但是幾何結構大多相似,標準件和通用件大約占夾具總元件量的30%~ 70%.針對夾具設計和制造效率低的問題,李崇洋[36]提出了在CATIA環境下構建專用夾具快速設計和制造響應系統的總體方案,并詳細闡述了各模塊的功能。張溥海[37]提出了組合夾具管理系統的整體結構,建立了組合夾具參數化的元件庫,并實現了組合夾具元件的預覽及調用功能。王準[38]根據定位、夾緊和加工特性的夾具設計要求,逐步推演并調用元件庫,最后推導出組合夾具的完整結構。

 。3)虛擬裝配的研究現狀在機械制造業中,裝配工作量占整個制造工作量的30%~50%,裝配效率影響著產品的生產周期。隨著CATIA二次開發技術的發展,基于CATIA軟件的零部件虛擬裝配技術得到廣泛關注。Li等人[39]提出了一種智能裝配交互法,根據裝配中的幾何約束類型對零件進行分類,并調整原有的裝配關系,從而得到更適合的裝配方案。Wang等人[40]針對機床夾具的裝配設計,提出了一種機床夾具裝配設計信息的數據表達方法。Hunter等人[41]則將裝配設計的知識模型作為一個可重復使用的固定模版,并在此模板的基礎上進行當前夾具的裝配設計。陸皆炎等人[42]

  提出一種CATIA二次開發的智能裝配方法,能夠自動建立裝配約束,實現了智能裝配和零組件的批量裝配。崔聯合基于CATIA 軟件知識工程模塊,應用VB2010完成專用夾具CAD系統的構建[43].

  1.2.3 液壓與氣動夾具的研究現狀

  柔性夾具是集機械、液壓、氣動和控制等方面的學科,并將電傳、氣動、液壓、隨行加工等技術相結合,實現工件的快速定位、夾緊及加工過程對工件的隨行功能[44].采用氣動與液壓夾緊,將其與PLC控制器相結合,應用于飛機制造領域,能夠有效提高飛機結構件的加工效率和加工質量。液壓與氣動傳動夾具的發展狀況主要包括以下幾個方面。

 。1)液壓傳動夾具的發展現狀液壓傳動作為流體傳動的一種傳動方式,是利用相應的液體作為工作介質,并用來傳遞能量和進行控制。液壓傳動系統主要包括動力部分、控制部分、執行部分、輔助裝置和定位夾緊機構等。動力部分用來提供滿足預定要求的壓力與流量的工作油液,以保證系統正常工作;控制部分用來保證系統各部件準確的按照設計要求完成循環動作;執行部件是將壓力能轉換為機械能,用來驅動夾具上的夾緊機構;輔助裝置是液壓傳動系統的主要附件,起到相應的輔助作用;定位夾緊機構是用來實現工件的準確定位與快速夾緊。液壓傳動是用油管連接,可以靈活地布置傳動機構,具有夾緊剛性高、工作平穩、操作簡單、易于實現過載保護及無極調速等特點。張文凡等人[45]針對機床液壓夾具易受外界干擾的問題,提出了一種自適應的液壓夾具系統。鄒德強[46]提出了一種用于柔性生產線的液壓夾具。Marathe 等[47]提出了一種新型材料的液壓銑削夾具。為了提高液壓夾緊元件的應變能力,Denkena等[48]提出了一種將應變傳感器集成在夾緊元件中的液壓夾具。Sun等人[49]提出了一種新的液壓杠桿夾具,與傳統夾具相比,此種夾具具有剛性好、結構緊湊的特點。針對飛機薄壁件的數控加工,侯遠濱[50]提出了一種液壓夾緊系統。一種液壓夾具,如圖1-4所示。

 。2)氣動傳動夾具的發展狀況近年來,由于氣動元件價格低于液壓元件,氣動行業發展較快,氣動元件的使用量和使用范圍遠遠超過了液壓元件。氣壓傳動是以空氣作為工作介質,并利用壓縮氣體傳遞動力的流體傳動。氣壓傳動系統主要包括氣源部分、控制部分、執行部分、輔助部分和定位夾緊機構等。氣源部分作為氣壓發生裝置,它將機械能裝換成壓縮氣體的壓力能,為整個系統提供動力;控制部分作為能量控制裝置,用于控制和調節壓縮氣體的壓力、流量與方向,以實現夾具的動作和控制要求;執行部分即氣缸,它將壓縮空氣的壓力能轉變成夾緊機構的機械能;輔助部分包括接頭、壓力表、管路、消音器等,起測量、過濾、連接、減小噪聲等作用;定位夾緊機構是用來實現工件的準確定位與快速夾緊。與液壓傳動夾具相比,氣源傳動夾具因具有無污染、成本低、適應性好、阻力小、反應快、結構簡單、可靠性高和使用壽命長等優點,被稱為綠色夾具。張國政等人[51]根據多工序加工對機床夾具的要求,提出了用夾具的柔性化替代數控機床的柔性,并設計了一種多工序氣動夾具,從而有效解決了實際生產的問題。Zhong等[52]分析了基于流體傳動的綠色化夾具技術,采用具有放大裝置的氣動夾具代替液壓夾具。針對航空鋁合金型材零件的機械加工,王細洋等[53]研制了一種氣動控制柔性快裝夾具。馬進中等[54]利用數控機床內的PLC控制器進行開發設計,并通過數控機床的電氣系統來控制氣動夾具動作,實現了一種氣動多工位夾具。

 。3)增力機構的發展狀況在進行氣動傳動系統設計時,設計人員習慣采用提高氣動系統壓力或增大氣缸直徑的方法來提高系統的夾緊力,但這種方法會導致氣動元件成本高、系統結構龐大等一系列問題。由于機械增力機構具有提高系統夾緊力、降低勞動強度、節約系統成本、綠色無污染等優點,因此增力機構在工裝夾具領域得到廣泛應用。

  曾虎彪等[55]提出了一種由三級放大機構與無桿氣缸組成的氣動傳動夾具系統,能夠明顯減小氣缸直徑和提高夾具夾緊力。為了克服機床夾具體積大、夾緊慢的缺點,沈銘等[56]采用氣動肌肉的驅動方式,設計了一種氣動增力夾具。針對氣壓傳動系統壓力不足的特點,郭瑞潔等[57]提出了一種基于鉸桿與杠桿串聯的二級增力機構,并介紹了其工作原理。王維等[58]提出了一種基于活塞缸的增力機構和偏心輪增力的綠色夾具系統,此種夾具具有延長氣動元件壽命、減小環境污染的特點。姚遠等[59]設計了一種基于鉸桿和杠桿串聯的二級增力機構的雙向浮動式氣動夾具。吳冬敏等[60]詳細介紹了單缸雙活塞的鉸桿增力機構和杠桿增力機構,并提出了一種基于單缸雙活塞與機械增力機構的夾緊裝置。

  1.3 本文主要研究內容

  為了解決飛機結構件夾具設計中的難題,主要包括缺乏夾具元件的三維模型庫、缺乏虛擬裝配系統、夾具柔性化程度低、夾具數量較多、夾具自動化程度低。

  本文利用VB語言開發了飛機結構件夾具設計系統,利用參數化設計與虛擬裝配,實現了夾具零部件的快速建模與虛擬裝配,并詳細說明了夾具標準件庫的建庫方案,構建了夾具標準件庫。以飛機桁類零件的數控銑削為例,提出一種柔性、快速、自適應、多工位夾具方案,并利用夾具設計系統實現了各零部件的參數化建模和虛擬裝配。最后采用PLC控制器和氣動増力機構,實現傳感器感知、工件自動定位與夾緊。本文的主要研究內容分為以下幾個方面。

  第 1 章 本章介紹了飛機結構件夾具的研究背景與意義,分析了飛機結構件夾具存在的問題,并說明了本文的課題來源。其次,分別介紹了柔性夾具的國內外研究現狀、CATIA二次開發的夾具國內外研究現狀、液壓與氣動夾具的國內外研究現狀。最后,說明了本文的主要研究內容。

  第 2 章 本章詳細分析了飛機結構件的結構特點、主要類別、加工特點,并分別介紹了CATIA二次開發技術、參數化設計、虛擬裝配、氣動傳動和PLC控制技術。詳細說明了CATIA的內部結構、操作零件文檔和產品文檔的一般步驟、CATIA二次開發接口、實現參數化建模的具體方法、虛擬裝配關系、氣動增力、傳感器技術及PLC控制特點。

  第 3 章 本章利用VB語言開發了飛機結構件夾具設計系統。首先,利用VB開發了夾具設計系統界面,實現了CATIA與系統界面的銜接,并設計了系統程序。

  其次,運用了變量驅動參數化建模方法與程序驅動參數化建模方法,實現了夾具元件的參數化建模,并使用了宏錄制方式來獲取部分建模程序,從而完成了夾具設計系統的參數設計模塊,又利用此模塊構建了夾具實例的各零部件模型。再次,利用VB語言和CATIA提供的API接口,實現了附帶約束關系的夾具各零部件間的虛擬裝配,并利用此功能完成了夾具實例各零部件間的裝配;最后,詳細說明了夾具標準件庫的建庫方案,并舉例說明了構建夾具標準件庫的具體方法,介紹了夾具標準件庫的結構。

  第 4 章 本章以飛機桁類結構件為例,利用夾具設計系統設計了一套多工位氣動夾具。首先,分析了飛機桁類結構件的結構特點,確定了夾具實例的夾緊和定位方案,實現了夾具的總體結構設計,并利用飛機結構件夾具設計系統,進行了夾具實例的參數化建模,完成了各零部件間的虛擬裝配。其次,詳細分析了鉸桿增力機構的原理,并設計了二次正交鉸桿増力機構,彌補了氣動傳動夾緊力不足的缺點。最后,設計了夾具實例氣動夾緊系統,并詳細說明了氣動夾緊原理。

  第 5 章 本章采用西門子S7-200系列PLC設計了夾具控制系統。首先,根據系統的控制要求,繪制了夾具系統的控制流程圖,分析了PLC和傳感器的組成結構及工作原理,確定了PLC控制器與傳感器的選型,并根據系統控制要求和設計原則,確定了夾具控制系統的組成結構。其次,根據系統的控制要求,確定了I/O口地址分配,并根據I/O地址分配表,確定了控制系統接線圖。再次,根據系統的控制要求及程序設計的一般方法,在STEP7-Micro/WIN軟件中編制了相應的控制程序,并對控制程序進行相應的調試和試驗,模擬實際工況,以保證控制程序的可行性。

  第 6 章 本章總結了本文的主要研究內容和研究成果,并對研究內容中的不足之處給予了展望。






  第 2 章 飛機結構件及夾具設計相關技術
  2.1 飛機結構件
  2.2 CATIA 二次開發技術
  2.2.1 CATIA 二次開發簡介
  2.2.2 CATIA 內部結構研究
  2.2.3 CATIA 二次開發接口

  2.3 參數化設計
  2.3.1 參數化概述
  2.3.2 參數化建模
  2.4 虛擬裝配
  2.4.1 虛擬裝配概述
  2.4.2 虛擬裝配關系

  2.5 氣動傳動
  2.5.1 氣動傳動概述
  2.5.2 氣動増力
  2.6 PLC 控制技術
  2.6.1 傳感器技術
  2.6.2 PLC 控制特點
  2.7 本章小結

  第 3 章 飛機結構件夾具設計系統
  3.1 系統模塊集成
  3.1.1 系統界面設計
  3.1.2 CATIA 與系統界面的銜接
  3.1.3 系統程序設計
  3.2 夾具元件參數化建模
  3.3 虛擬裝配

  3.4 夾具標準件庫的開發
  3.4.1 標準件庫的設計方案
  3.4.2 標準件庫的建立
  3.4.3 標準件庫簡介
  3.5 本章小結

  第 4 章 夾具實例結構設計
  4.1 夾具總體結構
  4.1.1 工件
  4.1.2 定位與夾緊方案
  4.2 增力機構設計
  4.2.1 鉸桿增力分析
  4.2.2 二次正交鉸桿增力機構
  4.3 氣動系統設計
  4.3.1 氣動元件
  4.3.2 氣動系統原理
  4.4 本章小結

  第 5 章 夾具控制系統設計
  5.1 控制系統結構
  5.1.1 控制系統的設計原則
  5.1.2 控制要求
  5.1.3 PLC 結構及工作原理
  5.1.4 傳感器工作原理
  5.1.5 控制系統組成

  5.2 系統地址分配與接線
  5.2.1 I/O 地址分配
  5.2.2 系統接線
  5.3 系統程序設計
  5.3.1 PLC 編程軟件
  5.3.2 控制程序
  5.4 本章小結

第 6 章 總結與展望

  6.1 總結

  為了解決飛機結構件夾具設計中的難題,主要包括缺乏夾具元件的三維模型庫、缺乏虛擬裝配系統、夾具柔性化程度低、夾具數量較多、夾具自動化程度低。

  本文利用 VB 語言開發了飛機結構件夾具設計系統,利用參數化設計與虛擬裝配,實現了夾具零部件的快速建模與虛擬裝配,并詳細說明了夾具標準件庫的建庫方案,構建了夾具標準件庫。以飛機桁類零件的數控銑削為例,提出一種柔性、快速、自適應、多工位夾具方案,并利用夾具設計系統實現了各零部件的參數化建模和虛擬裝配。最后采用 PLC 控制器和氣動増力機構,實現傳感器感知、工件自動定位與夾緊。本文主要研究內容,總結如下:

 。1)詳細分析了飛機結構件的結構特點、主要類別、加工特點。在 CATIA環境下,利用 VB 語言開發了飛機結構件夾具設計系統。

 。2)利用 VB 開發了夾具設計系統的界面,實現了 CATIA 與系統界面的銜接,并設計了系統程序;運用變量驅動參數化建模方法與程序驅動參數化建模方法,實現了夾具元件的參數化建模,并使用宏錄制方式來獲取了部分建模程序,從而完成了夾具設計系統的參數設計模塊。

 。3)利用 VB 語言和 CATIA 提供的 API 接口,實現了附帶約束關系的夾具各零部件間的虛擬裝配。詳細說明了夾具標準件庫的建庫方案,并舉例說明構建夾具標準件庫的具體方法,介紹了夾具標準件庫的結構。

 。4)以飛機桁類結構件為例,利用夾具設計系統設計了一種多工位氣動夾具。分析了飛機桁類結構件的結構特點,確定了夾具實例的夾緊和定位方案,實現了夾具的總體結構設計,并利用飛機結構件夾具設計系統,進行了夾具實例的參數化建模,完成了各零部件間的虛擬裝配。

 。5)詳細分析了鉸桿增力機構的原理,并設計了二次正交鉸桿増力機構,彌補了氣動傳動夾緊力不足的缺點。最后,設計了夾具實例氣動夾緊系統,并詳細說明了氣動夾緊原理。

 。6)采用西門子 S7-200 系列 PLC 設計了夾具控制系統。根據系統的控制要求,繪制了夾具系統的控制流程圖,完成了 PLC 控制器與傳感器的選型,并根據系統控制要求和設計原則,確定了夾具控制系統的組成結構。

 。7)根據系統的控制要求,確定了 I/O 口地址分配,并根據 I/O 地址分配表,確定了控制系統接線圖,并編制了相應的控制程序,對控制程序進行相應的調試和試驗,模擬實際工況,以保證控制程序的可行性。

  6.2 展望

  在 CATIA 環境下,本文利用 VB 語言開發了飛機結構件夾具設計系統,它包括參數化設計模塊和標準件設計模塊,此系統不僅能夠實現夾具各零部件的參數化建模,而且還可以實現各零部件間的虛擬裝配,有效提高了夾具設計的效率。

  以飛機桁類結構件的銑削加工為例,本文利用飛機結構件夾具設計系統設計了一種多工位氣動夾具,它適用于不同尺寸的桁類零件,能夠實現工件的多工位加工,有效提高了夾具的柔性化和自動化程度?傮w來說,本文雖然取得了一定的研究成果,但仍有不足之處,以下幾個方面需要進一步研究:

 。1)有待于利用多種開發語言對 CATIA 進行二次開發,實現功能擴展,完善整個夾具設計系統,具有重要的研究意義。

 。2)不同飛機結構件的夾具差異較大,其元件也多種多樣,導致參數化建模的夾具元件種類繁多。有待于完善夾具元件的種類,實現更多元件的參數化建模。

 。3)在夾具設計方面,有待于實現更高的柔性,一套夾具方案能夠適用于梁類、框類、肋類等多類飛機結構件的數控加工。

 。4)有待于實現夾緊力的優化,提高夾緊力的精度,在整個加工過程進行夾緊力的模擬量控制,實現工件的高精度加工。

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致謝

  在研究生生活即將結束之際,發自內心的感謝那些曾經幫助和鼓勵過我的人,正是他們的無私關懷,才使我在學習和生活上有了很多的收獲。本文的研究工作是在導師王細洋教授的悉心指導和深切關懷下完成的。

  首先,我要感謝我的導師王細洋教授,在整個研究生期間,王細洋導師嚴謹的治學態度和樸實的生活態度以及淵博的學識給我留下了深刻的印象,并深深的感染了我。在論文的選題、研究、撰寫以及修改方面,王細洋導師都給予了我精心的指導和無私的幫助,并教會了我許多知識及學習方法,讓我在學習和生活上收獲很多。再次向苦心栽培我的導師致以深深的感謝和崇高的敬意。

  其次,我要感謝我的家人和所有關心我的親人們,感謝家人這么多年的養育之恩,感謝親人們一直以來的關心和支持。正是由于你們給予的愛,才使我有了動力和信心,使我取得了一定的成績。

  再次,我要感謝實驗室的龔廷愷老師和張曉榮老師,感謝你們在學習上和生活上給予我的無私幫助。感謝許稚委師兄和王東師兄在學習上給予我的幫助和建議,感謝曹展、李耀祖同學以及實驗室的各位師弟、師妹一直以來的關懷和幫助,讓我在學習和生活上收獲很多。

  最后,感謝在百忙之中抽出寶貴時間評審我論文的專家和老師們。

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