1 引言

　　航天產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細長、薄壁、重量輕、強度高等特點，針對不同零件的結(jié)構(gòu)形式，需要采用不同裝夾方式翻。零件加工過程中的裝夾一般有四種方式：簡單裝夾方式、真空吸附方式、內(nèi)脹式夾持方式和摩擦固持方式舊。簡單裝夾方式較為簡單，在生產(chǎn)實際得到廣泛應(yīng)用，但受人為因素影響，夾緊力不容易控制。真空吸附方式比較適用于平面型單面結(jié)構(gòu)、厚度較小的結(jié)構(gòu)件的夾緊，對于厚度較大、帶雙面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件的吸附效果較差。對于軸套類零件，常采用內(nèi)脹式彈性心軸來裝夾工件。對于蜂窩結(jié)構(gòu)零件，目前較多采用雙面膠進行固持，該固持方法在現(xiàn)場零件加工中并不十分理想，因此，文南融提出了基于強磁場和摩擦學原理的蜂窩芯加工固持夾緊方法。目前基于氣動原理的裝夾方式鮮有文獻報道。在借鑒以上四種裝夾方式優(yōu)缺點基礎(chǔ)上，對航天產(chǎn)品中具有細長、薄壁結(jié)構(gòu)特點的結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的裝夾進行了深入研究，設(shè)計了基于氣動原理的快速裝夾系統(tǒng)。

2 氣動工裝設(shè)計

　　2.1 零件結(jié)構(gòu)特點分析

　　航天產(chǎn)品中典型鋁合金零件的截面，如圖1所示。該類零件屬于典型細長、薄壁、易變形類零件，局部細小加工特征比較多。零件加工過程存在的主要工藝問題：(1)零件裝夾次數(shù)多，在進入下一道加工工序之前，需要重新裝夾零件，工裝多為手工重新搭建，費時費力；(2)裝夾方式原始，手工裝夾時間長，裝夾效率低，因為裝夾涉及的壓板個數(shù)多，搭建擰緊壓板的時間長。

　　2.2 氣動夾緊力計算

　　為了解決以上零件加工過程手工裝夾時間長、效率低等問題，采用基于氣動原理的裝夾方案。以如圖1所示典型結(jié)構(gòu)件銑削加工為例，首先需要計算氣動夾緊力，依此確定氣缸數(shù)量。加工該零件采用的切削參數(shù)為：切削速度(450-600)m／min，軸向切深(3-10)mm，徑向切寬(3～10)ram，轉(zhuǎn)速(6500-9000)dmin，每齒進給量(0.05~0.2)mm。在以上切削參數(shù)范圍內(nèi)，鋁合金切削力一般在(70—200)N之間。數(shù)控車間使用的氣壓壓力為(0.5-0.7)MPa，選擇的氣缸缸徑為Φ50m，因此可以計算出一個氣缸可以提供的有效夾緊力為700N。鋼與鋁合金的靜摩擦系數(shù)為0.1，取較高的安全系數(shù)4，則需要提供的用于抵抗零件移動的總夾緊力。

　　由于每個氣缸可以提供的夾緊力為700N，則至少需要氣缸12個?？紤]到該類零件需要的輔助支撐點較多，一個工裝上裝夾2個零件，最終采用18個氣缸，滿足實際夾緊要求。

　　2.3 氣路設(shè)計

　　為了確保加工時夾緊可靠、安全，需要設(shè)計合理的氣路。氣路設(shè)計原理，如圖2所示。分別配有除水過濾器、除油霧過濾器、調(diào)壓閥、二位五通電磁閥、壓力傳感器等。除水過濾器、除油霧過濾器對氣源進行過濾凈化。調(diào)壓閥可對供氣壓力進行適當調(diào)整。二位五通電磁閥實現(xiàn)氣缸的松開和壓緊。共18個。為了保證安全，采用并行氣路設(shè)計，相互之間互不影響。在每個氣路上均設(shè)置有壓力傳感器，共18個，可以實時監(jiān)控每路氣的壓力情況，當小于設(shè)定值時，則發(fā)出報警信號。

　　2.4 夾緊工裝機械結(jié)構(gòu)

　　由于細長類零件的手動夾緊方式費時費力，采用氣動裝夾方式來替代原有裝夾方式。氣動裝夾方式的優(yōu)點是效率高，同時由于氣動裝夾的壓力均勻，可以減少零件的裝夾變形，提高裝夾精度以及零件加工尺寸一致性。設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)。為“組合夾具式設(shè)計思路”，固定底板為零件裝夾時的共用支撐平臺，加工不同零件時不做更換，“可更換部分”為個性化定制的專用平臺，由于零件尺寸不同，加工時該部分需要更換。設(shè)計時充分考慮了實際加工機床的工作臺面大小，最終確定的長、寬、高外形尺寸為1949*585*207，該工裝可以實現(xiàn)一次裝夾2個零件，因此大大提高了輔助裝夾效率。標準的長、短臂氣缸利用螺釘安裝在左、右專用平臺上。利用該工裝即可以實現(xiàn)18個氣缸的同步壓緊，也可以實現(xiàn)分步壓緊，可以根據(jù)現(xiàn)場實際需要選擇。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

　　控制系統(tǒng)主要控制工裝對零件的夾緊和松開，其原理是通過控制電磁閥的吸合與釋放來控制長臂、短臂氣缸的動作。同時控制系統(tǒng)還可監(jiān)測氣路的氣壓是否滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)若出現(xiàn)故障可通過指示燈和揚聲器進行報警。該控制系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：(1)人機交互界面；(2)DSP控制系統(tǒng)；(3)電磁閥控制電路；(4)氣壓檢測及報警系統(tǒng)；(5)電源系統(tǒng)。

　　3.1 人機界面功能設(shè)計

　　人機界面主要包括按鍵操作、電磁閥動作指示、壓力顯示及報警指示等部分。

　　3.1.1 按鍵設(shè)計

　　S1-S18按鍵：分別控制1-18號電磁閥的吸合與釋放，按鍵采用保持按鍵，當某個按鍵按下時對應(yīng)的電磁閥吸合，從而控制對應(yīng)的氣缸動作；當某個按鍵釋放時，對應(yīng)的電磁閥釋放。

　　S閉合與S斷開按鍵：用于整體控制，當S閉合按鍵按下時，1-18號電磁閥全都吸合；當S斷開按鍵按下時，1—18號電磁閥全都釋放。

　　SET鍵：當按鍵操作完畢時，按下該鍵方可進行加工，同時使S1-S18及S閉合、S斷開鍵失效；加工結(jié)束后，釋放該按鍵，使S1-S18及S閉合、S斷開鍵有效。

　　按鍵的互鎖關(guān)系為當S閉合與S斷開按鍵全都釋放時，S1-S18按鍵才起作用，否則失效。

　　3.1.2 電磁閥動作設(shè)計

　　當某個電磁閥吸合時，對應(yīng)的指示燈為綠色，釋放時為黃色；當S閉合或S斷開動作時，對應(yīng)的綠色指示燈亮，否則滅。

　　3.1.3 氣壓顯示與報警設(shè)計

　　DSP采集到的主氣路氣壓通過操作面板顯示出來，顯示方式為數(shù)碼顯示。當主氣路氣壓滿足報警要求時，報警指示燈亮，同時開啟報警聲音。DSP采集到的18條支路氣壓，通過計算當滿足報警條件時，產(chǎn)生報警信號，使該路的紅色指示燈亮。

　　3.2 DSP控制系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)主控制器采用TMS320F2812，該控制器是面向電機控制、工業(yè)自動化的帶片內(nèi)Flash、工作頻率達到150 MHz的32位DSP。該控制器采用經(jīng)典哈佛總線結(jié)構(gòu)，利用多總線在存儲器、外圍模塊和CPU之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，它可以在一個周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，同時它采用了指令流水線技術(shù)，保證信號處理的快速性和實時性。

　　3.3 電磁閥控制

　　通過DSP控制繼電器的吸合，從而控制電磁閥的吸合。電磁閥采用24V直流供電。

　　3.4 氣壓采集系統(tǒng)

　　需要采集的氣壓有：1路主氣路氣壓、18路支氣路氣壓，壓力傳感器采用(0～5)V直流電壓輸出型。采集到的電壓信號，通過整形、濾波后送給DSP系統(tǒng)，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過計算得到對應(yīng)的壓力。

　　3.5 電源系統(tǒng)

　　控制柜外部電源為220VAC，采用交流接觸器實現(xiàn)對系統(tǒng)電源的通斷。DSP系統(tǒng)采用5VDC供電。電磁閥控制系統(tǒng)采用24VDC供電。

4 零件加工分析

　　基于以上氣動壓緊工裝及其控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，在數(shù)控車間進行了實際零件加工。零件的輔助裝夾時間由原來的平均31min減少到6min，主要原因是原有裝夾的每個壓板均需要逐一壓緊，而通過氣動壓緊工裝可以實現(xiàn)零件的快速壓緊。同時，采用本工裝后，更加方便切屑的清理。加工后零件經(jīng)過檢驗，質(zhì)量和尺寸精度均滿足設(shè)計圖樣要求。

5 結(jié)論

　　(1)基于模塊化、組合夾具式設(shè)計思路，設(shè)計了航天產(chǎn)品中某典型細長零件數(shù)控加工氣動裝夾系統(tǒng)，主要包括氣動工裝及其控制系統(tǒng)兩部分。

　　(2)研究成果已經(jīng)在工程中得到成功應(yīng)用，解決了該零件加工過程中裝夾次數(shù)多，裝夾繁瑣等問題。零件裝夾時間得到了大幅縮減，生產(chǎn)效率得到了顯著提高。