大型航空结构件加工自动避让夹具系统研究

摘要

随着航空制造工业的飞速发展，现代飞机对性能的要求也在不断的提升。航空产品的制造中广泛采用大型整体结构件来替代过去通过铆接和螺栓连接的组合结构件。与一般的机械零件相比，飞机整体构件的加工难度和强度更大，不仅实体组合复杂，形位精度要求很高，而且薄壁位置刚度低，切除率高，数控加工过程非常容易产生变形。因此，大型航空整体结构件的制造技术一直困扰着航空工业。
　　多点夹持技术是保证飞机结构件加工过程中静、动态稳定性的一种有效而实用的方法，现在广泛应用于飞机制造领域。然而，一些需要加工的结构特征，例如槽、肋板、孔等，不可避免会与夹持位置靠近或者重合。在这种情况下，仅仅通过刀具路径规划和刀具姿态调整的方法并不能够解决刀具和夹紧点之间在加工运动过程中的干涉与冲突。这对于航空制造业来说也是一个很棘手的难题。
　　本文从航空整体构件装夹的角度出发，研究了一种可以实现自动避让的方法。此方法是将包含夹紧力控制功能与夹紧动作控制功能相结合的工艺系统装备应用到大型航空整体结构件的加工中去。
　　首先，采用有限元技术，分析了加工过程中多次反复释放和夹紧操作下的工件受力状态，建立夹紧力与工件加工中剩余壁厚关系的数学模型，依据数学模型对每个夹持点的夹紧力分别进行优化处理。
　　然后，研究了一种自动避让方法，该方法是在夹具坐标系下，通过将传感器在线检测的刀具实际位置坐标与定位、夹紧点的位置坐标进行比较来实现的。因此，自动避让系统是一个完全独立于机床数控系统的控制单元。
　　最后，在上述理论的基础上，本文设计了一种基于在线检测的自动避让模块化夹具系统，并进行了制造和调试。为了验证自动避让夹具系统的可靠性，我们以560mm×110mm×16mm的铝合金构件作为夹持对象，进行铣槽加工，来减轻工件的重量。夹具系统主要是由4个最大夹紧力778N的回转夹紧气动夹紧点，8个超声波接近传感器、2个超声波测距传感器、底座等辅助支承元件组成。从加工试验表明，该夹具系统能够高质、高效地满足飞机整体结构件的加工要求，且操作便捷。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 航空结构件加工工艺装备系统研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文研究的内容和章节安排

1．3．1 课题研究内容

1．3．2 论文章节安排

2 自动避让夹具设计方案研究

2．1 自动避让夹具设计要求

2．1．1 铣床夹具基本设计要求

2．1．2 航空整体构件柔性自动避让夹具具体设计要求

2．2 装夹难点分析

2．3 自动避让夹具设计方案

2．3．1 自动避让夹具总体设计方案

2．3．2 定位方案设计

2．3．3 夹紧方案设计

2．3．4 控制系统方案比较

2．4 技术路线和技术措施

2．4．1 技术路线

2．4．2 技术措旋

2．5 本章小结

3 自动避让夹具详细设计

3．1 自动避让夹具的分析计算

3．1．1 切削力的计算

3．1．2 夹紧力的计算

3．1．3 静力学分析

3．2 自动避让夹具气动系统的设计

3．2．1 自动避让夹具气动系统工作要求

3．2．2 拟定气动系统原理图

3．2．3 气动系统的计算和气动元件的选择

3．3 机械结构设计

3．3．1 底板装置的设计

3．3．2 吊环螺钉的设计

3．5 本章小结

4 自动避让夹具电气控制系统研究

4．1 电气控制系统控制要求和总体方案

4．1．1 控制系统要求

4．1．2 总体方案

4．2 控制面板设计

4．3 PLC模块的设计

4．3．1 三菱FX3GA系列PLC概述

4．3．2 气缸动作控制模块

4．3．4 压力控制模块

4．3．4 刀具位置坐标检测模块

4．4 电-气控制柜设计

4．5 本章小结

5 自动避让夹具的试验研究

5．1 试验准备

5．1．1 工件试样

5．1．2 试验设备

5．1．3 试验方案

5．2 试验过程

5．2．1 装夹

5．2．2 选择刀具规格并设定切削参数

5．2．3 切削加工

5．3 试验结果分析

5．3．1 振动对比试验结果分析

5．3．2 不同夹具装夹切削对比试验结果分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢