摘要

　　飛機結構件作為構成飛機機體骨架和氣動(dòng)外形的重要部件，它具有品種繁多、功能重要的特點(diǎn)。為了提高飛機結構件的加工質(zhì)量，國內采用了先進(jìn)的加工工藝，但是由于機床夾具的柔性化與自動(dòng)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(zhì)量。在飛機結構件夾具設計過(guò)程中，需要花費大量的時(shí)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(wèn)題，本文進(jìn)行了以下幾方面的研究。

　　首先，在CATIA環(huán)境下，利用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了飛機結構件夾具設計系統。利用VB開(kāi)發(fā)了夾具設計系統界面，實(shí)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(dòng)參數化建模方法與程序驅動(dòng)參數化建模方法，實(shí)現了夾具元件的參數化建模，并使用宏錄制方式來(lái)獲取部分建模程序。利用CATIA提供的API接口和VB語(yǔ)言實(shí)現了附帶約束關(guān)系的夾具各零部件間的虛擬裝配。詳細說(shuō)明了夾具標準件庫的建庫方案，并舉例說(shuō)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(lèi)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(shí)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(lèi)結構件的特點(diǎn)，確定了夾具的夾緊和定位方案，實(shí)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(dòng)傳動(dòng)夾緊力不足的缺點(diǎn)。設計了夾具氣動(dòng)夾緊系統，并詳細說(shuō)明了氣動(dòng)夾緊原理，提高了夾具的自動(dòng)化程度。此夾具適用于不同尺寸的桁類(lèi)零件，實(shí)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(mén)子S7-200系列PLC設計了夾具控制系統。詳細說(shuō)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(xiàn)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(jìn)行相應的調試，模擬實(shí)際工況，以保證控制程序的可行性。

　　關(guān)鍵詞：飛機結構件，CATIA,參數化設計，柔性?shī)A具，氣動(dòng)夾緊，PLC

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(lái)源及意義

　　在飛機制造業(yè)中，工藝裝備的柔性化與自動(dòng)化備受關(guān)注，柔性工裝系統是降低工裝制造成本和縮短工裝準備時(shí)間的重要手段，同時(shí)也能有效提高生產(chǎn)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(zhuān)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(shí)間，導致夾具設計周期長(cháng)、效率低、勞動(dòng)量大等缺點(diǎn)，不能適用于現代制造業(yè)[1].

　　為了提高整體飛機結構件的加工質(zhì)量，國內采用了先進(jìn)的加工工藝，但是由于與之相應的工藝裝備不能有效改進(jìn)，嚴重影響了飛機結構件的加工質(zhì)量。據調研，30%的飛機結構件加工質(zhì)量與工藝裝備有關(guān)，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(zhì)量難以滿(mǎn)足相應加工要求的主要原因[2-3].機械加工是確實(shí)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(guò)程中使結構件滿(mǎn)足加工質(zhì)量要求、提高工裝效率的關(guān)鍵 [4-5].飛機結構件機械加工夾具存在如下問(wèn)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(lèi)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(guò)程中，設計者通常要花費大量的時(shí)間去設計計算、建立標準件模型等，使得設計周期長(cháng)、勞動(dòng)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(dòng)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(shí)現兩個(gè)元件間的完全約束，但是拾取和約束幾何元素過(guò)于繁瑣、費時(shí)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(guò)程中，需要使用大量的飛機整體結構件，這類(lèi)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(zhuān)用夾具。目前，夾具研究人員對飛機裝配工裝的柔性關(guān)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(diǎn)。例如，中航工業(yè)某公司在飛機研制過(guò)程中，需要加工以毛坯和型材為原材料的飛機結構件，這類(lèi)零件主要以銑削和鉆孔加工為主，由于零件種類(lèi)多、數量少，每種零件均需要研制相應的專(zhuān)用夾具，從加工一種零件到加工另一種零件，夾具重組時(shí)間約2小時(shí)，影響了生產(chǎn)效率。

　　（3）夾具自動(dòng)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(shí)費力。夾具組裝、工件裝夾花費的時(shí)間過(guò)長(cháng)，使得工件的切削時(shí)間在整個(gè)加工過(guò)程中實(shí)用時(shí)較少，導致產(chǎn)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(zhì)量不穩定，既浪費了材料，又增加了工裝準備時(shí)間。缺乏自動(dòng)工裝系統，無(wú)法實(shí)現工件的精確定位、快速夾緊以及加工過(guò)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(zhì)要求高，必然增加零件的制造時(shí)間和成本。夾具自動(dòng)化程度低，缺乏氣動(dòng)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)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(shí)現了夾具零部件的快速建模與虛擬裝配，并詳細說(shuō)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(lèi)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(shí)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(lèi)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(dòng)増力機構，實(shí)現傳感器感知、工件自動(dòng)定位與夾緊，從而提高了夾具的自動(dòng)化程度。

　　1.2 國內外研究現狀

　　1.2.1 柔性?shī)A具的研究現狀

　　隨著(zhù)航空工業(yè)的發(fā)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(lèi)與質(zhì)量上。飛機結構件品類(lèi)繁多，傳統的生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)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(chǎn)品的有效途徑，并成為機械制造業(yè)主要發(fā)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(shí)現工件與機床、刀具準確位置的重要環(huán)節，它直接影響工件的加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率、制造成本。

　　隨著(zhù)數控機床與加工中心在實(shí)際生產(chǎn)中的普遍應用，滿(mǎn)足高適應要求的柔性?shī)A具在計算機集成制造系統（CIMS）與柔性制造系統（FMS）發(fā)展的形勢下應運而生[8-9].柔性?shī)A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?shī)A具具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)間與成本，適用于設計變化大、小批量生產(chǎn)的零件。

　　柔性?shī)A具的研究分為兩類(lèi)方向：一種是在傳統柔性?shī)A具的基礎上進(jìn)行創(chuàng )新的夾具，即可調整夾具、組合夾具；另一種是突破原有柔性?shī)A具的限制，在結構與原理上進(jìn)行創(chuàng )新的夾具，即相變和偽相變材料式柔性?shī)A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(jìn)行分類(lèi)編組設計而成的，具有較小范圍的柔性，包括專(zhuān)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(cháng)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(zhù)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(zhuān)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(jìn)行設計的，它適用范圍比通用夾具更大。可調整夾具見(jiàn)效快、技術(shù)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(fā)動(dòng)機支架車(chē)削夾具，并介紹了發(fā)動(dòng)機懸置支架的加工過(guò)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(lèi)零件的結構特點(diǎn)，提出了一種面向套類(lèi)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(lèi)飛機結構件才適合采用可調夾具來(lái)實(shí)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(zhuān)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(yōu)點(diǎn)，是一種可重復使用的夾具系統，能夠有效減少專(zhuān)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(chǎn)加工。組合夾具分為槽系組合夾具與孔系組合夾具。隨著(zhù)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(jìn)給量的不斷提高，孔系組合夾具得到有效的發(fā)展。Ma等人[13]提出了一種數字組合夾具管理系統，并說(shuō)明了夾具系統管理的定義與關(guān)鍵技術(shù)。歐彥江等人[14]提出了一種基于實(shí)例推理的組合夾具自動(dòng)拼裝技術(shù)，將實(shí)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(shí)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(wǎng)絡(luò )虛擬裝配平臺，并通過(guò)實(shí)例驗證了裝配技術(shù)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(shù)，支持虛擬環(huán)境中組合夾具裝配設計。組合夾具存在如下問(wèn)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(huán)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(lái)實(shí)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?shī)A具發(fā)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?shī)A具一般有一個(gè)充滿(mǎn)相應介質(zhì)的容器，并通過(guò)改變外界條件的方式來(lái)控制介質(zhì)的物理形態(tài)，從而達到夾持工件的目的。宋燦等人[18]提出了具有實(shí)用價(jià)值的低熔點(diǎn)合金相變夾具，并指出其尚未解決的問(wèn)題。Rong等人[19]對磁流相變材料進(jìn)行了試驗研究，并通過(guò)對磁流相變材料施加壓力的方式來(lái)改變磁流相變材料的顯微結構，顯著(zhù)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?shī)A具，為柔性?shī)A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?shī)A具。通過(guò)提高磁流變液在磁場(chǎng)中受到沿磁場(chǎng)方向的外界正壓力，來(lái)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(dòng)適應工件外形的被動(dòng)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(chǎn)生彎曲、扭轉變形的特點(diǎn)，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(guò)程中產(chǎn)生的變形逐層消除。針對葉片頂端在修復過(guò)程中幾何形體差異導致的難以使用固定夾具夾緊的問(wèn)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(kāi)發(fā)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(shí)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(lái)，計算機數字控制式的柔性?shī)A具系統發(fā)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?shī)A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(jìn)行位置調整的部件、計算機控制系統和機電式驅動(dòng)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(guò)機械或真空吸附方式實(shí)現夾持。此類(lèi)夾具系統具有良好的重構性，能夠快速調整自身結構來(lái)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(chǎn)。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(xiàn)仿真等關(guān)鍵技術(shù)的柔性工裝系統[30].

　　1.2.2 CATIA二次開(kāi)發(fā)的夾具研究現狀

　　美國、英國和日本等發(fā)達的工業(yè)化國家運用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)與計算機技術(shù)，在CAD、CATIA、UG和Pro/E等三維軟件的二次開(kāi)發(fā)方面有了成熟的技術(shù)研究 ,并取得了顯著(zhù)的技術(shù)成果。在國內，UG、Pro/E和CAD的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)已經(jīng)走向成熟，并得到廣泛的應用，但CATIA 軟件的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)還處于研究階段，CATIA標準零件庫的二次開(kāi)發(fā)逐漸受到國內的重視。CATIA 是由法國航空航天企業(yè)達索公司開(kāi)發(fā)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(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是航空航天領(lǐng)域[31].

　　CATIA不僅為用戶(hù)提供了相應的二次開(kāi)發(fā)接口，而且還提供了開(kāi)放式的命令集，給CATIA的二次開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的方便，在熟練運用 CATIA功能模塊的條件下，用戶(hù)可以對CATIA軟件進(jìn)行相應的二次開(kāi)發(fā)研究。二次開(kāi)發(fā)是實(shí)現軟件專(zhuān)業(yè)化的有效手段，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低研發(fā)成本和提高工作效率方面起到重要作用。CATIA二次開(kāi)發(fā)的夾具研究現狀主要分為以下幾個(gè)方面。

　　（1）參數化設計的研究現狀參數化設計又稱(chēng)尺寸驅動(dòng)，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(guān)系的技術(shù)。近年來(lái)，國內對參數化技術(shù)做了大量的研究，參數化技術(shù)是實(shí)際生產(chǎn)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(dòng)繪圖功能[32-33].利用參數化技術(shù)開(kāi)發(fā)的設計系統能夠運用相應的知識和經(jīng)驗，減少了設計人員的操作錯誤，并提高了產(chǎn)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(zhuān)用夾具的設計效率。花同全[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(shí)現了設計系統與 SQL 數據庫的鏈接，簡(jiǎn)化了機床夾具的設計過(guò)程。

　　（2）元件庫的研究現狀國外發(fā)達國家的生產(chǎn)經(jīng)驗表明，標準件作為機械產(chǎn)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(lèi)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(wèn)題，李崇洋[36]提出了在CATIA環(huán)境下構建專(zhuān)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(shí)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(yè)中，裝配工作量占整個(gè)制造工作量的30%~50%,裝配效率影響著(zhù)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。隨著(zhù)CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展，基于CATIA軟件的零部件虛擬裝配技術(shù)得到廣泛關(guān)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(lèi)型對零件進(jìn)行分類(lèi)，并調整原有的裝配關(guān)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(gè)可重復使用的固定模版，并在此模板的基礎上進(jìn)行當前夾具的裝配設計。陸皆炎等人[42]

　　提出一種CATIA二次開(kāi)發(fā)的智能裝配方法，能夠自動(dòng)建立裝配約束，實(shí)現了智能裝配和零組件的批量裝配。崔聯(lián)合基于CATIA 軟件知識工程模塊，應用VB2010完成專(zhuān)用夾具CAD系統的構建[43].

　　1.2.3 液壓與氣動(dòng)夾具的研究現狀

　　柔性?shī)A具是集機械、液壓、氣動(dòng)和控制等方面的學(xué)科，并將電傳、氣動(dòng)、液壓、隨行加工等技術(shù)相結合，實(shí)現工件的快速定位、夾緊及加工過(guò)程對工件的隨行功能[44].采用氣動(dòng)與液壓夾緊，將其與PLC控制器相結合，應用于飛機制造領(lǐng)域，能夠有效提高飛機結構件的加工效率和加工質(zhì)量。液壓與氣動(dòng)傳動(dòng)夾具的發(fā)展狀況主要包括以下幾個(gè)方面。

　　（1）液壓傳動(dòng)夾具的發(fā)展現狀液壓傳動(dòng)作為流體傳動(dòng)的一種傳動(dòng)方式，是利用相應的液體作為工作介質(zhì)，并用來(lái)傳遞能量和進(jìn)行控制。液壓傳動(dòng)系統主要包括動(dòng)力部分、控制部分、執行部分、輔助裝置和定位夾緊機構等。動(dòng)力部分用來(lái)提供滿(mǎn)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(lái)保證系統各部件準確的按照設計要求完成循環(huán)動(dòng)作；執行部件是將壓力能轉換為機械能，用來(lái)驅動(dòng)夾具上的夾緊機構；輔助裝置是液壓傳動(dòng)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(lái)實(shí)現工件的準確定位與快速夾緊。液壓傳動(dòng)是用油管連接，可以靈活地布置傳動(dòng)機構，具有夾緊剛性高、工作平穩、操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現過(guò)載保護及無(wú)極調速等特點(diǎn)。張文凡等人[45]針對機床液壓夾具易受外界干擾的問(wèn)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(chǎn)線(xiàn)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(diǎn)。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(dòng)傳動(dòng)夾具的發(fā)展狀況近年來(lái)，由于氣動(dòng)元件價(jià)格低于液壓元件，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展較快，氣動(dòng)元件的使用量和使用范圍遠遠超過(guò)了液壓元件。氣壓傳動(dòng)是以空氣作為工作介質(zhì)，并利用壓縮氣體傳遞動(dòng)力的流體傳動(dòng)。氣壓傳動(dòng)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(fā)生裝置，它將機械能裝換成壓縮氣體的壓力能，為整個(gè)系統提供動(dòng)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(shí)現夾具的動(dòng)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(guò)濾、連接、減小噪聲等作用；定位夾緊機構是用來(lái)實(shí)現工件的準確定位與快速夾緊。與液壓傳動(dòng)夾具相比，氣源傳動(dòng)夾具因具有無(wú)污染、成本低、適應性好、阻力小、反應快、結構簡(jiǎn)單、可靠性高和使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，被稱(chēng)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(dòng)夾具，從而有效解決了實(shí)際生產(chǎn)的問(wèn)題。Zhong等[52]分析了基于流體傳動(dòng)的綠色化夾具技術(shù)，采用具有放大裝置的氣動(dòng)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(dòng)控制柔性快裝夾具。馬進(jìn)中等[54]利用數控機床內的PLC控制器進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計，并通過(guò)數控機床的電氣系統來(lái)控制氣動(dòng)夾具動(dòng)作，實(shí)現了一種氣動(dòng)多工位夾具。

　　（3）增力機構的發(fā)展狀況在進(jìn)行氣動(dòng)傳動(dòng)系統設計時(shí)，設計人員習慣采用提高氣動(dòng)系統壓力或增大氣缸直徑的方法來(lái)提高系統的夾緊力，但這種方法會(huì )導致氣動(dòng)元件成本高、系統結構龐大等一系列問(wèn)題。由于機械增力機構具有提高系統夾緊力、降低勞動(dòng)強度、節約系統成本、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，因此增力機構在工裝夾具領(lǐng)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(wú)桿氣缸組成的氣動(dòng)傳動(dòng)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(diǎn)，沈銘等[56]采用氣動(dòng)肌肉的驅動(dòng)方式，設計了一種氣動(dòng)增力夾具。針對氣壓傳動(dòng)系統壓力不足的特點(diǎn)，郭瑞潔等[57]提出了一種基于鉸桿與杠桿串聯(lián)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(cháng)氣動(dòng)元件壽命、減小環(huán)境污染的特點(diǎn)。姚遠等[59]設計了一種基于鉸桿和杠桿串聯(lián)的二級增力機構的雙向浮動(dòng)式氣動(dòng)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?jì)热?/strong>