CN107160216B - 弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置及装夹方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械装置领域，尤其涉及一种应用于航空航天制造领域的弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置及装夹方法，包括组合式底座、柔性支撑系统和定位压紧装置，所述柔性支撑系统安装在组合式底座上，所述定位压紧装置位于柔性支撑系统的上方；所述柔性支撑系统包括多个支撑单元，每个支撑单元包括有支撑杆、真空吸盘和弹簧，所述支撑杆的两端分别与真空吸盘和弹簧相连，所述真空吸盘与支撑杆通过球形关节连接。本发明可以实现具有不同型面特征的弱刚性复合材料零件快速装夹，自适应不同零件外形尺寸，极大提高装夹方式柔性化程度，并且适用于多品种小批量生产需要。

Description

弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置及装夹方法
技术领域
本发明属于机械装置领域，尤其涉及一种应用于航空航天制造领域的弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置及装夹方法。
背景技术
复合材料由两种或者两种以上不同物质组成，克服单一材料缺陷，扩大材料应用范围，其中蜂窝复合材料是弱刚性复合材料的典型代表，起源于仿生学，具有抗压和抗弯曲强度高、刚度高、超轻型结构特性以及缓冲、隔热和隔音等功能，最早应用于航空航天领域，然后推广到建筑业、家具制造、包装和运输业，经济价值高，并且可以回收利用，有利于保护和改善生态环境。
在航空制造工业中，纸蜂窝等弱刚性复合材料零件通常具有平面和曲面组合的结构特性，在对平面进行切削加工时，复杂曲面造成了零件装夹困难，传统通用夹具无法满足弱刚性复合材料零件特殊外形的装夹需求，难以保证装夹定位精度。
目前，对于弱刚性复合材料零件装夹，一般采用定制专用夹具的方法，针对每一种零件型面制作工装定位面，采用胶粘连接方式固定工件。如专利申请号为CN201610207142.4，申请日为20160401，名称为“一种NOMEX蜂窝在普通数控铣床上加工的辅助装夹方法”的发明专利，其技术方案为：本发明提供了一种NOMEX蜂窝在普通数控铣床上加工的辅助装夹方法，包括以下步骤：清理工装表面，在已刷涂脱模剂的工装表面上铺贴附加层，然后铺贴一层隔离层，最后在隔离层上放置NOMEX蜂窝；按照附加层所选用材料的固化参数在热压罐或烘箱中进行固化；蜂窝脱模；数控加工NOMEX蜂窝。
上述专利及现有技术中均存在以下问题：由于弱刚性复合材料零件型面结构复杂并且种类繁多，专用夹具制造效率低，加工成本高昂，并且许多弱刚性复合材料零件属于小批量生产，定制专用夹具浪费大量资源。与金属切削加工相比，弱刚性复合材料零件切削力小，尺寸精度要求较低，对工装夹具柔性化要求高于装夹牢固性，特别需要一种操作简单快速、适用范围广的装夹装置，满足日益增长的弱刚性复合材料零件加工需要。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的装夹方法效率低、成本高的问题，本发明提供一种操作灵活，适用于多品种小批量生产需要的柔性组合装夹装置及其装夹方法。
为了实现上述效果，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置，其特征在于：包括组合式底座、柔性支撑系统和定位压紧装置，所述柔性支撑系统安装在组合式底座上，所述定位压紧装置位于柔性支撑系统的上方；所述柔性支撑系统包括多个支撑单元，每个支撑单元包括有支撑杆、真空吸盘和弹簧，所述支撑杆的两端分别与真空吸盘和弹簧相连，所述真空吸盘与支撑杆通过球形关节连接。球形关节能够使得真空吸盘可以多自由度调整位姿，使之与可装夹零件型面贴合。
所述真空吸盘为橡胶材料制作。
所述定位压紧装置包括压板、辅助定位板和第一气缸，所述辅助定位板与压板通过卡槽连接，辅助定位板采用轻质材料制作，所述第一气缸与压板相连，驱动压板和辅助定位板向下运动，从而实现待加工零件的定位与夹紧，在锁紧柔性装夹系统后，移出辅助定位板。在移出辅助定位板前，真空吸盘吸附零件表面，实现对零件位置的固定。
所述辅助定位板带有手柄，使用轻质材料制作，通过卡槽与压板连接，由气缸驱动压紧零件平面进行定位装夹，待支撑单元锁紧后移出。
所述组合式底座包括导向块、带孔底座和液压缸，所述带孔底座通过卡槽结构与导向块连接，通过调整带孔底座数量改变可装夹零件尺寸范围，所述导向块通过螺栓将带孔底座固定在工作台上，所述工作台上设置有至少两个液压缸，两个液压缸分别设置在带孔底座的两侧。
所述带孔底座包括多个条状拼接板，所述条状拼接板的侧边设置有多个半圆形凹孔，相邻的条状拼接板的半圆形凹孔对齐设置形成完整的孔位。
每个支撑单元放置在带孔底座拼接而成的孔位中，根据零件型面特征上下移动。当支撑单元在带孔底座拼接形成的孔位中可以移动时，支撑单元与孔位属于间隙配合，此时零件放置支撑单元上方后，在零件重力作用下，会压缩支撑单元中的弹簧，移去零件后，弹簧会伸长，在此过程中支撑单元会上下移动。待零件放置支撑单元上方，真空吸盘吸附零件表面后，通过两侧液压缸使带孔底座相互挤紧，使得支撑单元与孔位形成过盈配合，实现对支撑单元位置的固定，零件定位后通过气缸驱动压紧带孔底座，实现柔性支撑系统锁紧。
一种弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，包括以下步骤：
第一步，根据待加工零件型面尺寸设置带孔底座和柔性支撑单元：选取带孔底座，与导向块组合安装于工作台上，在带孔底座两侧安装液压缸；在组合式带孔底座的孔位中放置弹簧、支撑杆和真空吸盘，形成柔性支撑系统；
第二步，使用第一气缸驱动压板和辅助定位板实现零件定位压紧：安装至少两个第一气缸和压板，将待加工零件放置在柔性支撑系统上，将辅助定位板安装在压板上，启动定位压紧装置下压零件，调整压板和辅助定位板的高度，使柔性支撑单元上下移动形成与待加工零件型面贴合的支撑面；
第三步，使用液压缸驱动压紧带孔底板，锁紧柔性支撑系统：启动液压缸使其压紧带孔底座，锁紧支撑杆；液压缸提供的压力足以满足支撑单元位置的固定，锁紧效果好。
第四步，移出辅助定位板，加工零件平面。
本发明的优点在于：
1、本发明可以实现具有不同型面特征的弱刚性复合材料零件快速装夹，自适应不同零件外形尺寸，极大提高装夹方式柔性化程度，并且适用于多品种小批量生产需要。
2、采用组合式的带孔底座能够使得本发明适用于多种不同尺寸的零件，方便扩展，卡槽结构易于操作，结果简单便于维护。
3、本申请的支撑单元的真空吸盘和支撑杆之间使用球形关节相连，使得支撑板能够适应带有曲面的零件表面，弹簧能够保证支撑杆的上下位置的位移，具有较好的自适应能力。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明的组合式底座系统结构示意图。
图3是本发明的带孔底座结构示意图。
图4是本发明的柔性支撑系统结构示意图。
图5是本发明的柔性支撑单元结构示意图。
图6是本发明的定位压紧装置结构示意图。
图中：1、工作台；2、第一气缸；3、压板；4、辅助定位板；5、待加工零件；6、真空吸盘；7、支撑杆；8、弹簧；9、带孔底座；10、导向块，11、液压缸。
具体实施方式
实施例1
一种弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置，其特征在于：包括组合式底座、柔性支撑系统和定位压紧装置，所述柔性支撑系统安装在组合式底座上，所述定位压紧装置位于柔性支撑系统的上方；所述柔性支撑系统包括多个支撑单元，每个支撑单元包括有支撑杆7、真空吸盘6和弹簧8，所述支撑杆7的两端分别与真空吸盘6和弹簧8相连，所述真空吸盘6与支撑杆7通过球形关节连接。球形关节能够使得真空吸盘6可以多自由度调整位姿，使之与可装夹零件型面贴合。本发明可以实现具有不同型面特征的弱刚性复合材料零件快速装夹，自适应不同零件外形尺寸，极大提高装夹方式柔性化程度，并且适用于多品种小批量生产需要。
实施例2
一种弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置包括组合式底座、柔性支撑系统和定位压紧装置，所述柔性支撑系统安装在组合式底座上，所述定位压紧装置位于柔性支撑系统的上方；所述柔性支撑系统包括多个支撑单元，每个支撑单元包括有支撑杆7、真空吸盘6和弹簧8，所述支撑杆7的两端分别与真空吸盘6和弹簧8相连，所述真空吸盘6与支撑杆7通过球形关节连接。球形关节能够使得真空吸盘6可以多自由度调整位姿，使之与可装夹零件型面贴合。
所述真空吸盘6为橡胶材料制作。
所述定位压紧装置包括压板3、辅助定位板4和第一气缸2，所述辅助定位板4与压板3通过卡槽连接，辅助定位板4采用轻质材料制作，所述第一气缸2与压板3相连，驱动压板3和辅助定位板4向下运动，从而实现待加工零件5的定位与夹紧，在锁紧柔性装夹系统后，移出辅助定位板4。在移出辅助定位板4前，真空吸盘6吸附零件表面，实现对零件位置的固定。
所述辅助定位板4带有手柄，使用轻质材料制作，通过卡槽与压板3连接，由气缸驱动压紧零件平面进行定位装夹，待支撑单元锁紧后移出。
所述组合式底座包括导向块10、带孔底座9和液压缸11，所述带孔底座9通过卡槽结构与导向块10连接，通过调整带孔底座9数量改变可装夹零件尺寸范围，所述导向块10通过螺栓将带孔底座9固定在工作台1上，所述工作台1上设置有至少两个液压缸11，两个液压缸11分别设置在带孔底座9的两侧。
所述带孔底座9包括多个条状拼接板，所述条状拼接板的侧边设置有多个半圆形凹孔，相邻的条状拼接板的半圆形凹孔对齐设置形成完整的孔位。
每个支撑单元放置在带孔底座9拼接而成的孔位中，根据零件型面特征上下移动。当支撑单元在带孔底座9拼接形成的孔位中可以移动时，支撑单元与孔位属于间隙配合，此时零件放置支撑单元上方后，在零件重力作用下，会压缩支撑单元中的弹簧8，移去零件后，弹簧8会伸长，在此过程中支撑单元会上下移动。待零件放置支撑单元上方，真空吸盘6吸附零件表面后，通过两侧液压缸11使带孔底座9相互挤紧，使得支撑单元与孔位形成过盈配合，实现对支撑单元位置的固定，零件定位后通过气缸驱动压紧带孔底座9，实现柔性支撑系统锁紧。
实施例3
一种弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，包括以下步骤：
第一步，根据待加工零件5型面尺寸设置带孔底座9和柔性支撑单元：选取带孔底座9，与导向块10组合安装于工作台1上，在带孔底座9两侧安装液压缸11；在组合式带孔底座9的孔位中放置弹簧8、支撑杆7和真空吸盘6，形成柔性支撑系统；
第二步，使用第一气缸2驱动压板3和辅助定位板4实现零件定位压紧：安装至少两个第一气缸2和压板3，将待加工零件5放置在柔性支撑系统上，将辅助定位板4安装在压板3上，启动定位压紧装置下压零件，调整压板3和辅助定位板4的高度，使柔性支撑单元上下移动形成与待加工零件5型面贴合的支撑面；
第三步，使用液压缸11驱动压紧带孔底板，锁紧柔性支撑系统：启动液压缸11使其压紧带孔底座9，锁紧支撑杆7；液压缸11提供的压力足以满足支撑单元位置的固定，锁紧效果好。
第四步，移出辅助定位板4，加工零件平面。
实施例4
一种弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置包括组合式底座、柔性支撑系统和定位压紧装置，所述柔性支撑系统安装在组合式底座上，所述定位压紧装置位于柔性支撑系统的上方；所述柔性支撑系统包括多个支撑单元，每个支撑单元包括有支撑杆7、真空吸盘6和弹簧8，所述支撑杆7的两端分别与真空吸盘6和弹簧8相连，所述真空吸盘6与支撑杆7通过球形关节连接。球形关节能够使得真空吸盘6可以多自由度调整位姿，使之与可装夹零件型面贴合。
所述真空吸盘6为橡胶材料制作。
所述定位压紧装置包括压板3、辅助定位板4和第一气缸2，所述辅助定位板4与压板3通过卡槽连接，辅助定位板4采用轻质材料制作，所述第一气缸2与压板3相连，驱动压板3和辅助定位板4向下运动，从而实现待加工零件5的定位与夹紧，在锁紧柔性装夹系统后，移出辅助定位板4。在移出辅助定位板4前，真空吸盘6吸附零件表面，实现对零件位置的固定。
所述辅助定位板4带有手柄，使用轻质材料制作，通过卡槽与压板3连接，由气缸驱动压紧零件平面进行定位装夹，待支撑单元锁紧后移出。
所述组合式底座包括导向块10、带孔底座9和液压缸11，所述带孔底座9通过卡槽结构与导向块10连接，通过调整带孔底座9数量改变可装夹零件尺寸范围，所述导向块10通过螺栓将带孔底座9固定在工作台1上，所述工作台1上设置有至少两个液压缸11，两个液压缸11分别设置在带孔底座9的两侧。
所述带孔底座9包括多个条状拼接板，所述条状拼接板的侧边设置有多个半圆形凹孔，相邻的条状拼接板的半圆形凹孔对齐设置形成完整的孔位。
每个支撑单元放置在带孔底座9拼接而成的孔位中，根据零件型面特征上下移动。当支撑单元在带孔底座9拼接形成的孔位中可以移动时，支撑单元与孔位属于间隙配合，此时零件放置支撑单元上方后，在零件重力作用下，会压缩支撑单元中的弹簧8，移去零件后，弹簧8会伸长，在此过程中支撑单元会上下移动。待零件放置支撑单元上方，真空吸盘6吸附零件表面后，通过两侧液压缸11使带孔底座9相互挤紧，使得支撑单元与孔位形成过盈配合，实现对支撑单元位置的固定，零件定位后通过气缸驱动压紧带孔底座9，实现柔性支撑系统锁紧。
一种弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，包括以下步骤：
第一步，根据待加工零件5型面尺寸设置带孔底座9和柔性支撑单元：选取带孔底座9，与导向块10组合安装于工作台1上，在带孔底座9两侧安装液压缸11；在组合式带孔底座9的孔位中放置弹簧8、支撑杆7和真空吸盘6，形成柔性支撑系统；
第二步，使用第一气缸2驱动压板3和辅助定位板4实现零件定位压紧：安装至少两个第一气缸2和压板3，将待加工零件5放置在柔性支撑系统上，将辅助定位板4安装在压板3上，启动定位压紧装置下压零件，调整压板3和辅助定位板4的高度，使柔性支撑单元上下移动形成与待加工零件5型面贴合的支撑面；
第三步，使用液压缸11驱动压紧带孔底板，锁紧柔性支撑系统：启动液压缸11使其压紧带孔底座9，锁紧支撑杆7；液压缸11提供的压力足以满足支撑单元位置的固定，锁紧效果好。
第四步，移出辅助定位板4，加工零件平面。
本发明可以实现具有不同型面特征的弱刚性复合材料零件快速装夹，自适应不同零件外形尺寸，极大提高装夹方式柔性化程度，并且适用于多品种小批量生产需要。
采用组合式的带孔底座9能够使得本发明适用于多种不同尺寸的零件，方便扩展，卡槽结构易于操作，结果简单便于维护。
本申请的支撑单元的真空吸盘6和支撑杆7之间使用球形关节相连，使得支撑板能够适应带有曲面的零件表面，弹簧8能够保证支撑杆7的上下位置的位移，具有较好的自适应能力。
实施例6
在实施例1-5的基础上，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在图1、图2、图4、图5、图6中所示，弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置包括组合式底座、柔性支撑系统和定位压紧装置,其中组合式底座由导向块10、带孔底座9和液压缸11组成；柔性支撑系统包括许多支撑单元，每个单元由支撑杆7、真空吸盘6和弹簧8组成；定位压紧装置由压板3、辅助定位板4和第一气缸2组成。
如图3所示，带孔底座9具有四种结构，可以通过卡槽结构相互组合，构成尺寸范围可变化的底座平面，以适应不同外形尺寸零件的装夹需求。导向块10通过螺栓与工作台1连接，通过卡槽结构与带孔底板9连接，形成组合式底座。带孔底座组合形成孔位，放置弹簧8和支撑杆7，支撑杆7通过压缩弹簧8实现上下自由移动，以零件型面为依据调整高度。工作台1上带孔底板9的两侧设置若干液压缸11，液压缸11启动后推紧带孔底座9，带孔底座9壁面与支撑杆7接触产生挤压，依靠摩擦力锁紧支撑杆。
真空吸盘6使用橡胶材料制作，与支撑杆7通过球形关节连接，可以实现多自由度调整位姿与待加工零件型面贴合。当定位压紧装置启动，向下压紧待加工零件5时，柔性支撑系统基于待加工零件5型面调整位置，然后锁紧支撑杆，形成与待加工零件5型面贴合的支撑面。
压板3安装在第一气缸2上，通过第一气缸2驱动上下移动，辅助定位板4使用轻质材料制作，通过卡槽结构与压板3连接，用于定位时压紧待加工零件5，形成支撑面，待支撑杆7锁紧后，移出辅助定位板4，进行待加工零件5平面加工。
本发明还提供了一种使用上述弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置进行装夹固定的方法：
第一步：根据待加工零件5外形尺寸，选取合适数量的带孔底座9，与导向块10组合安装于工作台1合适位置，在带孔底座9两侧安装液压缸11；
第二步：在组合式底座的孔位中放置弹簧8、支撑杆7和真空吸盘6，形成柔性支撑系统；安装定位压紧装置的第一气缸2和压板3，注意调整压板3高度，将待加工零件5放置在柔性支撑系统上，将辅助定位板4安装在压板3上；
第三步：启动定位压紧装置下压零件，待柔性支撑单元上下移动形成与待加工零件5型面贴合的支撑面后，启动液压缸11压紧带孔底座9，锁紧支撑杆7，
第四步：移出辅助定位板4。

Claims (7)

1.一种弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，采用一种弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹装置，其特征在于：包括组合式底座、柔性支撑系统和定位压紧装置，所述柔性支撑系统安装在组合式底座上，所述定位压紧装置位于柔性支撑系统的上方；所述柔性支撑系统包括多个柔性支撑单元，每个柔性支撑单元包括有支撑杆(7)、真空吸盘(6)和弹簧(8)，所述支撑杆(7)的两端分别与真空吸盘(6)和弹簧(8)相连，所述真空吸盘(6)与支撑杆(7)通过球形关节连接；包括以下步骤：
第一步，根据待加工零件(5)型面尺寸设置带孔底座(9)和柔性支撑单元：选取带孔底座(9)，与导向块(10)组合安装于工作台(1)上，在带孔底座(9)两侧安装液压缸(11)；在带孔底座(9)的孔位中放置弹簧(8)、支撑杆(7)和真空吸盘(6)，形成柔性支撑系统；
第二步，使用第一气缸(2)驱动压板(3)和辅助定位板(4)实现零件定位压紧：安装至少两个第一气缸(2)和压板(3)，将待加工零件(5)放置在柔性支撑系统上，将辅助定位板(4)安装在压板(3)上，启动定位压紧装置下压零件，调整压板(3)和辅助定位板(4)的高度，使柔性支撑单元上下移动形成与待加工零件(5)型面贴合的支撑面；
第三步，使用液压缸(11)驱动压紧带孔底座(9)，锁紧柔性支撑系统：启动液压缸(11)使其压紧带孔底座(9)，锁紧支撑杆(7)；
第四步，移出辅助定位板(4)，加工零件平面。
2.根据权利要求1所述的弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，其特征在于：所述真空吸盘(6)为橡胶材料制作。
3.根据权利要求2所述的弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，其特征在于：所述定位压紧装置包括压板(3)、辅助定位板(4)和第一气缸(2)，所述辅助定位板(4)与压板(3)通过卡槽连接，所述第一气缸(2)与压板(3)相连。
4.根据权利要求3所述的弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，其特征在于：所述辅助定位板(4)带有手柄。
5.根据权利要求4所述的弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，其特征在于：所述组合式底座包括导向块(10)、带孔底座(9)和液压缸(11),所述带孔底座(9)通过卡槽结构与导向块(10)连接，所述导向块(10)通过螺栓将带孔底座(9)固定在工作台(1)上，所述工作台(1)上设置有至少两个液压缸(11)，两个液压缸(11)分别设置在带孔底座(9)的两侧。
6.根据权利要求5所述的弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，其特征在于：所述带孔底座(9)包括多个条状拼接板，所述条状拼接板的侧边设置有多个半圆形凹孔，相邻的条状拼接板的半圆形凹孔对齐设置形成完整的孔位。
7.根据权利要求6所述的弱刚性复合材料零件的柔性组合装夹方法，其特征在于：每个柔性支撑单元放置在带孔底座(9)拼接而成的孔位中。
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