陈李学
摘 要：飞机钣金件在数字化检测中，依靠固持系统实现钣金件的支撑、固定与定位。本文根据飞机钣金件特征提出一套完整的固持系统方案，包括基于检验模的固持技术、基于三维组合夹具的固持技术、基于三维柔性托板的固持技术和基于多点吸附装置的固持技术，可满足飞机各类钣金件的数字化测量需求。
关键词：数字化检测 固持系统 飞机钣金
中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（b）-0071-04
随着数字化制造技术的快速发展和装备安全性、可靠性要求的日益提高，对飞机钣金件的检测精度提出了更为严格的要求。以三维模型为基础的数字化检测技术快速发展，成为提升装备制造精度与效率的关键[1]。钣金零件的检测技术是航天航空制造过程的重要构成部分，是实现飞机结构特性的一项主要技术。飞机钣金零件的品种、尺寸、大小、批量各异，通常具有刚性弱、尺寸跨度大、回弹现象显著等特点，在钣金件数字化检测时，需要根据钣金件结构特征设计固持系统，以实现飞机钣金件在数字化测量中的支撑、固定与定位。为了满足飞机上各类钣金件的检测需求，本文结合飞机钣金件的特征提出一套完整的固持系统方案，并给出各种固持技术的适用范围和技术方案。
1 基于检验模的固持技术
检验模即根据零件的尺寸大小所加工制造出的检验模具。传统的钣金件检验是将零件固定在检验模具上，通过检验零件与模具之间的间隙以及对比零件边缘与模具上刻线的偏差来衡量零件是否合格[2]。因此，检验模在加工时通常在上面添加3～4个加工基准孔，制孔方法为划线制孔和数控加工制孔。而对于钣金数字化测量，为了保证定位精度，检验模的基准孔和外形必须通过数控加工得到。
（1）适用范围。
在飞机钣金数字化检测过程中，为了保证生产协调以及模具运输，对于尺寸存在着比较严格的要求，较大的零件不适合采用基于检验模的测量方式。通常检验模的适用范围为：最大尺寸在1000mm以内的钣金液压件和钣金蒙皮件（最大尺寸是指三维空间内零件上距离最远的两点的坐标相对值）。
（2）技术方案。
根据相应的数字化测量设备以及检验模所携带的几何特征，例如定位孔和数控加工孔等，设计了基于检验模的钣金数字化测量总体方案，该方案中涉及到激光雷达、定位销、沙袋以及检验模等，如图1所示。
支撑方法：零件依靠检验模支撑，在具体实施时，尽量将零件耳片定位孔对准模具上定位孔，以便于后续零件的固定操作。
固定方法：在固定时，主要依靠定位销与加沙袋。具体操作时，根据检验模定位孔的尺寸以及个数选择相应的定位销种类和个数，为了避免零件在模具上发生滑动和局部不贴模的现象，应当进行完全固定，即在检验模所有定位孔上均安装定位销，不留空余。
定位方法（测量基准）：在确定测量基准时，主要依靠检验模数控加工基准孔建立测量场，以实现对零件的定位。模具通常有3～4个数控加工孔，直径尺寸在12～16mm之间，精度等级通常为H7，可以满足零件定位的要求。在具体实施时，应当在数控加工孔上安装靶球基座和靶球，通过测量靶球的位置来实现定位。
测量方法：测量设备选用激光雷达。在测量时，基于开发的测量程序，采用交互定位的方法，将激光雷达的光束引至基准处所安装的靶球上，驱动单点测量，测量基准后与理论数模拟合匹配，完成数字化测量场的构建。完成测量场的构建之后，基于开发的测量程序，导入生成的测量点的理论值以及自动生成的测量参数，实施对飞机钣金型面的自动化测量[3]。
2 基于三维组合夹具的固持技术
三维组合夹具是由特定标准的夹具的零部件组合而成，可以根据零件的尺寸和形状，自由地连接与拆卸，以此实现对飞机钣金零件的固持[4]。组合夹具主要组成包括基本件、支持件和夹紧件。基础件上有高精度的阵列式安装孔，支撑件和夹紧件可以通过安装孔固定在基础件上。支撑件通过安装孔固定在预先设定好的位置上，搭建出所需的空间，以便于夹紧件的安装。夹紧件通过支撑件上面的安装孔固定在支撑件上面，根据飞机钣金零件的具体大小和形状，对零件进行固持定位。
（1）适用范围。
为了便于运输和操作，三维组合夹具的尺寸受到了限制，因此适用于最大尺寸在1000mm以内的小型钣金液压件和钣金型材件。
（2）技术方案。
根据三维组合夹具所携带的组件（支撑件和夹紧件）以及相应的数字化测量设备（测量关节臂），设计了基于三维组合夹具的钣金数字化测量总体方案，如图2所示。
支撑方法：零件依靠组合夹具支撑件支撑，在具体实施时，通过CATIA装配环境，根据零件的外形和尺寸生成能够贴合零件外形的支撑理论点，基于这些理论点，在组合夹具基础件的对应位置通过标准安装孔安装支撑件，随后在支撑件上放置零件。
固定方法：主要依靠夾紧件与加沙袋固定，根据零件外形，在距零件边缘50mm处（组合夹具夹紧件尺寸通常为100mm左右）安装夹紧件，通过夹紧件实现飞机钣金零件的固定。
定位方法：型材件在装配前没有定位孔，因此定位方案与小型液压件不同。小型液压件：由于液压件刚性较好，可以在液压件的耳片上直接安装靶球基座和靶球，用测量关节臂测量靶球，以此实现对零件的定位。型材件：由于型材件的特征相对简单，可以直接对零件进行测量，然后直接提取检测特征。
测量方法：测量设备为关节臂。操作时，采用交互定位的方法，将关节臂引至基准处安装的靶球上，驱动单点测量，测量基准后与理论数模拟合匹配，完成数字化测量场的构建。完成测量场的构建之后，基于开发的测量程序，导入生成的测量点的理论值以及自动生成的测量参数，实施对飞机钣金型面的自动化测量。
3 基于三维柔性托板的固持技术
三维柔性拖板是由支持平台、托板和控制平台组成，如图3所示。在数字化检测过程中，可以根据零件的尺寸形状的不同选择不同的托板[5]。托板上有定位孔，零件通过定位销与托板连接，达到固定零件的目的；在固定好零件之后，可以通过电机驱动将拖板和零件移动至指定的位置，实施对钣金零件的数字化检测。
（1）适用范围。
在基于三维柔性拖板的固持平台方案中，由于托板的尺寸可根据零件自行设计，因此适用的零件尺寸较为灵活，通常适用于最大尺寸在1000～2000mm之间中型钣金件。
（2）技术方案。
根据三维柔性托板的结构特征以及数字化测量的需求，设计基于三维柔性托板的钣金数字化总体方案，如图4所示。
支撑方法：零件依靠柔性托板支撑，实施时在CATIA装配环境中根据零件外形和尺寸生成能够贴合零件外形的三维理论托板，在支撑平台上安装托板，用电机驱动托板至指定位置，随后在托板上放置零件，完成支撑。
固定方法：主要依靠定位销和加沙袋固定，在每个托板上开2～3个定位孔，和蒙皮零件上的工程定位孔相一致，通過定位销和沙袋可以将零件精准地固定到三维柔性托板上。
定位方法：主要依靠支撑平台数控加工基准孔建立测量场实现对零件的定位，在支撑平台上设置3～4个数控加工孔，具体实施时，在数控加工孔上安装靶球基座和靶球，通过测量靶球的位置实现定位。
测量方法：测量设备为激光雷达，其使用方法同基于经验模的固持技术。
4 基于多点吸附装置的钣金固持方案
多点吸附装置是由吸盘结构（升降柱、吸盘）和控制系统组成。在实施数字化测量时，可以根据零件的尺寸形状选择相应个数与位置的吸盘，调整升降柱，使吸盘到达指定高度，放置零件后对每个吸盘施加吸附力，以此实现对零件的固定[6]。
（1）适用范围。
在基于多点吸附装置的固持平台方案中，由于吸盘和升降柱的数量可根据零件自行设计，因此多点吸附装置可适用于尺寸在1000mm以上的中、大型钣金件。
（2）技术方案。
根据多点吸附装置的结构特征以及数字化测量需求，设计2种基于多点吸附装置的钣金数字化测量总体方案，分别如图5和图6所示。
图5所示为基于多点吸附装置和龙门架的钣金固持方案，在此方案中，通过多点吸附装置固定零件，将激光雷达的扫描头固定在龙门架的滑动横梁上，实施对钣金零件的数字化检测。
图6所示为基于多点吸附装置和机器人的钣金固持方案，在此方案中，通过多点吸附装置固定零件，将激光雷达的扫描头固持到机器人的操作臂上，通过机器人操作臂的移动，实施对钣金零件的数字化测量。
支撑方法与固定方法：主要依靠真空吸盘对零件进行支撑和固定，对于每个零件根据设计给出的要求调整真空吸盘的位置和高度，放置零件后施加吸附力，最大不超过5kg，该方案与传统的加沙袋类似。
定位方法：主要依靠零件耳片定位孔进行定位，具体实施时直接在零件耳片定位孔上安装靶球基座和靶球，通过测量靶球实现定位。
测量方法：测量设备为激光雷达，其使用方法同基于经验模的固持技术。
5 对比分析
4种固持技术的优缺点分析见表1。基于检验模的钣金固持技术结构比较简单，在厂房也比较容易搭建。一旦搭建完成固持系统，可以有效地降低检测的单件成本；而且基于检验模的固定更加稳定，因此可以大大提高数字化检测的精度；该技术操作简单，可以有效地减少培训的成本和时间。但一个检验模只能检验一种零件，会导致不同尺寸的钣金件需要不同尺寸的检验模来固持。基于三维组合夹具的钣金固持技术通用性好，可以用于检测多种尺寸的钣金件，大幅度降低了固持设备的数量与占地面积，降低了成本。但是该技术的夹持空间有限，仅适用于固持小型平面类钣金零件。基于三维柔性拖板的钣金固持系统可以夹持较大尺寸的零件，操作较为便捷，精度较高但是该技术成本较高，需要加工出不同尺寸大小的柔性托板以适用于不同尺寸的钣金件。基于多点吸附系统的钣金固持系统，最大的特点是通用型号，可以适用于多种尺寸多种形状的钣金件，并且能够保证精度较高。但该技术的缺点是搭建成本很高，占地面积也比较大，使用之前要进行大量的培训。
6 结语
本文面向数字化检测系统地设计了飞机钣金件固持方案，包括基于检验模的固持技术、基于三维组合夹具的固持技术、基于三维柔性托板的固持技术和基于多点吸附装置的固持技术，可满足飞机各类钣金件的数字化测量需求，给出了每种固持技术的适用范围和技术方案，并对4种技术的优缺点进行对比分析。在开展飞机钣金件数字化检测时，需根据待测零件的具体大小和形状来选择相应的固持技术。
参考文献
[1]李亚南.钣金零件智能检测规划技术[D].沈阳理工大学， 2014.
[2]施华.基于三维模型的飞机钣金零件检验技术[D].沈阳理工大学，2013.
[3]张引引，刘庆润，贾敏，等.钣金件数字化测量方案[J].航空制造技术，2011（17）：96-98.
[4]范玉青编著.航空宇航制造工程飞行器制造技术[M]. 重庆：重庆出版社，2001.
[5]张楠，汤军社，马刚.数字化飞机钣金件加工定位用柔性夹具的设计[J].机械设计与制造工程，2010，39（1）：41-44.
[6]孙岩，生宏伟.钣金零件用真空夹持工装研制[J].机械设计与制造，2012（4）：268-270.
