专利名称：一种加工壁板用的定位工装的制作方法
技术领域：
一种加工壁板用的定位工装技术领域[0001]本发明涉及飞机制造领域，具体是一种加工壁板用的定位工装。
背景技术：
[0002]飞机上有很多几何尺寸比较大的薄壁曲面类零件，如壁板，这类零件在制造和装 配过程中难以精确定位和夹紧。传统的刚性工装是根据零件的曲面来制造出与之有相同曲 面的实体模胎或者定位卡板来对这类零件进行定位和夹紧，这种类型的工装互换性差，必 须针对不同的零件制造出不同的专用工装，这种工装的设计、制造、运输、存储以及管理需 要耗费庞大的人力物力资源并且不利于新产品的研制和单件小批量生产，这种传统工装严 重制约着我国飞机制造业的发展。[0003]现有的用于薄壁曲面零件柔性定位的工装基本可归纳为两种，一种是M.Torres 设计和制造的T0RREST00L系统，另一种是CNA Flexible Tooling Systems设计和制造的 POGO flexible tooling systems。T0RREST00L系统上某一个排架上的若干个支承杆在X 方向上的位置是相同的，相当于每一个支承杆有Y方向和Z方向两个自由度，以及一个受到 制约的X方向自由度。P0G0 flexible tooling systems中的每一个P0G0柱都是固定在基 座上的，每一个P0G0柱只有一个自由度。薄壁曲面类零件刚度较差，在进行机械加工时，由 于加工方法和加工位置的不同，需要对定位和支承点的位置进行优化来减小由于加工状态 下工件受力、受热引起的变形，提高加工质量，T0RREST00L系统和P0G0 flexible tooling systems这两种柔性工装不能很好的实现优化后定位夹紧点的布局，不能很好的利用优化 方法来提高加工质量。发明内容[0004]为了克服现有技术不能很好适应利用优化方法进行优化布局来提高加工质量的 不足，本发明提出了一种加工壁板用的定位工装。[0005]本发明包括多个直角坐标式柔性支承模块和基座；将多个直角坐标式柔性支承模 块排列并固定在基座的上表面；所述各直角坐标式柔性支承模块之间有5 IOmm的间隙；[0006]所述直角坐标式柔性支承模块包括X方向滑动单元、y方向滑动单元、伸缩立柱 单元和真空吸盘；所述X方向滑动单元中的安装底板的下表面固定安装在基座的上表面； 所述y方向滑动单元安装在X方向滑动单元的上表面的两个X方向滑块和X方向直线电机 初级上；伸缩立柱单元的固定缸体固定在I方向滑动板的上表面；真空吸盘与伸缩立柱单 元的顶端螺纹部分连接。[0007]所述X方向滑动单元包括两条相同的X方向直线导轨、X方向滑块、安装底板、X方 向直线电机初级和X方向直线电机次级；两条X方向直线导轨对称的固定在安装底板的上 表面方向直线电机次级固定在两条X方向直线导轨之间，并与所述两条X方向直线导轨 平行方向直线电机初级安装在所述X方向直线电机次级上。[0008]所述y方向滑动单元包括两条相同的y方向直线导轨、y方向滑块、X方向滑动板、I方向滑动板、y方向直线电机次级和I方向直线电机初级；两条I方向直线导轨对称固定 在X方向滑动板的上表面；y方向直线电机次级固定在两条y方向直线导轨之间，并与所述 两条y方向直线导轨平行；7方向滑动板固定在两个y方向滑块和y方向直线电机初级上。[0009]所述伸缩立柱单元包括伸缩缸体、缸体端盖、固定缸体、丝杠、传动螺母、导向键、 伺服电机、小齿轮和大齿轮；[0010]所述固定缸体固定在y方向滑动板的上表面上；丝杠位于该伸缩缸体内，在该丝 杠的下部套装有传动螺母；所述伸缩缸体位于固定缸体内，该伸缩缸体的一端安放在所述 传动螺母下端的伸缩缸体安放面上；所述伸缩缸体下端外表面镶嵌有导向键，该导向键的 外表面与固定缸体内表面的导向槽间隙配合；所述缸体端盖固定在固定缸体的上端面；所 述伸缩缸体、丝杠和固定缸体同轴；[0011]伺服电机位于伸缩立柱单元一侧，安装在位于固定缸体下端的安装板的上表面； 所述伺服电机的输出轴穿过固定缸体的安装板，位于所述安装板上的安装槽内；[0012]大齿轮位于固定缸体下端安装板上的安装槽内，套装在所述丝杠下端轴杆上；小 齿[0013]轮套装在伺服电机的输出轴上；所述小齿轮与大齿轮啮合。[0014]在所述固定缸体的内表面对称分布有一对导向槽，该导向槽沿该固定缸体轴向自 固定缸体底部延伸至顶部；固定缸体下端外表面上有径向延伸的安装板，该安装板的下表 面有大齿轮和小齿轮的安装槽。[0015]本发明中，两条X方向直线导轨和X方向直线电机平行放置，并且两条X方向直 线导轨关于X方向直线电机对称；两条y方向直线导轨和y方向直线电机平行放置，并且两 条y方向直线导轨关于y方向直线电机对称；χ方向滑动板能够在X方向直线电机的驱动 下沿X方向直线导轨进行直线往复运动，y方向滑动板能够在y方向直线电机的驱动下沿I 方向直线导轨进行直线往复运动。[0016]固定缸体上安装的伺服电机上装有小齿轮，伺服电机驱动小齿轮转动，小齿轮与 大齿轮啮合带动丝杠转动，丝杠驱动传动螺母，由于传动螺母上安装着伸缩缸体并且伸缩 缸体和固定缸体之间通过导向键连接，所以传动螺母在丝杠的驱动下带动伸缩缸体进行直 线运动，空心的伸缩缸体中套着丝杠，为了保证丝杠的轴线不会偏斜，丝杠顶端装有深沟球 轴承，深沟球轴承和伸缩缸体之间用耐磨轴承座连接，当丝杠螺母驱动伸缩缸体做直线运 动时耐磨轴承座在伸缩缸体内部滑动。伸缩缸体和固定缸体之间还有涨缩套，涨缩套与固 定缸体的内壁配合，采用抽气时能收缩充气时能膨胀的聚氨酯材料制成。涨缩套的两端突 出部分的凹槽里装有密封圈，防止漏气，固定缸体上有用于涨缩套充气或抽气用的通气孔， 当对涨缩套充气时，涨缩套膨胀，伸缩缸体被抱紧，当对涨缩套抽气时，涨缩套收缩，伸缩缸 体被放松。[0017]真空吸盘安装在伸缩立柱单元的伸缩缸体上，真空驱动系统对真空吸盘抽真空或 者放松来夹紧和松开零件。真空吸盘采用专利CN102528693A所公开的结构，也可以在市场 上选购相同作用的装置。[0018]X方向直线导轨、y方向直线导轨和固定缸体上都安装有限位开关，用以在超出行 程时及时停止系统，防止发生意外。[0019]计算机对各个电机和真空驱动器进行控制，各个真空吸盘和涨缩套可单独控制。[0020]本发明具有很高的自动化程度，能够保证薄壁曲面类零件精确定位，有效提高零 件的加工效率和加工质量，极大地减小了工装的成本，克服传统工装设计制造成本高、柔性 差、存储占用大量空件、管理繁琐等缺点，改进了现有柔性工装针对薄壁曲面零件支承阵列 布局优化不能很好适应的缺点，采用直线电机驱动精简了机构，减小了结构尺寸，提高了定 位精度，在计算机控制单元控制下根据所要夹持薄壁曲面零件的三维信息和加工信息快速 形成与零件表面相匹配的优化支承阵列，减小由于加工状态下工件受力、受热引起的变形， 提高了零件的制造质量和制造效率，这种工装也作为装配工装来装配薄壁曲面类零件。
[0021]图1a为本发明的主视图，图1b为本发明的俯视图。[0022]图2a为直角坐标式柔性支承模块的主视图，图2b为直角坐标式柔性支承模块的 俯视图。[0023]图3a为X方向滑动单元的主视图，图3b为x方向滑动单元的俯视图。[0024]图4a为y方向滑动单元的主视图，图4b为y方向滑动单元的俯视图。[0025]图5a为伸缩立柱单元的主视图，图5b为伸缩立柱单元的俯视图。[0026]图6a为固定缸体的俯视图，图6b为固定缸体的主视图。[0027]图7a是涨缩套的主视图，图7b是图7a的A — A视图。[0028]图中:1.直角坐标式柔性支承模块 2.基座 3.真空吸盘 4.伸缩立柱单元5.y方向滑动单元 6.X方向滑动单元 7.伸缩缸体 8.轴承轴端挡圈 9.深沟球轴 承10.耐磨轴承座11.缸体端盖12.涨缩套13.固定缸体14.丝杠15.传动螺母 16.导向槽17.导向键18.伺服电机19.小齿轮20.小齿轮轴端挡圈21.角接触 球轴承22.大齿轮23.大齿轮轴端挡圈24.X方向滑块25.X方向直线导轨26.安装 底板27.X方向直线电机初级28.X方向直线电机次级29.X方向滑动板30.y方向直 线电机次级31.y方向直线导轨32.y方向滑动板33.y方向直线电机初级34.y方向 滑块35.限位开关36.通气孔具体实施方式
[0029]本实施例是利用一种加工某型机翼壁板时用的定位工装。[0030]如图1a和图1b所示，本实施例包括多个直角坐标式柔性支承模块I和基座2。将 多个直角坐标式柔性支承模块I排列并固定在基座2的上表面。所述各直角坐标式柔性支 承模块I之间有5 10_的间隙，本实施例中，所述各直角坐标式柔性支承模块I之间的 间隙为10mm。[0031]所述基座2为方形，其表面尺寸根据所要夹紧零件的最大投影面的尺寸确定，基 座2的表面尺寸大于所要夹紧零件的最大投影面尺寸。[0032]如图2a和图2b所示，直角坐标式柔性支承模块I包括x方向滑动单元6、y方向 滑动单元5、伸缩立柱单元4和真空吸盘3。所述X方向滑动单元6中的安装底板26的下 表面利用螺钉安装在基座2的上表面。所述y方向滑动单元5通过位于X方向滑动单元 6上表面的两个X方向滑块24和X方向直线电机初级27安装在X方向滑动单元6的上表 面。伸缩立柱单元4的固定缸体13固定在y方向滑动板32的上表面。真空吸盘3与伸缩立柱单元4的顶端螺纹部分连接。真空吸盘采用专利CN102528693A所公开的结构也可以 在市场上选购相同作用的装置。[0033]如图3a和图3b所示，X方向滑动单元6包括两条相同的X方向直线导轨25、x方 向滑块24、安装底板26、x方向直线电机初级27和X方向直线电机次级28。两条x方向直 线导轨通过螺钉对称的安装在安装底板的上表面。X方向直线电机次级28固定在两条X方 向直线导轨25之间，并与所述两条X方向直线导轨25平行。X方向直线电机初级27安装 在所述X方向直线电机次级28上。[0034]如图4a和图4b所示，y方向滑动单元5包括两条相同的y方向直线导轨31、y方 向滑块34、X方向滑动板29、y方向滑动板32、y方向直线电机次级30和y方向直线电机 初级33。两条y方向直线导轨31通过螺钉对称的安装在X方向滑动板29的上表面。y方 向直线电机次级30固定在两条y方向直线导轨31之间，并与所述两条I方向直线导轨31 平行。y方向滑动板32利用螺钉安装在两个y方向滑块34和y方向直线电机初级33上。[0035]如图5a和图5b所示，伸缩立柱单元4包括伸缩缸体7、轴承轴端挡圈8、深沟球轴 承9、耐磨轴承座10、缸体端盖11、涨缩套12、固定缸体13、丝杠14、传动螺母15、导向槽16、 导向键17、伺服电机18、小齿轮19、角接触球轴承21和大齿轮22。[0036]所述固定缸体13固定在y方向滑动单元5的y方向滑动板32的上表面上，并随 该y方向滑动板32沿y方向直线导轨31做往复运动。丝杠14的下部套装有传动螺母15。 伸缩缸体7的一端安放在所述传动螺母15的伸缩缸体安放面上，所述丝杠14位于该伸缩 缸体内。丝杠14上端的轴杆上套装有深沟球轴承9,深沟球轴承9装在耐磨轴承座10上, 耐磨轴承座10与该伸缩缸体的内壁配合。通过轴承轴端挡圈8将所述深沟球轴承9固定。[0037]所述丝杠14下端的轴杆通过角接触球轴承21与固定缸体13的内表面配合。[0038]所述伸缩缸体7位于固定缸体13内。所述伸缩缸体7上端的外表面与缸体端盖 11内壁之间密封配合；所述伸缩缸体7下端外表面镶嵌有导向键17,该导向键17的外表面 与固定缸体13内表面的导向槽16间隙配合。所述缸体端盖11固定在固定缸体13的上端 面。涨缩套12位于伸缩缸体7与固定缸体13之间，并与缸体端盖11下表面贴合。[0039]所述伸缩缸体7、丝杠14和固定缸体13同轴。[0040]大齿轮22位于固定缸体13下端安装板上的安装槽内，套装在所述丝杠14下端轴 杆上，并通过大齿轮轴端挡圈23固定。[0041]伺服电机18位于伸缩立柱单元4 一侧，安装在位于固定缸体13下端的安装板的 上表面。所述伺服电机18的输出轴穿过固定缸体13的安装板，位于所述安装板上的安装 槽内。小齿轮19套装在伺服电机18的输出轴上，并通过小齿轮轴端挡圈20固定。所述小 齿轮19与大齿轮22啮合。[0042]所述固定缸体13为圆形壳体。固定缸体13的内径与涨缩套12的外径相同。在 所述固定缸体13的内表面对称分布有一对导向槽16,该导向槽沿该固定缸体轴向自固定 缸体底部延伸至顶部。固定缸体13上端的内径为阶梯状，其最大内径与缸体端盖11的最 小外径相同；固定缸体13下端外表面上有径向延伸的安装板，该安装板的下表面有大齿轮 和小齿轮的安装槽；固定缸体上部有用于给涨缩套充气或抽气用的通气孔36。[0043]涨缩套12采用聚氨酯材料制成为圆桶状。所述涨缩套12的外径与固定缸体13 的内径相同，涨缩套12的内径与伸缩缸体7的外径相同。涨缩套12的外表面有环形的凹槽，以减少该涨缩套12外表面与固定缸体13的内表面的接触。在所述涨缩套12的外表面 的上端和下端均有密封圈安装槽。[0044]缸体端盖11为圆形壳体。所述缸体端盖11的内径与伸缩缸体7的外径相同。在 缸体端盖11的上端有径向凸出的法兰。缸体端盖11的外表面为阶梯状，使得缸体端盖11 的外表面与固定缸体13的内表面之间形成Imm的间距。在所述缸体端盖11的内表面有多 个密封圈的安装槽。[0045]在使用本实施例时，将所定位支承的机翼左上壁板安放在所述多点柔性定位工装 的上表面，并使该机翼左上壁板的展向与多点柔性定位工装的X方向平行。[0046]将所要定位支承壁板的三维模型信息输入到计算机CAD系统中，计算出所有支承 点和定位点的位置，计算机发出指令，各直角坐标式柔性支承模块上的电机工作，使工装上 各定位点和支承点到达指定位置。[0047]工作时，伺服电机驱动小齿轮转动，小齿轮与大齿轮啮合带动丝杠转动，丝杠驱动 传动螺母，由于传动螺母上安装着伸缩缸体并且伸缩缸体和固定缸体之间通过导向键连 接，所以传动螺母在丝杠的驱动下带动伸缩缸体进行直线运动，空心的伸缩缸体中套着丝 杠，为了保证丝杠的轴线不会偏斜，丝杠顶端装有深沟球轴承，深沟球轴承和伸缩缸体之间 用耐磨轴承座连接，当丝杠螺母驱动伸缩缸体做直线运动时耐磨轴承座在伸缩缸体内部滑 动。伸缩缸体和固定缸体之间还有涨缩套，涨缩套与固定缸体的内壁配合，采用抽气时能收 缩充气时能膨胀的聚氨酯材料制成。涨缩套的两端突出部分的凹槽里装有密封圈，防止漏 气，固定缸体上有用于涨缩套充气或抽气用的通气孔，当对涨缩套充气时，涨缩套膨胀，伸 缩缸体被抱紧，当对涨缩套抽气时，涨缩套收缩，伸缩缸体被放松。[0048]X方向直线导轨和y方向直线导轨垂直，伸缩立柱单元固定安装在y方向滑动单元 的y方向滑动板上。伸缩立柱单元在X方向直线电机和y方向直线电机的驱动下到达指定 位置。[0049]真空吸盘3固定连接安装在伸缩立柱单元的伸缩缸体上，对真空吸盘抽真空或者 放松来夹紧和松开零件。真空吸盘采用专利CN102528693A所公开的结构也可以在市场上 选购相同作用的装置。[0050]在X方向直线导轨和y方向直线导轨的两端均安装有限位开关35，固定缸体内表 面导向槽的两端亦分别安装有限位开关35，用于限定伸缩立柱的行程。
权利要求1.一种加工壁板用的定位工装，其特征在于，包括多个直角坐标式柔性支承模块和基座；将多个直角坐标式柔性支承模块排列并固定在基座的上表面；所述各直角坐标式柔性支承模块之间有5 IOmm的间隙；所述直角坐标式柔性支承模块包括X方向滑动单元、y方向滑动单元、伸缩立柱单元和真空吸盘；所述X方向滑动单元中的安装底板的下表面固定安装在基座的上表面；所述 I方向滑动单元安装在X方向滑动单元的上表面的两个X方向滑块和X方向直线电机初级上；伸缩立柱单元的固定缸体固定在y方向滑动板的上表面；真空吸盘与伸缩立柱单元的顶端螺纹部分连接。
2.如权利要求1所述一种加工壁板用的定位工装，其特征在于，X方向滑动单元包括两条相同的X方向直线导轨、X方向滑块、安装底板、X方向直线电机初级和X方向直线电机次级；两条X方向直线导轨对称的固定在安装底板的上表面；χ方向直线电机次级固定在两条 X方向直线导轨之间，并与所述两条X方向直线导轨平行；Χ方向直线电机初级安装在所述 X方向直线电机次级上。
3.如权利要求1所述一种加工壁板用的定位工装，其特征在于，y方向滑动单元包括两条相同的I方向直线导轨、y方向滑块、X方向滑动板、y方向滑动板、y方向直线电机次级和y方向直线电机初级；两条y方向直线导轨对称固定在X方向滑动板的上表面；y方向直线电机次级固定在两条y方向直线导轨之间，并与所述两条y方向直线导轨平行；y方向滑动板固定在两个I方向滑块和I方向直线电机初级上。
4.如权利要求1所述一种加工壁板用的定位工装，其特征在于，伸缩立柱单元包括伸缩缸体、缸体端盖、固定缸体、丝杠、传动螺母、导向键、伺服电机、小齿轮和大齿轮；所述固定缸体固定在y方向滑动板的上表面上；丝杠位于该伸缩缸体内，在该丝杠的下部套装有传动螺母；所述伸缩缸体位于固定缸体内，该伸缩缸体的一端安放在所述传动螺母下端的伸缩缸体安放面上；所述伸缩缸体下端外表面镶嵌有导向键，该导向键的外表面与固定缸体内表面的导向槽间隙配合；所述缸体端盖固定在固定缸体的上端面；所述伸缩缸体、丝杠和固定缸体同轴；伺服电机位于伸缩立柱单兀一侧，安装在位于固定缸体下端的安装板的上表面；所述伺服电机的输出轴穿过固定缸体的安装板，位于所述安装板上的安装槽内；大齿轮位于固定缸体下端安装板上的安装槽内，套装在所述丝杠下端轴杆上；小齿轮套装在伺服电机的输出轴上；所述小齿轮与大齿轮啮合。
5.如权利要求4所述一种加工壁板用的定位工装，其特征在于，在所述固定缸体的内表面对称分布有一对导向槽，该导向槽沿该固定缸体轴向自 固定缸体底部延伸至顶部；固定缸体下端外表面上有径向延伸的安装板，该安装板的下表面有大齿轮和小齿轮的安装槽。
专利摘要一种加工壁板用的定位工装，包括多个直角坐标式柔性支承模块和基座；将多个直角坐标式柔性支承模块排列并固定在基座的上表面。通过驱动机构带动各直角坐标式柔性支承模块中的x方向滑动板沿x方向直线导轨进行直线往复运动，y方向滑动板沿y方向直线导轨进行直线往复运动。本实用新型能够保证薄壁曲面类零件精确定位，在计算机控制单元控制下根据所要夹持薄壁曲面零件的三维信息和加工信息快速形成与零件表面相匹配的优化支承阵列，减小由于加工状态下工件受力、受热引起的变形，提高了零件的制造质量和制造效率，这种工装也作为装配工装来装配薄壁曲面类零件，有效提高零件的加工效率和加工质量。
文档编号B25B11/02GK203156615SQ20132009692
公开日2013年8月28日 申请日期2013年3月4日 优先权日2013年3月4日
发明者和延立, 薛军朋, 张国鹏, 王力, 刘艳磊 申请人:西北工业大学