用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具的制作方法
用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具。
【背景技术】
[0002]在航空、航天、汽车等产品中，存在着大量的刚度差且具有复杂曲面外形的薄壁零件，传统的薄壁零件的切边、钻孔、测量等操作多采用专用工装，工装表面具有与薄壁零件一致的曲面外形，每一套工装只能适用于一种薄壁零件，在各行业日益增长的小批量、多品种的需求下，成本过高，不能满足实际生产需求。
[0003]虽然现有一些夹具可以根据零件形状尺寸和工艺要求，通过人工调整的方式实现薄壁曲面零件的定位支撑，但人工操作的效率低、精度差、难以满足薄壁曲面零件生产的高效率需求，且其支撑固定单元大多采用固定在工作台的T型槽上的方式连接，使支撑固定单元在工作台某些方向的距离为固定值，无法调整；中国专利号200810056655.5公开了钉高调整单元的Y向距离通过定位板长度来确定，X向距离通过基枕上定位孔的距离来确定，两个方向上均不可任意调节。
[0004]目前国内外研制的基于测量、控制、机械等学科的全自动柔性工装采用液压控制方式来实现支撑固定单元之间的距离调整，其结构复杂、设计制造难度大，成本高，阻碍了其在企业中的广泛应用，面对上述问题，必须研宄适用于实际需求的薄壁曲面零件的多点柔性工装。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案来实现:
[0007]用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，特点是:包括支架以及位于其一侧用于对尾翼中尾部提供定位支撑的调姿定位装置，所述支架的上下横梁上均安装有用于对尾翼头部外侧压紧的外部支撑装置，支架的中间横梁上安装有用于对尾翼头部内侧压紧的内部支撑装置，支架上还安装有用于对尾翼头部固定的主夹紧机构。
[0008]进一步地，上述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其中，所述支架的上横梁上安装的外部支撑装置与下横梁上安装的外部支撑装置一一相对，支架的中间横梁上安装的内部支撑装置一一相背。
[0009]更进一步地，上述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其中，所述外部支撑装置包括支撑机构以及锁紧与解锁机构，支撑机构包含气缸、压杆、支撑杆、开口导向套和导向座，导向座安装于固定座上，导向座中安装有开口导向套，压杆置于开口导向套中并可沿其滑动，气缸通过支撑杆安装于导向座上，气缸的活塞杆与压杆驱动连接，压杆的端部设有压头；所述锁紧与解锁机构包含伺服电机、偏心轴、调节轴和滚子，所述偏心轴旋转自如地支承于固定座上的轴承座中，偏心轴由伺服电机驱动连接，沿轴承座的径向设有径向孔，径向孔中配装调节轴，调节轴的上端安装有与偏心轴的外圆面接触的滚子，调节轴下部的内孔中配装拉杆，拉杆的顶端与滚子的下端相对，拉杆上依次套装螺母、挡圈和碟簧组件，拉杆的下部置于支撑套中并可沿其滑动，碟簧组件的上端与挡圈的下端面相抵接，碟簧组件的下端与支撑套的上端面相抵接，支撑套固定于导向座上，支撑套与拉杆形成钳口，钳口包容开口导向套的开口两侧；所述导向座上安装有可调节长度的支撑杆，气缸的缸座固定于支撑杆上，气缸的活塞杆与压杆驱动连接；所述伺服电机的传动轴与减速机的输入轴相连，减速机安装于固定座的侧面，减速机的输出轴通过联轴器与偏心轴驱动连接；所述支撑套上与开口导向套的开口上侧相对的至下区域形成缺口，拉杆上与开口导向套的开口下侧相对的至下区域形成凸台，拉杆上凸台与支撑套形成包容开口导向套开口两侧的钳口。
[0010]更进一步地，上述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其中，所述内部支撑装置包含伺服电机、传动轴、固定座和槽型凸轮，所述传动轴旋转自如地支承于固定座上，传动轴的一端由伺服电机驱动连接，传动轴的另一端通过联轴器安装一槽型凸轮，槽型凸轮端面上设有导向槽，所述固定座上方固定一导向座，导向座中安装有导向套，导向套中设有可沿其导向孔滑动的压杆，压杆的顶端固定一传感器座，传感器座上依次安装有测力传感器和压头，压杆的内孔中部设有凸台，调节杆从上至下穿过凸台上的通孔，其上套装一碟簧组件，压杆的内孔下部配装一碟簧座，调节杆的下端嵌装于碟簧座中，碟簧组件的上端与凸台的下端面相抵接，碟簧组件的下端与碟簧座的上端面相抵接，碟簧座的下部通过其内螺纹连接一长度调节杆，长度调节杆的下端安装一销轴，销轴的轴线与长度调节杆的轴线相垂直，销轴嵌入槽型凸轮上的导向槽中，销轴的轴线与传动轴的轴线相平行；所述测力传感器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机传输连接，计算机与PLC传输连接，PLC与伺服电机控制连接；所述伺服电机的传动轴与减速箱的输入轴相连，减速箱安装于固定座的侧面，减速箱的输出轴与传动轴驱动连接；所述销轴通过滚子嵌入槽型凸轮上的导向槽中；所述传动轴通过轴承旋转自如地支承于固定座上。
[0011]更进一步地，上述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其中，所述调姿定位装置包括滑台以及布置其上的三组调整模块，其中，第一调整模块包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元上，Y轴传送单元安装于X轴传送单元上；第二调整模块包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元上；第三调整模块包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；所述每一 Z轴可调伺服支撑机构上均安装一球头浮动机构；所述滑台的中间位置布置有重心支撑装置；所述第一调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制Y轴滑轨运动的电机Y，Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元的Y轴滑轨上；所述第二调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上；所述重心支撑装置包含底座、锁止螺母和丝杠，锁止螺母通过止推轴承旋转自如地安装于底座上，锁止螺母中配装有垂直的丝杠，锁止螺母的旋转运动转化为丝杠的上下运动，丝杠的上端设有丝杠套，丝杠套的顶端安装有支撑头；所述Z轴可调伺服支撑机构包含内导向座以及置于其外层的外导向套，介于内导向座与外导向套之间设有可沿其轴向滑动的导向柱，内导向座的端部安装有电机安装座，伺服电动缸置于内导向座中且与电机安装座相固定，所述导向柱上安装有连接座，伺服电动缸推杆与连接座相连接，连接座上安装一支撑球头，支撑球头置于球窝支撑座上构成球关节浮动支撑；所述导向柱上固定一防转连接板，外导向套的侧壁固定一防转座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的防转杆，其一端固定于防转座上，其另一端穿过防转座上的导向孔，可沿导向孔轴向滑动；导向柱上固定一挡铁连接板，外导向套的侧壁固定一挡铁导向座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的挡铁安装杆，其一端固定于挡铁连接板上，其另一端穿过挡铁导向座上的导向孔，挡铁安装杆的顶端套装有上行程死挡铁，挡铁安装杆的底端安装有下行程死挡铁；上行程死挡铁通过调节螺母安装于挡铁安装杆上，其在挡铁安装杆上的轴向位置可调。
[0012]本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在:
[0013]①用于飞机尾翼垂直安定面的定位夹紧，可应用于航空业飞机大部件加工领域，垂直安定面属于曲面薄壁零件，实现了垂直安定面的自动定位夹紧，满足大型、刚性差的零件的定位装夹需求，其调姿结束后，夹紧效果优异，零件未因夹紧而变形，调整效率高，调整灵活且稳定；
[0014]②外部支撑装置的气缸推动压杆，支撑力大小可调；开口导向套径向锁紧压杆，不产生额外支撑力，压杆位置不随支撑面的弹性变形而变化，不阻碍支撑面弹性变形后的回复；蝶形弹簧组件提供锁紧力，锁紧力稳定，可调；伺服电机控制偏心轴转动角度，确保锁紧机构解锁可靠；可实现多点支撑同时工作或选择支撑点；
[0015]③内部支撑装置采用凸轮驱动，夹紧行程由设计好的凸轮升程确定；夹紧力由压杆内碟簧组件提供，夹紧力大小通过调 整碟簧预压力和压杆长度实现；夹紧力由串接在压杆上的测力传感器检测监控；同样的机构在同一驱动下通过齿轮传动并联，实现多点夹紧；独立机构也可设计成内胀式多点夹紧；可通过设计不同的凸轮及碟簧组件，每组夹紧机构夹紧行程、夹紧力大小均可独立可调；
[0016]④调姿定位装置实现自动定位，调姿效率高，误差低；重心处的弹性支撑装置，解决了零件在定位过程中可能产生变形的问题；调姿效果良好，定位精确。
【附图说明】
[0017]下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明:
[0018]图1:本发明的主视不意图；
[0019]图2:本发明的左视不意图；
[0020]图3:本发明的俯视示意图；
[0021]图4:外部支撑装置的结构示意图；
[0022]图5:图4中A-A剖视示意图；
[0023]图6:图4中B-B剖视示意图；
[0024]图7:内部支撑装置的主视结构示意图；
[0025]图8:内部支撑装置的侧视结构示意图；
[0026]图9:内部支撑装置的槽型凸轮的结构示意图；
[0027]图10:内部支撑装置的控制原理示意图；
[0028]图11:调姿定位装置的结构示意图；
[0029]图12:调姿定位装置的Z轴可调伺服支撑机构与球头浮动机构的连接示意图；
[0030]图13:调姿定位装置的Z轴可调伺服支撑机构的结构示意图；
[0031]图14:调姿定位装置的重心支撑装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]如图1?3所示，用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，包括支架I以及位于其一侧用于对尾翼中尾部提供定位支撑的调姿定位装置4，支架I的上下横梁上均安装有多个用于对尾翼8的头部外侧压紧的外部支撑装置2，支架I的中间横梁上安装有多个用于对尾翼头部内侧压紧的内部支撑装置3，支架I上还安装有用于对尾翼头部固定的主夹紧机构
6。支架上横梁上安装的外部支撑装置与下横梁上安装的外部支撑装置一一相对，支架中间横梁上安装的内部支撑装置一一相背。
[0033]其中，外部支撑装置2主要提供尾翼外部压紧力，通过其压力精确定位孔的位置。内部支撑装置3主要提供尾翼内部压紧力，通过其压力精确定位孔的位置。调姿定位装置4提供尾翼中尾部支撑力并定位。主夹紧电机5给主夹紧机构6提供动力，主夹紧机构6安装在尾翼头部待加工区之上，通过对尾翼工装7施加夹紧力，实现固定作用。
[0034]如图4?6所示，外部支撑装置2，包括支撑机构以及锁紧与解锁机构，支撑机构包含气缸205、压杆208、支撑杆207、开口导向套209和导向座204，导向座204安装于固定座203上，导向座204中安装有开口导向套209，压杆208置于开口导向套209中并可沿其滑动，导向座204上安装有可调节长度的支撑杆207，气缸205的缸座206固定于支撑杆207上，气缸205的活塞杆与压杆208驱动连接，压杆208的端部设有压头212 ;所述锁紧与解锁机构包含伺服电机201、偏心轴214、调节轴220和滚子222，偏心轴214旋转自如地支承于固定座203上的轴承座215中，伺服电机201的传动轴与减速机202的输入轴相连，减速机202安装于固定座203的侧面，减速机202的输出轴通过联轴器213与偏心轴214驱动连接，沿轴承座的径向设有径向孔，径向孔中配装调节轴220，调节轴220的上端安装有与偏心轴214的外圆面接触的滚子222，调节轴220下部的内孔中配装拉杆216，拉杆216的顶端与滚子222的下端相对，拉杆216上依次套装螺母219、挡圈和碟簧组件218，拉杆216的下部置于支撑套217中并可沿其滑动，碟簧组件218的上端与挡圈的下端面相抵接，碟簧组件218的下端与支撑套217的上端面相抵接，支撑套217固定于导向座204上，支撑套217与拉杆216形成钳口，钳口包容开口导向套209的开口两侧。
[0035]支撑套217上与开口导向套209的开口上侧相对的至下区域形成缺口，拉杆216上与开口导向套209的开口下侧相对的至下区域形成凸台，拉杆216上凸台与支撑套217形成包容开口导向套209开口两侧的钳口。
[0036]偏心轴214的另一端通过连接套210连接花键套211，花键套211连接同样的机构，实现多点离散辅助支撑一起动作，控制气缸205或选择支撑点。
[0037]气缸205将压杆208送至零件支撑面，开口导向套209的开口处由碟簧锁紧机构夹紧变形，径向抱紧压杆208，完成支撑锁紧动作，实现对零件的辅助支撑；解锁时伺服电机驱动的偏心轮解锁机构顶开碟簧锁紧机构解锁，使开口导向套209松开。
[0038]当碟簧锁紧机构松开状态下时，支撑机构中气缸205推动压杆208和压头212到支撑面，完成支撑动作；锁紧与解锁机构中拉杆216和支撑套217组成钳口，在碟簧组件218自身张力的作用下，使拉杆216上行，拉杆216上凸台压紧开口导向套209的开口，钳口夹住开口导向套209的开口两侧，钳口锁紧开口，使开口导向套209变形，开口导向套209径向抱紧压杆208完成锁紧动作，锁紧力大小通过螺母219调节挡圈的轴向位置，调节碟簧组件218的压缩张紧力，使拉杆216受碟簧组件218的拉力增强或变小。
[0039]需要解锁时，伺服电机201通过减速机202驱动偏心轴214转动一定角度，偏心轴214在偏心距的作用下，挤压滚子222推动拉杆216，拉杆216下行，拉杆216上凸台呙开开口导向套209的开口处，钳口变大，松开开口导向套209对压杆208的抱紧，气缸205拉回压杆208，辅助支撑动作结束，等待下一次动作；调节轴220用于调整拉杆的长度，保证滚子222与偏心轴214贴合，调节偏心轴214转动角度。
[0040]采用气动支撑，蝶形弹簧提供锁紧力，开口导向套209径向锁紧压杆208，由偏心轴214带动拉杆216实现解锁，当气缸将压杆208送至零件支撑面，开口导向套的开口处由碟簧锁紧力使其夹紧变形，径向抱紧压杆208，完成支撑锁紧动作，实现对零件的辅助支撑；解锁时，伺服电机201驱动偏心轴214，顶开碟簧锁紧机构解锁，使开口导向套209松开，压杆208即可退回。
[0041]如图7?10所示，内部支撑装置3，包含伺服电机310、传动轴313、固定座301和槽型凸轮302，传动轴313通过轴承312旋转自如地支承于固定座301上，伺服电机310的传动轴与减速箱311的输入轴相连，减速箱311安装于固定座301的侧面，减速箱311的输出轴与传动轴313驱动连接，传动轴313上安装有齿轮314，传动轴313的另一端通过联轴器安装一槽型凸轮302，槽型凸轮302端面上设有导向槽，固定座301上方固定一导向座303，导向座303中安装有导向套318，导向套318中设有可沿其导向孔滑动的压杆306，压杆306的顶端固定一传感器座316，传感器座316上依次安装有测力传感器305和压头304，压杆306的内孔中部设有凸台，调节杆319从上至下穿过凸台上的通孔，其上套装一碟簧组件320，压杆306的内孔下部配装一碟簧座307，调节杆319的下端嵌装于碟簧座307中，由锁紧螺钉321锁紧，碟簧组件320的上端与凸台的下端面相抵接，碟簧组件320的下端与碟簧座307的上端面相抵接，碟簧座307的下部通过其内螺纹连接一长度调节杆318，长度调节杆318上安装调节锁紧螺母322，长度调节杆318的下端安装一销轴324，销轴324的轴线与长度调节杆318的轴线相垂直，销轴324通过滚子325嵌入槽型凸轮302上的导向槽中，销轴324的轴线与传动轴313的轴线相平行；测力传感器305与数据采集卡330相连，数据采集卡330与计算机331传输连接，计算机331与PLC332传输连接，PLC332与伺服电机310控制连接。
[0042]伺服电机310驱动传动轴313旋转，传动轴313带动槽型凸轮302转动，继而销轴324沿槽型凸轮302的导向槽的行程上升曲线段B运动，长度调节杆318推动压杆306在导向套318中移动，直至压头304接触到工件表面，继续移动，压缩碟簧组件320，销轴324上滚子325移至基圆同心曲线段C (基圆为A)，压杆306不再移动，碟簧组件320压缩的弹力压紧工件，压头304支撑到工件的表面时，测力传感器305检测压头304所受到的力，数据采集卡330采集测力传感器305检测到的力，并且将所采集到的数据传输给计算机331，计算机331将检测到的力与预设的力进行对比计算出结果，再将数据传输给PLC332，PLC332控制伺服电机310，对夹紧力进行调整，直到满足预设的力的要求；当槽型凸轮302反转，销轴324上滚子325沿导向槽移动，压杆组件后退，夹紧松开。碟簧组件320由调节杆319进行预压，使弹力调至所需压紧力范围，防止夹紧行程超过槽型凸轮302提升行程；长度调节杆308可调节其长度，调整调节锁紧螺母322，实现压杆306长度调整，确保压头304接触到工件时，碟簧组件320以设定的压力压紧工件。
[0043]测力传感器305置于压头304和传感器座316之间，串接在压杆组件上，可直接测得压力大小。
[0044]整套机构可通过齿轮314并接若干同样机构，每个机构通过设计不同的凸轮及碟簧组件，其夹紧行程、夹紧力大小均可独立可调。独立机构也可设计成内胀式夹紧。
[0045]通过伺服电机310驱动槽型凸轮302将压杆306以一定的行程送至夹紧点，确保压杆位移不会超程，夹紧力由压杆内碟簧组件320提供，夹紧力可调，力的大小由压杆上测力传感器305测得，当夹紧力超出，或压杆到位时夹紧力不足，均会通过控制系统报警，保证每个支撑点受力均匀，防止薄壁件发生微量变形，影响加工精度。本装置可在同一驱动下，并联多套同样机构，实现多点夹紧，每个机构通过设计不同的凸轮及碟簧组件，其夹紧行程、夹紧力大小均可独立可调，独立机构也可设计成内胀式多点夹紧。
[0046]如图11?14所示，调姿定位装置4，包括滑台405以及布置其上的三组调整模块，其中，第一调整模块401包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制Y轴滑轨运动的电机Y，Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元的Y轴滑轨上；
[0047]第二调整模块402包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上；
[0048]第三调整模块403包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；
[0049]每一 Z轴可调伺服支撑机构406上均安装一球头浮动机构407，球头浮动机构407的顶端安装有用于与吊具连接的锥体408 ;
[0050]滑台405的中间位置布置有重心支撑装置404，滑台405安装于直线运动机构上。
[0051]Z轴可调伺服支撑机构406包含内导向座461以及置于其外层的外导向套463，介于内导向座461与外导向套463之间设有可沿其轴向滑动的导向柱462，内导向座461的端部安装有电机安装座474，伺服电动缸478置于内导向座461中且与电机安装座474相固定，所述导向柱462上安装有连接座471，伺服电动缸推杆与连接座471相连接，连接座471上安装一支撑球头469，支撑球头469置于球窝支撑座470上构成球关节浮动支撑；所述导向柱462上固定一防转连接板472，外导向套463的侧壁固定一防转座475，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的防转杆476，其一端固定于防转座475上，其另一端穿过防转座475上的导向孔，可沿导向孔轴向滑动；
[0052]导向柱462上固定一挡铁连接板468，外导向套463的侧壁固定一挡铁导向座464，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的挡铁安装杆467，其一端固定于挡铁连接板468上，其另一端穿过挡铁导向座464上的导向孔，挡铁安装杆467的顶端套装有上行程死挡铁465，挡铁安装杆467的底端安装有下行程死挡铁；
[0053]上行程死挡铁465通过调节螺母466安装于挡铁安装杆467上，其在挡铁安装杆467上的轴向位置可调。
[0054]重心支撑装置404包含底座441、锁止螺母442和丝杠445，锁止螺母442通过止推轴承446旋转自如地安装于底座441上，锁止螺母442中配装有垂直的丝杠445，锁止螺母442的旋转运动转化为丝杠445的上下运动，丝杠445的上端设有丝杠套448，丝杠套448的顶端安装有支撑头444。丝杠套448上安装有垂直的标尺443。锁止螺母442上沿周向分布有多个用于安装手柄447的安装孔。通过锁止螺母442的转动转化为丝杠445的上下运动，丝杠445与丝杠套448相对静止，通过标尺443可以读出支撑头444的位置。锁止螺母442下方为止推轴承446，实现锁止螺母442的旋转运动。手柄447可拆卸，可在锁止螺母442的多处安装手柄447，防止标尺443妨碍手柄447动作。
[0055]每个调整模块上均有Z轴可调伺服支撑机构406 (电机带抱刹)，支撑有足够刚性，每个点在施加夹紧力1000N的情况下向下位移不大于0.05mm ;Z轴可调伺服支撑机构下方为十字滑台(X-Y轴)，其中第一调整模块401的X轴向、Y轴向均有伺服电机驱动实现直线运动；第二调整模块402仅在X轴向有驱动，Y轴向无驱动，可在Y轴向一定范围内随动；第三调整模块403的X轴向、Y轴向均无驱动，可随动。实现曲面零件姿态六个自由度调整。
[0056]零件放置在三组调整模块上进行姿态调整，调整好后，滑台将零件及调整模块一起送入加工区，三组调整模块对零件的支撑部位由零件具体确定，在工件吊具下方，其三点与调整模块的支撑点采用球头浮动连接；根据激光跟踪仪检测的曲面上设定坐标点的坐标数据，首先驱动三组调整模块的Z轴可调伺服支撑机构调整曲面零件的水平姿态，然后测量垂直方向上的高度差，继续驱动Z轴可调伺服支撑机构，调整零件高度，检查水平及高度，直至位置正确；驱动第二调整模块的X轴传送单元，使零件绕支点水平转动，第三调整模块的X轴自由滑动单元和Y轴自由滑动单元随动(第三调整模块滑台导轨可以相对于第一调整模块和第二调整模块的滑台以一定偏角安装，或采用全浮动结构，防止在随动中自锁)，使零件加工面与机床X向平行；同时驱动第一调整模块的X轴传送单元和第二调整模块的X轴传送单元，调整零件X向至正确位置；驱动滑台，送零件及调姿装置一起进入加工区，定位调整结束。零件姿态可自动调整也可手动控制，姿态调整精度和重复定位精度满足规定要求。
[0057]在零件重心位置有重心支撑装置，用于克服重力对零件产生的变形，但不得影响调姿，采用弹性支撑，支撑力和支撑高度可调，支点采用软质材料，材料可随支撑处零件包络面形状变化，支撑点变化不对零件表面产生伤害。
[0058]上述夹具应用时，调姿定位装置4的三组调整模块组成“六自由度”调姿系统，飞机尾翼8吊装在“六自由度”调姿定位装置4上，由“六自由度”调姿系统调整好姿态后，再由调姿定位装置4的滑台405将其与飞机尾翼8 一起送入夹紧装置指定位置(加工区)；飞机尾翼8以靠近夹具支架的垂直伺服支撑机构为支撑点，主夹紧机构6在其主夹紧电机5驱动下夹紧在支撑点上方，支架I的上下横梁上均安装有外部支撑装置2，外部支撑装置2的气缸205将压杆208送至零件支撑面，支撑在飞机尾翼加工区附近的辅助支撑点上，用以增强加工区上下方向的刚性；支架I的中间横梁上安装有内部支撑装置3，内部支撑装置3的伺服电机310驱动槽型凸轮302将压杆306以一定的行程伸出至顶靠点，顶靠在飞机尾翼加工区内侧，增强加工区前后向的刚性。
[0059]综上所述，本发明用于飞机尾翼垂直安定面的定位夹紧，可应用于航空业飞机大部件加工领域，垂直安定面属于曲面薄壁零件，实现了垂直安定面的自动定位夹紧，满足大型、刚性差的零件的定位装夹需求，解决了现有曲面装夹中的调整效率不高、调整质量不够稳定、调整不够灵活等问题。其调姿结束后，夹紧效果优异，零件未因夹紧而变形，调整效率尚，调整灵活且稳定。
[0060]外部支撑装置的气缸 推动压杆，支撑力大小可调；开口导向套径向锁紧压杆，不产生额外支撑力，压杆位置不随支撑面的弹性变形而变化，不阻碍支撑面弹性变形后的回复；蝶形弹簧组件提供锁紧力，锁紧力稳定，可调；伺服电机控制偏心轴转动角度，确保锁紧机构解锁可靠；可实现多点支撑同时工作或选择支撑点。
[0061]内部支撑装置采用凸轮驱动，夹紧行程由设计好的凸轮升程确定；夹紧力由压杆内碟簧组件提供，夹紧力大小通过调整碟簧预压力和压杆长度实现；夹紧力由串接在压杆上的测力传感器检测监控；同样的机构在同一驱动下通过齿轮传动并联，实现多点夹紧；独立机构也可设计成内胀式多点夹紧；可通过设计不同的凸轮及碟簧组件，每组夹紧机构夹紧行程、夹紧力大小均可独立可调。
[0062]调姿定位装置实现自动定位，调姿效率高，误差低；重心处的弹性支撑装置，解决了零件在定位过程中可能产生变形的问题；调姿效果良好，定位精确。
[0063]需要理解到的是:以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:包括支架以及位于其一侧用于对尾翼中尾部提供定位支撑的调姿定位装置，所述支架的上下横梁上均安装有用于对尾翼头部外侧压紧的外部支撑装置，支架的中间横梁上安装有用于对尾翼头部内侧压紧的内部支撑装置，支架上还安装有用于对尾翼头部固定的主夹紧机构。2.根据权利要求1所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述支架上横梁上安装的外部支撑装置与下横梁上安装的外部支撑装置一一相对，支架中间横梁上安装的内部支撑装置一一相背。3.根据权利要求1或2所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述外部支撑装置包括支撑机构以及锁紧与解锁机构，支撑机构包含气缸、压杆、支撑杆、开口导向套和导向座，导向座安装于固定座上，导向座中安装有开口导向套，压杆置于开口导向套中并可沿其滑动，气缸通过支撑杆安装于导向座上，气缸的活塞杆与压杆驱动连接，压杆的端部设有压头；所述锁紧与解锁机构包含伺服电机、偏心轴、调节轴和滚子，所述偏心轴旋转自如地支承于固定座上的轴承座中，偏心轴由伺服电机驱动连接，沿轴承座的径向设有径向孔，径向孔中配装调节轴，调节轴的上端安装有与偏心轴的外圆面接触的滚子，调节轴下部的内孔中配装拉杆，拉杆的顶端与滚子的下端相对，拉杆上依次套装螺母、挡圈和碟簧组件，拉杆的下部置于支撑套中并可沿其滑动，碟簧组件的上端与挡圈的下端面相抵接，碟簧组件的下端与支撑套的上端面相抵接，支撑套固定于导向座上，支撑套与拉杆形成钳口，钳口包容开口导向套的开口两侧。4.根据权利要求3所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述导向座上安装有可调节长度的支撑杆，气缸的缸座固定于支撑杆上，气缸的活塞杆与压杆驱动连接；所述伺服电机的传动轴与减速机的输入轴相连，减速机安装于固定座的侧面，减速机的输出轴通过联轴器与偏心轴驱动连接；所述支撑套上与开口导向套的开口上侧相对的至下区域形成缺口，拉杆上与开口导向套的开口下侧相对的至下区域形成凸台，拉杆上凸台与支撑套形成包容开口导向套开口两侧的钳口。5.根据权利要求1或2所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述内部支撑装置包含伺服电机、传动轴、固定座和槽型凸轮，所述传动轴旋转自如地支承于固定座上，传动轴的一端由伺服电机驱动连接，传动轴的另一端通过联轴器安装一槽型凸轮，槽型凸轮端面上设有导向槽，所述固定座上方固定一导向座，导向座中安装有导向套，导向套中设有可沿其导向孔滑动的压杆，压杆的顶端固定一传感器座，传感器座上依次安装有测力传感器和压头，压杆的内孔中部设有凸台，调节杆从上至下穿过凸台上的通孔，其上套装一碟簧组件，压杆的内孔下部配装一碟簧座，调节杆的下端嵌装于碟簧座中，碟簧组件的上端与凸台的下端面相抵接，碟簧组件的下端与碟簧座的上端面相抵接，碟簧座的下部通过其内螺纹连接一长度调节杆，长度调节杆的下端安装一销轴，销轴的轴线与长度调节杆的轴线相垂直，销轴嵌入槽型凸轮上的导向槽中，销轴的轴线与传动轴的轴线相平行；所述测力传感器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机传输连接，计算机与PLC传输连接，PLC与伺服电机控制连接。6.根据权利要求5所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述伺服电机的传动轴与减速箱的输入轴相连，减速箱安装于固定座的侧面，减速箱的输出轴与传动轴驱动连接；所述销轴通过滚子嵌入槽型凸轮上的导向槽中；所述传动轴通过轴承旋转自如地支承于固定座上。7.根据权利要求1所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述调姿定位装置包括滑台以及布置其上的三组调整模块，其中，第一调整模块包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元上，Y轴传送单元安装于X轴传送单元上；第二调整模块包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元上；第三调整模块包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；所述每一 Z轴可调伺服支撑机构上均安装一球头浮动机构；所述滑台的中间位置布置有重心支撑装置。8.根据权利要求7所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述第一调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制Y轴滑轨运动的电机Y，Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元的Y轴滑轨上；所述第二调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上。9.根据权利要求7所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述重心支撑装置包含底座、锁止螺母和丝杠，锁止螺母通过止推轴承旋转自如地安装于底座上，锁止螺母中配装有垂直的丝杠，锁止螺母的旋转运动转化为丝杠的上下运动，丝杠的上端设有丝杠套，丝杠套的顶端安装有支撑头。10.根据权利要求7所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述Z轴可调伺服支撑机构包含内导向座以及置于其外层的外导向套，介于内导向座与外导向套之间设有可沿其轴向滑动的导向柱，内导向座的端部安装有电机安装座，伺服电动缸置于内导向座中且与电机安装座相固定，所述导向柱上安装有连接座，伺服电动缸推杆与连接座相连接，连接座上安装一支撑球头，支撑球头置于球窝支撑座上构成球关节浮动支撑；所述导向柱上固定一防转连接板，外导向套的侧壁固定一防转座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的防转杆，其一端固定于防转座上，其另一端穿过防转座上的导向孔，可沿导向孔轴向滑动；导向柱上固定一挡铁连接板，外导向套的侧壁固定一挡铁导向座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的挡铁安装杆，其一端固定于挡铁连接板上，其另一端穿过挡铁导向座上的导向孔，挡铁安装杆的顶端套装有上行程死挡铁，挡铁安装杆的底端安装有下行程死挡铁；上行程死挡铁通过调节螺母安装于挡铁安装杆上，其在挡铁安装杆上的轴向位置可调。
【专利摘要】本发明涉及用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，包括支架以及位于其一侧用于对尾翼中尾部提供定位支撑的调姿定位装置，支架的上下横梁上均安装有用于对尾翼头部外侧压紧的外部支撑装置，支架的中间横梁上安装有用于对尾翼头部内侧压紧的内部支撑装置，支架上还安装有用于对尾翼头部固定的主夹紧机构。实现了垂直安定面的自动定位夹紧，满足大型、刚性差的零件的定位装夹要求，其调姿结束后，夹紧效果优异，零件未因夹紧而变形，调整效率高，调整灵活且稳定。
【IPC分类】B23Q3/06, B23Q3/08
【公开号】CN104889775
【申请号】CN201510358715
【发明人】冯爱新, 薛伟, 张华夏, 仲秋, 许兴旺, 李峰平, 吴浩, 张津超
【申请人】温州大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月25日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具。
【背景技术】
[0002]在航空、航天、汽车等产品中，存在着大量的刚度差且具有复杂曲面外形的薄壁零件，传统的薄壁零件的切边、钻孔、测量等操作多采用专用工装，工装表面具有与薄壁零件一致的曲面外形，每一套工装只能适用于一种薄壁零件，在各行业日益增长的小批量、多品种的需求下，成本过高，不能满足实际生产需求。
[0003]虽然现有一些夹具可以根据零件形状尺寸和工艺要求，通过人工调整的方式实现薄壁曲面零件的定位支撑，但人工操作的效率低、精度差、难以满足薄壁曲面零件生产的高效率需求，且其支撑固定单元大多采用固定在工作台的T型槽上的方式连接，使支撑固定单元在工作台某些方向的距离为固定值，无法调整；中国专利号200810056655.5公开了钉高调整单元的Y向距离通过定位板长度来确定，X向距离通过基枕上定位孔的距离来确定，两个方向上均不可任意调节。
[0004]目前国内外研制的基于测量、控制、机械等学科的全自动柔性工装采用液压控制方式来实现支撑固定单元之间的距离调整，其结构复杂、设计制造难度大，成本高，阻碍了其在企业中的广泛应用，面对上述问题，必须研宄适用于实际需求的薄壁曲面零件的多点柔性工装。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案来实现:
[0007]用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，特点是:包括支架以及位于其一侧用于对尾翼中尾部提供定位支撑的调姿定位装置，所述支架的上下横梁上均安装有用于对尾翼头部外侧压紧的外部支撑装置，支架的中间横梁上安装有用于对尾翼头部内侧压紧的内部支撑装置，支架上还安装有用于对尾翼头部固定的主夹紧机构。
[0008]进一步地，上述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其中，所述支架的上横梁上安装的外部支撑装置与下横梁上安装的外部支撑装置一一相对，支架的中间横梁上安装的内部支撑装置一一相背。
[0009]更进一步地，上述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其中，所述外部支撑装置包括支撑机构以及锁紧与解锁机构，支撑机构包含气缸、压杆、支撑杆、开口导向套和导向座，导向座安装于固定座上，导向座中安装有开口导向套，压杆置于开口导向套中并可沿其滑动，气缸通过支撑杆安装于导向座上，气缸的活塞杆与压杆驱动连接，压杆的端部设有压头；所述锁紧与解锁机构包含伺服电机、偏心轴、调节轴和滚子，所述偏心轴旋转自如地支承于固定座上的轴承座中，偏心轴由伺服电机驱动连接，沿轴承座的径向设有径向孔，径向孔中配装调节轴，调节轴的上端安装有与偏心轴的外圆面接触的滚子，调节轴下部的内孔中配装拉杆，拉杆的顶端与滚子的下端相对，拉杆上依次套装螺母、挡圈和碟簧组件，拉杆的下部置于支撑套中并可沿其滑动，碟簧组件的上端与挡圈的下端面相抵接，碟簧组件的下端与支撑套的上端面相抵接，支撑套固定于导向座上，支撑套与拉杆形成钳口，钳口包容开口导向套的开口两侧；所述导向座上安装有可调节长度的支撑杆，气缸的缸座固定于支撑杆上，气缸的活塞杆与压杆驱动连接；所述伺服电机的传动轴与减速机的输入轴相连，减速机安装于固定座的侧面，减速机的输出轴通过联轴器与偏心轴驱动连接；所述支撑套上与开口导向套的开口上侧相对的至下区域形成缺口，拉杆上与开口导向套的开口下侧相对的至下区域形成凸台，拉杆上凸台与支撑套形成包容开口导向套开口两侧的钳口。
[0010]更进一步地，上述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其中，所述内部支撑装置包含伺服电机、传动轴、固定座和槽型凸轮，所述传动轴旋转自如地支承于固定座上，传动轴的一端由伺服电机驱动连接，传动轴的另一端通过联轴器安装一槽型凸轮，槽型凸轮端面上设有导向槽，所述固定座上方固定一导向座，导向座中安装有导向套，导向套中设有可沿其导向孔滑动的压杆，压杆的顶端固定一传感器座，传感器座上依次安装有测力传感器和压头，压杆的内孔中部设有凸台，调节杆从上至下穿过凸台上的通孔，其上套装一碟簧组件，压杆的内孔下部配装一碟簧座，调节杆的下端嵌装于碟簧座中，碟簧组件的上端与凸台的下端面相抵接，碟簧组件的下端与碟簧座的上端面相抵接，碟簧座的下部通过其内螺纹连接一长度调节杆，长度调节杆的下端安装一销轴，销轴的轴线与长度调节杆的轴线相垂直，销轴嵌入槽型凸轮上的导向槽中，销轴的轴线与传动轴的轴线相平行；所述测力传感器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机传输连接，计算机与PLC传输连接，PLC与伺服电机控制连接；所述伺服电机的传动轴与减速箱的输入轴相连，减速箱安装于固定座的侧面，减速箱的输出轴与传动轴驱动连接；所述销轴通过滚子嵌入槽型凸轮上的导向槽中；所述传动轴通过轴承旋转自如地支承于固定座上。
[0011]更进一步地，上述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其中，所述调姿定位装置包括滑台以及布置其上的三组调整模块，其中，第一调整模块包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元上，Y轴传送单元安装于X轴传送单元上；第二调整模块包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元上；第三调整模块包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；所述每一 Z轴可调伺服支撑机构上均安装一球头浮动机构；所述滑台的中间位置布置有重心支撑装置；所述第一调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制Y轴滑轨运动的电机Y，Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元的Y轴滑轨上；所述第二调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上；所述重心支撑装置包含底座、锁止螺母和丝杠，锁止螺母通过止推轴承旋转自如地安装于底座上，锁止螺母中配装有垂直的丝杠，锁止螺母的旋转运动转化为丝杠的上下运动，丝杠的上端设有丝杠套，丝杠套的顶端安装有支撑头；所述Z轴可调伺服支撑机构包含内导向座以及置于其外层的外导向套，介于内导向座与外导向套之间设有可沿其轴向滑动的导向柱，内导向座的端部安装有电机安装座，伺服电动缸置于内导向座中且与电机安装座相固定，所述导向柱上安装有连接座，伺服电动缸推杆与连接座相连接，连接座上安装一支撑球头，支撑球头置于球窝支撑座上构成球关节浮动支撑；所述导向柱上固定一防转连接板，外导向套的侧壁固定一防转座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的防转杆，其一端固定于防转座上，其另一端穿过防转座上的导向孔，可沿导向孔轴向滑动；导向柱上固定一挡铁连接板，外导向套的侧壁固定一挡铁导向座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的挡铁安装杆，其一端固定于挡铁连接板上，其另一端穿过挡铁导向座上的导向孔，挡铁安装杆的顶端套装有上行程死挡铁，挡铁安装杆的底端安装有下行程死挡铁；上行程死挡铁通过调节螺母安装于挡铁安装杆上，其在挡铁安装杆上的轴向位置可调。
[0012]本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在:
[0013]①用于飞机尾翼垂直安定面的定位夹紧，可应用于航空业飞机大部件加工领域，垂直安定面属于曲面薄壁零件，实现了垂直安定面的自动定位夹紧，满足大型、刚性差的零件的定位装夹需求，其调姿结束后，夹紧效果优异，零件未因夹紧而变形，调整效率高，调整灵活且稳定；
[0014]②外部支撑装置的气缸推动压杆，支撑力大小可调；开口导向套径向锁紧压杆，不产生额外支撑力，压杆位置不随支撑面的弹性变形而变化，不阻碍支撑面弹性变形后的回复；蝶形弹簧组件提供锁紧力，锁紧力稳定，可调；伺服电机控制偏心轴转动角度，确保锁紧机构解锁可靠；可实现多点支撑同时工作或选择支撑点；
[0015]③内部支撑装置采用凸轮驱动，夹紧行程由设计好的凸轮升程确定；夹紧力由压杆内碟簧组件提供，夹紧力大小通过调 整碟簧预压力和压杆长度实现；夹紧力由串接在压杆上的测力传感器检测监控；同样的机构在同一驱动下通过齿轮传动并联，实现多点夹紧；独立机构也可设计成内胀式多点夹紧；可通过设计不同的凸轮及碟簧组件，每组夹紧机构夹紧行程、夹紧力大小均可独立可调；
[0016]④调姿定位装置实现自动定位，调姿效率高，误差低；重心处的弹性支撑装置，解决了零件在定位过程中可能产生变形的问题；调姿效果良好，定位精确。
【附图说明】
[0017]下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明:
[0018]图1:本发明的主视不意图；
[0019]图2:本发明的左视不意图；
[0020]图3:本发明的俯视示意图；
[0021]图4:外部支撑装置的结构示意图；
[0022]图5:图4中A-A剖视示意图；
[0023]图6:图4中B-B剖视示意图；
[0024]图7:内部支撑装置的主视结构示意图；
[0025]图8:内部支撑装置的侧视结构示意图；
[0026]图9:内部支撑装置的槽型凸轮的结构示意图；
[0027]图10:内部支撑装置的控制原理示意图；
[0028]图11:调姿定位装置的结构示意图；
[0029]图12:调姿定位装置的Z轴可调伺服支撑机构与球头浮动机构的连接示意图；
[0030]图13:调姿定位装置的Z轴可调伺服支撑机构的结构示意图；
[0031]图14:调姿定位装置的重心支撑装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]如图1?3所示，用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，包括支架I以及位于其一侧用于对尾翼中尾部提供定位支撑的调姿定位装置4，支架I的上下横梁上均安装有多个用于对尾翼8的头部外侧压紧的外部支撑装置2，支架I的中间横梁上安装有多个用于对尾翼头部内侧压紧的内部支撑装置3，支架I上还安装有用于对尾翼头部固定的主夹紧机构
6。支架上横梁上安装的外部支撑装置与下横梁上安装的外部支撑装置一一相对，支架中间横梁上安装的内部支撑装置一一相背。
[0033]其中，外部支撑装置2主要提供尾翼外部压紧力，通过其压力精确定位孔的位置。内部支撑装置3主要提供尾翼内部压紧力，通过其压力精确定位孔的位置。调姿定位装置4提供尾翼中尾部支撑力并定位。主夹紧电机5给主夹紧机构6提供动力，主夹紧机构6安装在尾翼头部待加工区之上，通过对尾翼工装7施加夹紧力，实现固定作用。
[0034]如图4?6所示，外部支撑装置2，包括支撑机构以及锁紧与解锁机构，支撑机构包含气缸205、压杆208、支撑杆207、开口导向套209和导向座204，导向座204安装于固定座203上，导向座204中安装有开口导向套209，压杆208置于开口导向套209中并可沿其滑动，导向座204上安装有可调节长度的支撑杆207，气缸205的缸座206固定于支撑杆207上，气缸205的活塞杆与压杆208驱动连接，压杆208的端部设有压头212 ;所述锁紧与解锁机构包含伺服电机201、偏心轴214、调节轴220和滚子222，偏心轴214旋转自如地支承于固定座203上的轴承座215中，伺服电机201的传动轴与减速机202的输入轴相连，减速机202安装于固定座203的侧面，减速机202的输出轴通过联轴器213与偏心轴214驱动连接，沿轴承座的径向设有径向孔，径向孔中配装调节轴220，调节轴220的上端安装有与偏心轴214的外圆面接触的滚子222，调节轴220下部的内孔中配装拉杆216，拉杆216的顶端与滚子222的下端相对，拉杆216上依次套装螺母219、挡圈和碟簧组件218，拉杆216的下部置于支撑套217中并可沿其滑动，碟簧组件218的上端与挡圈的下端面相抵接，碟簧组件218的下端与支撑套217的上端面相抵接，支撑套217固定于导向座204上，支撑套217与拉杆216形成钳口，钳口包容开口导向套209的开口两侧。
[0035]支撑套217上与开口导向套209的开口上侧相对的至下区域形成缺口，拉杆216上与开口导向套209的开口下侧相对的至下区域形成凸台，拉杆216上凸台与支撑套217形成包容开口导向套209开口两侧的钳口。
[0036]偏心轴214的另一端通过连接套210连接花键套211，花键套211连接同样的机构，实现多点离散辅助支撑一起动作，控制气缸205或选择支撑点。
[0037]气缸205将压杆208送至零件支撑面，开口导向套209的开口处由碟簧锁紧机构夹紧变形，径向抱紧压杆208，完成支撑锁紧动作，实现对零件的辅助支撑；解锁时伺服电机驱动的偏心轮解锁机构顶开碟簧锁紧机构解锁，使开口导向套209松开。
[0038]当碟簧锁紧机构松开状态下时，支撑机构中气缸205推动压杆208和压头212到支撑面，完成支撑动作；锁紧与解锁机构中拉杆216和支撑套217组成钳口，在碟簧组件218自身张力的作用下，使拉杆216上行，拉杆216上凸台压紧开口导向套209的开口，钳口夹住开口导向套209的开口两侧，钳口锁紧开口，使开口导向套209变形，开口导向套209径向抱紧压杆208完成锁紧动作，锁紧力大小通过螺母219调节挡圈的轴向位置，调节碟簧组件218的压缩张紧力，使拉杆216受碟簧组件218的拉力增强或变小。
[0039]需要解锁时，伺服电机201通过减速机202驱动偏心轴214转动一定角度，偏心轴214在偏心距的作用下，挤压滚子222推动拉杆216，拉杆216下行，拉杆216上凸台呙开开口导向套209的开口处，钳口变大，松开开口导向套209对压杆208的抱紧，气缸205拉回压杆208，辅助支撑动作结束，等待下一次动作；调节轴220用于调整拉杆的长度，保证滚子222与偏心轴214贴合，调节偏心轴214转动角度。
[0040]采用气动支撑，蝶形弹簧提供锁紧力，开口导向套209径向锁紧压杆208，由偏心轴214带动拉杆216实现解锁，当气缸将压杆208送至零件支撑面，开口导向套的开口处由碟簧锁紧力使其夹紧变形，径向抱紧压杆208，完成支撑锁紧动作，实现对零件的辅助支撑；解锁时，伺服电机201驱动偏心轴214，顶开碟簧锁紧机构解锁，使开口导向套209松开，压杆208即可退回。
[0041]如图7?10所示，内部支撑装置3，包含伺服电机310、传动轴313、固定座301和槽型凸轮302，传动轴313通过轴承312旋转自如地支承于固定座301上，伺服电机310的传动轴与减速箱311的输入轴相连，减速箱311安装于固定座301的侧面，减速箱311的输出轴与传动轴313驱动连接，传动轴313上安装有齿轮314，传动轴313的另一端通过联轴器安装一槽型凸轮302，槽型凸轮302端面上设有导向槽，固定座301上方固定一导向座303，导向座303中安装有导向套318，导向套318中设有可沿其导向孔滑动的压杆306，压杆306的顶端固定一传感器座316，传感器座316上依次安装有测力传感器305和压头304，压杆306的内孔中部设有凸台，调节杆319从上至下穿过凸台上的通孔，其上套装一碟簧组件320，压杆306的内孔下部配装一碟簧座307，调节杆319的下端嵌装于碟簧座307中，由锁紧螺钉321锁紧，碟簧组件320的上端与凸台的下端面相抵接，碟簧组件320的下端与碟簧座307的上端面相抵接，碟簧座307的下部通过其内螺纹连接一长度调节杆318，长度调节杆318上安装调节锁紧螺母322，长度调节杆318的下端安装一销轴324，销轴324的轴线与长度调节杆318的轴线相垂直，销轴324通过滚子325嵌入槽型凸轮302上的导向槽中，销轴324的轴线与传动轴313的轴线相平行；测力传感器305与数据采集卡330相连，数据采集卡330与计算机331传输连接，计算机331与PLC332传输连接，PLC332与伺服电机310控制连接。
[0042]伺服电机310驱动传动轴313旋转，传动轴313带动槽型凸轮302转动，继而销轴324沿槽型凸轮302的导向槽的行程上升曲线段B运动，长度调节杆318推动压杆306在导向套318中移动，直至压头304接触到工件表面，继续移动，压缩碟簧组件320，销轴324上滚子325移至基圆同心曲线段C (基圆为A)，压杆306不再移动，碟簧组件320压缩的弹力压紧工件，压头304支撑到工件的表面时，测力传感器305检测压头304所受到的力，数据采集卡330采集测力传感器305检测到的力，并且将所采集到的数据传输给计算机331，计算机331将检测到的力与预设的力进行对比计算出结果，再将数据传输给PLC332，PLC332控制伺服电机310，对夹紧力进行调整，直到满足预设的力的要求；当槽型凸轮302反转，销轴324上滚子325沿导向槽移动，压杆组件后退，夹紧松开。碟簧组件320由调节杆319进行预压，使弹力调至所需压紧力范围，防止夹紧行程超过槽型凸轮302提升行程；长度调节杆308可调节其长度，调整调节锁紧螺母322，实现压杆306长度调整，确保压头304接触到工件时，碟簧组件320以设定的压力压紧工件。
[0043]测力传感器305置于压头304和传感器座316之间，串接在压杆组件上，可直接测得压力大小。
[0044]整套机构可通过齿轮314并接若干同样机构，每个机构通过设计不同的凸轮及碟簧组件，其夹紧行程、夹紧力大小均可独立可调。独立机构也可设计成内胀式夹紧。
[0045]通过伺服电机310驱动槽型凸轮302将压杆306以一定的行程送至夹紧点，确保压杆位移不会超程，夹紧力由压杆内碟簧组件320提供，夹紧力可调，力的大小由压杆上测力传感器305测得，当夹紧力超出，或压杆到位时夹紧力不足，均会通过控制系统报警，保证每个支撑点受力均匀，防止薄壁件发生微量变形，影响加工精度。本装置可在同一驱动下，并联多套同样机构，实现多点夹紧，每个机构通过设计不同的凸轮及碟簧组件，其夹紧行程、夹紧力大小均可独立可调，独立机构也可设计成内胀式多点夹紧。
[0046]如图11?14所示，调姿定位装置4，包括滑台405以及布置其上的三组调整模块，其中，第一调整模块401包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制Y轴滑轨运动的电机Y，Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元的Y轴滑轨上；
[0047]第二调整模块402包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上；
[0048]第三调整模块403包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；
[0049]每一 Z轴可调伺服支撑机构406上均安装一球头浮动机构407，球头浮动机构407的顶端安装有用于与吊具连接的锥体408 ;
[0050]滑台405的中间位置布置有重心支撑装置404，滑台405安装于直线运动机构上。
[0051]Z轴可调伺服支撑机构406包含内导向座461以及置于其外层的外导向套463，介于内导向座461与外导向套463之间设有可沿其轴向滑动的导向柱462，内导向座461的端部安装有电机安装座474，伺服电动缸478置于内导向座461中且与电机安装座474相固定，所述导向柱462上安装有连接座471，伺服电动缸推杆与连接座471相连接，连接座471上安装一支撑球头469，支撑球头469置于球窝支撑座470上构成球关节浮动支撑；所述导向柱462上固定一防转连接板472，外导向套463的侧壁固定一防转座475，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的防转杆476，其一端固定于防转座475上，其另一端穿过防转座475上的导向孔，可沿导向孔轴向滑动；
[0052]导向柱462上固定一挡铁连接板468，外导向套463的侧壁固定一挡铁导向座464，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的挡铁安装杆467，其一端固定于挡铁连接板468上，其另一端穿过挡铁导向座464上的导向孔，挡铁安装杆467的顶端套装有上行程死挡铁465，挡铁安装杆467的底端安装有下行程死挡铁；
[0053]上行程死挡铁465通过调节螺母466安装于挡铁安装杆467上，其在挡铁安装杆467上的轴向位置可调。
[0054]重心支撑装置404包含底座441、锁止螺母442和丝杠445，锁止螺母442通过止推轴承446旋转自如地安装于底座441上，锁止螺母442中配装有垂直的丝杠445，锁止螺母442的旋转运动转化为丝杠445的上下运动，丝杠445的上端设有丝杠套448，丝杠套448的顶端安装有支撑头444。丝杠套448上安装有垂直的标尺443。锁止螺母442上沿周向分布有多个用于安装手柄447的安装孔。通过锁止螺母442的转动转化为丝杠445的上下运动，丝杠445与丝杠套448相对静止，通过标尺443可以读出支撑头444的位置。锁止螺母442下方为止推轴承446，实现锁止螺母442的旋转运动。手柄447可拆卸，可在锁止螺母442的多处安装手柄447，防止标尺443妨碍手柄447动作。
[0055]每个调整模块上均有Z轴可调伺服支撑机构406 (电机带抱刹)，支撑有足够刚性，每个点在施加夹紧力1000N的情况下向下位移不大于0.05mm ;Z轴可调伺服支撑机构下方为十字滑台(X-Y轴)，其中第一调整模块401的X轴向、Y轴向均有伺服电机驱动实现直线运动；第二调整模块402仅在X轴向有驱动，Y轴向无驱动，可在Y轴向一定范围内随动；第三调整模块403的X轴向、Y轴向均无驱动，可随动。实现曲面零件姿态六个自由度调整。
[0056]零件放置在三组调整模块上进行姿态调整，调整好后，滑台将零件及调整模块一起送入加工区，三组调整模块对零件的支撑部位由零件具体确定，在工件吊具下方，其三点与调整模块的支撑点采用球头浮动连接；根据激光跟踪仪检测的曲面上设定坐标点的坐标数据，首先驱动三组调整模块的Z轴可调伺服支撑机构调整曲面零件的水平姿态，然后测量垂直方向上的高度差，继续驱动Z轴可调伺服支撑机构，调整零件高度，检查水平及高度，直至位置正确；驱动第二调整模块的X轴传送单元，使零件绕支点水平转动，第三调整模块的X轴自由滑动单元和Y轴自由滑动单元随动(第三调整模块滑台导轨可以相对于第一调整模块和第二调整模块的滑台以一定偏角安装，或采用全浮动结构，防止在随动中自锁)，使零件加工面与机床X向平行；同时驱动第一调整模块的X轴传送单元和第二调整模块的X轴传送单元，调整零件X向至正确位置；驱动滑台，送零件及调姿装置一起进入加工区，定位调整结束。零件姿态可自动调整也可手动控制，姿态调整精度和重复定位精度满足规定要求。
[0057]在零件重心位置有重心支撑装置，用于克服重力对零件产生的变形，但不得影响调姿，采用弹性支撑，支撑力和支撑高度可调，支点采用软质材料，材料可随支撑处零件包络面形状变化，支撑点变化不对零件表面产生伤害。
[0058]上述夹具应用时，调姿定位装置4的三组调整模块组成“六自由度”调姿系统，飞机尾翼8吊装在“六自由度”调姿定位装置4上，由“六自由度”调姿系统调整好姿态后，再由调姿定位装置4的滑台405将其与飞机尾翼8 一起送入夹紧装置指定位置(加工区)；飞机尾翼8以靠近夹具支架的垂直伺服支撑机构为支撑点，主夹紧机构6在其主夹紧电机5驱动下夹紧在支撑点上方，支架I的上下横梁上均安装有外部支撑装置2，外部支撑装置2的气缸205将压杆208送至零件支撑面，支撑在飞机尾翼加工区附近的辅助支撑点上，用以增强加工区上下方向的刚性；支架I的中间横梁上安装有内部支撑装置3，内部支撑装置3的伺服电机310驱动槽型凸轮302将压杆306以一定的行程伸出至顶靠点，顶靠在飞机尾翼加工区内侧，增强加工区前后向的刚性。
[0059]综上所述，本发明用于飞机尾翼垂直安定面的定位夹紧，可应用于航空业飞机大部件加工领域，垂直安定面属于曲面薄壁零件，实现了垂直安定面的自动定位夹紧，满足大型、刚性差的零件的定位装夹需求，解决了现有曲面装夹中的调整效率不高、调整质量不够稳定、调整不够灵活等问题。其调姿结束后，夹紧效果优异，零件未因夹紧而变形，调整效率尚，调整灵活且稳定。
[0060]外部支撑装置的气缸 推动压杆，支撑力大小可调；开口导向套径向锁紧压杆，不产生额外支撑力，压杆位置不随支撑面的弹性变形而变化，不阻碍支撑面弹性变形后的回复；蝶形弹簧组件提供锁紧力，锁紧力稳定，可调；伺服电机控制偏心轴转动角度，确保锁紧机构解锁可靠；可实现多点支撑同时工作或选择支撑点。
[0061]内部支撑装置采用凸轮驱动，夹紧行程由设计好的凸轮升程确定；夹紧力由压杆内碟簧组件提供，夹紧力大小通过调整碟簧预压力和压杆长度实现；夹紧力由串接在压杆上的测力传感器检测监控；同样的机构在同一驱动下通过齿轮传动并联，实现多点夹紧；独立机构也可设计成内胀式多点夹紧；可通过设计不同的凸轮及碟簧组件，每组夹紧机构夹紧行程、夹紧力大小均可独立可调。
[0062]调姿定位装置实现自动定位，调姿效率高，误差低；重心处的弹性支撑装置，解决了零件在定位过程中可能产生变形的问题；调姿效果良好，定位精确。
[0063]需要理解到的是:以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:包括支架以及位于其一侧用于对尾翼中尾部提供定位支撑的调姿定位装置，所述支架的上下横梁上均安装有用于对尾翼头部外侧压紧的外部支撑装置，支架的中间横梁上安装有用于对尾翼头部内侧压紧的内部支撑装置，支架上还安装有用于对尾翼头部固定的主夹紧机构。2.根据权利要求1所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述支架上横梁上安装的外部支撑装置与下横梁上安装的外部支撑装置一一相对，支架中间横梁上安装的内部支撑装置一一相背。3.根据权利要求1或2所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述外部支撑装置包括支撑机构以及锁紧与解锁机构，支撑机构包含气缸、压杆、支撑杆、开口导向套和导向座，导向座安装于固定座上，导向座中安装有开口导向套，压杆置于开口导向套中并可沿其滑动，气缸通过支撑杆安装于导向座上，气缸的活塞杆与压杆驱动连接，压杆的端部设有压头；所述锁紧与解锁机构包含伺服电机、偏心轴、调节轴和滚子，所述偏心轴旋转自如地支承于固定座上的轴承座中，偏心轴由伺服电机驱动连接，沿轴承座的径向设有径向孔，径向孔中配装调节轴，调节轴的上端安装有与偏心轴的外圆面接触的滚子，调节轴下部的内孔中配装拉杆，拉杆的顶端与滚子的下端相对，拉杆上依次套装螺母、挡圈和碟簧组件，拉杆的下部置于支撑套中并可沿其滑动，碟簧组件的上端与挡圈的下端面相抵接，碟簧组件的下端与支撑套的上端面相抵接，支撑套固定于导向座上，支撑套与拉杆形成钳口，钳口包容开口导向套的开口两侧。4.根据权利要求3所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述导向座上安装有可调节长度的支撑杆，气缸的缸座固定于支撑杆上，气缸的活塞杆与压杆驱动连接；所述伺服电机的传动轴与减速机的输入轴相连，减速机安装于固定座的侧面，减速机的输出轴通过联轴器与偏心轴驱动连接；所述支撑套上与开口导向套的开口上侧相对的至下区域形成缺口，拉杆上与开口导向套的开口下侧相对的至下区域形成凸台，拉杆上凸台与支撑套形成包容开口导向套开口两侧的钳口。5.根据权利要求1或2所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述内部支撑装置包含伺服电机、传动轴、固定座和槽型凸轮，所述传动轴旋转自如地支承于固定座上，传动轴的一端由伺服电机驱动连接，传动轴的另一端通过联轴器安装一槽型凸轮，槽型凸轮端面上设有导向槽，所述固定座上方固定一导向座，导向座中安装有导向套，导向套中设有可沿其导向孔滑动的压杆，压杆的顶端固定一传感器座，传感器座上依次安装有测力传感器和压头，压杆的内孔中部设有凸台，调节杆从上至下穿过凸台上的通孔，其上套装一碟簧组件，压杆的内孔下部配装一碟簧座，调节杆的下端嵌装于碟簧座中，碟簧组件的上端与凸台的下端面相抵接，碟簧组件的下端与碟簧座的上端面相抵接，碟簧座的下部通过其内螺纹连接一长度调节杆，长度调节杆的下端安装一销轴，销轴的轴线与长度调节杆的轴线相垂直，销轴嵌入槽型凸轮上的导向槽中，销轴的轴线与传动轴的轴线相平行；所述测力传感器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机传输连接，计算机与PLC传输连接，PLC与伺服电机控制连接。6.根据权利要求5所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述伺服电机的传动轴与减速箱的输入轴相连，减速箱安装于固定座的侧面，减速箱的输出轴与传动轴驱动连接；所述销轴通过滚子嵌入槽型凸轮上的导向槽中；所述传动轴通过轴承旋转自如地支承于固定座上。7.根据权利要求1所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述调姿定位装置包括滑台以及布置其上的三组调整模块，其中，第一调整模块包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元上，Y轴传送单元安装于X轴传送单元上；第二调整模块包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元上；第三调整模块包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；所述每一 Z轴可调伺服支撑机构上均安装一球头浮动机构；所述滑台的中间位置布置有重心支撑装置。8.根据权利要求7所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述第一调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制Y轴滑轨运动的电机Y，Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元的Y轴滑轨上；所述第二调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上。9.根据权利要求7所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述重心支撑装置包含底座、锁止螺母和丝杠，锁止螺母通过止推轴承旋转自如地安装于底座上，锁止螺母中配装有垂直的丝杠，锁止螺母的旋转运动转化为丝杠的上下运动，丝杠的上端设有丝杠套，丝杠套的顶端安装有支撑头。10.根据权利要求7所述的用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，其特征在于:所述Z轴可调伺服支撑机构包含内导向座以及置于其外层的外导向套，介于内导向座与外导向套之间设有可沿其轴向滑动的导向柱，内导向座的端部安装有电机安装座，伺服电动缸置于内导向座中且与电机安装座相固定，所述导向柱上安装有连接座，伺服电动缸推杆与连接座相连接，连接座上安装一支撑球头，支撑球头置于球窝支撑座上构成球关节浮动支撑；所述导向柱上固定一防转连接板，外导向套的侧壁固定一防转座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的防转杆，其一端固定于防转座上，其另一端穿过防转座上的导向孔，可沿导向孔轴向滑动；导向柱上固定一挡铁连接板，外导向套的侧壁固定一挡铁导向座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的挡铁安装杆，其一端固定于挡铁连接板上，其另一端穿过挡铁导向座上的导向孔，挡铁安装杆的顶端套装有上行程死挡铁，挡铁安装杆的底端安装有下行程死挡铁；上行程死挡铁通过调节螺母安装于挡铁安装杆上，其在挡铁安装杆上的轴向位置可调。
【专利摘要】本发明涉及用于飞机尾翼垂直安定面加工的夹具，包括支架以及位于其一侧用于对尾翼中尾部提供定位支撑的调姿定位装置，支架的上下横梁上均安装有用于对尾翼头部外侧压紧的外部支撑装置，支架的中间横梁上安装有用于对尾翼头部内侧压紧的内部支撑装置，支架上还安装有用于对尾翼头部固定的主夹紧机构。实现了垂直安定面的自动定位夹紧，满足大型、刚性差的零件的定位装夹要求，其调姿结束后，夹紧效果优异，零件未因夹紧而变形，调整效率高，调整灵活且稳定。
【IPC分类】B23Q3/06, B23Q3/08
【公开号】CN104889775
【申请号】CN201510358715
【发明人】冯爱新, 薛伟, 张华夏, 仲秋, 许兴旺, 李峰平, 吴浩, 张津超
【申请人】温州大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月25日
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