一种模块化测试工装的设计与应用

发布时间：2019-04-25 16:43所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：机械锁是发射装置中约束弹体航向运动和发射时安全释放弹体的机械装置，其结构相似度非常大，且每型产品都需要进行开锁力测试。原有的测试设备不能完成各类型发射装置开锁力的测试，且测试结果不稳定、公差较大，不能保证产品正常的力学性能，影响了产

　　摘要：机械锁是发射装置中约束弹体航向运动和发射时安全释放弹体的机械装置，其结构相似度非常大，且每型产品都需要进行开锁力测试。原有的测试设备不能完成各类型发射装置开锁力的测试，且测试结果不稳定、公差较大，不能保证产品正常的力学性能，影响了产品的正常交付。以某系列发射装置开锁力测试工装为例，设计出了一套能够适应同系列产品装配、测试的模块化通用工装，实现了工装的快速定位与拆装，缩短了工装准备周期，降低了制造成本，大幅度提高了装配生产能力，并可为后续基于模块化的柔性工装设计提供参考。

　　关键词：工装,模块化,机械锁,开锁力

　　航空机电产品具有多品种、小批量和高度离散型的特点，传统的工装设计思想，即一套工装只适用于一种零件装配、测试，已不能适应现代化生产的需要。引入模块化设计思想，在工装设计过程中采用模块化技术，以模块间的通用性和互换性为基础，以工装的通用性为目标，结合数字化装配技术，实现模块化设计，缩短工装准备周期，降低工装制造成本，大幅度提高装配生产能力，有助于对新品研制做出快速反应，提高市场竞争力。

　　1模块化设计

　　模块化设计是一种自顶向下的设计方法，是指对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析、划分，并设计一系列通用、专用模块组成不同的产品，以满足市场的不同需求的现代设计方法[1-2]。工装的模块化设计是在同一定位平台上实现系列化、通用化，达到不同零件只需更换部分定位、夹紧元件。工装本体通用的原则，能够极大地提高工装设计效率，降低制造成本，缩短工装准备时间。工装模块化设计原则是在力求满足要求的基础上使模块结构简单、性能稳定。模块划分的好坏直接影响工装模块化设计的成功或失败。

　　工装设计员在新工装设计之前可根据产品结构特点和功能需求，评估工装模块化的可行性，确定是否能进行工装模块化设计，确定模块化设计方案后，利用CATIA进行工装专用模块设计、通用模块设计和工装模块组装，并进行功能性分析，最后输出工装设计图。

　　2模块化工装的具体应用

　　2.1某发射装置产品分析

　　机械锁是发射装置中约束弹体航向运动和发射时安全释放弹体的机械装置，其主要由壳体、连杆组件、前卡爪和后卡爪等组成。在弹体的挂装、起飞和着陆过程中，机械锁能够可靠约束弹体的纵向运动，并防止弹体的意外脱落;当弹体发射时，发动机推力达到开锁力时机械锁能够可靠开锁，并安全释放弹体。

　　可见，机械锁的开锁力大小是保证弹体发射安全分离的重要指标。此类产品的结构相似度非常大，且每型产品都需要进行开锁力测试，原有的测试设备不能完成各类型发射装置开锁力的测试，且测试结果不稳定、公差较大，不能保证产品正常的力学性能，影响了产品的正常交付。通过设计通用的模块化测试工装，可满足各类型发射装置的开锁力调试要求，保证其稳定性。

　　2.2工装总体设计要求

　　工装总体应满足后续所有系列发射装置开锁力测试要求，且通用性要强。具体设计应满足如下3点：1)采用模块化设计思想，使工装系统体现柔性装配技术，减少定位件和压紧件的数量，实现快速拆装，快速定位夹紧;2)保证产品机械锁的开锁力值，且该力值的精度要求比较高，因此应尽量避免外界因素导致的产品测试不合格等问题;3)考虑产品机械锁开锁力值大小不同，目前最大力值要求是(700±50)N，在使用过程中，操作者应能用普通大小的力就可以将机械锁的前卡爪推开。

　　2.3工装测力装置设计

　　初始方案是利用滚珠丝杠进行开锁力测试，数据使用测力计进行记录。考虑到丝杠可以避免工装滑块在推动前卡爪时多余的摩擦力，也可以充分保证推杆能够直线运动，此时可以保证力传感器显示的力值为机械锁开锁力的力值，避免不确定的力值及操作问题导致的力值不稳定。但丝杠运动原理导致运动速度过于缓慢，无法模拟导弹发射时实际的运动速度。

　　最终方案决定使用推杆联动机构，在此状态下不会出现上述方案中的问题，在运动速度上，相比上述方案，能够更好地模拟弹体发射时的速度。推杆联动机构能够保证模拟滑块运动时为一条直线，避免摩擦力影响最终的测试结果，而且更贴合弹体发射时的运动速度，充分保证测力传感器显示的是机械锁最终的开锁力值。通过杠杆加力，操作者使用普通大小的力就可以将机械锁的前卡爪推开。模拟滑块设计时应注意如下问题。

　　1)模拟滑块硬度略低于前卡爪硬度。一方面，机械锁为多次重复使用，模拟滑块硬度略低于前卡爪的硬度，有助于提高机械锁的寿命;另一方面，如果滑块的硬度高于或接近前卡爪的硬度，则极有可能出现因开锁时前卡爪上有压坑或塑性变形的情况，从而导致弹体滞留，发射失败。

　　2)模拟滑块与前卡爪的接触面应有足够低的表面粗糙度，以免出现因接触面过于粗糙造成前卡爪和导弹滑块之间的相对运动不遵守摩擦规律，从而导致弹体滞留，发射失败。

　　2.4工装专用模块设计

　　工装模块化设计主要包括专用模块、通用模块设计和模块组合。在进行装配需求分析的基础上，首先进行专用模块的设计，专用模块的设计是实现柔性装配工装的关键，专用模块的设计需要考虑不用的装配对象，在分析产品定位特点的基础上进行设计[3-4]。开锁力测试装置设计完成后，应考虑产品固定的问题。由于每种发射装置的机械锁位置不定，且本身的上接口尺寸也不一致，所以为保证该工装能够满足各类发射装置产品的测试，针对各类型产品上接头不一致的问题，设计专用模块，采用不同的定位座固定产品上接口，从而解决了各型产品上接口不统一的问题。

　　2.5工装通用模块设计

　　工装通用模块是在专用模块设计完成后，为满足其柔性装配需求，同时结合被装配产品具体特点所设计和选用的。上述测力装置和专用模块设计完成后，需设计工装通用模块，即底座和支承座，以保证上述测力装置在底座上某一位置固定下来。根据所测产品的长度、上接口尺寸和机械锁位置等一系列因素，在底座上分别钻出相应的孔位，通过支承座和定位座组合滑动来满足各类型发射装置机械锁的位置要求，保证测试开锁力的滑块能够在机械锁前卡爪后，且运动行程确保滑块能够顺利将前卡爪推开，滑块也能运动脱离出去。

　　2.6工装模块组合

　　工装各模块设计完成后，采用设定好的标准接口进行模块间的组合，要求能够在一套工装上实现尽可能多的产品的精确装配，并尽可能减少模块接口的种类，以满足尽可能多的功能要求。从三维设计方案可以看出，该模块化组合工装无论机械锁位于产品中的哪个位置，均可以进行机械锁开锁力的测试，理论上完成了对该方案的验证与肯定。

　　3工装干涉检查和截面分析

　　由于空间有限，各零件的结构又较复杂，工装设计一般为逐层设计，很难控制空间余量，所以容易出现干涉现象。为保证所设计的工装各零件能够被加工和正确组装，并且能够实现定位和夹紧功能，应对工装内部各零件之间、工装与产品之间进行干涉检测。在装配设计中，采用截面分析功能，能更清楚地了解装配部件内部结构。

　　在CATIA的“DMUSpaceAnalysis”模块下，对工装进行干涉分析，利用碰撞检测“CheckClash”和剖切分析“SectioningDefinition”对工装内部各零件之间、工装与产品之间进行干涉检测，工装内部各单元之间和工装与产品之间没有发生干涉情况，满足整体设计要求。

　　4应用实例验证

　　完成了发射装置系列产品的测试任务，将产品的测试结果保持在稳定的范围内，生产效率和质量明显提高，产品型号由原来的1个扩展到8个，使用合格率由30%提高到90%，工装制造成本降低约60%。

　　5结语

　　通过某系列发射装置开锁力测试工装的模块化设计，探索在保证工装设计满足使用要求的前提下，考虑产品结构相似、部件相似或相同等特点，利用模块化技术选择在1套工装上实现多个产品装配，实现工装的通用性要求，从而提高工装准备效率，减少工装制造成本，对后续模块化技术在工装设计中全面应用有一定的推动作用。

　　参考文献

　　[1]童时钟.模块化原理设计方法及应用[M].北京：中国标准出版社，2000.

　　[2]马强，王仲奇.飞机制造工艺装备模块化设计方法的研究[J].现代制造工程，2007，5(1)：63-65.

　　[3]张宝辉，龚京忠，李国喜，等.产品模块化设计中的功能模块划分方法研究[J].组合机床与自动化加工技术，2004(9)：55-59.

　　[4]张磊.模块化设计在客车车身设计中的应用研究[D].长春：吉林大学出版社，2013.

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