一种用于航空薄壁筒形件的外预调式装夹装置的制作方法

本发明涉及航空薄壁件加工装夹，具体涉及一种用于航空薄壁筒形件的外预调式装夹装置。

背景技术：

1、航空薄壁筒形件因结构刚度低，加工装夹时易产生变形，且装夹效率与重复定位精度难以满足航空制造的高要求。现有装夹装置多偏重单一夹紧功能，缺少对装夹后工件精度的在线检测与校准手段，装夹质量无法有效验证，同时快换能力不足，导致机床停机换装时间长，设备利用率低。

2、在薄壁筒形件检测方面，已有如公开号cn116608793a的专利提出通过内、外壁线激光位移传感器实现非接触式尺寸检测，但其仅侧重于测量环节，未涉及装夹系统的快换结构与低应力装夹设计，在装夹和检测方面仍有研究空间。

3、本发明针对上述不足，提供一种用于航空薄壁筒形件的外预调式装夹装置，通过前部母盘工装与前部夹紧工装的零点定位快换配合实现带工件整体快速换装与微米级重复定位，通过前部自定心胀紧、尾部径向可调支撑与辅助支撑协同作用有效抑制薄壁装夹变形，并集成测量组件实现装夹后外圆跳动检测与缺陷识别，形成装夹、检测与校准的闭环反馈，系统性解决装夹易变形、换装效率低且缺乏检测手段的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种用于航空薄壁筒形件的装夹装置，以解决现有技术中装夹易变形、换装效率低且缺乏检测手段的问题。

2、一种用于航空薄壁筒形件的外预调式装夹装置，包括底板、前部母盘工装、前部夹紧工装、尾座工装、尾部支撑工装、辅助支撑工装及测量组件；

3、底板上设有第一导轨与第二导轨，测量组件滑动装于第一导轨，尾座工装和辅助支撑工装滑动装于第二导轨；

4、前部母盘工装固设于底板一端，前部夹紧工装与其可拆卸定位连接，用于撑紧筒形工件的前端内孔；

5、尾部支撑工装，用于置入工件尾部内孔，其设有径向可调支撑结构贴合工件内孔壁；

6、尾座工装沿第二导轨移动锁紧，其设有顶尖用于顶紧尾部支撑工装中心，实现尾部支撑工装轴向径向定位；

7、测量组件沿第一导轨移动至工件任意轴向位置。薄壁筒形工件前端由前部夹紧工装撑紧内孔定位，尾部置入尾部支撑工装并由尾座工装顶紧定心，整体构成机床外离线预调的装夹布局。前部母盘工装与前部夹紧工装采用可拆卸定位配合，可实现带工件工装的整体快速换装与高精度重复定位，缩短机床停机换装时长，提升设备利用率；尾座工装与辅助支撑工装均可沿第二导轨轴向滑移锁紧，适配不同长度规格的工件，装置兼容范围广；尾部支撑工装的径向可调支撑结构可贴合工件内孔壁，补偿工件尾部内孔尺寸偏差、消除支撑间隙，且增大内孔支撑接触面积，有效降低薄壁工件装夹变形量；辅助支撑工装承托工件外壁，增强装夹整体刚性，抑制加工振颤。测量组件可沿导轨移动至工件任意轴向位置，检测装夹后工件外圆跳动，实现装夹精度的实时校准，保障工件加工形位公差。

8、可选地，尾部支撑工装包括第一基体、若干个半圆滑块、调节螺杆和顶尖块；

9、第一基体开设有与半圆滑块对应的径向滑槽，调节螺杆沿径向螺纹连接于第一基体上，调节螺杆的内端与半圆滑块传动配合；转动调节螺杆可驱动半圆滑块沿径向滑槽径向移动，使半圆滑块的外弧面贴合工件内孔内壁；

10、顶尖块固定安装于第一基体靠近尾座工装一侧的中心处，顶尖可顶紧于顶尖块的中心孔内。本尾部支撑工装采用调节螺杆与半圆滑块的径向传动结构，通过转动调节螺杆即可驱动半圆滑块沿基体的径向滑槽精准滑移，可独立调节各支撑点位的径向伸出量，适配工件尾部内孔的尺寸偏差与形位误差，彻底消除支撑间隙，显著提升尾部定位精度。半圆滑块以外弧面与工件内孔壁面贴合，有效增大支撑接触面积，分散局部应力，大幅降低薄壁工件的装夹变形量，保障工件内孔圆度精度。基体中心设置的顶尖块可与尾座顶尖精准配合，实现尾部支撑工装的同轴定心与轴向锁紧，保证工件装夹同轴度；径向滑槽为半圆滑块提供稳定导向，螺纹传动结构具备自锁特性，支撑状态稳固可靠，装夹后无松动位移风险。

11、进一步地，前部夹紧工装包括第二基体、若干个半圆爪、滑槽定位块、后拉杆、螺纹块、零点销和粗定位销；

12、第二基体设有前端面和后端面

13、滑槽定位块固定安装于前端面，滑槽定位块设有导向槽，各半圆爪分别滑动装配于对应滑槽定位块的径向导向槽内；

14、后拉杆同轴穿设于第二基体的中心通孔内，后拉杆的前端外周为锥形面，各半圆爪的内端设置有与锥形面相适配的内斜面；后拉杆的后端设置有外螺纹段并与螺纹块螺纹配合，后拉杆的后端面开设有内六角操作孔；

15、当转动后拉杆使其轴向后退时，通过锥形面与内斜面的配合驱动各半圆爪同步沿径向向外扩张，撑紧工件前端内孔以实现自定心夹紧，半圆爪设有限位孔，用于放置限位块；

16、零点销与粗定位销均固定设置于后端面，用于与前部母盘工装定位配合。

17、本前部夹紧工装采用楔面传动的多爪自定心结构，装夹装配步骤清晰可控，兼具高定心精度与操作便捷性。预装工件时，先将筒形工件前端内孔套设于各半圆爪外周；滑槽定位块的径向导向槽为半圆爪提供精准滑移约束，保证各爪仅沿径向平动而无周向偏移。仅需采用单一内六角工具从工装后端旋动后拉杆，通过后拉杆与螺纹块的螺纹配合实现轴向后退，借助前端锥形面与半圆爪内斜面的楔面传动，即可同步驱动全部半圆爪沿径向向外扩张，撑紧工件前端内孔并完成自定心夹紧，其中半圆爪设有限位孔，用于插入限位块，限位块与限位孔间隙配合，防止半圆爪过多径向移动破坏工件内孔。单点操作即可实现多爪同步胀紧，装夹步骤简洁高效，夹紧力沿周向均匀分布，有效降低薄壁工件的局部装夹变形。工装后端面集成设置粗定位销与零点销，与前部母盘工装对接时，先由粗定位销完成初定位导向，再经零点销实现高精度锁紧定位，对接步骤层级分明，可保障离线预装后的工装整体快速上机换装，重复定位精度稳定可靠。

18、具体地，前部母盘工装包括母盘与若干个零点座，零点座固定安装于母盘的前端面，零点座与零点销一一对应，用于实现前部夹紧工装的快速定位与气动锁紧。本前部母盘工装于母盘端面布设与零点销一一对应的零点座，零点座为现有成熟技术，可采用英世奇公司的气动零点定位夹具产品，可同步实现前部夹紧工装的高精度定位与气动锁紧。该零点座采用气压解锁、弹簧机械锁紧的工作方式，定位与夹紧动作一步完成，工装装拆切换响应迅速；其重复定位精度可达微米级，可保证前部夹紧工装多次换装的定位一致性，有效消除装夹累积误差；锁紧状态下无需持续通气即可维持稳定夹紧力，工况适应性强，多点协同布设可提供充足的连接刚性，稳定承载加工载荷。配合机床工位与离线预调台的同规格母盘配置，完成预装的前部夹紧工装可连同工件整体快速转移上机，大幅缩短机床停机换装与找正时长，提升设备加工利用率，保障工件加工形位公差的可靠性。

19、进一步地，还包括回转接头装置和外部旋转电机；

20、回转接头装置包括固定设置的外壳与可相对外壳转动的内圈，内圈与母盘用连接件连接，外壳设有进气道以接入外部气路，用于向零点座输送压缩空气；

21、外部旋转电机连接内圈端部，用于驱动内圈旋转。本装夹装置增设回转接头装置与外部旋转电机，其设计紧密契合零点座的工作特性。零点座通气时打开，断气时锁死。回转接头外壳设有进气道接入外部气路，内圈与前部母盘工装同步连接。装夹时，先通过进气道向零点座通气使其打开，将前部夹紧工装的零点销放入零点座内，随后断气锁死，固定前部夹紧工装于母盘上，再安装工件。检测完成后取下工件，再次通气打开零点座，即可将零点销连同前部夹紧工装一同取下。回转接头在工件回转检测中保持气路持续导通，避免管路缠绕，确保解锁与锁紧动作稳定可靠。外部旋转电机驱动母盘回转，配合测量组件完成全周外圆跳动连续检测，提升找正效率与精度。整个流程实现了通气装入、断气锁紧、通气取下的闭环操作，有效提升了换装效率与重复定位精度。

22、可选地，尾座工装包括尾座、安装板和锁紧板；

23、安装板滑动配合于第二导轨上，尾座固定安装于安装板上；底板开设有t型槽，锁紧板通过螺栓与t型槽配合，用于将尾座锁紧固定在第二导轨的对应位置。本尾座工装采用安装板滑移导向与锁紧板t型槽锁紧的组合结构，安装板与第二导轨滑动配合，可带动尾座沿工件轴向自由滑移调整，适配不同长度规格的薄壁筒形工件，装置轴向兼容范围广。导轨为尾座滑移提供精准导向，可保证尾座顶尖始终保持与工件同轴的运动轨迹，避免调节过程中出现同轴度偏差。锁紧板与底板的t型槽相配合，可在导轨行程内的任意位置实现可靠锁紧，锁紧后尾座无轴向窜动，能够稳定输出顶尖顶紧力，保障尾部支撑工装的轴向与径向定位精度，为工件提供充足的尾部支撑刚性；且位置调节与锁紧操作便捷，可快速完成不同长度工件的装夹适配，有效提升预调作业效率。

24、可选地，测量组件包括固定板、竖杆、横杆和百分表；

25、固定板滑动装配于第一导轨上，竖杆竖直固定于固定板上，横杆水平安装于竖杆上且可沿竖杆上下调节位置；百分表安装于横杆上且可沿横杆水平移动，用于检测工件不同位置的外圆跳动与端面平面度。本测量组件采用多维度可调的安装结构，可灵活适配不同规格工件的装夹精度检测需求。固定板沿第一导轨轴向滑移，可带动百分表抵达工件任意轴向位置，覆盖工件全长的外圆跳动检测，适配不同长度的薄壁筒形工件；横杆可沿竖杆竖直升降调节，能够匹配不同外径的工件尺寸，拓宽装置的规格兼容范围；百分表可沿横杆水平滑移，既可对准工件外圆检测径向跳动，也可平移至工件端面检测平面度，同时满足外圆同轴度找正与端面平面校平的检测需求。整体调节操作简便，测位切换灵活，无需反复拆装测头即可完成多位置、多维度的装夹精度校验，有效提升预调的找正效率与校准精度，保障工件装夹后的形位公差稳定性。

26、可选地，辅助支撑工装的上端设置有可与工件外圆滚动接触的轴承，用于承托工件外壁以增强装夹刚性。本辅助支撑工装采用轴承与工件外圆滚动接触的承托结构，可对薄壁筒形工件的外壁形成有效承托，弥补工件自身刚性不足的缺陷，显著增强装夹系统的整体刚性，有效抑制装夹校准及加工过程中工件产生的振颤与弯曲变形。轴承与工件外圆为滚动配合，工件周向回转时摩擦阻力小，既不会划伤工件外圆表面，也不会干涉工件的回转动作，可适配工件回转打表的校准工况。辅助支撑工装可沿导轨轴向滑移调整支撑位置，能够对应工件刚性薄弱区段进行针对性承托，适配不同长度规格的工件，进一步提升装夹系统的稳定性与适配性，保障工件加工形位精度的可靠性。

27、可替代地，测量组件包括沿工件周向布置的多个激光位移传感器、角度编码器、电动滑块及数据处理模块；

28、数据处理模块控制电动滑块带动测量组件沿第一导轨轴向步进扫描，在各轴向截面处采集各激光位移传感器随工件旋转角度的周向位移序列；

29、数据处理模块沿周向对位移序列进行差分比较以识别极值点，并以幅值偏离该截面均值超过设定倍标准差的极值点作为候选异常点。本测量组件采用多激光位移传感器周向布置并配合角度编码器，可在工件低速回转中同步获取全周轮廓数据，相较于单传感器分段检测方案，检测效率显著提升且轮廓覆盖完整无遗漏。数据处理模块控制测量组件沿导轨轴向步进扫描，实现工件全长自动化轮廓采集，无需人工逐点找正，操作效率高。采用基于截面均值的自适应幅值阈值筛选候选异常点，能够有效消除工件外径尺寸差异与安装偏心引入的系统性偏差，使候选异常点提取对工件个体差异不敏感，检测鲁棒性强。

30、进一步地，数据处理模块对每个候选异常点截取局部窗口内的位移数据，依据该局部区域内的位移变化幅度及形态特征进行综合判别，若满足预设缺陷判定条件则确认为真实缺陷点，并根据形态特征判定缺陷的凹凸类型；

31、数据处理模块还将周向检测结果与轴向检测结果进行交叉验证，仅保留两个方向同时识别到的缺陷点，并输出各缺陷点的轴向位置、周向角度及径向幅值。本测量组件基于局部窗口内位移变化幅度和形态特征的综合判别，能够准确区分真实缺陷与噪声伪信号，避免将表面粗糙度波动或传感器噪声误判为缺陷，并可根据窗口内位移序列的升降沿符号组合初步判定缺陷的凹凸类型，为后续缺陷分类提供判别基础。将周向检测结果与轴向检测结果进行交叉验证，仅保留两个方向同时识别到的缺陷点，可有效剔除单一方向上因偶然因素（如局部振动、表面纹理干扰）产生的伪信号，大幅降低误检率，保障检测结果的可信度。最终输出各缺陷点的轴向位置、周向角度及径向幅值，为后续质量分级、缺陷修复定位及加工工艺调整提供量化数据支撑。

32、具体地，数据处理模块对交叉验证确认的缺陷点，分别在周向和轴向方向上以该点为中心截取局部窗口，采用预定的拟合函数对各窗口内的位移数据进行拟合，通过迭代寻优确定使拟合残差满足收敛条件的缺陷中心位置、最大幅值及影响宽度参数；以拟合获得的中心位置作为该缺陷点的精确坐标，以预设倍数的影响宽度界定该缺陷点的空间影响范围；合并周向与轴向拟合结果，获得各缺陷点的精确三维中心坐标及其周向、轴向双向影响范围。采用预定的拟合函数对各窗口内位移数据进行迭代寻优，能够获得高采样级精度的缺陷中心位置、最大幅值及影响宽度参数，显著提升缺陷定位精度与幅值量化准确性。以拟合中心位置作为缺陷点精确三维坐标，以预设倍数的影响宽度界定空间影响范围，实现了对缺陷几何尺度的定量表征。合并周向与轴向拟合结果，获得各缺陷点精确的三维中心坐标及其双向影响范围，为后续缺陷形态分类、修复路径规划及工件状态判定提供了完整且量化的数据支撑。

33、更具体地，数据处理模块根据缺陷点的轴向影响范围与周向影响范围的比值对缺陷形态进行分类，并按缺陷幅值分级判定工件状态。依据比值将缺陷归为点状、等轴状或条带状，为各类缺陷的应力危害程度和修复优先级提供量化判别依据，使缺陷形态识别标准化、自动化。按预设幅值阈值将工件判定为合格品、可修正品或报废品，实现质量等级的自动判定，避免人工主观误差。为可修正品输出缺陷类别、位置及影响范围，为后续补加工提供精确修复指引，有助于降低废品率并提升制造经济性。最终生成包含缺陷统计与三维模型映射的综合检测报告，使检测结果直观可视，便于质量追溯与工艺改进。

34、本发明突破传统单一装夹或单一检测的局限，构建了集离线预调快换、多点协同低应力装夹与在线检测实时校准于一体的系统性解决方案。通过前部母盘工装与前部夹紧工装的零点定位快换配合，可实现带工件整体快速换装与微米级重复定位，大幅缩短机床停机时间。通过前部自定心胀紧、尾部径向可调支撑与辅助支撑协同作用，既能补偿工件尺寸偏差又能增大支撑面积，有效抑制薄壁装夹变形。同时测量组件可在装夹后直接进行外圆跳动检测与表面缺陷识别，形成装夹、检测与校准的闭环反馈，保障航空薄壁筒形件加工精度的一致性与可靠性。