一种基于PLC控制的可重构真空吸附脱模装置设计技术研究

周新房 龙志华 王伟华 李卫平 程露

[内容摘要]: 随着航空制造技术的飞速发展，飞机的结构设计要求越来越高,即要求飞机机体足够轻、又要求强度高、载重量大。如今，新材料在飞机上的应用已经越来越广泛，可以有效减轻飞机重量，提升载重量，提高飞机续航能力。因此，设计一台基于PLC控制、采用蓄电池供电、吸盘真空吸附、柔性化、模块化、可重构、可快插组装的吊装系统，可实现多种规格壁板在生产过程中的脱模及转运，具有非常重要的意义。

[关键词]：PLC；真空吸附；柔性化、脱模

1.柔性化脱膜装置应用背景

现代飞机的机体结构广泛使用由骨架和蒙皮组成的薄壁加筋结构，具有展弦比大、结构简单、重量轻、柔性高的特点，重量的减轻意味着有效载重的增加，可以提高飞行的机动性和长航时。为了满足飞机结构强度越来越苛刻的要求，新材料在飞机结构件制造中得到了越来越广泛的应用，对提升飞机强度、增加载重产生了很好的效果。目前已知的大型壁板数量较多，规格从米级到数十米级不等，主要在外形尺寸、曲率、长桁位置、重量等参数存在较大差异，如果每个部件设置一套专用装置，无论从经济性、占地面积、可操作性、维修保养、壁板更改后的适应性等诸多方面考虑均存在不合理性，因此，有必要研制一套满足多种规格壁板的脱膜及吊运，柔性化、模块化、可重构、可快插组装的吊装系统。

2.柔性化、可重构壁板脱膜装置

1).具备可重构性的组合式框架结构

图1可重构框架结构简图

如图1所示，脱膜装置主框架包含2个3米级主框架，2个6米级主框架，1个10米级主框架，可通过任意组合，快速重构连接，主要可构建从3米、6米到数十米级等一系列长度的主框架，完全涵盖了所有需要脱膜吊运的大型壁板。主框架上方通过快速连接的方式安装动力框架，动力框架主要包含电池组、控制柜、真空中心站等，上方安装有标准的行车吊点，采用双吊的方式，最大限度规避重心调配问题。整个装置侧视图如图2所示，单个主框架上可任意安装可移动单梁，单梁具备沿主框架长度方向滑动及锁紧功能，每个单梁上安装有可伸缩吸附柱，吸附柱可沿单梁滑动并锁紧，同时可在Z向进行伸缩，伸缩行程大于1米。通过以上结构构建了一个可重构、柔性化的多点三坐标系统，基本可以满足所有的飞机壁板脱模及吊运需求。

图2可重构、柔性化壁板吸附脱模装置

2).具备可重构的柔性化吸附单梁结构

图3单梁与主框架连接简图

图4单梁结构图

如图3、图4所示，单梁可通过快速连接结构与主框架下部横梁连接，并可在主框架上滑动，同时具备锁紧功能。主要是为了适用不同大小的壁板，以及躲避壁板上存在的预制孔。

3).可伸缩吸附柱

可伸缩吸附柱为本套装置的核心部件，如图5所示，主要包含气缸、气缸夹、快锁结构、杠杆夹持模块、螺旋管、自对中接头、安全阀、真空吸盘等。吸附柱通过快锁结构与单梁连接，松开后可沿单梁移动，可以轻松避开壁板上的加筋长桁。该部件是通过控制气缸运动，带动吸盘沿Z向运动，通过压力及流量调节控制运动速度及运动推力，使吸盘在与壁板接触后自动停止运动，当所有吸盘均与壁板接触后，控制缸杆夹持模块锁定，多点吸附柱形成一个多点理论外形，具备保型作用。自对中连接件可使吸盘具备一定的摆角，可以配合多皱褶吸盘适应壁板的曲率变化。螺旋管可适应于吸盘行程内任意位置，确保真空系统畅通。

图5可伸缩吸附柱

3.柔性化、可重构壁板脱膜装置使用过程

根据壁板大小，确定主框架组合方式，快速连接主框架及动力框架，悬挂可移动单梁，数量根据壁板重量确定，单个吸附柱可提供吸附力根据吸盘大小及真空度大小确定，在确保安全系数大于等于2的情况下确定吸附柱数量，再确定单梁数量。连接好后，吊平整个装置，吊运至产品正上方，控制吸附柱气缸向下运动，待所有吸盘与产品接触后，控制锁定，保持产品外形；开启真空系统，吸盘吸附壁板进行脱膜，脱膜后，壁板与模具脱离，产生间隙，通过多个下部收紧带将整个壁板与主框架连接，防止在运输过程中真空系统故障导致壁板脱落。通过脱膜装置将壁板运输至下一工序，重复使用直至产品完成装配。

4.PLC控制器+遥控器远程控制

图6控制系统原理图

脱模装置采用PLC控制器进行控制,采用蓄电池进行供电,并配置一台DC102C/AC380V逆变器,输出三相交流电供真空泵电机使用.PLC控制系统包括控制器、数字模块、模拟模块、交换机、PN/CAN LINK模块、遥控器、大屏。PN/CAN LINK模块将蓄电池参数EtherCAT信号转换成PN通讯信号，通过交换机上传到PLC控制系统，再通过PN通讯将参数在大屏上显示出来，现场更加直观醒目。

图7输出模块接线图

手动起动电池，系统上电后，就可用遥控器对装置进行操作，可以控制真空泵电机起动、停止，真空回路电磁阀开关、吸盘升降。PLC控制程序主要安全措施主要包括：大屏实时显示电池电量、电池电量低安全保护及报警、真空泵开起状态指示、真空泵压力值指示、真空泵压力值低安全保护及报警、吸盘动作状态指示、装置吸盘总的吸力显示。当系统检测到电池电量低于30%时，黄色状态指示灯点亮，同时大屏上会字幕滚动方式提醒用户；当系统检测到电池电量低于20%时，1#红色声光报警指示灯亮并鸣响报警，同时控制程序会禁止用户起动真空泵电机（已起动保持运行）、禁止吸盘升降动作。当工作状态系统检测到真空泵压力值低于预设值时，2#红色声光报警指示灯亮并鸣响报警，同时控制程序会禁止用户关闭真空泵电机、禁止吸盘升降动作。

同时，将脱模装置真空吸盘分为4个区域进行控制，可以更好的实现每个区域吸盘的压力均衡，每个区域接一路真空回路，用一个电磁阀来控制真空回路的开启关闭。当需要某一个区域的吸盘产生吸力时，只需要将遥控器上的相应旋钮拨到开位置，对应的电磁阀将打开，该区域吸盘将产生真空并吸附壁板。分区域控制控制真空吸盘，可以灵活的吸附吊运多种规格尺寸的壁板，当壁板较小时，可以关闭某个区域真空阀，提高装置的使用效率。

图8遥控器面板

遥控器上集成操作按钮、选择按钮和急停按钮，可实现开关泵、吸盘升降、开关区域真空回路等动作，遥控器还具有开机安全保护功能，在系统开机运行时，遥控器自动锁定并向PLC系统发送急停报警指令，用户必须在拍下遥控器急停按钮，并按下遥控器上任意按钮后，再断开急停按钮后，遥控器才可以正常使用。同时，在处理遥控器信号控制程序中，对于遥控发送器“关泵确认”信号，具有防差错保护功能，当真空泵已起动，需要使用遥控发送器关闭真空泵时，需要按下“关泵”键5秒之内，再按下“关泵确认”并保持两秒以上，经控制程序处理后才会从输出模块发出关泵指令，控制关泵动作的继电器才会通电，真空泵才会断电并停止，这就能避免误操作而导致非正常关闭真空泵，导致安全风险，防止壁板因真空泵在吊运壁板时误关闭而产生掉落风险。

5.结束语

通过这种真空吸附的方式解决壁板无抓取点的问题，同时通过气动元器件的整合实现自动化，适应各种不同曲率的壁板；通过吊装框架与管路的模块化分组，可利用一套系统实现多个不同尺寸的壁板脱膜及转运工作。

随着材料技术的不断发展与提升，新型材料在飞机结构设计中的应用越来越广泛。目前，国内外飞机上的壁板已大量采用新材料结构，而新材料壁板要通过新型工艺，再进行脱膜、转运等工序。对于超大材料壁板，存在重量较大、脱膜力大、无法抓取等难题。通过计算分析，设计一套自动化真空吸附脱膜装置，有效解决上述问题。同时在装置设计时充分应用模块化、柔性化及可重构思想，使该套装置可适用于不同曲率、不同尺寸的超大型壁板，最大程度增加自动化脱膜装置的使用率。

参考文献：

[1]李松晶，《液压气动系统原理图》     化学工业出版社；

[2]倪义刚，《轻型钢结构设计施工》     中国电力出版社；

[3]张利平，《液压气动技术实用问答》   化学工业出版社；