一种多并联共融的大曲面零件加工装备和加工方法技术

一种多并联共融的大曲面零件加工装备及加工方法，装备包括并联承载装置、混联机器人装置、研抛一体化装置和共融控制检测系统，并联承载装置包括支撑底座、UPU驱动链、约束支撑链和转盘平台，混联机器人装置包括支撑架、UPS驱动链、UP约束支链、动平台和二自由度旋转头。工作时，毛坯件装夹在转盘平台上，研抛一体化装置装配在二自由度旋转头末端。共融控制检测系统使得并联承载装置和混联机器人装置相互配合，加工误差的主动补偿，与人和外部环境交互共融，实现大曲面零件或复杂曲面零件从毛坯建模、研磨到抛光的一次性智能化加工。本发明专利技术具有结构稳定、精度高、刚度大、多设备间协调共融的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种多并联共融的大曲面零件加工装备和加工方法
本专利技术涉及一种大曲面零件加工装备和加工方法，尤其是一种多并联共融的大曲面零件加工装备和加工方法，属于精密化、智能化加工设备

技术介绍
为满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求，我国制定了将新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向的发展路线。在高精度、智能化加工领域，传统数控机床或者串联机械臂的常用加工方式，存在着加工精度低、加工装配笨重、加工灵活性差的问题，已越来越不能满足目前技术发展的应用需求。并联机器人具有整体结构紧凑，刚度高，运动误差小的优点，已在很多制造装配领域的得到了很好的应用。但是，相对于串联机器人来说，单独的并联机器人由于本身机构的限制，在工作行程和工作角度上都受到很大的限制，在大曲面零件或者复杂曲面零件加工时，其缺陷尤为明显。因此，需要研发一种可以与作业环境、人自然交互、多机器人协同工作、自主适应复杂动态环境的职能化加工装备。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术提供一种多并联共融的大曲面零件加工装备和加工方法，能够实现多加工装置的协同作业，实现加工装备与作业环境和人之间的自然交互和动态环境的自主适应，能有效提高加工装备的智能化和零件加工的效率，同时整体装备机构紧凑，具有较高的刚度和加工精度，承载能力强，运动累积误差小，同时，智能化的共融控制检测系统大大提高了整体装备的安全性。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种多并联共融的大曲面零件加工装备，包括并联承载装置、混联机器人装置、研抛一体化装置和共融控制检测系统，并联承载装置和混联机器人装置固定安装在安装底座上；所述的并联承载装置包括支撑底座、四条UPU驱动链、转盘平台和约束支撑链，四条UPU驱动链均匀分布连接在转盘平台和支撑底座之间，UPU驱动链的两端分别通过U型副Ⅰ和U型副Ⅱ与支撑底座和支撑平台连接，其上端通过球铰链与动平台相连；约束支撑链分布在转盘平台和支撑底座的中心位置，其下端固定在支撑底座上，上端通过虎克铰链与转盘平台连接，毛坯件装夹在转盘平台上；所述的混联机器人装置包括支撑架、三条UPS驱动链、动平台、UP约束支链和二自由度旋转头，三条UPS驱动链均匀布置在动平台和支撑架之间，UPS驱动链的中下段通过U型副Ⅲ与支撑架连接；UP约束支链分布在动平台和支撑架的中心位置，其上端与动平台固定连接，下端通过U型副Ⅳ与支撑架连接；二自由度旋转头通过转盘轴承与动平台连接，研抛一体化装置安装在二自由度旋转头末端；所述的共融控制检测系统包括交互显示器、工控机、运动控制卡、伺服驱动器、视觉处理器、通讯模块、视觉摄像机、温度传感器、三维成像扫描仪、光栅尺、姿态陀螺仪和激光跟踪仪，视觉摄像机安装在二自由度旋转头的外部，检测工作过程中的人员位置情况，同时将检测结果通过视觉处理器传递到工控机上；温度传感器安装在转盘平台上，通过通讯模块传递到工控机上，并在交互显示器上实时显示；三维成像扫描仪安装在磨抛光一体化装置的后方，进行加工前的毛坯件的扫描建模；两个姿态陀螺仪分别安装在转盘平台和动平台上，检测工作过程中的位姿变化；在UPU驱动链和UPS驱动链上均安装有光栅尺，实时检测UPU驱动链和UPS驱动链的长度变化；激光跟踪仪布置在安装底座上，跟踪定位磨抛光一体化装置末端的空间位置；光栅尺、姿态陀螺仪以及激光跟踪仪实时检测执行部件的运动情况，并通过通信模块传递到工控机上，工控机将这些反馈信号与预定参数进行对比，同时生成加工补偿程序再次输入到运动控制卡上，动控制卡驱动伺服驱动器带动UPS驱动链和UPU驱动链的运动。一种多并联共融的大曲面零件加工方法，首先将整个装备按照相对位置完成装配，整个装备位于初始状态，然后进行如下的具体加工步骤：1)先将毛坯件装夹在并联承载装置上，通过交互显示器将装备调整到人机交互模式，进入毛坯件扫描程序；此时，并联承载装置和混联机器人装置的位姿变化可以通过交互显示器进行任意调节，打开三维成像扫描仪，调整并联承载装置和混联机器人装置的位姿，将整个毛坯件的三维模型扫描建模，并将结果显示在交互显示器上；2)根据将加工成品参数输入到工控机，系统可自动的与毛坯件的三维扫描结果对比，并形成零件的加工程序，根据温度传感器的检测结果，系统可自主根据毛坯件材料的属性对加工程序进行第一次的修正，同时将修正后的加工示意图显示在交互显示器上；3)通过交互显示器将装备调整到加工模式开启并联承载装置和混联机器人装置，工控机根据生成的加工程序通过运动控制卡传递到伺服控制器，并联承载装置和混联机器人装置合同作业开始对毛坯件进行加工，加工的过程中，磨抛光一体化装置可以在一次定位的情况下完成零件的研磨和抛光程序；同时，在加工的过程中，光栅尺、姿态陀螺仪以及激光跟踪仪实时检测执行部件的运动情况，并通过通信模块传递到工控机上，工控机将这些反馈信号与预定参数进行对比，同时生成加工补偿程序再次输入到运动控制卡上；在加工的过程中，当出现检测结果出现较大误差即运动失稳状态时，交互显示器会显示报警信号，并停止并联承载装置和混联机器人装置的运动，防止发生意外；同时，实时开启的视觉摄像机可在工作过程中的人员位置进行及时检测，当检测到人员位置达到设定值时，交互显示器显示警告或者报警信号，同时装置进行相应的动作；4)加工完成后，再次通过交互显示器将装备调整到人机交互模式，通过三维成像扫描仪对零件进行检测，当出现不合格情况时，再通过上面的加工步骤1)至3)进行修正；合格后，整个装备恢复初始状态。相比现有技术，本专利技术的一种多并联共融的大曲面零件加工装备和加工方法，本专利技术将多个并联机构作为大曲面零件加工装备的主体，具有结构紧凑，刚度大，承载能力强，运动累积误差小的优点；并联承载装置和混联机器人装置之间相互协调工作，拓宽了单个串联或者并联机构的工作空间，在工作行程和工作姿态上具有更大的灵活性。机构中设计的很多部件都采用分体式的连接方式，在保证精度的前提下，很大程度的降低了装备的制造成本。人机交互模式和加工模式的自由切换，实现了工件从毛坯件扫描建模到研磨再到抛光的一次性加工，很大程度上提高了加工效率。光栅尺、姿态陀螺仪、编码器以及激光跟踪仪的布置，使得整个加工装备运动控制形成了闭环结构，极大地提高了零件的加工精度，同时当加工装备出现运动异常或者运动失稳时，可及时的停止加工装备的动作，提高了系统的安全性。此外，整个系统考虑了人和外部环境对大曲面零件加工的作用，实现了人、机器和外部环境的交互共融，实现了装备的智能化精密加工。该装备极大地弥补了现有加工装备和加工方法在大曲面零件或者复杂曲面零件加工过程中的不足，是未来智能制造的发展方向。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1为本专利技术一个实施例整体装备的结构示意图。图2为本专利技术实施例中并联承载装置的结构示意图。图3为本专利技术实施例中混联机器人装置的结构示意图。图4为本专利技术实施例中支撑架的结构示意图。图5为本专利技术实施例中动平台的结构示意图。图6为本专利技术实施例中共融控制检测系统结构的示意图。图中：1、安装底座，2、并联承载装置，2-1、支撑底座，2-2、UPU驱动链，2-2-1、U型副Ⅰ，2-2-2、伺服电动缸，2-2-3、U型副Ⅱ，2-3、转盘平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多并联共融的大曲面零件加工装备，其特征是：包括并联承载装置(2)、混联机器人装置(4)、研抛一体化装置和共融控制检测系统，并联承载装置(2)和混联机器人装置(4)固定安装在安装底座(1)上；所述的并联承载装置(2)包括支撑底座(2‑1)、四条UPU驱动链(2‑2)、转盘平台(2‑3)和约束支撑链(2‑4)，四条UPU驱动链(2‑2)均匀分布连接在转盘平台(2‑3)和支撑底座(2‑1)之间，UPU驱动链(2‑2)的两端分别通过U型副Ⅰ(2‑2‑1)和U型副Ⅱ(2‑2‑3)与支撑底座(2‑1)和支撑平台(2‑3‑1)连接，其上端通过球铰链(4‑2‑5)与动平台(4‑3)相连；约束支撑链(2‑4)分布在转盘平台(2‑3)和支撑底座(2‑1)的中心位置，其下端固定在支撑底座(2‑1)上，上端通过虎克铰链与转盘平台(2‑3)连接，毛坯件(3)装夹在转盘平台(2‑3)上；所述的混联机器人装置(4)包括支撑架(4‑1)、三条UPS驱动链(4‑2)、动平台(4‑3)、UP约束支链(4‑5)和二自由度旋转头，三条UPS驱动链(4‑2)均匀布置在动平台(4‑3)和支撑架(4‑1)之间，UPS驱动链(4‑2)的中下段通过U型副Ⅲ(2‑4‑1)与支撑架(4‑1)连接；UP约束支链(4‑5)分布在动平台(4‑3)和支撑架(4‑1)的中心位置，其上端与动平台(4‑3)固定连接，下端通过U型副Ⅳ与支撑架(4‑1)连接；二自由度旋转头(4‑4)通过转盘轴承(4‑4‑3)与动平台(4‑3)连接，研抛一体化装置安装在二自由度转头(4‑4)上；所述的共融控制检测系统包括交互显示器、工控机、运动控制卡、伺服驱动器、视觉处理器、通讯模块、视觉摄像机(9)、温度传感器(7)、三维成像扫描仪(10)、光栅尺、姿态陀螺仪和激光跟踪仪(6)，视觉摄像机(9)安装在二自由度旋转头(4‑4)的外部，检测工作过程中的人员位置情况，同时将检测结果通过视觉处理器传递到工控机上；温度传感器(7)安装在转盘平台(2‑3)上，其温度信息通过通讯模块传递到工控机上，并在交互显示器上实时显示；三维成像扫描仪(10)安装在磨抛光一体化装置(5)的后方，进行加工前的毛坯件(3)的扫描建模；两个姿态陀螺仪分别安装在转盘平台(2‑3)和动平台(4‑3)上，检测工作过程中的位姿变化；在UPU驱动链(2‑2)和UPS驱动链(4‑2)上均安装有光栅尺，实时检测UPU驱动链(2‑2)和UPS驱动链(4‑2)的长度变化；激光跟踪仪(6)布置在安装底座(1)上，跟踪定位磨抛光一体化装置(5)末端的空间位置；光栅尺、姿态陀螺仪以及激光跟踪仪(6)实时检测执行部件的运动情况，并通过通信模块传递到工控机上，工控机将这些反馈信号与预定参数进行对比，同时生成加工补偿程序再次输入到运动控制卡上，运动控制卡驱动伺服驱动器带动UPS驱动链(4‑2)和UPU驱动链(2‑2)的运动。...

【技术特征摘要】
1.一种多并联共融的大曲面零件加工装备，其特征是：包括并联承载装置(2)、混联机器人装置(4)、研抛一体化装置和共融控制检测系统，并联承载装置(2)和混联机器人装置(4)固定安装在安装底座(1)上；所述的并联承载装置(2)包括支撑底座(2-1)、四条UPU驱动链(2-2)、转盘平台(2-3)和约束支撑链(2-4)，四条UPU驱动链(2-2)均匀分布连接在转盘平台(2-3)和支撑底座(2-1)之间，UPU驱动链(2-2)的两端分别通过U型副Ⅰ(2-2-1)和U型副Ⅱ(2-2-3)与支撑底座(2-1)和支撑平台(2-3-1)连接，其上端通过球铰链(4-2-5)与动平台(4-3)相连；约束支撑链(2-4)分布在转盘平台(2-3)和支撑底座(2-1)的中心位置，其下端固定在支撑底座(2-1)上，上端通过虎克铰链与转盘平台(2-3)连接，毛坯件(3)装夹在转盘平台(2-3)上；所述的混联机器人装置(4)包括支撑架(4-1)、三条UPS驱动链(4-2)、动平台(4-3)、UP约束支链(4-5)和二自由度旋转头，三条UPS驱动链(4-2)均匀布置在动平台(4-3)和支撑架(4-1)之间，UPS驱动链(4-2)的中下段通过U型副Ⅲ(2-4-1)与支撑架(4-1)连接；UP约束支链(4-5)分布在动平台(4-3)和支撑架(4-1)的中心位置，其上端与动平台(4-3)固定连接，下端通过U型副Ⅳ与支撑架(4-1)连接；二自由度旋转头(4-4)通过转盘轴承(4-4-3)与动平台(4-3)连接，研抛一体化装置安装在二自由度转头(4-4)上；所述的共融控制检测系统包括交互显示器、工控机、运动控制卡、伺服驱动器、视觉处理器、通讯模块、视觉摄像机(9)、温度传感器(7)、三维成像扫描仪(10)、光栅尺、姿态陀螺仪和激光跟踪仪(6)，视觉摄像机(9)安装在二自由度旋转头(4-4)的外部，检测工作过程中的人员位置情况，同时将检测结果通过视觉处理器传递到工控机上；温度传感器(7)安装在转盘平台(2-3)上，其温度信息通过通讯模块传递到工控机上，并在交互显示器上实时显示；三维成像扫描仪(10)安装在磨抛光一体化装置(5)的后方，进行加工前的毛坯件(3)的扫描建模；两个姿态陀螺仪分别安装在转盘平台(2-3)和动平台(4-3)上，检测工作过程中的位姿变化；在UPU驱动链(2-2)和UPS驱动链(4-2)上均安装有光栅尺，实时检测UPU驱动链(2-2)和UPS驱动链(4-2)的长度变化；激光跟踪仪(6)布置在安装底座(1)上，跟踪定位磨抛光一体化装置(5)末端的空间位置；光栅尺、姿态陀螺仪以及激光跟踪仪(6)实时检测执行部件的运动情况，并通过通信模块传递到工控机上，工控机将这些反馈信号与预定参数进行对比，同时生成加工补偿程序再次输入到运动控制卡上，运动控制卡驱动伺服驱动器带动UPS驱动链(4-2)和UPU驱动链(2-2)的运动。2.根据权利要求1所述的一种多并联共融的大曲面零件加工装备，其特征是：所述的UPU驱动链(2-2)包括U型副Ⅰ(2-2-1)、伺服电动缸(2-2-2)和U型副Ⅱ(2-2-3)，所述的转盘平台(2-3)包括支撑平台(2-3-1)、旋转装置(2-3-2)和夹具(2-3-3)，伺服电动缸(2-2-2)的两端分别通过U型副Ⅰ(2-2-1)和U型副Ⅱ(2-2-3)与支撑底座(2-1)和支撑平台(2-3-1)固定连接，旋转装置(2-3-2)安装在支撑平台(2-3-1)上，夹具(2-3-3)又固定在旋转装置(2-3-2)上，毛坯件(3)由夹具(2-3-3)装夹和固定，在支撑平台(2-3-1)安装有第一姿态陀螺仪(8-1)和温度传感器(7)；所述的约束支撑链(2-4)包括U型副Ⅲ(2-4-1)和支撑柱(2-4-2)，支撑柱(2-4-2)下端固定在支撑底座(2-1)上，其上端通过U型副Ⅲ(2-4-1)连接在支撑平台(2-3-1)下部。3.根据权利要求2所述的一种多并联共融的大曲面零件加工装备，其特征是：所述的伺服电动缸(2-2-2)由滚珠丝杠副代替。4.根据权利要求2所述的一种多并联共融的大曲面零件加工装备，其特征是：所述的U型副Ⅰ(2-2-1)和U型副Ⅱ(2-2-3)均为虎克铰链或者球铰链。5.根据权利要求2所述的一种多并联共融的大曲面零件加工装备，其特征是：所述支撑底座(2-1)上的铰链连接点的分布半径稍大于转盘平台(2-3)的铰链连接点的分布半径。6.根据权利要求1或2所述的一种多并联共融的大曲面零件加工装备，其特征是：所述的支撑架(4-1)包括主体架(4-1-1)和U型架Ⅰ，三个U型架Ⅰ均匀布置在主体架(4-1-1)四周并固定在上面，主体架(4-1-1)开有中间孔；UPS驱动链(4-2)中下段的U型副Ⅲ(2-4-1)为虎克铰链或者球铰链连接形式；伸缩杆套筒锁紧定位套(4-1-3)通过一对角接触球轴连接到U型副支撑架(4-1-4)上，U型副支撑架(4-1-4)通过一对角接触球轴承连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：程刚，郭锋，孔一璇，金祖进，王世林，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32