弱刚性环形轮转曲面薄壁工件的机器人支撑装置和加工方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了弱刚性环形轮转曲面薄壁工件的机器人支撑装置和加工方法。装置包含机床、外部轴、随动运动器、末端执行器、工件、力传感器、工具快换盘和机器人快换盘；末端执行器包含第一连杆、第二曲杆、椭球滚轮、气缸、第一转动副、第二转动副、第三转动副、摆动块和码盘，第二曲杆与椭球滚轮形成转动副,椭球滚轮的支撑力与刀具的加工切削力在工件空间轮转薄壁曲面内外两成形成对冲维持工件稳定。本发明专利技术采用角度传感器在支撑抑振的基础上实现了加工时工件变形检测，为下一工序切削用量的选择提供依据，同时实现了加工后的残余应力释放变形检测，为工件变形最终形状的预测提供数据。据。

【技术实现步骤摘要】
弱刚性环形轮转曲面薄壁工件的机器人支撑装置和加工方法


[0001]本专利技术涉及弱刚性薄壁构件的高效高精度加工领域，涉及的是一种加工薄壁工件的支撑装置及方法，具体为弱刚性环形轮转曲面薄壁工件的机器人支撑装置。

技术介绍

[0002]随着工业化和自动化及高新技术的发展，对薄壁零件的需求越来越多，并且要求精度高，而薄壁零件本身不稳定，刚度小，极易变形，加工过程中易破损，特别是对产品中要求零件结构尺寸小、重量轻、精度高，使得加工制造更加十分困难，尤其是对回转薄壁零件的铣削加工十分困难；现有的薄壁回转曲面零件，大批量生产通常采用多级的引深模具或旋压加工制造，单件小批量零件的加工，一般由于结构种类多样，存在工艺复杂，费时费力，生产成本高，易变形，变形量大，成品率低的问题。环形薄壁类零件的加工精度越来越高。大部分的环形薄壁件的结构复杂、表面特征多，难以采用车削加工。由于刚性低，在铣削加工过程中，切削力的作用下，工件容易产生颤振、回弹等现象，降低表面质量。此类现象降低了高速切削的效率。因此，在环形薄壁件的加工过程中，需要加入辅助支撑装置，增加局部刚性和阻尼，抑制加工振动。手动辅助支撑装置的装夹效率低，且未考虑变形和应力释放，缺少变形监测。自动化的辅助支撑装置，普遍需要外接多根数据线、电源线与气线，其数据处理分析依赖于外部处理器，集成度不高。
[0003]薄壁环形件的自动辅助支撑装置所需解决的关键问题是抑制加工振动，获取变形测量数据。目前辅助支撑的抑振功能主要通过气缸或电机实现。电机抑振的主要优点在于电机的位移精度高，可以实现精密的工件变形控制。高精度电机模组内已集成光栅尺或其他位移传感器，可直接得到变形数据。但是相比于气缸，电机的抑振效果差，成本高，并且在实际加工过程中，需要考虑电机的防水问题，相比同样支撑力的气缸，电机的体积更大，往往会出现预留空间过小，无法安装的问题。但是无论使用何种方式，由于使用了不同种类的传感器和控制器，使用时接线繁琐，不适用于实际加工。自动辅助支撑装置的使用依赖外部处理器或者机床数控系统，独立性不高。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种弱刚性环形轮转曲面薄壁工件的机器人支撑装置。工件5的毛坯料为粗加工铸造, 当工件5的壁厚10mm时具有很好的加工刚性,但是,当工件5的成品壁厚为1.5mm及以下时, 工件5的加工过程中沿着壁厚方向的振动会导致薄壁工件5和刀具104产生分离，从而使得薄壁件工件5和铣削刀具之间产生冲击振动，进而在薄壁件加工表面产生切削颤纹，对薄壁件表面质量产生严重影响。因此,需要本专利技术的辅助支撑装置辅助加工。
[0005]弱刚性环形轮转曲面薄壁工件的机器人支撑装置，包含机床1、外部轴2、随动运动器3、末端执行器4、工件5、力传感器6、工具快换盘7和机器人快换盘8；所述机床1和外部轴2水平安装于地面；
机床1包含床身101、车削动力头102、铣削动力头103和刀具104，工件5通过夹具悬臂安装于车削动力头102上，车削动力头102具有轴线旋转运动副，铣削动力头103具有5轴联动运动副，铣削动力头103能够带动刀具104高速旋转做铣削运动；随动运动器3安装于外部轴2上，随动运动器3的运动端顺次串联机器人快换盘8、工具快换盘7、力传感器6和末端执行器4，末端执行器4包含第一连杆401、第二曲杆402、椭球滚轮403、气缸404、第一转动副405、第二转动副406、第三转动副407、摆动块408和码盘409，气缸404连接外部伺服气压控制系统，第一连杆401尾端与力传感器6配合固定安装，第一连杆401与摆动块408中部通过第三转动副407轴连接，摆动块408与第二曲杆402固定连接，第一连杆401的上安装有气缸404，摆动块408的尾部通过第二转动副406与气缸404的气缸杆头形成转动副，气缸404的缸体尾部通过第一转动副405与第一连杆401形成转动副，第一连杆401上安装码盘409,码盘409的测量轴连接摆动块408，能够感知第三转动副407与第一连杆401转动角度,测量椭球滚轮403的位移，第一转动副405和第三转动副407与随动运动器3的最后一轴的转动轴线为贯穿关系，第二曲杆402与椭球滚轮403转动副的轴线与第二曲杆402尾端共轴线，第二曲杆402的端部与椭球滚轮403转动副的轴线与第一转动副405、第二转动副406、第三转动副407正交，第二曲杆402与椭球滚轮403形成转动副,椭球滚轮403的支撑力与刀具104的加工切削力在工件5空间轮转薄壁曲面内外两成形成对冲维持工件稳定。
[0006]优选，码盘409为测量角位移的数字编码器，它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移传感器。
[0007]优选，末端执行器4的椭球滚轮403形状为空间椭球形状。由于工件5为空间轮转薄壁曲面，空间椭球形状的椭球滚轮403便于实现椭球滚轮403的赤道环线与工件5为空间轮转薄壁曲面内部回转环线接触,易于突入内凹空间和外凸空间,且切削力与椭球滚轮403赤道平面共面。
[0008]优选，末端执行器4不少于1个。若一个末端执行器4只能完成工件5部分曲面辅助支撑，此时解决技术方案为,借助多个末端执行器4通过机器人快换装置实现。由于每个末端执行器4之间的第二曲杆402的长度和形状不一样，末端执行器4的第二曲杆402具有提升末端执行器4在受限作业空间的作业能力。具体功能原理如图5所示：椭球滚轮403的赤道环线与工件5为空间轮转薄壁曲面内部回转环线接触,且突入内凹空间和外凸空间,且切削力与椭球滚轮403赤道平面共面。而且，椭球滚轮403的尺寸与末端执行器4的长度比值取决于工件5内部受限作业空间，显然,简单的直线杆不能完成弱刚性环形轮转曲面薄壁工件内的作业，因此,第二曲杆402的中间弯曲形态能实现加工的辅助支撑的工艺要求。
[0009]优选，力传感器6为多维力传感器，具有在线感知加工过程中沿着壁厚方向的振动的功能。多维力传感器是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力传感器最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。
[0010]弱刚性环形轮转曲面薄壁工件的加工方法，使用上述弱刚性环形轮转曲面薄壁工
件的机器人支撑装置，并且包括以下步骤：1．安装工件： 工件5的毛坯料通过夹具悬臂安装于车削动力头102上；2．参数设置： 调整镗削系统和支撑系统参数；3．镗削：工件5的内部曲面被加工完成；4．参数设置： 调整铣削系统和支撑系统参数；5．铣削：五轴复合加工,工件5的外部曲面过程中,内部被支撑装置实时在线支撑。
[0011]有益效果1.本专利技术在加工过程中为环形工件提供辅助支撑提高了工件局部刚性和阻尼， 进一步保证了工件的加工质量，同时能够测量获得变形数据。
[0012]2.本专利技术采用角度传感器在支撑抑振的基础上实现了加工时工件变形检测， 为下一工序切削用量的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.弱刚性环形轮转曲面薄壁工件的机器人支撑装置，其特征在于包含机床、外部轴、随动运动器、末端执行器、工件、力传感器、工具快换盘和机器人快换盘；机床和外部轴水平安装于地面；机床包含床身、车削动力头、铣削动力头和刀具，工件通过夹具悬臂安装于车削动力头上，车削动力头具有轴线旋转运动副，铣削动力头具有5轴联动运动副，铣削动力头能够带动刀具高速旋转做铣削运动；随动运动器安装于外部轴上，随动运动器的运动端顺次串联机器人快换盘、工具快换盘、力传感器和末端执行器，末端执行器包含第一连杆、第二曲杆、椭球滚轮、气缸、第一转动副、第二转动副、第三转动副、摆动块和码盘，气缸连接外部伺服气压控制系统，第一连杆尾端与力传感器配合固定安装，第一连杆与摆动块中部通过第三转动副轴连接，摆动块与第二曲杆固定连接，第一连杆的上安装有气缸，摆动块的尾部通过第二转动副与气缸的气缸杆头形成转动副，气缸的缸体尾部通过第一转动副与第一连杆形成转动副，第一连杆上安装码盘,码盘的测量轴连接摆动块，能够感知第三转动副与第一连杆转动角度,测量椭球滚轮的位移，第一转动副和第三转动副与随动运动器的最后一轴的转动轴线为贯穿关系，第二曲杆与椭球滚轮转动副的轴线与第二曲杆尾...

【专利技术属性】
技术研发人员：周丽，夏德伟，魏作山，卢文义，朱维金，
申请(专利权)人：烟台大学，
类型：发明
国别省市：