弱刚性工件柔性夹具装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种弱刚性工件柔性夹具装置，由多个夹具总成共同构成，所述每个夹具总成由执行模块、信息采集模块和控制模块组成，所述执行模块包括装夹机构和驱动所述装夹机构升降和平移的升降机构和水平移动机构，所述升降机构包括升降台，水平移动机构固定安装在升降台上，所述装夹机构固定安装在水平移动机构上；所述信息采集模块包括振动位移传感器、竖直位移传感器、水平位移传感器以及压力传感器；所述控制模块包括与各传感器相连的信息采集卡和用于处理信息采集模块信息的PC机和控制各机构运行的控制器。本发明能主动调整夹紧力的大小和夹紧力作用的位置，在减小工件的整体变形的同时，抑制工件的加工振动，提高工件的铣削稳定性。
【专利说明】弱刚性工件柔性夹具装置【技术领域】
[0001]本发明属于工件加工装夹领域，特别涉及一种应用于柔性结构工件装夹的弱刚性工件柔性夹具装置。
【背景技术】
[0002]随着我国航空工业的发展，对飞机的性能要求愈来愈高，为减轻飞机重量，提高机械性能，在飞机零部件中越来越多的使用整体结构件。这一类复杂曲面零件具有大尺寸、复杂型面、薄壁件、低损伤等技术特点，加工过程中极易产生振动和加工变形，使得表面加工质量很难控制。譬如，在航空工业中，大的整体结构件长10m、高0.lm、厚度为1.5~4mm，表面质量要求粗糙度值为0.4~0.8 μ m、形位偏差为± 125 μ m (要求抗腐蚀的零件表面且要求具有高疲劳强度的零件表面等，都严格规定较小的表面粗糙度值，但表面尺寸及形位公差却可以稍大)。在这类高精、高性能产品加工要求下，如何通过夹具的布局使这类高柔性的薄壁结构件在装夹过程中引起的静态装夹变形最小化，同时更能有效地抑制工件的加工振动或颤振，提高工件的动态可加工性正成为当前夹具设计的挑战性任务之一。因此提升薄壁多框体结构件的可加工性显得尤为重要。现有加工这类工件的夹具一般是普通夹具改造而成，即在普通夹具上增加了一些调整机构，在预测工件局部变形后根据变形量调整夹具位置。
[0003]现有夹具设计主要存在以下问题:(1)基于刚性或高刚度工件的假设，以预测由于工件的局部变形、夹具定位元件的变形导致工件在夹紧过程中的静态位移，并以此作为工件的加工误差，误差较大；(2)基于静态或准静态假设，预测柔性工件的静态变形，这种方法是在外界的激励频率超过工件的固有频率或工件-夹具系统的固有频率时才有效。然而，当激励频率接近工件-夹具系统的固有频率时，系统瞬态响应是不能忽略的；(3)基于不动点载荷的假设，在预测工件-夹具系统的动态响应时，外载荷作用点的移动(例如加工力)，经常被忽略；(4)在主动夹具中，主动夹具元件的响应是通过反馈控制来调节，在调整的同时，也影响了工件的 动力学响应。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题就是针对弱刚性工件加工过程中易于产生加工振动和变形等问题，提供一种弱刚性工件柔性夹具装置，能够根据走刀位置所检测到的工件振动信息，主动调整夹紧力的大小和夹紧力作用的位置，在减小工件的整体变形的同时，很好地抑制工件的加工振动，提高工件的铣削稳定性，提高工件动态可加工性，最终实现工件加工表面质量的提高。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供的一种弱刚性工件柔性夹具装置，由多个夹具总成共同构成，其特别之处在于:所述每个夹具总成由执行模块、信息采集模块和控制模块组成，所述执行模块包括装夹机构以及驱动所述装夹机构升降和平移的升降机构和水平移动机构，所述升降机构包括升降台，所述水平移动机构固定安装在升降台上，所述装夹机构固定安装在水平移动机构上；所述信息采集模块包括安装在装夹机构上用于获取工件在切削力作用下产生的振动位移和工件振动频率的振动位移传感器、分别安装在升降机构和水平移动机构上用于获取加工过程中装夹机构位置信息的竖直位移传感器和水平位移传感器，以及安装在装夹机构上的压力传感器；所述控制模块包括与各传感器相连的信息采集卡和用于处理信息采集模块信息的PC机和控制各机构运行的控制器。
[0006]上述技术方案中，所述升降机构包括对称布置的一对支座，在每一支座顶部设置有步进电机，在支座中部设有竖直导轨，所述升降台两端嵌置在竖直导轨内，所述步进电机的输出端连接有竖直丝杠，所述竖直丝杠穿过升降台并与之螺纹配合。
[0007]进一步地，所述步进电机通过电机支架与支座固定；所述竖直位移传感器安装在支座上部。
[0008]更进一步地，所述支座与竖直导轨之间设有肋板。
[0009]上述技术方案中，所述水平移动机构包括固定安装在升降台上的水平导轨，水平导轨两端通过轴承支设有两根水平丝杠，每一水平丝杠分别通过联轴器与伺服电机的输出端相连；所述装夹机构包括滑板，滑板的底部设有丝杠孔，所述滑板嵌置在水平导轨内，且水平丝杠穿过丝杠孔并与丝杠孔螺纹配合。
[0010]进一步地，所述水平位移传感器安装在轴承内侧、两根水平丝杠之间。
[0011]上述技术方案中，所述装夹机构为一个液压夹紧机构，包括液压油缸，液压油缸顶部设置有液压油管，液压油缸包括活塞缸和活塞杆，所述活塞杆前端设置有夹紧触点。
[0012]进一步地，所述压力传感器设置于活塞杆与夹紧触点之间，所述振动位移传感器安装在活塞缸上。
[0013]更进一步地，所述活塞缸外壁固定设置有外槽，外槽内嵌置有内槽，所述振动位移传感器位于内槽内，所述外槽与内槽可相对滑动并通过定位螺栓相对固定。
[0014]本发明能够根据所加工工件的公差(如形位偏差等)要求设定振动幅值阈值,并据此来调整加工过程中作用力的位置及大小，能保证公差在要求范围内。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:I)各元件都是主动元件，能够根据检测到的工件加工过程中应力形变的信息，主动调整夹紧力的大小和夹紧力作用的位置，以减小工件的整体变形；2)振动位移传感器的设置，能够根据检测到的工件在加工过程中的振动信息，主动调整夹紧力，以很好地抑制工件的加工振动，提高工件的铣削稳定性；3)能够实现瞬态响应，从而提高工件的动态可加工性和的工件的表面质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明一个实施例的结构暨工作状态示意图；
[0017]图2为图1中单个夹具总成的结构示意图；
[0018]图3为图2中升降机构的结构示意图；
[0019]图4为图2中水平移动机构的结构示意图；
[0020]图5为图2中装夹机构的结构示意图；
[0021]图6为图5中A处的结构示意图；
[0022]图7为本发明中控制模块的基本原理图；
[0023]图中，I一升降机构，2—水平移动机构，3—装夹机构，4一工件，5—夹具总成；1-1一步进电机，1-2—电机支架，1-3—竖直位移传感器，1-4 一支座，1-5—升降台，1-6—肋板，1-7—竖直丝杠，1-8—竖直导轨；2-1—水平丝杠，2-2—联轴器，2-3—伺服电机，2-4—轴承,2-5一水平导轨,2-6一位移传感器支架，2-7一水平位移传感器；3_1—液压油缸，3-2一液压油管,3-3一活塞缸,3-4一活塞杆,3-5一压力传感器，3-6一夹紧触点，3_7—滑板，3-8—丝杠孔，3-9—外槽，3-10—定位螺栓，3-11—内槽，3_12—振动位移传感器。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述:
[0025]如图1所示，本发明所设计的弱刚性工件柔性夹具装置，由多个夹具总成5共同构成，夹具总成5的数量取决于工件4的形状。工作时，夹具总成5包围工件4并将其夹紧。
[0026]如图2所示，每个夹具总成5均包括装夹机构3，还包括分别驱动该装夹机构3升降和平移的升降机构I和水平移动机构2。升降机构包括升降台1-5，水平移动机构2固定安装在升降台1-5上，装夹机构3固定安装在水平移动机构2上。
[0027]每个夹具总成5由执行模块、信息采集模块和控制模块组成。执行模块即包括上述升降机构1、水平移动机构2和装夹机构3。信息采集模块包括安装在装夹机构3上用于获取工件4在切削力作用下产生的振动位移和工件振动频率的振动位移传感器3-12、分别安装在升降机构I和水平移动机构2上用于获取加工过程中装夹机构3位置信息的竖直位移传感器1-3和水平位移传感器2-7，以及安装在装夹机构3上的压力传感器3-5。控制模块包括与各传感器相连的信息采集卡和用于处理信息采集模块信息的PC机和控制各机构运行的控制器。
[0028]本实施例中信息采集模块中的振动位移传感器3-12采用ZLDS100、竖直位移传感器1-3采用ZLDS100-750、水平位移传感器2_7采用ZLDS100-1250，安装在装夹机构3上的压力传感器3-5采用ELPF-T2M-100KN，均为现有产品。控制模块中的信息采集卡采用NIPC1-7774，控制器采用NI PC1-7344，也均为现有成熟产品。当然，可采用的各传感器并不限于这些具体型号。
[0029]升降机构I可以采用液压驱动机构，也可以采用电机或其它常规驱动机构，本实施例优选精度更高的电机-丝杠升降机构。如图3所示，该升降机构I包括对称布置的一对支座1-4，在每一支座1-4顶部通过电机支架1-2设置有步进电机1-1，在支座1-4中部设有竖直导轨1-8，升降台1-5两端嵌置在竖直导轨1-8内。步进电机1-1的输出端连接有竖直丝杠1-7，竖直丝杠1-7穿过升降台1-5并与之螺纹配合，通过竖直丝杠1-7的旋转带动升降台1-5升降。前述信息采集模块中的竖直位移传感器1-3安装在支座1-4上部。为提高结构的刚度，在支座1-4与竖直导轨1-8之间还设有肋板1-6。
[0030]水平移动机构2同样可以采用液压驱动机构或者其它现有驱动机构，本实施例同样优选精度更高的电机-丝杠水平移动机构。如图4所示，该水平移动机构2包括固定安装在升降台1-5上的水平导轨2-5，水平导轨2-5两端通过轴承2-4支设有两根水平丝杠
2-1，每一水平丝杠2-1分别通过联轴器2-2与伺服电机2-3的输出端相连。装夹机构3包括滑板3-7，滑板3-7的底部设有丝杠孔3-8，滑板3-7嵌置在水平导轨2_5内，且水平丝杠
2-1穿过丝杠孔3-8并与丝杠孔3-8螺纹配合，通过水平丝杠2-1的旋转带动滑板3_7，进而带动整个装夹机构3水平移动。前述信息采集模块中的水平位移传感器2-7安装在轴承2-4内侧、两根水平丝杠2-1之间。
[0031]本实施例的装夹结构3采用液压驱动装夹机构。如图5所示，它包括设置在滑板
3-7上的液压油缸3-1，液压油缸3-1顶部设置有液压油管3-2，液压油缸3_1包括活塞缸
3-3和活塞杆3-4，活塞杆3-4前端设置有夹紧触点3-6。前述信息采集模块中的压力传感器3-5设置于活塞杆3-4与夹紧触点3-6之间，振动位移传感器3-12安装在活塞缸3_3上。如图6所示，为便于调整振动位移传感器3-12的设置位置，在活塞缸3-3外壁固定设置有外槽3-9，外槽3-9内嵌置有内槽3-11，振动位移传感器3-12位于内槽3-11内。外槽3_9与内槽3-11可相对滑动并通过定位螺栓3-10相对固定。
[0032]本发明中每一夹具总成5的各模块作用如下:
[0033]信息采集模块
[0034]竖直位移传感器1-3和水平位移传感器2-7用于获取加工过程中装夹机构3的位置信息，振动位移传感器3-12用于获取工件4在切削力作用下所产生的振动位移和工件4振动频率，压力传感器3-5用于获取夹具施加的夹紧力大小信息。这些信息都将被传送给外置的PC机处理器，并根据加工要求作出相应的处理，然后发出指令给相应的控制器及执行机构。
[0035]控制模块
[0036]主要由PC机和运动控制卡(NI PC1-7344)组成，其基本原理如图7所示，用于对上述各传感器获取的信息进行分析和处理，确定工件4的振动情况，并根据预先设定的要求(工件4振动位移公差等)对执行机构发出指令，调整各装夹机构3的作用点位置和夹紧力的大小，抑制工件4的振动，提高工件4铣削稳定性。
[0037]执行模块
[0038]用来接收控制模块的指令，并根据指令执行对工件4加力夹紧，图2中的夹具总成5具有三个自由度，能够实现三个平移运动，以便根据需要调整夹紧触点3-6的位置和作用力的大小。
[0039]本发明具体的工作过程如下:
[0040]1、初始夹紧位置以及夹紧力大小的确定
[0041](I)首先将工件4的表面网格化，利用预测的切削力来估算切削力导致的工件4各节点振动位移，将装夹机构3作用于相应的最大位移节点位置上；
[0042](2)根据封闭性和力封闭初步确定夹紧力的大小；
[0043](3)装夹机构3的活塞杆3-4在液压油的推动下将力施加在工件4上，压紧力的大小可以通过压力传感器3-5获取，并在PC机上显示。
[0044]2、加工过程中夹紧位置以及夹紧力大小的调整过程
[0045](I)获取加工过程中夹紧位置以及夹紧力大小的信息:
[0046]①装夹机构3的位置。装夹机构3的位置信息包括水平方向和竖直方向，分别通过水平位移传感器2-7和竖直位移传感器1-3获取；
[0047]②夹紧力的大小。通过集成在活塞杆3-4上的压力传感器3-5获取；
[0048]③工件4振动位移和频率。通过振动位移传感器3-12检测加工过程中选定节点的振动位移及频率信息；
[0049](2)加工过程中夹紧触点3-6位置的调整:[0050]采集以上信息之后，由控制模块对获取的信息进行分析和处理，确定工件4的振动情况，若位移或频率值超出给定阈值，将信息反馈给PC机，PC机发送指令到控制器，由控制器分别送发指令给执行模块(包括升降机构1、水平移动机构2和装夹机构3)。
[0051]I)执行模块的工作过程
[0052]执行模块可根据控制器发送来的指令，实现以下动作:
[0053]①升降机构I的步进电机1-1通过竖直丝杠1-7带动升降台1-5沿竖直导轨1_8做垂直于工作台平面的运动，水平移动机构2被固定在升降台1-5上，因此可以随升降台1-5同步运动。②水平移动机构2的伺服电机2-3通过水平丝杆2-1驱动滑板3-7，进而带动装夹机构3沿水平导轨2-5做平行于工作台平面运动。③装夹机构3的活塞杆3-4在液压油的作用下可以做伸缩运动，实现夹具夹紧力的变化。通过步骤①和②可以实现夹紧触点3-6在工件4表面的运动，步骤③则实现了对夹紧力的调节。
[0054]2)夹紧触点3-6的移动
[0055]夹紧触点3-6的移动是通过执行机构的运动来实现的。由PC机对检测到的振动位移信号分析处理，并发出控制指令到控制器，继而驱动执行机构动作。当振动位移超出公差范围时，执行机构有两种运动方式，当切削力作用下的振动位移最大值点仍为夹紧触点
3-6位置时，仅加大夹紧力即可减少工件4振动；当切削力作用下的振动位移最大值点发生改变时，由PC机向加工机床发送停机信号，待机床停机后，根据PC机的指令对夹紧位置做出相应调整。当调整过程完成时，PC机根据反馈回来的位移传感器信号和夹紧力信号向机床发出指令，使加工过程继续进行。如此循环直至加工完成。
[0056]本发明的核心在于增设了信息采集模块和控制模块，并将夹具总成5改装成为具有三个自由度的装置以动态调节夹具作用点的位置和作用力的大小，从而能够根据走刀位置所检测到的工件4振动信息，主动调整夹紧力的大小和夹紧力作用的位置，在减小工件4的整体变形的同时，很好地抑制工件4的加工振动，提高工件4的铣削稳定性，提高工件4动态可加工性，最终实现工件4的加工表面质量的提高，因此，在本发明原理的基础上，实现自主对弱刚性工件4夹紧力的大小和夹紧力作用位置的任何的改变或变形，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种弱刚性工件柔性夹具装置，由多个夹具总成(5)共同构成，其特征在于:所述每个夹具总成(5)由执行模块、信息采集模块和控制模块组成，所述执行模块包括装夹机构(3)以及驱动所述装夹机构(3)升降和平移的升降机构(I)和水平移动机构(2)，所述升降机构包括升降台(1-5)，所述水平移动机构(2)固定安装在升降台(1-5)上，所述装夹机构(3 )固定安装在水平移动机构(2 )上；所述信息采集模块包括安装在装夹机构(3 )上用于获取工件(4)在切削力作用下产生的振动位移和工件振动频率的振动位移传感器(3-12)、分别安装在升降机构(I)和水平移动机构(2)上用于获取加工过程中装夹机构(3)位置信息的竖直位移传感器(1-3 )和水平位移传感器(2-7 )，以及安装在装夹机构(3 )上的压力传感器(3-5);所述控制模块包括与各传感器相连的信息采集卡和用于处理信息采集模块信息的PC机和控制各机构运行的控制器。
2.根据权利要求1所述的弱刚性工件柔性夹具装置，其特征在于:所述升降机构(I)包括对称布置的一对支座(1-4)，在每一支座(1-4)顶部设置有步进电机(1-1 )，在支座(1-4)中部设有竖直导轨(1-8)，所述升降台(1-5)两端嵌置在竖直导轨(1-8)内，所述步进电机(1-1)的输出端连接有竖直丝杠(1-7)，所述竖直丝杠(1-7)穿过升降台(1-5)并与之螺纹配合。
3.根据权利要求2所述的弱刚性工件柔性夹具装置，其特征在于:所述步进电机(1-1)通过电机支架(1-2)与支座(1-4)固定。
4.根据权利要求2所述的弱刚性工件柔性夹具装置，其特征在于:所述竖直位移传感器(1-3)安装在支座(1-4)上部。
5.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的弱刚性工件柔性夹具装置，其特征在于:所述支座(1_4)与竖直导轨(1-8)之间设有肋板(1-6)。
6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的弱刚性工件柔性夹具装置，其特征在于:所述水平移动机构(2)包括固定安装在升降台(1-5)上的水平导轨(2-5)，水平导轨(2-5)两端通过轴承(2-4)支设有两根水平丝杠(2-1)，每一水平丝杠(2-1)分别通过联轴器(2-2 )与伺服电机(2-3 )的输出端相连；所述装夹机构(3 )包括滑板(3-7 )，滑板(3-7 )的底部设有丝杠孔(3-8 )，所述滑板(3-7 )嵌置在水平导轨(2-5 )内，且水平丝杠(2-1)穿过丝杠孔(3-8)并与丝杠孔(3-8)螺纹配合。
7.根据权利要求6所述的弱刚性工件柔性夹具装置，其特征在于:所述水平位移传感器(2-7)安装在轴承(2-4)内侧、两根水平丝杠(2-1)之间。
8.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的弱刚性工件柔性夹具装置，其特征在于:所述装夹机构(3)为一个液压夹紧机构，包括液压油缸(3-1)，液压油缸(3-1)顶部设置有液压油管(3-2)，液压油缸(3-1)包括活塞缸(3-3)和活塞杆(3-4)，所述活塞杆(3-4)前端设置有夹紧触点(3-6)。
9.根据权利要求8所述的弱刚性工件柔性夹具装置，其特征在于:所述压力传感器(3-5)设置于活塞杆(3-4)与夹紧触点(3-6)之间，所述振动位移传感器(3-12)安装在活塞缸(3-3)上。
10.根据权利要求9所述的弱刚性工件柔性夹具装置，其特征在于:所述活塞缸(3-3)外壁固定设置有外槽(3-9)，外槽(3-9)内嵌置有内槽(3-11)，所述振动位移传感器(3-12)位于内槽(3-11)内，所述外槽(3-9)与内槽(3-11)可相对滑动并通过定位螺栓(3-10)相对固定。
【文档编号】B23Q1/26GK103481094SQ201310438137
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】万小金, 栾开广 申请人:武汉理工大学