一种大型法兰端面现场加工智能机床

1.本发明涉及机械加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种大型法兰端面现场加工智能机床。


背景技术：

2.随着我国重大基础设施和国防工业的发展，在航空、船舶、水电、核电、风电、海上平台，以及一些大型科学设施，如风洞、核聚变装置、散裂中子源等行业，超大构件的应用愈加广泛。这些大型工件中用于连接和密封的法兰具有尺寸大、重量大、加工精度要求高、难以移动等特点，一直是制造和加工领域中的难点和研究热点。
3.目前超大构件的加工方法大体可以分为整体加工法、分段制造法和分段加工与整体制造联合法。其中：
4.整体加工法是采用专用机床对整体制造或焊接后的大型法兰进行现场整体加工，具有加工精度高、适用性广等突出优点，是保证大型法兰加工质量的最佳选择。但是其传统的加工工艺往往是采用回转机架的结构来加工大型法兰结构件的端面,机架末端固定一台二轴机床，通过调整桁架回转中心与法兰中心重合，保持机床沿法兰圆周方向进给，对法兰进行铣削、磨削及抛光加工。该设备安装调整难度较大，自动化程度低，整体可靠性差。此外，回转臂中心轴存在的间隙会随回转臂长度的增加而放大，严重影响了加工精度。
5.分段制造法加工精度难以保证而且可靠性低。此外受焊接热变形等影响，法兰端面的平面度变差，气密性不易保证。
6.分段加工与整体制造联合法运用可移动式小型机床对大型法兰分别逐段加工，该方法非常依赖于测量精度，但是受机床尺寸的限制，加工区域有限，难以加工大型法兰上表面区域。
7.总之，随着现在各种大型设备应用，需加工的法兰直径不断增大，现有的设备及工艺在加工精度方面已经不能满足当下的加工需求。


技术实现要素：

8.根据上述提出的技术问题，本发明提供一种大型法兰端面现场加工智能机床。本发明采用的技术手段如下：
9.一种大型法兰端面现场加工智能机床，包括：底座系统、旋臂系统、准直调平系统、机器视觉测量系统以及刀具系统；其中：
10.所述旋臂系统包括旋转支臂、旋转轴、液压动力装置、液压杆、支撑轮以及连接箱；
11.所述底座系统包括调平基座和机床底座；
12.所述准直调平系统包括激光准直仪主机与准直仪标靶；
13.所述机器视觉测量系统为机器视觉传感器；
14.所述刀具系统包括铣刀和刀具箱；
15.所述调平基座通过所述旋转轴连接所述旋转支臂；所述旋转支臂从旋转中心到末
端依次连接所述激光准直仪主机、液压动力装置、连接箱、刀具箱以及准直仪标靶；所述连接箱的下部依次连接所述液压杆和支撑轮；所述刀具箱的下部连接所述铣刀，所述刀具箱的一侧面连接所述机器视觉传感器。
16.进一步地，所述大型法兰端面现场加工智能机床安装固定在加工平台上，加工平台连接法兰。
17.进一步地，所述准直调平系统用于控制液压杆的升降；所述液压杆可伸缩调整所述支撑轮的高度，当旋转支臂发生偏移，所述激光准直仪主机产生偏移信号，经上位机处理启动所述液压动力装置，调整所述液压杆高度，使所述旋转支臂水平；
18.所述激光准直仪主机安装在所述旋转支臂的旋转中心正上方，其发出的激光在旋转支臂调平状态下不产生偏移信号；
19.进一步地，所述准直调平系统连接上位机，上位机根据所述准直调平系统在加工前和加工时获取的信号数据，控制所述支撑轮的升降，具体如下：
20.在加工前，上位机控制准直调平系统跟随所述旋转支臂(1)旋转一周，并记录准直调平系统旋转一周的信号数据，所述支撑轮(7)根据信号数据提前制作升降规划；
21.在加工时，所述准直调平系统实时产生信号，上位机根据实时信号对执行升降规划的支撑轮进行实时微调。
22.进一步地，所述机器视觉传感器的视野范围为法兰已加工区域，包括线结构光激光器和工业相机；工业相机竖直放置，下端设置有相机孔；线结构光激光器与竖直方向成一定角度放置，下端设置有激光器孔。
23.进一步地，所述机器视觉传感器连接上位机，用于根据扫描结果实时分析加工过程中法兰端面的情况。
24.进一步地，所述机床底座的四个角还分别连接有四个调高脚，用于调整所述机床底座的水平度。
25.进一步地，所述机床底座的内部还设置有旋转驱动装置，用于驱动旋转轴转动，进而带动旋转支臂转动。
26.进一步地，所述旋转支臂上还设置有一段连接所述刀具箱的滑轨，用于控制所述刀具箱保持高直线度的径向移动。
27.进一步地，所述刀具箱用于精准控制所述铣刀的竖直进给和周向旋转。
28.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
29.1、本发明提供的大型法兰端面现场加工智能机床，其准直调平系统可实时直接测量旋转支臂的水平情况，上位机接收激光准直仪主机信号，经过处理再发出信号控制支撑轮的升降，使旋转支臂始终保持水平，极大的增加了机床加工范围，同时，提高了加工质量。
30.2、本发明提供的大型法兰端面现场加工智能机床，其准直调平系统在加工前进行预扫描，记录旋转支臂旋转一周的水平情况，用于后续加工中对支撑轮升降的前馈控制，保证了加工质量。
31.3、本发明提供的大型法兰端面现场加工智能机床，其机器视觉测量系统可在铣刀加工过程中对加工法兰面进行扫描，实时测量法兰平面度，提高了加工效率，并且可以对法兰表面形貌进行三维重建，使加工结果更加直观化。
32.基于上述理由本发明可在机械加工等领域广泛推广。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明大型法兰端面现场加工智能机床的结构示意图。
35.图2为本发明机器视觉传感器的内部结构示意图。
36.图中：1、旋转支臂；2、旋转轴；3、调平基座；4、机床底座；5、液压动力装置；6、液压杆；7、支撑轮；8、机器视觉传感器；9、铣刀；10、准直仪标靶；11、刀具箱；12、滑轨；13、连接箱；14、激光准直仪主机；15、调高脚；16、法兰已加工区域；17、加工平台；18、激光器孔；19、线结构光激光器；20、工业相机；21、相机孔。
具体实施方式
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
42.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、
“
在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
43.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
44.如图1所示，本发明提供了一种大型法兰端面现场加工智能机床，包括：底座系统、旋臂系统、准直调平系统、机器视觉测量系统以及刀具系统；其中：
45.所述旋臂系统包括旋转支臂1、旋转轴2、液压动力装置5、液压杆6、支撑轮7以及连接箱13；
46.所述底座系统包括调平基座3和机床底座4；
47.所述准直调平系统包括激光准直仪主机14与准直仪标靶10；
48.所述机器视觉测量系统为机器视觉传感器8；
49.所述刀具系统包括铣刀9和刀具箱11；
50.所述调平基座3通过所述旋转轴2连接所述旋转支臂1；所述旋转支臂1从旋转中心到末端依次连接所述激光准直仪主机14、液压动力装置5、连接箱13、刀具箱11以及准直仪标靶10；所述连接箱13的下部依次连接所述液压杆6和支撑轮7；所述刀具箱11的下部连接所述铣刀9，所述刀具箱11的一侧面连接所述机器视觉传感器8。
51.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述大型法兰端面现场加工智能机床安装固定在加工平台17上，加工平台17连接法兰。
52.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述准直调平系统用于控制液压杆6的升降；所述液压杆6可伸缩调整所述支撑轮7的高度，当旋转支臂1发生偏移，所述激光准直仪主机14产生偏移信号，经上位机处理启动所述液压动力装置5，调整所述液压杆6高度，使所述旋转支臂1水平。所述激光准直仪主机14安装在所述旋转支臂1的旋转中心正上方，其发出的激光在旋转支臂1调平状态下不产生偏移信号。
53.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述准直调平系统连接上位机，上位机根据所述准直调平系统在加工前和加工时获取的信号数据，控制所述支撑轮的升降，具体如下：
54.在加工前，上位机控制准直调平系统跟随所述旋转支臂1旋转一周，并记录准直调平系统旋转一周的信号数据，所述支撑轮7根据信号数据提前制作升降规划，提高加工质量。
55.在加工时，所述准直调平系统实时产生信号，上位机根据实时信号对执行升降规划的支撑轮7进行实时微调，进一步提高加工质量。
56.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图2所示，所述机器视觉传感器8的视野范围为法兰已加工区域16，包括线结构光激光器19和工业相机20；工业相机20竖直放置，
下端设置有相机孔21；线结构光激光器19与竖直方向成一定角度放置，下端设置有激光器孔18。在本实施例中，线结构光激光器19与竖直方向成30
°
角，工业相机为高像素、高帧数黑白面阵工业相机，线结构光激光器的波长为650nm。当铣刀9加工完成整个法兰，机器视觉传感器也完成对整个法兰的扫描，由扫描出的点云计算出平面度和三维重建出整个法兰面，直观的表达法兰加工结果。
57.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述机器视觉传感器8连接上位机，用于根据扫描结果实时分析加工过程中法兰端面的情况。
58.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，参见图1，所述机床底座4的四个角还分别连接有四个调高脚15，用于调整所述机床底座4的水平度。在本实施例中，四个调高脚15可单独调整高度，机床底座4调平后锁紧固定住机床底座4。同时，所述机床底座4的内部还设置有旋转驱动装置，用于驱动旋转轴2转动，进而带动旋转支臂1转动。
59.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，参见图1，所述旋转支臂1上还设置有一段连接所述刀具箱11的滑轨12，用于控制所述刀具箱11保持高直线度的径向移动。所述刀具箱11用于精准控制所述铣刀9的竖直进给和周向旋转。
60.本发明大型法兰端面现场加工智能机床的工作原理如下：
61.加工前将加工平台17与法兰连接，且加工平台需要可以承受机床的重量并且不变形。将调平基座3安装在加工平台17的中心，并且固定牢固。将机床安装在调平基座3上，机床底座4与调平基座3连接，通过调高脚15和水平仪将机床调平。将铣刀9安装在刀具箱11上，并且调整好铣刀9的初始加工位置。准直调平系统开始工作，旋转支臂1缓慢预旋转一周，调整支撑轮7高度，使激光准直仪主机14的激光射在准直仪标靶10的正中心。准直调平系统记录好一周的信号，用于正式加工中对支撑轮7升降的控制，提高其实时性。铣刀9开始转动，并调整好竖直进给量。机器视觉传感器8开始工作。旋转支臂1开始转动，铣刀9随着旋转支臂的转动加工整个法兰表面，机器视觉传感器8扫描被加工过的法兰表面，实时显示加工情况。铣刀9加工完一圈法兰表面时，刀具箱11径向进给，使铣刀9加工未加工过的法兰表面。重复此循环直到加工完成整个法兰表面，此时机器视觉传感器8也完成对整个法兰表面的扫描工作，得到法兰平面度与三维重建模型。
62.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。