一种薄壁件加工用柔性支撑装置及自适应支撑方法

1.本发明涉及机械工程技术领域，特别是涉及一种薄壁件加工用柔性支撑装置及自适应支撑方法。


背景技术：

2.现代航空航天领域，大型整体薄壁件因其出色的性能被广泛应用于航空航天产品的关键零部件中。但是，大型整体薄壁件轮廓尺寸大、壁薄、刚性差等特点使其在切削加工中极易产生轮廓变形和切削颤振等问题，从而严重影响零件的加工质量。
3.在航空航天结构件的加工过程中，通常采用柔性工装通过优化装夹布局、增加支撑刚度等手段控制零件的加工变形和切削颤振，但柔性工装搭载大型整体薄壁件切削加工时容易出现支撑刚度不足的情况，从而导致超出容许量的变形和颤振。面对柔性工装支撑刚度不足引起的轮廓变形，只能通过后期的人工校形进行调整消除，但人工校形不易控制、准确性差、工作强度大，且极易进一步影响零件的加工质量；而面对柔性工装支撑刚度不足引起的切削颤振，只能通过增加辅助支撑进行抑制，但工装自身无法获取零件的振幅以确定辅助支撑力，从而无法有效抑振。
4.基于上述问题，本发明为大型整体薄壁件切削加工的柔性工装提供一种薄壁件加工用柔性支撑装置及自适应支撑方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种薄壁件加工用柔性支撑装置及自适应支撑方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高零件的加工质量。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种薄壁件加工用柔性支撑装置，包括：位移输出单元和在线测量与协同控制单元；
8.所述位移输出单元包括驱动器、位移放大机构和触头；所述驱动器的位移输出端与所述位移放大机构的位移输入端连接，所述位移放大机构的位移输出端和所述触头连接，所述触头用于支撑于待加工零件的待支撑部上；
9.所述在线测量与协同控制单元用于实时监测所述位移放大机构上的第一传力部位处因支撑反力引起的变形，以及用于实时监测所述零件上的所述待支撑部的颤振信号；所述在线测量与协同控制单元与所述驱动器通信连接，所述在线测量与协同控制单元根据所述第一传力部位处的变形信号和所述待支撑部的颤振信号来控制所述驱动器工作，所述驱动器采用压电陶瓷叠堆；
10.所述在线测量与协同控制单元还用于测算所述待支撑部的变形补偿支撑量，并根据所述变形补偿支撑量来控制所述驱动器输出位移直至所述待支撑部恢复至原状；所述在线测量与协同控制单元还能够根据所述待支撑部的颤振信号来控制所述驱动器逐渐输出位移直至所述待支撑部的振幅小于容许振动量。
11.优选的，还包括壳体，所述驱动器、所述位移放大机构和所述在线测量与协同控制单元均设置于所述壳体内，所述触头位于所述壳体外，所述壳体用于固定设置于柔性工装上。
12.优选的，所述位移放大机构包括第一连杆、第一推杆、第二连杆和第二推杆，所述驱动器所产生的位移依次经过所述第一连杆、所述第一推杆、所述第二连杆和所述第二推杆后传递至所述触头上；
13.所述第一连杆和所述第二连杆均铰接连接于所述壳体上并形成位移放大杠杆结构，所述驱动器所产生的位移作用于所述第一连杆上后经过放大传递至所述第一推杆上，所述第一推杆将经过一次放大后的位移传递至所述第二连杆，所述第二连杆对位移进行二次放大后传递至所述第二推杆上。
14.优选的，所述在线测量与协同控制单元包括电阻式应变片、压电陶瓷片和信息收集与处理系统；
15.所述压电陶瓷片粘贴于所述壳体内的上壁上，所述位移输出单元还包括第三推杆，所述第三推杆沿着自身长度方向能够滑动地设置于所述壳体上，所述第三推杆的一端铰接连接有一滑块，所述滑块沿着所述第二连杆的长度方向能够滑动地连接于所述第二连杆上，所述第三推杆的另一端向所述壳体的上壁延伸并与所述压电陶瓷片接触，所述压电陶瓷片用于监测所述第二连杆的颤振信号并将所述颤振信号传输至所述信息收集与处理系统中；
16.所述第二连杆的一端设置于所述壳体上形成支点，另一端为自由端，所述第二连杆靠近所述自由端的部位为所述第一传力部位，所述电阻式应变片用于监测所述第一传力部位因支撑反力而产生的变形并以电阻信号的形式传输至所述信息收集与处理系统中，所述电阻式应变片粘接于所述第一传力部位上。优选的，所述位移输出单元还包括阻尼块，所述阻尼块固定设置于所述壳体内且抵于所述第一连杆上，所述驱动器、所述阻尼块和所述第一推杆均位于所述第一连杆的同一侧，所述阻尼块采用聚氨酯材料制造而成。
17.优选的，包括两种触头，两种所述触头分别为点触头和线触头，所述点触头用于和零件产生点接触，所述线触头用于和零件产生线接触。
18.优选的，所述位移输出单元还包括顶杆，所述顶杆的一端与所述第二推杆的一端连接，另一端能够可拆卸地连接所述触头，所述顶杆用于连接所述触头的一端设置有一容置槽，所述容置槽内固定设置有磁铁，所述触头为金属材质，所述触头在所述磁铁的吸附作用下安装于所述顶杆上。
19.优选的，所述顶杆的一端位于所述壳体内，另一端穿过所述壳体的上壁伸出于所述壳体，所述顶杆位于所述壳体内的部分外壁上固定设置有一限位环，所述限位环和所述壳体上壁之间的所述顶杆上套设有一复位弹簧，所述复位弹簧的两端始终抵于所述上壁和所述限位环上。
20.本发明还提供了一种利用如上所述的薄壁件加工用柔性支撑装置对薄壁件进行自适应支撑的方法，所述在线测量与协同控制单元内的信息收集与处理系统包括信号转换模块、支撑量计算模块、振动监测模块和功能分析与控制模块；包括：
21.步骤一、支撑点调零，外部控制系统经薄壁件加工用柔性支撑装置上的通讯接口向所述在线测量与协同控制单元发出工作指令，所述在线测量与协同控制单元控制所述驱
动器对处于“绝对零点”状态的所述触头逐渐输出位移，直至接触到零件，所述触头达到“相对零点”状态，此时，所述在线测量与协同控制单元监测到所述第一传力部位因支撑反力而产生的变形并以电阻信号的形式传输至所述在线测量与协同控制单元内的功能分析与控制模块，从而控制所述驱动器稳定支撑状态以及输出状态信号；
22.步骤二、支撑量计算，所述在线测量与协同控制单元将施加于所述位移输出单元的电压信号经所述在线测量与协同控制单元内的信号转换模块转换为位移信号，并通过所述在线测量与协同控制单元内的支撑量计算模块计算得到调零距离，所述支撑量计算模块再根据所述调零距离和零件与触头间的初始相对距离计算出零件的待支撑部所需的支撑量，并计算得到所述压电陶瓷叠堆的实际位移输出量；
23.步骤三、变形补偿支撑，所述压电陶瓷叠堆的实际位移输出量经所述信号转换模块转换为电压信号并传输至所述位移输出单元，从而控制所述位移输出单元输出定量位移对零件的变形部位进行补偿支撑，支撑完成后，所述功能分析与控制模块稳定支撑状态并经通讯接口向外部系统发出“补偿支撑完成”状态信号。
24.优选的，还包括步骤四、振动监测与辅助支撑，所述在线测量与协同控制单元将监测到的颤振信号转换为电荷信号并传输至所述在线测量与协同控制单元中的振动监测模块，经所述振动监测模块中电荷放大器放大后传递至所述功能分析与控制模块进行振幅对比，若振幅达到容许振动量，则所述功能分析与控制模块对所述压电陶瓷叠堆继续增加电压，从而控制所述位移输出单元提高支撑力对零件进行辅助支撑以抑制其切削颤振。
25.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
26.本发明提供的薄壁件加工用柔性支撑装置及自适应支撑方法以压电陶瓷叠堆为驱动器，采用位移放大机构将压电陶瓷叠堆所输出的位移进行放大，实现了高精度、高响应速度和大负载的位移输出；且通过在线测量与协同控制单元监测第一传力部位处因支撑反力引起的变形以及零件的待支撑部的振动监测，在线测量与协同控制单元还用于测算待支撑部的变形补偿支撑量，并根据所述变形补偿支撑量来控制驱动器输出位移直至待支撑部恢复至原状；在线测量与协同控制单元根据待支撑部的颤振信号来控制驱动器逐渐输出位移直至待支撑部的振幅小于容许振动量，进而实现了大型整体薄壁件补偿支撑和辅助支撑的自适应精确控制，易于与柔性工装和数控机床相配合实现航空航天结构件的高效、高质量自动化加工，从而有效提高大型整体薄壁件的加工质量。
附图说明
27.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为实施例一提供的柔性支撑装置总体结构图；
29.图2为实施例一提供的位移输出单元结构示意图；
30.图3为实施例一提供的柔性支撑装置外形示意图；
31.图4为实施例一提供的在线测量与协同控制单元示意图；
32.图5为实施例二提供的自适应支撑方法流程图。
33.其中，1、壳体；101、基座；102、侧盖；103、第一移动轴瓦盖；104、第二移动轴瓦盖；2、位移输出单元；201、压电陶瓷叠堆；202、第一连杆；203、第一旋转轴瓦；204、阻尼块；205、第一推杆；206、第一移动轴瓦；207、第二连杆；208、第二旋转轴瓦；209、第二推杆；210、第二移动轴瓦；211、顶杆；212、复位弹簧；213、触头；214、滑块；215、第三推杆；3、在线测量与协同控制单元；301、电阻式应变片；302、压电陶瓷片；303、信息收集与处理系统；3031、信号转换模块；3032、振动监测模块；3033、支撑量计算模块；3034、功能分析与控制模块；304、通讯接口。
具体实施方式
34.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。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。
35.本发明的目的是提供一种薄壁件加工用柔性支撑装置，以解决现有技术存在的问题，提高零件的加工质量。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.实施例一
38.本实施例提供一种薄壁件加工用柔性支撑装置，辅助柔性工装对大型整体薄壁件的轮廓变形进行补偿支撑，对切削颤振进行辅助支撑，从而有效提高大型整体薄壁件的加工质量，如图1～图4所示，包括：位移输出单元2和在线测量与协同控制单元3；
39.位移输出单元2包括驱动器、位移放大机构和触头213；驱动器采用压电陶瓷叠堆201，压电陶瓷叠堆201是通过对其施加电压使其产生位移，从而对零件进行支撑，其输出位移量由输入电压量所决定；驱动器的位移输出端与位移放大机构的位移输入端连接，位移放大机构用于将压电陶瓷叠堆201的输出位移放大后施加到触头213上，压电陶瓷叠堆201可实现105μm的高分辨率、高响应速度和大负载的位移输出；位移放大机构的位移输出端和触头213连接，触头213用于支撑于待加工零件的待支撑部上；
40.在线测量与协同控制单元3用于实时监测零件上的待支撑部的颤振信号，以及用于实时监测位移放大机构上的第一传力部位处因支撑反力引起的变形；在线测量与协同控制单元3与驱动器通信连接，在线测量与协同控制单元3根据第一传力部位处的变形信号和待支撑部的颤振信号来控制驱动器工作，在线测量与协同控制单元3还用于测算待支撑部的变形补偿支撑量，并根据所述变形补偿支撑量来控制驱动器输出位移直至待支撑部恢复至原状；在线测量与协同控制单元3根据待支撑部的颤振信号来控制驱动器逐渐输出位移直至待支撑部的振幅小于容许振动量。
41.采用本实施例提供的薄壁件加工用柔性支撑装置对待加工零件进行支撑时，可在零件上选取多个待支撑部，并分别采用多个薄壁件加工用柔性支撑装置来对待支撑部一一进行支撑，本实施例提供的薄壁件加工用柔性支撑装置以压电陶瓷叠堆201为驱动器，采用位移放大机构将压电陶瓷叠堆201所输出的位移进行放大，实现了高精度、高响应速度和大负载的位移输出；且通过在线测量与协同控制单元3监测第一传力部位处因支撑反力引起
的变形以及零件的待支撑部的振动监测，进而实现了大型整体薄壁件补偿支撑和辅助支撑的自适应精确控制，易于与柔性工装和数控机床相配合实现航空航天结构件的高效、高质量自动化加工，从而有效提高大型整体薄壁件的加工质量。
42.进一步的，还包括壳体1，壳体1为矩形盒类结构，外部设置有矩形法兰，内部设置有多个用于安装各组件的安装部，驱动器、位移放大机构和在线测量与协同控制单元3均设置于壳体1内，触头213位于壳体1外，壳体1通过矩形法兰固定设置于柔性工装上。
43.进一步的，壳体1包括基座101和侧盖102，基座101上形成一侧敞口的腔体，侧盖102盖设于腔体的侧开口上，基座101和侧盖102通过螺钉连接于一体。
44.进一步的，位移放大机构包括第一连杆202、第一推杆205、第二连杆207和第二推杆209，驱动器所产生的位移依次经过第一连杆202、第一推杆205、第二连杆207和第二推杆209后传递至触头213上；
45.第一连杆202和第二连杆207均铰接连接于壳体1上并形成位移放大杠杆结构，驱动器所产生的位移作用于第一连杆202上后经过放大传递至第一推杆205上，第一推杆205将经过一次放大后的位移传递至第二连杆207，第二连杆207对位移进行二次放大后传递至第二推杆209上，压电陶瓷叠堆201端部粘接一个条状圆弧端帽，用于与第一连杆202构成线接触，以引导负载力沿叠堆长度方向分布，从而保证叠堆的安全负载。
46.进一步的，壳体1内还设置有第一移动轴瓦盖103和第二移动轴瓦盖104，基座101内部设置有驱动器安装槽、第一铰接座、第二铰接座、第一移动轴瓦座、第二移动轴瓦座、阻尼块安装条和第三推杆滑道，第一移动轴瓦盖103、第二移动轴瓦盖104分别与基座101内部的第一移动轴瓦座和第二移动轴瓦座相匹配，并通过螺钉连接于一体，位移放大机构还包括第一旋转轴瓦203、第一移动轴瓦206、第二旋转轴瓦208、第二移动轴瓦210，第一连杆202通过第一旋转轴瓦203、第一铰接座在壳体1内形成铰接结构，并形成杠杆；第二连杆207的端部通过第二旋转轴瓦208、第二铰接座在壳体1内形成铰接结构；第一推杆205通过第一移动轴瓦座和第一移动轴瓦206形成滑动结构，第二推杆209通过第二移动轴瓦座和第二移动轴瓦210也形成滑动结构。
47.进一步的，在线测量与协同控制单元3包括电阻式应变片301、压电陶瓷片302和信息收集与处理系统303；
48.压电陶瓷片302粘贴于壳体1内的上壁上，位移输出单元2还包括第三推杆215，第三推杆215沿着自身长度方向能够滑动地设置于壳体1上，第三推杆215的一端铰接连接有一滑块214，滑块214沿着第二连杆207的长度方向能够滑动地连接于第二连杆207上，第三推杆215的另一端向壳体1的上壁延伸并与压电陶瓷片302接触，压电陶瓷片302用于监测第二连杆207的颤振信号并将颤振信号传输至信息收集与处理系统303中；第三推杆215通过设置于基座101上的第三推杆滑道滑动设置于壳体1内；本装置所监测的振幅范围优选为0～2mm，零件颤振经触头213、第二推杆209、第二连杆207和第三推杆215传递至压电陶瓷片302并被感知，是由外向内的反向传输；
49.第二连杆207的一端设置于壳体1上形成支点，另一端为自由端，第二连杆207靠近自由端的部位为第一传力部位，电阻式应变片301用于监测第一传力部位因支撑反力而产生的变形并以电阻信号的形式传输至信息收集与处理系统303中。
50.进一步的，位移输出单元2还包括阻尼块204，阻尼块204固定设置于壳体1内且抵
于第一连杆202上，驱动器、阻尼块204和第一推杆205均位于第一连杆202的同一侧，阻尼块204采用聚氨酯材料制造而成，阻尼块204与第二连杆207接触的端面为圆弧形端面，用于吸收刀具-机床系统产生的切削颤振以免切削颤振过大对位移输出单元组件造成损坏，最主要的是防止驱动器遭到损坏。
51.进一步的，包括两种触头213，两种触头213分别为点触头和线触头，点触头用于和零件产生点接触，线触头用于和零件产生线接触，线触头和点触头分别用于对单一曲率零件和复杂曲率零件的支撑。
52.进一步的，位移输出单元2还包括顶杆211，顶杆211的一端与第二推杆209的一端连接，另一端能够可拆卸地连接触头213，顶杆211用于连接触头213的一端设置有一容置槽，容置槽内固定设置有磁铁，且固定方式为粘接，触头213为金属材质，触头213在磁铁的吸附作用下安装于顶杆211上，便于触头213的快速安装，在此实施例中，零件颤振经触头213、顶杆211、第二推杆209、第二连杆207和第三推杆215传递至压电陶瓷片302并被感知。
53.进一步的，顶杆211的一端位于壳体1内，另一端穿过壳体1的上壁伸出于壳体1，顶杆211位于壳体1内的部分外壁上固定设置有一限位环，限位环和壳体1上壁之间的顶杆211上套设有一复位弹簧212，复位弹簧212的两端始终抵于上壁和限位环上，复位弹簧212用于在卸载驱动力后对位移放大机构中的各组件进行复位，以便于进行下一次动作。
54.需要说明的是，本实施例提供的薄壁件加工用柔性支撑装置用于对零件易发生变形且已经发生变形的部位进行支撑。
55.实施例二
56.本实施例提供了一种利用实施例一的薄壁件加工用柔性支撑装置对薄壁件进行自适应支撑的方法，如图5所示，包括：
57.步骤一、支撑点调零，外部控制系统经薄壁件加工用柔性支撑装置上的通讯接口304向在线测量与协同控制单元3发出工作指令，通讯接口304优选采用rs485通讯接口，在线测量与协同控制单元3控制驱动器对处于“绝对零点”状态的触头213逐渐输出位移，直至接触到零件，触头213达到“相对零点”状态，此时，在线测量与协同控制单元3监测到第一传力部位因支撑反力而产生的变形并以电阻信号的形式传输至在线测量与协同控制单元3内的功能分析与控制模块3034，从而控制驱动器稳定支撑状态以及输出状态信号；
58.步骤二、支撑量计算，在线测量与协同控制单元3将施加于位移输出单元2的电压信号经在线测量与协同控制单元3内的信号转换模块3031转换为位移信号，并通过在线测量与协同控制单元3内的支撑量计算模块3033计算得到调零距离，支撑量计算模块3033再根据调零距离和零件与触头213间的初始相对距离计算出零件的待支撑部所需的支撑量，并计算得到压电陶瓷叠堆201的实际位移输出量；初始相对距离为触头213与未发生变形时的零件的待支撑部之间的距离；初始相对距离为未发生变形前的零件与触头之间的距离，初始相对距离为已知数据，已预先输入至在线测量与协同控制单元3内；支撑量等于初始相对距离减去调零距离；
59.压电陶瓷叠堆201是通过对其持续输入电压而使其产生位移，因此当压电陶瓷叠堆201输出一定距离(未知)后可得到响应的电压量；支撑量计算模块为一单片机，基于电压-位移的关系式即可根据电压量计算出压电陶瓷叠堆201的位移输出量；计算模块再将压电陶瓷叠堆201的位移输出量
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位移放大机构的放大倍数(优选为20倍)即可得到调零距离
(触头的移动距离)；
60.步骤三、变形补偿支撑，压电陶瓷叠堆201的实际位移输出量经信号转换模块3031转换为电压信号并传输至位移输出单元2，从而控制位移输出单元2输出定量位移对零件的变形部位进行补偿支撑，支撑完成后，功能分析与控制模块3034稳定支撑状态并经通讯接口304向外部系统发出“补偿支撑完成”状态信号；
61.步骤四、振动监测与辅助支撑，在线测量与协同控制单元3将监测到的颤振信号转换为电荷信号并传输至在线测量与协同控制单元3中的振动监测模块3032，经振动监测模块3032中电荷放大器放大后传递至功能分析与控制模块3034进行振幅对比，若振幅达到容许振动量，则功能分析与控制模块3034对压电陶瓷叠堆201继续增加电压，从而控制位移输出单元2提高支撑力对零件进行辅助支撑以抑制其切削颤振。
62.需要说明的是变形补偿支撑和振动辅助支撑两个功能既可以组合应用，也可以单独应用。如果装置自身所监测的振动量较小，振动辅助支撑则无需工作，如果振动量达到了容许振幅量，振动辅助支撑步骤才会启动。
63.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。