CN102019571A - 复杂曲面自适应磨抛加工机床 - Google Patents

Abstract

复杂曲面自适应磨抛加工机床属机械制造技术领域，本发明中左立柱和右立柱下端与底座固接，左立柱经左立柱丝杠和左立柱滑动导轨与横梁左端连接，右立柱经右立柱丝杠和右立柱滑动导轨与横梁右端连接，横梁中部与工具板固接，下溜板经下溜板丝杠、下溜板前导轨和下溜板后导轨与底座连接，上溜板经上溜板丝杠、上溜板左导轨和上溜板右导轨与下溜板连接；旋转工作台与上溜板固接；本发明以分片四边区域为磨抛接触面来磨抛加工复杂曲面零件，磨抛加工效率高，自适应能力强，且能保持复杂曲面的尖锐形状特征；基于多点成形技术构建的新型磨抛工具系统，接触工具头的外形可根据理想被加工面片的形状实时调控，可减少机床设计自由度，增强机床柔韧性。

Description

复杂曲面自适应磨抛加工机床

技术领域

本发明属于机械制造技术领域。

背景技术

复杂曲面研究对于航空航天、军工和一般民用工业都具有重要意义。发动机叶片、气轮机叶片、涡轮叶片、汽车覆盖件模具、光学透镜和其它具有复杂几何形状的零件都必须经过磨削和抛光加工才能达到外观和功能上的要求。

目前复杂曲面的加工方法主要有刚性工具磨抛和柔性工具磨抛两种。刚性工具(如砂轮、磨头、砂瓦等)磨抛方法国内外多采用点、线、面逼近的路径规划方法来实现对复杂曲面的加工；采用超高速、强力磨抛手段提高磨抛效率；采用工具修形、恒定磨抛力控制等方法提高磨抛精度；提高磨抛加工智能化自动化方面，国内外主要采用引入智能化、自动化新产品和技术到磨抛加工中，如将机器人、网络控制、模糊控制等引入磨抛加工。柔性工具(如抛光轮、气囊、砂带等)磨抛研究方面，主要有抛光轮磨抛加工方法、气囊磨抛加工方法和砂带磨抛加工方法。柔性磨抛工具由于弹性变形，被动适应工件表面，所以想要磨抛获得理想的复杂曲面模型，只能沿着一定预先规划好的加工路径微量去除逼近设计模型。

综上所述，刚性抛磨须经过点、线、面逼近且需要分散式的磨削、研磨、抛光等多次加工的传统模式完成对复杂曲面的加工，加工效率较低；柔性磨抛方法只是被动地适应工件表面，所以想要磨抛获得理想的复杂曲面模型，只能沿一定预先规划好的加工路径微量去除逼近设计模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有自适应能力的复杂曲面磨抛加工机床，以提高复杂曲面的磨抛效率和磨抛精度，降低机床设计的复杂程度。

下面结合附图对本发明作详细描述：

本发明由底座1、下溜板2、上溜板3、旋转工作台4、横梁8、右立柱9、左立柱10和工具系统组成，其中左立柱10和右立柱9的下端与底座1固接；左立柱10经左立柱10的左立柱丝杠37和左立柱滑动导轨36与横梁8左端连接，右立柱9经右立柱9的右立柱丝杠33和右立柱滑动导轨32与横梁8右端连接；横梁8中部与工具系统的工具板11固接；设有上溜板电机25的下溜板2经下溜板丝杠20、下溜板前导轨23和下溜板后导轨21与设有下溜板电机22的底座1连接；上溜板3经上溜板丝杠27、上溜板左导轨26和上溜板右导轨24与下溜板2连接；设有夹紧定位块5的旋转工作台4与上溜板3固接。

旋转工作台4上可固接翻转夹具18。

工具系统由工具头、驱动电机7、工具板11、驱动轮12、左张紧轮13、右张紧轮14和砂带15组成，其中左张紧轮13和右张紧轮14分别置于与工具板11固接的左张紧轮轴和右张紧轮轴上，且滚动配合；驱动轮12固接于与工具板11滚动连接的驱动轮轴的前端，驱动电机7固接于驱动轮轴的后端；工具头的单元体调控器16固接于工具板11底端；砂带15内侧由左张紧轮13、驱动轮12、右张紧轮14和工具头的单元体17底部支撑；工具板11上部与横梁8固接。

工具头由矩阵形分布的单元体17和单元体调控器16组成，其中单元体17的单元体支撑板51与单元体调控器16的调形支撑架39固接。

单元体调控器16由调形支撑架39、横向调形电机41、横向调形滑动导轨42、横向调形丝杠43、调形电机44和调形头45、纵向调形右滑动导轨40、纵向调形左滑动导轨46、纵向调形丝杠47和纵向调形电机48组成，其中纵向调形左滑动导轨46和纵向调形丝杠47固接于调形支撑架39上平面左侧；纵向调形右滑动导轨40固接于调形支撑架39上平面右侧；横向调形电机41固接于横向调形丝杠43的前端；纵向调形电机48固接于纵向调形丝杠47的右端；横向调形滑动导轨42和横向调形丝杠43的左端滑动连接在纵向调形左滑动导轨46、纵向调形丝杠47上；横向调形滑动导轨42和横向调形丝杠43的右端滑动连接在纵向调形右滑动导轨40上；调形头45固接于调形电机44的输出轴上构成调形工具系统，调形工具系统通过滑动副连接到横向调形滑动导轨42和横向调形丝杠43上。

单元体17由定位螺帽52、双头螺柱50、单元接触头49、紧固螺钉53和滚珠54组成，其中滚珠54镶嵌于单元接触头49上；双头螺柱50一端经螺纹副与单元接触头49连接，双头螺柱50另一端经定位螺帽52与单元体支撑板51连接，定位螺帽52经螺纹副与双头螺柱50连接，并由紧固螺钉53紧固；单元体支撑板51与单元体调控器16的调形支撑架39固接。

本发明中由底座1、左立柱10和右立柱9固定连接构成固定台，

下溜板2连接到底座1上，通过下溜板电机22、下溜板丝杠20、下溜板前导轨23、下溜板后导轨21带动下溜板2沿底座1做横向运动。

上溜板3连接到下溜板2上，通过上溜板电机25、上溜板丝杠27、上溜板左导轨26和上溜板右导轨24沿下溜板2做纵向运动。

旋转工作台4安装在上溜板3上，旋转工作台4由旋转电机28、传动箱30和旋转夹紧台29三部分组成。旋转工作台4通过绕其轴心线的旋转，带动工件6做回转运动；旋转工作台4可随上溜板3和下溜板2在水平面内的纵、横两个方向移动做二维运动。此外，旋转夹紧台29在旋转电机28和传动箱30内传动机构的共同作用下做绕其轴心线的旋转运动。

夹紧定位块5，通过梯形螺纹固定连接在旋转夹紧台29上，夹紧被加工工件6，确定工件6在水平面内的位置，限制工件6的移动和转动。

被加工工件6，利用夹紧定位块5夹紧并定位工件6到旋转夹紧台29上。工件6在加工之前已与理想模型做了对比分析、特征识别、四边区域划分，工件6在本机床上加工时采用了分片自适应磨抛的加工方法。

横梁8，左端通过左立柱丝杠37和左立柱滑动导轨36连接到左立柱10上，右端通过右立柱丝杠33和右立柱滑动导轨32连接到右立柱9上，在左立柱电机38和右立柱电机34的带动下做Z轴上下移动。

左立柱丝杠37和左立柱滑动导轨36固接于左立柱导轨座35上；右立柱丝杠33和右立柱滑动导轨32固接于右立柱导轨座31上。

工具系统通过工具板11固定连接到横梁8上，并可随横梁8的上下移动做Z方向的退刀或进给运动。工具系统由驱动电机7带动驱动轮12做旋转运动，驱动轮12带动砂带15并在左张紧轮13、右张紧轮14和工具头支承作用下做旋转运动，当工具系统随横梁8向下运动靠近工件表面时即可进行磨抛作业。

由单元体调控器16和呈矩阵分布的多个单元体17组成的工具头，固定连接在工具板11的底端，单元体17在单元体调控器16的调控下，可构建理想设计型面的形状。

单元体调控器16由纵向调形系统、横向调形系统和调形工具系统三部分组成。由纵向调形左滑动导轨46、纵向调形右滑动导轨40、纵向调形丝杠47和纵向调形电机48构成纵向调形系统，在纵向调形电机48的作用下，纵向调形系统提供纵向运动；由横向调形滑动导轨42、横向调形丝杠43和横向调形电机41构成横向调形系统，在横向调形电机41的作用下横向调形系统提供横向运动；调形电机44和调形头45构成调形工具系统。纵向调形左滑动导轨46和纵向调形丝杠47固定连接在调形支撑架39上平面左侧靠边位置，纵向调形右滑动导轨40固定连接在调形支撑架39上平面右侧靠边位置。横向调形滑动导轨42和横向调形丝杠43的两端分别滑动连接在纵向调形左滑动导轨46、纵向调形右滑动导轨40和纵向调形丝杠47上，调形头45固定在调形电机44的输出轴上构成调形工具系统，调形工具系统通过滑动副连接到横向调形滑动导轨42和横向调形丝杠43上。

单元体17中，通过先加热单元接触头49、冷却滚珠54，再压装，把滚珠54镶嵌于单元接触头49上，单元接触头49和双头螺柱50的一端通过螺纹副连接，定位螺帽52和双头螺柱50的另一端通过螺纹副连接在单元体支撑板51上，紧固螺钉53固定连接定位螺帽52和双头螺柱50。单元体17和单元体支撑板51在单元体17轴向是过渡配合，在单元体17径向是间隙配合，单元体17在调形工具系统的作用下做回转运动，从而调整单元接触头49的轴向位置。

本发明提供的复杂曲面自适应磨抛加工机床可以提供三维移动和一个转动；采用砂带和多点成形接触头构建磨抛工具系统，通过调整接触头的形状来确定磨抛加工接触面的形状，使磨抛加工实现以接触面为磨抛作业面的加工过程，提高了磨抛加工的效率；同时，通过换用不同磨抛精度的砂带，使工件一次装夹定位而完成从磨削、研磨、抛光的整个加工过程得以实现，降低了重复定位误差、提高了加工精度和加工效率。

本发明的优点在于：

1.可以分片四边区域为磨抛接触面来磨抛加工复杂曲面零件，和点、线接触的磨抛加工方式相比，本发明的加工效率更高，对被加工零件的自适应能力更强。

2.基于多点成形技术构建的新型磨抛工具系统，接触工具头的外形可根据理想被加工面片的形状实时调控，可减少机床设计的自由度，增强机床的柔韧性。

3.以分片磨抛的方式加工处理复杂曲面，可提高磨抛加工的效率，能保持复杂曲面的尖锐形状特征。

附图说明

图1为复杂曲面自适应磨抛加工机床的总体结构示意图

图2为带翻转夹具的复杂曲面自适应磨抛加工机床总体结构示意图

图3为底座的结构示意图

图4为下溜板的结构示意图

图5为旋转工作台的结构示意图

图6为右立柱的结构示意图

图7为左立柱的结构示意图

图8为工具头的结构示意图

图9为单元体的结构示意图

图10为单元体的结构剖视图

图11为定位螺帽俯视图

图12为调形路线图

其中：1.底座  2.下溜板  3.上溜板  4.旋转工作台  5.夹紧定位块  6.工件  7.驱动电机  8.横梁  9.右立柱  10.左立柱  11.工具板  12.驱动轮  13.左张紧轮  14.右张紧轮  15.砂带  16.单元体调控器  17.单元体  18.翻转夹具  19.复杂工件  20.下溜板丝杠21.下溜板后导轨  22.下溜板电机  23.下溜板前导轨  24.上溜板右导轨  25.上溜板电机26.上溜板左导轨  27.上溜板丝杠  28.旋转电机  29.旋转夹紧台  30.传动箱  31.右立柱导轨座  32.右立柱滑动导轨  33.右立柱丝杠  34.右立柱电机  35.左立柱导轨座36.左立柱滑动导轨  37.左立柱丝杠  38.左立柱电机  39.调形支撑架  40.纵向调形右滑动导轨  41.横向调形电机  42.横向调形滑动导轨  43.横向调形丝杠  44.调形电机  45.调形头  46.纵向调形左滑动导轨  47.纵向调形丝杠  48.纵向调形电机  49.单元接触头50.双头螺柱  51.单元体支撑板  52.定位螺帽  53.紧固螺钉  54.滚珠

具体实施方式

下面结合附图进一步说明两种实施方案及其工作过程。

实施方案一：

该方案的总体结构如图1所示，其底座1、左立柱10、右立柱9构成固定台；上溜板3和下溜板2水平分布，分别在上溜板电机25和下溜板电机22作用下，沿下溜板2和底座1的做纵向和横向移动；旋转工作台4固定在上溜板3上，旋转工作台4可绕其轴心线做旋转运动；工件6通过夹紧定位块5固定在旋转工作台4的台面上，旋转工作台4带动工件6旋转，使工件6相对工具头处于一个合适的加工位置；工件6的水平进给运动由上溜板3和下溜板2的水平运动提供；横梁8通过左立柱电机38和右立柱电机34带动沿左立柱10和右立柱9做Z轴垂直运动；工具板11固定在横梁8上，驱动轮12、左张紧轮13、右张紧轮14以及工具头安装在工具板11上，砂带15包围在驱动轮12、左张紧轮13、右张紧轮14以及工具头的外面，工具头通过横梁8沿左立柱10和右立柱9的上下运动，而提供垂直进给运动。

图5为旋转工作台4，其随着上溜板3在水平面纵、横两个方向做二维移动，另外，旋转夹紧台29在旋转电机28和传动箱30内传动机构的共同作用下，绕其轴心线做回转运动。

工具头调形的工作原理如下：

在图8中，由调形电机44和调形头45构成调形工具系统，调形工具系统通过滑动副连接到横向调形滑动导轨42和横向调形丝杠43上，横向调形滑动导轨42和横向调形丝杠43的两端，分别滑动连接到纵向调形左滑动导轨46、纵向调形右滑动导轨40和纵向调形丝杠47上，调形工具系统在纵向调形电机48和横向调形电机41的作用下做纵、横二维运动。

在图9和图10中，单元体17的滚珠54镶嵌在单元接触头49上，并可绕其球心旋转，定位螺帽52通过螺纹副与双头螺柱50的一端连接且由紧固螺钉53固定，将双头螺柱50联接到单元体支撑板51上，单元体支撑板51固定连接在调形支撑架39上；双头螺柱50可绕其轴线转动，但是不能轴向移动；双头螺柱50另一端与单元接触头49通过螺纹副联接。定位螺帽52转动时带动双头螺柱50转动，双头螺柱50通过螺旋副带动单元接触头49沿双头螺柱50的轴向移动。定位螺帽52的上端部开有十字槽(如图11所示)，调形头45的刀头可插入十字槽中带动其旋转。单元接触头49上半部分为方形，下半部分为圆柱形，下端部镶嵌滚珠54，多个单元接触头49之间相互紧靠，最外层单元接触头49侧面由调形支撑架39限位，所有单元接触头49及其调形支撑架39内侧相互紧靠从而限制单元接触头49绕双头螺柱50的轴线转动。

当调形电机44接收到调形控制信号后开始转动，与调形电机44的输出轴固定连接的调形头45带动A1(图12)处定位螺帽52转动，经双头螺柱50与单元接触头49的螺纹副带动单元接触头49沿其轴线移动从而控制单元接触头49在其轴线方向的位置。调整好第一个单元接触头49后，纵向调形系统带动调形工具系统移动到下一个单元体17的位置，调整第二个单元接触头49的位置，依次调整第一行后面的各个单元接触头49。当第一行调整完后，调整下一行，直至将调形头45的位置全部调整好。调整路线如图12所示，调形顺序如箭头方向所示。

如图12所示，调形工具系统只能在纵向调形系统和横向调形系统的带动下做水平面内的二维运动，在垂直于水平面的方向上不能移动，因此，调形头45的刀头不管在调形中还是在静止中都与单元体17相接触，单元体17调整完备后定位螺帽52的十字槽的十字线横竖相对整齐排列，除最外层一圈的单元体17，其他单元体17的调整误差为1/4P。在单元体17调整过程中，在调整某一行时如果要求调形电机44转过的角度不是90°的倍数，就进圆整为180°的倍数，调形偏差在1/4P之内。换行时，需将调形电机44转过的角度圆整到90°的奇数倍。在圆整旋转角度的过程中会使调形的位置出现偏差，这个偏差值在3/4P之内(P为双头螺柱50与单元接触头49连接螺纹的螺距)。

实施方案二：

该方案的总体结构如图2所示，该方案的整体机床构型、磨抛工具系统结构和工作原理、工具进给系统、工件在水平面内的纵、横二维运动，以及绕Z轴旋转的实现方式等与实施方案一完全一致。

与实施方案一不同之处是：旋转工作台4上安装了翻转夹具18，翻转夹具18使需要多面加工的复杂零件加工完一个表面后，带动复杂工件19转过一定角度，加工另一个表面，依次旋转，直至所有表面都得到加工，实际上翻转夹具18提供了一个绕Y轴的旋转运动。

Claims (6)

1.一种复杂曲面自适应磨抛加工机床，其特征在于由底座(1)、下溜板(2)、上溜板(3)、旋转工作台(4)、横梁(8)、右立柱(9)、左立柱(10)和工具系统组成，其中左立柱(10)和右立柱(9)的下端与底座(1)固接；左立柱(10)经左立柱(10)的左立柱丝杠(37)和左立柱滑动导轨(36)与横梁(8)左端连接，右立柱(9)经右立柱(9)的右立柱丝杠(33)和右立柱滑动导轨(32)与横梁(8)右端连接；横梁(8)中部与工具系统的工具板(11)固接；设有上溜板电机(25)的下溜板(2)经下溜板丝杠(20)、下溜板前导轨(23)和下溜板后导轨(21)与设有下溜板电机(22)的底座(1)连接；上溜板(3)经上溜板丝杠(27)、上溜板左导轨(26)和上溜板右导轨(24)与下溜板(2)连接；设有夹紧定位块(5)的旋转工作台(4)与上溜板(3)固接。

2.按权利要求1所述的复杂曲面自适应磨抛加工机床，其特征在于所述的工具系统由工具头、驱动电机(7)、工具板(11)、驱动轮(12)、左张紧轮(13)、右张紧轮(14)和砂带(15)组成，其中左张紧轮(13)和右张紧轮(14)分别置于与工具板(11)固接的左张紧轮轴和右张紧轮轴上，且滚动配合；驱动轮(12)固接于与工具板(11)滚动连接的驱动轮轴的前端，驱动电机(7)固接于驱动轮轴的后端；工具头的单元体调控器(16)固接于工具板(11)底端；砂带(15)内侧由左张紧轮(13)、驱动轮(12)、右张紧轮(14)和工具头的单元体(17)底部支撑；工具板(11)上部与横梁(8)固接。

3.按权利要求2所述的复杂曲面自适应磨抛加工机床，其特征在于所述的工具头由矩阵形分布的单元体(17)和单元体调控器(16)组成，其中单元体(17)的单元体支撑板(51)与单元体调控器(16)的调形支撑架(39)固接。

4.按权利要求3所述的复杂曲面自适应磨抛加工机床，其特征在于所述的单元体调控器(16)由调形支撑架(39)、纵向调形右滑动导轨(40)、横向调形电机(41)、横向调形滑动导轨(42)、横向调形丝杠(43)、调形电机(44)和调形头(45)、纵向调形左滑动导轨(46)、纵向调形丝杠(47)和纵向调形电机(48)组成，其中纵向调形左滑动导轨(46)和纵向调形丝杠(47)固接于调形支撑架(39)上平面左侧；纵向调形右滑动导轨(40)固接于调形支撑架(39)上平面右侧；纵向调形电机(48)固接于纵向调形丝杠(47)的前端；横向调形滑动导轨(42)和横向调形丝杠(43)的左端滑动连接在纵向调形左滑动导轨(46)、纵向调形丝杠(47)上；横向调形滑动导轨(42)和横向调形丝杠(43)的右端滑动连接在纵向调形右滑动导轨(40)上；横向调形电机(41)固接于横向调形丝杠(43)的右端；调形头(45)固接于调形电机(44)的输出轴上构成调形工具系统，调形工具系统通过滑动副连接到横向调形滑动导轨(42)和横向调形丝杠(43)上。

5.按权利要求3所述的复杂曲面自适应磨抛加工机床，其特征在于所述的单元体(17)由定位螺帽(52)、双头螺柱(50)、单元接触头(49)、紧固螺钉(53)和滚珠(54)组成，其中滚珠(54)镶嵌于单元接触头(49)上；双头螺柱(50)一端经螺纹副与单元接触头(49)连接，双头螺柱(50)另一端经定位螺帽(52)与单元体支撑板(51)连接，定位螺帽(52)经螺纹副与双头螺柱(50)连接，并由紧固螺钉(53)紧固。

6.按权利要求1所述的复杂曲面自适应磨抛加工机床，其特征在于所述的旋转工作台(4)上可固接翻转夹具(18)。

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