CN103786082B - 恒力磨削抛光工具系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种恒力磨削抛光工具系统，属于磨削抛光工具。包括动力装置、换轮磨削工具、减振装置、导向装置、力补偿与检测装置、配重装置用于恒力磨削的实现；磨削工具头通过导向装置保证换轮磨削工具沿竖直方向运动，上下浮动通过低摩擦副气缸与工具系统总体重量合力构成叶片法向磨抛力；S型传感器对工具头法向力进行测量并与设定值进行比较，最终数值反馈给计算机，经过电器比例阀调节控制低摩擦副气缸进行力补偿；动力装置通过减振装置隔离电机振源对工具系统振动影响；通过S型传感器的反馈实现高精度力控制。优点是结构新颖，实现对叶片不同曲率表面恒力抛光、实现对表面一致性、减小残余应力、提高抛光效率的目的。

Description

恒力磨削抛光工具系统
技术领域
本发明涉及一种恒力磨削工具系统。
背景技术
叶片广泛应用于汽轮机、涡轮机和航空发动机等轴流叶轮机，其表面应达到一定的粗糙度和面型精度要求，在应用之前需叶片进行磨削抛光处理。目前，常用的磨削工具头系统结构原理：通过作用在接触轮上的切向力、法向力、砂带张紧力、接触轮包角及气缸位移之间的数学关系解耦来实现法向磨削力的恒力控制。该方法主要缺点有：1、解耦方式结构环节多。传统的磨削工具采用的方法为力解耦形式，即用气缸推动磨削轮产生磨削力，为了保证叶片表面加工质量需要保持法磨削力Fn恒定，若某一时刻磨削轮向前位移浮动量△X,磨削轮的包角α会发生变化，此时需要进行力解耦来确定气缸推出力Fa的大小，根据《一维力控机器人砂带磨削机设计》知，Fa的确定需要获得△X或α的大小，这就需要角位移传感器或位移传感器来测得未知量△X或α的大小。这样不仅使机械结构变得复杂，也给控制带来困难。2、数学模型复杂。为了使叶片获得恒定的切削力，需对气缸的输出力进行控制。这就必须进行力的解耦以获得气缸输出力。力解耦是一个复杂的数学过程，需建立复杂的数学模型。首先，根据砂带长度不变，建立磨削轮位移浮动量△X与磨削轮包角α之间的数学关系；然后，计算砂带紧边拉力Ft、松边拉力Ft'，它们是与α相关的参数；最后，根据力平衡方程建立Fn、Fa、Ft、Ft'、α之间的关系式，经换算最后得到Fn、Fa、△X之间的关系。其中，Fn为设定的磨削力，Fa由力传感器得到，△X由位移传感器得到。3、对传感器、响应速度要求较高。以上几点都会造成磨抛效果差，抛光效率低等问题。
发明内容
本发明提供恒力磨削抛光工具系统，以解决目前磨削抛光工具存在的机械结构复杂、数学模型复杂、磨抛效果差，抛光效率低的问题。
本发明采用的技术方案是：
包括动力装置、换轮磨削工具、减振装置、导向装置一和导向装置二、力补偿与检测装置、配重装置，动力装置通过螺钉与减振装置相连、还通过梅花键联轴器与换轮磨削工具的动力输出轴相连，换轮磨削工具通过螺钉分别与减振装置、导向装置一和导向装置二、力补偿与检测装置固定连接，配重装置通过螺钉与支撑板固连、通过螺钉与换轮磨削工具相连，支撑板与导轨滑块固定连接，力补偿与检测装置通过连接件与支撑板相连。
本发明所述动力装置由磨削主电机与电机安装弯板组成，并通过螺钉紧固在一起。
本发明所述换轮磨削工具的结构是，主动轮通过涨紧套连接在动力输出轴上；动力输出轴通过轴承压盖、轴承、轴承间内隔套和轴承间外隔套、轴承压紧环、精密锁紧螺母与上法兰座连接实现轴向及径向的定位；上法兰座通过螺钉与工具板固连；惰轮通过轴承、挡圈与惰轮轴相连；惰轮轴通过螺钉与工具板固连；张紧轮通过挡圈、轴承与张紧轮轴相连；张紧轮轴通过张紧轮气缸连接板固连在张紧气缸上，该张紧气缸通过螺钉固连在工具板上；换轮磨削工具还包括换轮机构，换轮机构主要包括刀架、四个半径不同磨削轮、动力输出轴、下法兰座、换轮电机，电机通过螺钉固定在下法兰上，电机轴通过键与动力输出轴连接，动力输出轴经轴承压盖、轴承、轴承间内隔套和轴承间外隔套、轴承压紧环、精密锁紧螺母与下法兰相连实现轴向及径向的定位，下法兰通过螺钉固定在工具板上，刀架靠精密锁紧螺母固定在动力输出轴上，磨削轮通过轮轴、轴承、挡圈、螺母固定在轮架上。
本发明所述减振装置由减震器和减震器安装弯板组成，二者通过螺钉紧固在一起。
本发明所述导向装置一由导向柱，直线轴承和上连接弯板组成，直线轴承通过螺钉与上连接弯板固连。
本发明所述反馈与检测装置由检测元件支撑弯板，低摩擦副气缸，气缸传感器连接件，S型承重传感器、下连接弯板组成，其中，低摩擦副气缸与检测元件支撑弯板靠螺钉紧固在一起，S型承重传感器用螺钉与下连接弯板紧固在一起，气缸传感器连接件与S型承重传感器螺纹连接。
本发明所述配重装置的结构是，钢丝绳一端与连接座连接、另一端经滑轮与配重相连，滑轮通过滑轮轴、轴承、挡圈、滑轮轴承隔套、螺母与滑轮架相连，滑轮架通过螺钉与滑轮组支撑座固连。
本发明所述的导向装置二由导向柱，直线轴承组成，直线轴承通过螺钉与下连接弯板固连，导向柱通过螺钉与检测元件支撑弯板固连。
本发明的优点是：1、简化传统解耦模式结构，与传统磨削工具系统相比，本发明采用的磨削工具依靠换轮磨削工具的自身重力G,配重M和低摩擦副气缸的推力Fa合成法向磨削力Fn，即Fn=G-M-Fa，其中Fa可通过力传感器获得，为了保持Fn恒定，只需要控制气缸推力即可，极大的简化力解耦，即不需要加入位移传感器和角位移传感器，大大简化了结构，也给后续控制带来了方便。2、数学模型简单，由于避免了力解耦的过程，在对低摩擦副气缸推力Fa进行控制时建立的数学模型非常简单，即Fa=G-M-Fn，不仅减小了控制难度，同时提高了系统的响应速度。3、引入了减振机构，弹簧减震器和梅花键联轴器的配合使用，大大的减小了电机的振动对其余部件的影响，减小了因电机震动所带来的加工误差。4、加入换轮机构，由于待加工叶片为自由曲面，不同部位的曲率有所不同。换轮结构由四个不同半径的磨削轮，针对叶片不同曲率的部位采用不同半径的磨削轮，这样能够改善磨削质量，提高磨削效率。综上所述通过控制低摩擦副气缸的推力使得接触轮的法向磨削压力控制在允许的误差范围内，保持压力恒定，从而进一步提高了复杂曲面如蒸汽叶片的加工精度,保障叶片的型面质量，通过低摩擦副气缸自锁在结构上可实现强力与恒力切换可实现对叶片表面形位精度与表面质量双重保证，因此本工具系统构思巧妙、结构简单、多功能切换、容易实施、制造成本低、产品一致性好、适用范围广等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明的轮系布置图；
图4是本发明动力及动力输出、减振装置示意图；
图5是本发明反馈与检测装置示意图；
图6是本发明配重装置示意图；
图7A是本发明的张紧部分结构示意图；
图7B是图7A的B-B剖视图；
图8是本发明的换轮机构示图。
具体实施方式
包括动力装置1、换轮磨削工具2、减振装置3、导向装置一4和导向装置二7、力补偿与检测装置5、配重装置6，动力装置1通过螺钉与减振装置3相连、还通过梅花键联轴器8与换轮磨削工具2的动力输出轴209相连，换轮磨削工具2通过螺钉分别与减振装置3、导向装置一4和导向装置二7、力补偿与检测装置5固定连接，配重装置6通过螺钉与支撑板9固连、通过螺钉与换轮磨削工具2相连，支撑板9与导轨滑块11固定连接，力补偿与检测装置5通过连接件10与支撑板相连。
所述动力装置由磨削主电机101与电机安装弯板102组成，并通过螺钉紧固在一起。磨削电机101驱动主动轮212旋转并由摩擦力带动砂带238运动，砂带238经惰轮203、张紧轮221、最终驱动磨削轮233磨抛叶片。
所述换轮磨削工具2的结构是，主动轮212通过涨紧套210连接在动力输出轴209上；动力输出轴209通过轴承压盖215、轴承207、轴承间内隔套213和轴承间外隔套214、轴承压紧环211、精密锁紧螺母208与上法兰座206连接实现轴向及径向的定位；上法兰座206通过螺钉与工具板201固连；惰轮203通过轴承204、挡圈205与惰轮轴202相连；惰轮轴202通过螺钉与工具板201固连；张紧轮221通过挡圈220、轴承219与张紧轮轴218相连；张紧轮轴218通过张紧轮气缸连接板217固连在张紧气缸216上，该张紧气缸通过螺钉固连在工具板201上；换轮磨削工具2还包括换轮机构，换轮机构主要包括刀架232、四个半径不同磨削轮、动力输出轴231、下法兰座224、换轮电机222，电机222通过螺钉固定在下法兰224上，电机轴通过键与动力输出轴231连接，动力输出轴231经轴承压盖223、轴承227、轴承间内隔套225和轴承间外隔套226、轴承压紧环228、精密锁紧螺母229与下法兰224相连实现轴向及径向的定位，下法兰224通过螺钉固定在工具板201上，刀架232靠精密锁紧螺母230固定在动力输出轴231上，磨削轮233通过轮轴236、轴承234、挡圈237、螺母235固定在轮架上。
张紧气缸带动张紧轮在水平方向运动实现对砂带的张紧；换轮机构有4个不同不同半径的磨削轮构成的轮系通过动力输出轴与换轮电机相连，换轮机构是为了适应叶片不同曲率部位的磨削。
所述减振装置由减震器301和减震器安装弯板302组成，二者通过螺钉紧固在一起。当电机正常工作时，此机构可有效的降低电机振动对磨削工具的影响，提高叶片的表面加工精度。
所述导向装置一4由导向柱401，直线轴承402和上连接弯板403组成，直线轴承402通过螺钉与上连接弯板403固连。
所述反馈与检测装置由检测元件支撑弯板501，低摩擦副气缸502，气缸传感器连接件503，S型承重传感器504、下连接弯板505组成，其中，低摩擦副气缸502与检测元件支撑弯板501靠螺钉紧固在一起，S型承重传感器504用螺钉与下连接弯板505紧固在一起，气缸传感器连接件503与S型承重传感器504螺纹连接。磨削法向力通过S型传感器的检测，通过计算机程序与设定力比较，获得差值，最后解算电器比例阀开度控制低摩擦副气缸来调节磨削力的大小。当支撑板9通过导轨滑块11相对机床本体12水平运动时，补偿与检测反馈装置5与支撑板9的相对位置保持不变。
所述配重装置6的结构是，钢丝绳608一端与连接座609连接、另一端经滑轮603与配重610相连，滑轮603通过滑轮轴604、轴承605、挡圈606、滑轮轴承隔套607、螺母与滑轮架602相连，滑轮架通过螺钉与滑轮组支撑座601固连。钢丝绳一端通过连接座连接在工具板上，经导向滑轮组与配重砝码连接，并且根据不同的切削层需要的力，选择不同的砝码，通过合力实现恒力磨削的目的。
所述导向装置二7由导向柱701，直线轴承702组成，直线轴承702通过螺钉与下连接弯板505固连，导向柱701通过螺钉与检测元件支撑弯板501固连。
本发明的工作原理是：支撑板9通过导轨滑块11相对机床本体12水平运动，在加工过程中，电机输出动力，带动主动轮旋转，主动轮依靠摩擦力驱动砂带旋转，砂带经惰轮、张紧轮，最终带动换轮刀架上的磨削轮旋转以达到磨削的目的；在磨削过程中，换轮磨削工具的自身重力和反馈与检测装置的低摩擦副气缸的推力共同合成法向磨削力；导向装置可以保证工具沿竖直方向运动；减振装置和梅花键联轴器的配合使用可以有效的减小电机的震动对其磨削工具影响，提高加工精度；配重的使用不仅可以平衡换轮磨削工具的重力，而且可以提高检测与反馈装置的响应速度。
本发明工作方式是：设定相应曲率下期望磨削法向力值Fn，此力由工具自身重力G、配重装置重力M、气缸推力Fa合成，即Fn=G-M-Fa。磨削电机101动力由经动力输出轴209传递给主动轮212带动砂带238运动，砂带经惰轮203、张紧轮221、带动磨削轮233旋转，进行材料切除。在磨削期间，S型重力传感器504测得气缸推力Fa'，并反馈给计算机，计算机求得法向磨削力Fn'=G-M-Fa'，并与期望值FN比较，获得得差值△FN=Fn-Fn'，程序根据△FN的值获得电器比例阀开度，反馈给低摩擦副气缸502，补偿法向磨削力差值△FN。随着叶片不同曲率的变化，换轮电机222通过动力输出轴230驱动刀架232旋转一定角度，获得需要相对应曲率的接触轮，实现复杂叶片的恒力磨削，当刀架转到相应的位置，电机的自锁功能会将电机轴锁住，刀架232将会固定不动。由于法向磨削力较工具自身重力小很多，配重6的加入不仅能够平衡运动部件，同时使得气缸只需要推出很小的力就能满足要求，提高了系统的响应速度。导向机构能够保证磨削工具沿竖直方向运动的直线度。

Claims (6)

1.一种恒力磨削抛光工具系统，包括动力装置、换轮磨削工具、减振装置、导向装置一和导向装置二、力补偿与检测装置、配重装置，动力装置通过螺钉与减振装置相连、还通过梅花键联轴器与换轮磨削工具的动力输出轴相连，换轮磨削工具通过螺钉分别与减振装置、导向装置一和导向装置二、力补偿与检测装置固定连接，配重装置通过螺钉与支撑板固连、通过螺钉与换轮磨削工具相连，支撑板与导轨滑块固定连接，力补偿与检测装置通过连接件与支撑板相连；
所述动力装置由磨削主电机与电机安装弯板组成，并通过螺钉紧固在一起；
其特征在于：所述换轮磨削工具的结构是，主动轮通过涨紧套连接在动力输出轴上；动力输出轴通过轴承压盖、轴承、轴承间内隔套和轴承间外隔套、轴承压紧环、精密锁紧螺母与上法兰座连接实现轴向及径向的定位；上法兰座通过螺钉与工具板固连；惰轮通过轴承、挡圈与惰轮轴相连；惰轮轴通过螺钉与工具板固连；张紧轮通过挡圈、轴承与张紧轮轴相连；张紧轮轴通过张紧轮气缸连接板固连在张紧气缸上，该张紧气缸通过螺钉固连在工具板上；换轮磨削工具还包括换轮机构，换轮机构主要包括刀架、四个半径不同磨削轮、动力输出轴、下法兰座、换轮电机，换轮电机通过螺钉固定在下法兰上，换轮电机轴通过键与动力输出轴连接，动力输出轴经轴承压盖、轴承、轴承间内隔套和轴承间外隔套、轴承压紧环、精密锁紧螺母与下法兰相连实现轴向及径向的定位，下法兰通过螺钉固定在工具板上，刀架靠精密锁紧螺母固定在动力输出轴上，磨削轮通过轮轴、轴承、挡圈、螺母固定在轮架上。
2.根据权利要求1所述的恒力磨削抛光工具系统，其特征在于：所述减振装置由减震器和减震器安装弯板组成，二者通过螺钉紧固在一起。
3.根据权利要求1所述的恒力磨削抛光工具系统，其特征在于：所述导向装置一由导向柱，直线轴承和上连接弯板组成，直线轴承通过螺钉与上连接弯板固连。
4.根据权利要求1所述的恒力磨削抛光工具系统，其特征在于：所述力补偿与检测装置由检测元件支撑弯板，低摩擦副气缸，气缸传感器连接件，S型承重传感器、下连接弯板组成，其中，低摩擦副气缸与检测元件支撑弯板靠螺钉紧固在一起，S型承重传感器用螺钉与下连接弯板紧固在一起，气缸传感器连接件与S型承重传感器螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的恒力磨削抛光工具系统，其特征在于：所述配重装置的结构是，钢丝绳一端与连接座连接、另一端经滑轮与配重相连，滑轮通过滑轮轴、轴承、挡圈、滑轮轴承隔套、螺母与滑轮架相连，滑轮架通过螺钉与滑轮组支撑座固连。
6.根据权利要求1所述的恒力磨削抛光工具系统，其特征在于：所述导向装置二由导向柱，直线轴承组成，直线轴承通过螺钉与下连接弯板固连，导向柱通过螺钉与检测元件支撑弯板固连。
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