CN104097090B - 基于动态特征的随动装夹装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态特征的随动装夹装置与方法，适用于飞机框梁肋类零件数控加工中的随动装夹，其特征是所述的装置包括高度调节器和随动装夹体，其中随动装夹体主要由装夹头、升降缸、摆动缸等组成；在装夹时，首先将高度调节器和随动装夹体安装在机床工作台上，通过高度调节器快速调节随动装夹体的高度；然后通过气压/液压方式控制装夹体升降缸升降和摆动缸旋转，进而实现随动装夹体的夹紧与打开；该装夹装置可以根据特征加工过程的动态变化调整装夹。本发明可以根据刀具位置的变化实现随动装夹，消除了工艺凸台，减少了工艺人员的编程工作量，同时减小了毛坯尺寸，降低了产品的成本。

Description

基于动态特征的随动装夹装置与方法

技术领域

本发明涉及一种随动装夹装置及方法，尤其是一种针对数控加工零件的随动装夹装置及方法，具体地说是一种适用于飞机框梁肋类零件数控加工的基于动态特征的随动装夹装置及方法。

背景技术

对于大型零件如飞机结构件中的框梁肋类零件，由于其结构复杂、尺寸大且属于薄壁零件，在加工过程中极易变形，精度难以保证。对于飞机结构件，为了保证在加工过程中零件的刚性，通常需要在零件周围设置工艺凸台。通过增加工艺凸台可以增加零件的加工刚性，提高零件的加工质量。但是工艺凸台增加了工艺人员前期的工作量。工艺人员需要花费大量时间去设置工艺凸台的位置，同时在编制加工程序时还需要考虑对工艺凸台的避让，增加了编程难度，降低了编程效率。同样地在零件周围设置工艺凸台，势必会增加零件毛坯尺寸，提高了零件的加工成本。由于飞机结构件需要多个工步加工完成，加工过程中工件的状态动态变化，需要装夹能够随工件的状态自动调整装夹位置与装夹状态。

发明内容

本发明的目的是针对现有飞机结构件数控加工设置工艺凸台增加了工艺人员工作量、降低了编程效率、提高了零件加工成本的问题，发明了一种能够实现数控加工随动装夹装置，同时提供一种随动装夹方法。

本发明的技术方案之一是：

一种基于动态特征的随动装夹装置，其特征是它包括高度调节器和随动装夹体，其中高度调节器用于快速调节装夹装置的高度，随动装夹体具有旋转和微调高度的功能，所述的随动装夹体安装在高度调节器上。

所述的高度调节器和随动装夹体采用气压或液压的方式进行驱动，两者之间通过螺纹连接。

所述的高度调节器能增大随动装夹体的最大装夹高度，它包括：缸体8，螺纹连接头9，升降轴10，密封圈11，47，第一气体/液体进出孔12，第二气体/液体进出孔13，螺纹连接孔14，其中螺纹连接头9用于连接智能装夹体；螺纹连接孔14用于连接机床工作台；升降轴10安装在缸体8中，它的下端套装有能随其一起在缸体中移动的密封圈47，它的上端套装在固定在缸体8的密封圈11中，螺纹连接头9位于升降轴10的上端，在工作时，通过控制第一气体/液体进出孔12和第二气体/液体进出孔13的气体/液体进、出缸体8的次序，使得升降轴10升降，进而实现快速、大幅度调节随动装夹体高度的目的。

所述的随动装夹体包括：压力信号采集器2，压力信号传输线3，装夹头4，压力传感器6，装夹体7，导电体15，45，46，升降旋转轴16，固定导电棒17，密封圈18，升降腔体19，隔离层20，摆动缸转子21，连接螺纹孔22，密封圈23，传输导线24，摆动缸气/液孔25，位置指示电路及压力信号处理器26，升降缸气/液孔27，29，摆动缸定子28，升程压力传感器30，升降位置挡块31，导电金属棒32；装夹体7的下部设有与高度调节器中的螺纹连接头9相连的连接螺纹孔22，装夹头4安装在升降旋转轴16的上端并能随其上升、下降和旋转，压力传感器6位于装夹头4与工件5相对的一面上，它通过压力信号传输线3将采集的压力信号传送到压力信号采集器2并最终传送到中位置指示电路及压力信号处理器26作为工件压紧是否到位并进而控制升降旋转轴16的下降行程；升降旋转轴16安装在装夹体7的升降腔体19中，密封圈18固定在升降腔体19的上端中；上下两个隔离层20设置在升降旋转轴16的下端，在两层隔离层20之间安装有能沿升降腔体19上下移动但不能转动的摆动缸定子28，在升降旋转轴16位于两层隔离层20之间的一段上连接有摆动缸转子21，在摆动缸定子28两侧分别设有摆动缸气/液孔25，34，当摆动缸气/液孔25作为进气/液孔，摆动缸气/液孔34作为出气/液孔时，升降旋转轴16右旋，以实现装夹头4的右旋；当摆动缸气/液孔34作为进气/液孔，摆动缸气/液孔25作为出气/液孔时，升降旋转轴16左旋，以实现装夹头4的左旋；导电体15，45，46分布在升降腔体19周壁上，升降旋转轴16同步转动的导电金属棒32的一端转动后与所述的三个导电体15，45，46中的任一感应后产生位置信号并通过传输导线24传送到位置指示电路及压力信号处理器26实现转动角度的控制，导电金属棒32的另一端与一端插装在升降旋转轴16中心，另一端固定在装夹体7中的固定导电棒17电气连接；在升降腔体19的周壁上还安装有升程压力传感器30，在升降旋转轴16上安装有与升程压力传感器30相配的升降位置挡块31，以便当升降旋转轴16上升到最高位置时升程压力传感器30受到升降位置挡块31的作用产生压力并传输到位置指示电路及压力信号处理器26中实现最高升降的控制；在装夹体7上设有用于控制升降旋转轴16升降的升降缸气/液孔27，29，当升降缸气/液孔27作为进气/液孔，升降缸气/液孔29作为出气/液孔时，升降旋转轴16上升，以实现装夹头4的上升；当升降缸气/液孔29作为进气/液孔，升降缸气/液孔27作为出气/液孔时，升降旋转轴16下降，可以实现装夹头4的下降。

所述的快速调节智能装夹体高度的方法为：首先得到当前高度调节器以及随动装夹体的高度，并同毛坯高度进行比较确定高度调节器需要上升或下降的高度，再根据高度调节器升降缸腔体截面积，计算出通气/液量，最后通过对气/液孔的控制实现高度的调节；

所述的升降缸气/液孔27、29的工作原理为：当气/液孔27作为进气/液孔，气/液孔29作为出气/液孔时，升降旋转轴16上升，可以实现装夹头4的上升；当气/液孔29作为进气/液孔，气/液孔27作为出气/液孔时，升降旋转轴16下降，可以实现装夹头4的下降；

所述的压力传感器6的工作原理为：在微调节高度压紧工件的过程中，当装夹头4与工件接触后，压力传感器6会产生压力信号，并传输给压力信号采集器2，当压力达到设定的压紧力后，使得装夹头4停止下降，完成装夹；

所述的压力传感器30的工作原理为：为设置装夹头4的最大上升高度，安装升降位置挡块31，在装夹头4松开工件上升的过程中，隔离层20与升降位置挡块31接触后，压力传感器30便会产生压力信号，并传输给位置指示电路及压力信号处理器26，之后使升降旋转轴16停止上升，达到最大高度；

所述的摆动缸气/液孔25、34的工作原理为：当气/液孔25作为进气/液孔，气/液孔34作为出气/液孔时，升降旋转轴16右旋，可以实现装夹头4的右旋；当气/液孔34作为进气/液孔，气/液孔25作为出气/液孔时，升降旋转轴16左旋，可以实现装夹头4的左旋；

所述的导电体15、45、46的工作原理为：在装夹头4旋转在不同位置时，同升降旋转轴16相连接的导电金属棒32与不同的导电体15、45、46接触，使得导电体15/45/46、导电金属棒32、固定导电棒17组成回路，使得相应的信号灯高亮，指示当前的位置，并将高亮信号通过模数转换成高电平信号传输给控制模块，作为控制旋转的依据，其中导电体15对应红色信号灯，导电体45、46对应绿色信号灯；

本发明的技术方案之二是：

一种基于动态特征的随动装夹方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤一、在零件毛坯周围，将高度调节器安装在工作台上；

步骤二、在高度调节器上放置智能装夹体；

步骤三、根据毛坯和智能装夹体当前的高度，通过高度调节器，快速调节高度，使得智能装夹体装夹头位于毛坯上方10mm处；

步骤四、当需要对毛坯进行夹紧时，通过控制摆动缸，使得装夹体的装夹头旋转至装夹位置；

步骤五、关闭摆动缸气/液孔，控制装夹体升降缸，使装夹体微调高度，直至装夹头夹紧毛坯；

步骤六、当刀具需要在智能装夹体周围加工，装夹体需要避让时，控制装夹体升降缸，使装夹头升至最高位置；

步骤七、关闭装夹体升降缸气/液孔，控制摆动气缸，使装夹头沿刀具运动方向旋转90°到达安全位置。

本发明的有益效果是：

1、可以在数控机床的控制下根据刀具位置实现随动装夹；

2、消除了工艺凸台，减少了工艺人员工作量，提高了编程效率；

3、减小了毛坯尺寸，降低了零件的加工成本。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

包括：1为上下运动方向，2为压力信号采集器，3为压力信号传输线，4为装夹头，5为工件，6为压力传感器，7为装夹体，8缸体。

图2为本发明的高度调节器的结构示意图。

图中：8为缸体，9为螺纹连接头，10为升降轴，11、47为密封圈，12、13为气体/液体进出孔，14为螺纹连接孔。

图3为本发明的随动装夹体的结构示意图。

图中：7为随动装夹体，15为导电体，16为升降旋转轴，17为固定导电棒，18、23为密封圈，19为升降腔体，20为隔离层，21为摆动缸转子，22为连接螺纹孔，24为传输导线，25为摆动缸气/液孔，26为位置指示电路及压力信号处理器，27、29为升降缸气/液孔，28为摆动缸定子，30为压力传感器，31为升降位置挡块，32为导电金属棒。

图4为图3的A-A剖面示意图。

图中：7为装夹体，16为升降旋转轴，21不摆动缸转子，25、34为摆动缸气/液孔，28为摆动缸定子（能沿装夹体内腔中的轴向槽上下移动），33、35旋转轴旋转位置。

图5为图3的B-B剖面示意图。

图中：7为装夹体，15为导电体，16为升降旋转轴，32为导电金属棒，45、46为导电体。

图6为本发明的装夹头随升降旋转轴的旋转运动示意图。

图中：36、40为刀具，37、39为刀具运动方向，38为装夹头装夹位置，41、44为装夹头打开位置，42、43为装夹头旋转方向。

具体实施方式

以下结合附图和实例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。

如图1所示。

一种数控加工随动装夹装置，由高度调节器和随动装夹体两部分组成，如图1所示。高度调节器（如图2所示）通过螺纹连接孔14与机床工作台相连；高度调节器与随动装夹体之间通过螺纹进行连接。本发明的高度调节器能增大随动装夹体的最大装夹高度，实现快速升降和转动，如图2所示，它包括：缸体8，螺纹连接头9，升降轴10，密封圈11，47，第一气体/液体进出孔12，第二气体/液体进出孔13，螺纹连接孔14，其中螺纹连接头9用于连接智能装夹体；螺纹连接孔14用于连接机床工作台；升降轴10安装在缸体8中，它的下端套装有能随其一起在缸体中移动的密封圈47，它的上端套装在固定在缸体8的密封圈11中，螺纹连接头9位于升降轴10的上端，在工作时，通过控制第一气体/液体进出孔12和第二气体/液体进出孔13的气体/液体进、出缸体8的次序，使得升降轴10升降，进而实现快速、大幅度调节随动装夹体高度的目的。

本发明的随动装夹体如图3、4、5所示，它包括：压力信号采集器2，压力信号传输线3，装夹头4，压力传感器6，装夹体7，导电体15，45，46，导电体具有一定的弹性，内部包含弹簧压片，防止接触不良，升降旋转轴16，固定导电棒17，密封圈18，升降腔体19，隔离层20，摆动缸转子21，连接螺纹孔22，密封圈23，传输导线24，摆动缸气/液孔25，位置指示电路及压力信号处理器26，升降缸气/液孔27，29，摆动缸定子28，升程压力传感器30，升降位置挡块31，导电金属棒32；装夹体7的下部设有与高度调节器中的螺纹连接头9相连的连接螺纹孔22，装夹头4安装在升降旋转轴16的上端并能随其上升、下降和旋转，压力传感器6位于装夹头4与工件5相对的一面上，它通过压力信号传输线3将采集的压力信号传送到压力信号采集器2并最终传送到中位置指示电路及压力信号处理器26作为工件压紧是否到位并进而控制升降旋转轴16的下降行程；升降旋转轴16安装在装夹体7的升降腔体19中，密封圈18固定在升降腔体19的上端中；上下两个隔离层20设置在升降旋转轴16的下端，在两层隔离层20之间安装有能沿升降腔体19上下移动但不能转动的摆动缸定子28，在升降旋转轴16位于两层隔离层20之间的一段上连接有摆动缸转子21（如图3），在摆动缸定子28两侧分别设有摆动缸气/液孔25，34（如图4），当摆动缸气/液孔25作为进气/液孔，摆动缸气/液孔34作为出气/液孔时，升降旋转轴16右旋，以实现装夹头4的右旋；当摆动缸气/液孔34作为进气/液孔，摆动缸气/液孔25作为出气/液孔时，升降旋转轴16左旋，以实现装夹头4的左旋；导电体15，45，46分布在升降腔体19周壁上，升降旋转轴16同步转动的导电金属棒32的一端转动后与所述的三个导电体15，45，46中的任一感应后产生位置信号并通过传输导线24传送到位置指示电路及压力信号处理器26实现转动角度的控制（如图5所示），导电金属棒32的另一端与一端插装在升降旋转轴16中心，另一端固定在装夹体7中的固定导电棒17电气连接；在升降腔体19的周壁上还安装有升程压力传感器30，在升降旋转轴16上安装有与升程压力传感器30相配的升降位置挡块31，以便当升降旋转轴16上升到最高位置时升程压力传感器30受到升降位置挡块31的作用产生压力并传输到位置指示电路及压力信号处理器26中实现最高升降的控制；在装夹体7上设有用于控制升降旋转轴16升降的升降缸气/液孔27，29，当升降缸气/液孔27作为进气/液孔，升降缸气/液孔29作为出气/液孔时，升降旋转轴16上升，以实现装夹头4的上升；当升降缸气/液孔29作为进气/液孔，升降缸气/液孔27作为出气/液孔时，升降旋转轴16下降，可以实现装夹头4的下降。

本发明的随动装夹方法是：

首先将高度调节器通过螺栓固定在机床的工作台上，然后通过螺纹连接将随动装夹体固定在高度调节器上。根据工件毛坯高度和装夹头4高度计算升降轴10需要升高/降低的高度，使得装夹头4位于毛坯上方10mm处。再根据高度调节器升降气缸的截面积，计算出通气/液量。如果需要升高升降轴10，则气/液进出孔13作为进气/液孔，气/液进出孔12作为出气/液孔；当要下降时，气/液进出孔12作为进气孔，此时由于位于气/液进出孔12上部的密封圈11是固定在缸体8上的，不会随升降轴10上下移动，而下端的密封圈47是固定在升降轴10上的，能随升降轴上下移动，因此，气/液进出孔12进气或液时，则压力迫使升降轴10向下移动，下部的多余气液则通过气/液进出孔13排出。

高度调节器8调节好高度后，根据当前装夹头4的打开位置，确定旋转方向。当装夹头4处于左旋打开位置44时，将摆动缸气/液孔25作为进气/液孔，气/液孔34作为出气/液孔。通气/液后，摆动缸转子21右旋，带动升降旋转轴16右旋。如果装夹头4处于右旋打开位置41时，将摆动缸气/液孔34作为进气/液孔，气/液孔25作为出气/液孔。通气/液后，摆动缸转子21左旋，带动升降旋转轴16左旋。当装夹头4到达装夹位置38时，导电金属棒32与导电体15接触，并组成闭合回路。同导电体15相连的位置指示电路及压力信号处理器26中的红色信号灯高亮，红灯高亮信号经模数转换电路，转换为红灯高电平信号，传输给控制模块，停止通气/液，如图6所示。

装夹头4旋转到装夹位置后，将升降缸气/液孔29作为进气/液孔，气/液孔27作为出气/液孔。通气/液后，升降旋转轴16下降。当装夹头4与工件接触时，压力传感器6便会产生压力信号，当压力信号达到预设的压紧力后，停止通气/液，装夹完毕。

当刀具需要在装夹位置附近进行加工时，装夹头4需要进行避让。首先升降缸气/液孔27作为进气/液孔，气/液孔29作为出气/液孔。通气/液后，升降旋转轴16上升。当隔离层20与升降位置挡块31接触时，压力传感器30便会产生压力信号，一旦有压力信号输出，则停止通气/液。

装夹头4到达最高位置后，根据刀具相对于装夹头4的运动方向，确定装夹头4打开旋转方向。当刀具40从右沿方向39向左运动时，装夹头4需要左旋打开；当刀具36从左沿方向37向右运动时，装夹头4需要右旋打开。

当需要左旋打开时，将摆动缸气/液孔34作为进气/液孔，气/液孔25作为出气/液孔。通气/液后，摆动缸转子21左旋，带动升降旋转轴16左旋。而当需要右旋打开时，将摆动缸气/液孔25作为进气/液孔，气/液孔34作为出气/液孔。通气/液后，摆动缸转子21右旋，带动升降旋转轴16右旋。

当装夹头4到达装夹位置41/44时，导电金属棒32与导电体45/46接触，并组成闭合回路。同导电体45/46相连的位置指示电路及压力信号处理器26中的绿色信号灯高亮，绿灯高亮信号经模数转换电路，转换为绿灯高电平信号，传输给控制模块，停止通气/液，装夹头4到达安全位置。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于动态特征的随动装夹装置，它包括高度调节器和随动装夹体，其中高度调节器用于快速调节装夹装置的高度，随动装夹体具有旋转和微调高度的功能，所述的随动装夹体安装在高度调节器上，其特征是所述的高度调节器能增大随动装夹体的最大装夹高度，所述的高度调节器包括：缸体（8），螺纹连接头（9），升降轴（10），第一密封圈（11），第二密封圈（47），第一气体/液体进出孔（12），第二气体/液体进出孔（13），螺纹连接孔（14），其中螺纹连接头（9）用于连接随动装夹体；螺纹连接孔（14）用于连接机床工作台；升降轴（10）安装在缸体（8）中，升降轴（10）的下端套装有能随其一起在缸体中移动的密封圈（47），升降轴（10）的上端套装在固定在缸体（8）中的密封圈（11）中，螺纹连接头（9）位于升降轴（10）的上端，在工作时，通过控制第一气体/液体进出孔（12）和第二气体/液体进出孔（13）的气体/液体进、出缸体（8）的次序，使得升降轴（10）升降，进而实现快速、大幅度调节随动装夹体高度的目的。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的高度调节器和随动装夹体采用气压或液压的方式进行驱动，两者之间通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的随动装夹体包括：压力信号采集器（2），压力信号传输线（3），装夹头（4），压力传感器（6），装夹体（7），第一导电体（15），第二导电体（45），第三导电体（46），升降旋转轴（16），固定导电棒（17），密封圈（18），升降腔体（19），隔离层（20），摆动缸转子（21），连接螺纹孔（22），密封圈（23），传输导线（24），第一摆动缸气/液孔（25），位置指示电路及压力信号处理器（26），第一升降缸气/液孔（27），第二降缸气/液孔（29），摆动缸定子（28），升程压力传感器（30），升降位置挡块（31）和导电金属棒（32）；装夹体（7）的下部设有与高度调节器中的螺纹连接头（9）相连的连接螺纹孔（22），装夹头（4）安装在升降旋转轴（16）的上端并能随其上升、下降和旋转，压力传感器（6）位于装夹头（4）与工件（5）相对的一面上，它通过压力信号传输线（3）将采集的压力信号传送到压力信号采集器（2）并最终传送到中位置指示电路及压力信号处理器（26）作为工件压紧是否到位并进而控制升降旋转轴（16）的下降行程；升降旋转轴（16）安装在装夹体（7）的升降腔体（19）中，密封圈（18）固定在升降腔体（19）的上端中；上下两个隔离层（20）设置在升降旋转轴（16）的下端，在两层隔离层（20）之间安装有能沿升降腔体（19）上下移动但不能转动的摆动缸定子（28），在升降旋转轴（16）位于两层隔离层（20）之间的一段上连接有摆动缸转子（21），在摆动缸定子（28）两侧分别设有第一摆动缸气/液孔（25）和第二摆动缸气/液孔（34），当第一摆动缸气/液孔（25）作为进气/液孔，第二摆动缸气/液孔（34）作为出气/液孔时，升降旋转轴（16）右旋，以实现装夹头（4）的右旋；当第二摆动缸气/液孔（34）作为进气/液孔，第一摆动缸气/液孔（25）作为出气/液孔时，升降旋转轴（16）左旋，以实现装夹头（4）的左旋；导电体（15，45，46）分布在升降腔体（19）周壁上，升降旋转轴（16）同步转动的导电金属棒（32）的一端转动后与所述的第一导电体（15），第二导电体（45）和第三导电体（46）中的任一感应后产生位置信号并通过传输导线（24）传送到位置指示电路及压力信号处理器（26）实现转动角度的控制，导电金属棒（32）的另一端与一端插装在升降旋转轴（16）中心，另一端固定在装夹体（7）中的固定导电棒（17）电气连接；在升降腔体（19）的周壁上还安装有升程压力传感器（30），在升降旋转轴（16）上安装有与升程压力传感器（30）相配的升降位置挡块（31），以便当升降旋转轴（16）上升到最高位置时升程压力传感器（30）受到升降位置挡块（31）的作用产生压力并传输到位置指示电路及压力信号处理器（26）中实现最高升降的控制；在装夹体（7）上设有用于控制升降旋转轴（16）升降的第一升降缸气/液孔（27）和第二降缸气/液孔（29），当第一升降缸气/液孔（27）作为进气/液孔，第二升降缸气/液孔（29）作为出气/液孔时，升降旋转轴（16）上升，以实现装夹头（4）的上升；当第二升降缸气/液孔（29）作为进气/液孔，第一升降缸气/液孔（27）作为出气/液孔时，升降旋转轴（16）下降，可以实现装夹头（4）的下降。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述的装夹头（4）旋转在不同位置时，同升降旋转轴（16）相连接的导电金属棒（32）与不同的第一导电体（15），第二导电体（45）或第三导电体（46）接触，使得第一导电体（15），第二导电体（45）和第三导电体（46）中的一个导电体、导电金属棒（32）、固定导电棒（17）组成回路，使得相应的信号灯高亮，指示当前的位置，并将高亮信号通过模数转换成高电平信号传输给控制模块，作为控制旋转的依据，其中第一导电体（15）对应红色信号灯，第二导电体（45）和第三导电体（46）对应绿色信号灯。

5.一种使用权利要求1所述的基于动态特征的随动装夹装置的随动装夹方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤一、在零件毛坯周围，将高度调节器安装在工作台上；

步骤二、在高度调节器上放置智能装夹体；

步骤三、根据毛坯和智能装夹体当前的高度，通过高度调节器，快速调节高度，使得智能装夹体装夹头位于毛坯上方10mm处；

步骤四、当需要对毛坯进行夹紧时，通过控制摆动缸，使得装夹体的装夹头旋转至装夹位置；

步骤五、关闭摆动缸气/液孔，控制装夹体升降缸，使装夹体微调高度，直至装夹头夹紧毛坯；

步骤六、当刀具需要在智能装夹体周围加工，装夹体需要避让时，控制装夹体升降缸，使装夹头升至最高位置；

步骤七、关闭装夹体升降缸气/液孔，控制摆动气缸，使装夹头沿刀具运动方向旋转90°到达安全位置。