CN104589147B - 一种薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置，包括刚性底盘、机械手臂系统、音圈电机、薄板、立柱、主轴、支架、激光位移传感器、转换器、控制器、驱动器；机械手臂系统控制四个机械手臂跟随机床主轴的进给运动；控制器对振动位移信号进行采集、处理并输出相应的控制电压对音圈电机进行控制；刚性底盘为八边形的钢质材料，安置于机床加工槽内，其上配置有用以安装立柱和四个机械手臂的结构；音圈电机用以对薄板提供辅助支撑以及抑制其振动；激光位移传感器用以检测薄板的振动位移。本发明使得抑振装置实时跟随铣削刀具的进给移动，从而对薄壁件的铣削振动实现了随动抑制，大幅提高了薄壁件铣削加工的表面质量和精度。
Description
技术领域
本发明属于薄壁件铣削技术领域，更具体地，涉及一种薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置。
背景技术
制造业在世界工业化进程中始终发挥着主体作用，一个国家经济的崛起很大程度上取决于制造业的发展。薄壁件已广泛运用于航空航天领域，其制造能力和水平代表了国家制造业的核心竞争力。薄壁件以尺寸大(如长桁、大梁、壁板等)，结构形状复杂(如具有各种形式的槽腔结构、下陷、加强筋及凸缘，带有变斜角、空间复杂曲面等)，薄壁结构(壁板、整体框、肋等)、材料去除率高(部分零件可达90％以上)，尺寸及位置精度要求高，零件表面质量要求高，零件品种规格多但批量较小等为特征。
在数控铣削过程中，由于切削力和其他不确定载荷的作用，工艺系统会发生振动，而振动的发生会严重影响工件的加工表面质量和精度，制约加工工艺的发展；由于薄壁件具有上述的结构复杂性与加工难度，所以通过改变加工工艺参数、调整转速和切深的传统被动方法来抑制铣削振动已经无法满足薄壁件在铣削加工时对振动的实时抑制要求，故严重制约了薄壁件铣削加工的效率，降低了其表面质量。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置，旨在解决现有技术中薄壁零件在铣削时容易出现的严重影响加工表面质量和精度的振动问题。
本发明提供了一种薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置，包括刚性底盘、机械手臂系统、音圈电机、薄板、立柱、主轴(含刀柄和刀具)、支架、激光位移传感器、激光位移传感器的转换器、控制器、显示器、音圈电机的驱动器；所述的机械手臂系统用以控制四个机械手臂跟随机床主轴的进给运动；所述的音圈电机共四个，分别为第一、第二和第三音圈电机以及第四音圈电机，用以对薄板提供辅助支撑以及抑制薄板的振动；所述的控制器为NI控制器，内含7852、4472等控制板卡，用以对振动位移信号进行采集、处理并输出相应的控制电压对四个音圈电机进行控制；所述的刚性底盘为八边形的钢质材料，其上配置有用以安装立柱和四个机械手臂的结构；所述的激光位移传感器用以检测薄板的振动位移。
其中薄板可以采用铝合金薄板。
其中上述各器件的整体位置关系为：所述的机械手臂系统以对称方式安装于刚性底盘的边缘，薄板通过安装在刚性底盘上的立柱固定在刚性底盘上方，音圈电机被机械手臂系统夹持且位于薄板下方，并可以紧贴刚性底盘的表面做水平移动，立式主轴垂直于薄板并位于其上方，主轴刀柄上安装有支架，支架上安装有激光位移传感器。
具体的，所述的机械手臂系统包括四个机械手臂，一个伺服电机驱动器，一个机械手臂控制模块；四个机械手臂对称位于八边形刚性底盘的边缘，且其中的第一、第二、第三音圈电机位于一个等边三角形的三个顶点处，而第四音圈电机位于该等边三角形的中心点处；同时，每一个机械手臂都有两个关节，这两个关节通过两个伺服电机来驱动(故共有八个伺服电机)，这两个伺服电机分别位于八边形刚性底盘的上方和下方；每一个机械手臂的末端都位于刚性底盘的上方且安装有一个音圈电机，这些伺服电机通过伺服电机驱动器连接于机械手臂控制模块中，由该控制模块控制这八个伺服电机的工作，使其带动四个音圈电机跟随机床主轴的进给速度和方向。
具体的，所述的四个音圈电机分别被四个机械手臂的末端夹持，并且第一、第二和第三音圈电机位于一个等边三角形的三个顶点处，第四音圈电机位于该等边三角形的中心点处。
具体的，所述的立柱固定在刚性底盘上，薄板的四个角被固定在立柱上，使得薄板与刚性底盘之间的距离在18～22cm之间(因为薄板下方要放置音圈电机，音圈电机本身有一定的高度且同时需要保证音圈电机在做上下运动时可以接触到薄板)。
具体的，所述的激光位移传感器共有三个，安装于一个等边三角形支架上，该支架固定在机床刀柄上，且这三个激光位移传感器分别位于该等边三角形支架的三个顶点处，用以检测薄板的振动位移；在铣削加工时，确保安装在支架上的三个激光位移传感器所发出的激光点与安装在第一、第二和第三机械手臂末端的第一、第二和第三音圈电机的作用点重合，此时位于薄板下方等边三角形中心点处的第四音圈电机的作用点将与刀具接触薄板时的铣削点重合。
具体的，工作时，先把位于薄板下方等边三角形中心点处的第四音圈电机取下，换上一个激光位移传感器LS，使此时的机械手臂系统不工作，然后铣削刀具开始在固定点铣削，得到四个激光位移传感器的输出信号，通过离线辨识与建模方法，得到激光位移传感器LS的测量信号与其他三个激光位移传感器所测信号之间的关系模型，并用后者来表示前者；随后将激光位移传感器LS取下，换上第四音圈电机，铣削开始：在四个机械手臂所能覆盖的公共区域内，刀具开始对薄板进行铣削，三个激光位移传感器将测量的位移信号在其转换器中转换为电压信号，然后将该电压信号输入到NI控制器中，NI控制器经过相应的处理后，输出四个控制电压信号给四个音圈电机的驱动器，驱动器将该电压信号进行放大转换后输出四个控制电流作用在相应的音圈电机上，使其产生相应的控制力以抑制各自作用点处薄板的振动；由于薄板刚性差，所以铣削进行时会产生很大的变形，而四个音圈电机在抑制振动的同时也起到了辅助支撑的作用；同时，机械手臂控制模块控制四个机械手臂按照机床主轴事先设定好的进给速度和方向进行移动，使得机械手臂系统的移动与主轴的进给运动保持一致；在此过程中，观察NI控制器中得到的各点的振动位移信号，然后不断调节NI控制器中的相关参数，使得各点处的振动位移幅值达到最小，从而实现了薄壁件铣削振动的随动抑制。
本发明可以使得抑振装置实时跟随铣削刀具的移动，并且对振动的测量点与对振动抑制的作用点重合，从而对薄壁件在铣削时的振动实现了精确的随动抑制，大幅提高了薄壁件铣削加工时的表面质量和精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的机械手臂系统与音圈电机的布局示意图；
图3为本发明实施例提供的主轴与刀柄上安装的激光位移传感器的布局示意图；
其中，1为刚性底盘、2为第一、第二和第三音圈电机、3为第四音圈电机、4为立柱、5为薄板、6为主轴(含刀柄和刀具)、7为等边三角形支架、8为等边三角形支架顶点处的三个激光位移传感器、9为第一、第二和第三机械手臂、10为第四机械手臂、11为伺服电机驱动器、12为机械手臂控制模块、13为转换器、14为显示器、15为控制器、16为驱动器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
薄壁件由于其具有尺寸大、结构形状复杂、材料去除率高、位置精度要求高等特点，以及在铣削时会存在切削力和其他不确定载荷的作用，造成加工时工艺系统会发生振动，而振动的发生极大降低了薄壁件的加工表面质量和效率。
多机械手臂随动抑制装置可以实时跟随铣削加工点的移动，并且对振动的测量点与对振动抑制的作用点重合，从而对薄壁件的铣削振动进行精确的随动抑制，提高了加工表面质量和效率。本发明以激光位移传感器来检测相应的音圈电机在薄板上的作用点处的振动位移，并发送给NI控制器进行处理，NI控制器输出控制电压对音圈电机的振动进行实时控制以抑制薄板在铣削时的振动；同时在铣削主轴的移动过程中，机械手臂系统带动音圈跟随主轴的进给运动，对铣削路径上多点的振动进行全程实时抑制。下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在本发明实施例中，薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置，用于主动抑制铣削加工中薄壁件的振动，并采用柔性铝合金薄板作为薄壁件的代表，所选择的铝合金薄板为正方形，边长为40cm,厚度为3mm；如图1所示，该装置包括刚性底盘1、机械手臂系统、第一音圈电机、第二音圈电机、第三音圈电机(图中均标记为2)和第四音圈电机3、四个刚性立柱(图中均标记为4)、铝合金薄板5、主轴6(含刀柄和刀具)、支架7、三个激光位移传感器(图中均标记为8)、激光位移传感器的转换器13、显示器14、NI控制器15、音圈电机的驱动器16；其中，机械手臂系统包括四个机械手臂(在图1中，与第四音圈电机3连接的机械手臂标记为10，与图1中标记为2的音圈电机所连接的第一、第二、第三机械手臂均标记为9)、八个伺服电机、一个伺服电机驱动器11，一个机械手臂控制模块12。
其中上述各器件的整体位置关系为：所述的机械手臂系统安装于刚性底盘的边缘，薄板通过安装在刚性底盘上的立柱固定在刚性底盘上方，音圈电机被机械手臂系统夹持且位于薄板下方，并可以紧贴刚性底盘的表面做水平移动，立式主轴垂直于薄板并位于其上方，主轴刀柄上安装有支架，支架上安装有激光位移传感器。
具体的，如图2所示，其中，机械手臂系统共有四个机械手臂，分别为第一、第二和第三机械手臂(图中均标记为9)和第四机械手臂10，这四个机械手臂对称位于八边形刚性底盘1的边缘，每一个机械手臂都有两个关节，这两个关节通过两个伺服电机来驱动，这两个伺服电机分别位于八边形刚性底盘1的上方和下方，每一个机械手臂的末端都位于刚性底盘1的上方且安装有一个音圈电机，这些伺服电机通过驱动器11连接于机械手臂控制模块12中，由该机械手臂控制模块12控制该机械手臂系统的八个伺服电机的工作，使其带动四个音圈电机跟随机床主轴6的进给速度和方向；同时，第一、第二和第三机械手臂(图中均标记为9)以及第四机械手臂10安装固定在刚性底盘1上，同时，第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)安装于第一、第二和第三机械手臂(图中均标记为9)的上方关节末端处，且第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)构成一个等边三角形，并位于该等边三角形的三个顶点处，第四音圈电机3安装于第四机械手臂10的上方关节末端处，并位于上述等边三角形的中心点处；四个刚性立柱(图中均标记为4)被固定在刚性底盘1上，并且铝合金薄板5的四个角被固定四个刚性立柱(图中均标记为4)上，保持铝合金薄板5在刚性底盘1上方约20cm处(因为薄板下方要放置音圈电机，音圈电机本身有一定的高度且同时需要保证音圈电机在做上下运动时可以接触到薄板)，最后将该刚性底盘1连同其上方的所有器件一起固定在机床的加工槽内；立式铣床的主轴6垂直于铝合金薄板5并位于其上方，如图3所示，等边三角形的刚性支架7固定在主轴6的刀柄上，其三个顶点处安装有三个激光位移传感器(在图中均标记为8)，保证三个激光位移传感器(在图中均标记为8)的测量点与第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)在铝合金薄板5上的作用点重合，用以测量第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)作用点处铝合金薄板5的振动位移，此时主轴6的轴心穿过三个激光位移传感器(在图中均标记为8)构成的等边三角形的中心，故刀具在铝合金薄板5上方的铣削点与第四音圈电机3的作用点在铝合金薄板5上重合，即第四音圈电机3可以用以抑制铣削点处铝合金薄板5的振动；上述三个激光位移传感器(在图中均标记为8)连接在激光位移传感器的转换器13上，该转换器13可以显示测量的振动位移，其输出端连接到NI控制器15中，NI控制器15对这三个激光位移传感器(在图中均标记为8)的测量值进行处理，并输出四路控制信号到四个音圈电机的驱动器(在图中均标记为16)中，四个驱动器(在图中均标记为16)的输出分别和第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)以及第四音圈电机3相连接，以控制它们各自的振动幅值、相位和频率，进而对铝合金薄板5的振动进行相应的抑制。
本发明中的三个激光位移传感器(在图中均标记为8)与第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)以及第四音圈电机3的配合原理为：铝合金薄板5上方的三个激光位移传感器(在图中均标记为8)与铝合金薄板5下方的第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)一一对应，即三个激光位移传感器(图中均标记为8)的测量点与第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)的作用点位于铝合金薄板5上下方的同一点处，即同一点处的振动位移输入给NI控制器15，NI控制器15的输出用以抑制同一点处的振动；主轴6在铝合金薄板5上的铣削点与铝合金薄板5下方位于三角形中心点处的第四音圈电机3在铝合金薄板5上的作用点重合，故第四音圈电机3用以抑制铣削点处的振动。
本发明中机床的进给与第一、第二和第三机械手臂(图中均标记为9)以及第四机械手臂10的配合原理为：机械手臂系统的机械手臂控制模块12控制第一、第二和第三机械手臂(图中均标记为9)和第四机械手臂10进而带动第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)和第四音圈电机3进行水平移动，其移动的速度和方向与数控机床主轴6的进给速度和方向保持一致。
本发明中提到的铣削区域为第一、第二和第三机械手臂(图中均标记为9)和第四机械手臂10所能覆盖的公共区域，以实现对铣削振动的实时随动抑制。
下面结合附图对本发明的实施例做详细介绍：
首先，装置安装：将机械手臂系统按照上述连接以及安装方式固定于刚性底盘1上，其中第一、第二和第三机械手臂(图中均标记为9)和第四机械手臂10的末端都带有一个音圈电机；然后使用四个立柱(图中均标记为4)将铝合金薄板5也固定在刚性底盘1上，使得第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)以及第四音圈电机3的顶端距离铝合金薄板5约2mm(保证音圈电机可以接触到薄板以产生反作用力来抑制其振动)；同时按照上述安装方式将该刚性底盘1固定于机床的加工槽内；调整安装在刀柄上的等边三角形支架7，使得三个激光位移传感器(在图中均标记为8)所打出的激光点与第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)的作用点在铝合金薄板5上重合，此时刀具的铣削起始点将与第四音圈电机3在铝合金薄板5上的作用点重合，同时需确保铣削区域始终在四个机械手臂所能覆盖的公共加工区域内，且在该区域内四个机械手臂的移动互不干涉。
其次，设备调试：铣削开始前，需对第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)以及第四音圈电机3进行调试，使其输入电流与输出力之间呈线性关系，以确保可以得到与输入电流相似的输出力；此外，还需调整三个激光位移传感器(图中均标记为8)的显示，使其初始值为0，便于在NI控制器中显示和观察；最后调试机械手臂系统的机械手臂控制模块12，确保其可以同时控制第一、第二和第三机械手臂(图中均标记为9)和第四机械手臂10上的八个伺服电机，实现第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)以及第四音圈电机3与机床主轴6的进给运动同步。
然后，铣削测试：把铝合金薄板5下方位于三角形中心点处的第四音圈电机3取下，换上一个激光位移传感器LS，使其发出的激光点与第四音圈电机3的作用点重合，并且使得此时的机械手臂系统不工作；铣削刀具接触铝合金薄板5，开始在固定点铣削，四个激光位移传感器检测到相应的振动信号，将该组振动波形记为W1，随后铣削停止，采用离线辨识和建模的方法，得出刀柄上方的三个激光位移传感器(在图中均标记为8)所测得的振动信号与铝合金薄板5下方三角形中心点处的激光位移传感器LS所测得的信号之间的模型关系，并用前者的三个测量信号S1来表示后者的一个测量信号S2，用于控制在后续的铣削实验中第四音圈电机3的振动；模型辨识结束后，将铝合金薄板5激光位移传感器LS取下，换上第四音圈电机3，按照前述要求固定好第四音圈电机3的位置，并在NI控制器15中将辨识得到的结果应用于刀柄上安装的三个激光位移传感器(在图中均标记为8)所测量的信号上，得出一个综合的振动位移信号S3，作为第四路控制信号，用以控制铝合金薄板5下方的第四音圈电机3。
最后，铣削正式开始：在各机械手臂所能覆盖的公共区域内，刀具接触到铝合金薄板5并开始铣削，三个激光位移传感器(在图中均标记为8)将测量的位移信号在其转换器13中转化电压信号，然后该电压信号输入到NI控制器15中，NI控制器15经过相应的处理，输出四个控制电压信号连接到第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)以及第四音圈电机3的驱动器(在图中均标记为16)中，驱动器(在图中均标记为16)将该电压信号进行放大转换后输出四个控制电流作用在第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)以及第四音圈电机3上，使其产生相应的控制力以抑制各自作用点处铝合金薄板5的振动；由于铝合金薄板5刚性差，所以铣削进行时会产生很大的变形，而第一、第二和第三音圈电机(图中均标记为2)以及第四音圈电机3在抑制薄板振动的同时也对其起到了辅助支撑的作用；同时，机械手臂系统的机械手臂控制模块12控制第一、第二和第三机械手臂(图中均标记为9)和第四机械手臂10按照机床主轴6事先设定好的进给速度和方向进行移动，使得四个机械手臂带动四个音圈电机移动，并与主轴6的进给运动保持一致；在此过程中，在显示器14中观察NI控制器15得到的各点的振动位移信号，然后不断调节NI控制器15的参数，使得各点处的振动位移幅值达到最小，并将此时该组振动位移的波形记为W2。
通过对比铣削测试时(无振动控制)所测得的铝合金薄板5的振动位移W1与使用多机械手臂随动抑制后的铝合金薄板5振动位移W2可知，本发明所提出的多机械手臂随动抑制装置可以实时有效的随动抑制薄壁件在铣削加工过程中的振动，进而提高了薄壁件的铣削加工表面质量和精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置，包括刚性底盘(1)，薄板(5)，主轴(6)，显示器(14)，控制器(15)和音圈电机驱动器(16)；其特征在于，还包括：机械手臂系统，第一、第二和第三音圈电机(2)，第四音圈电机(3)，四个刚性立柱(4)，支架(7)，三个激光位移传感器(8)和转换器(13)；
所述刚性底盘(1)为八边形的钢质材料，安置于机床加工槽内；
所述机械手臂系统包括第一、第二和第三机械手臂(9)，第四机械手臂(10)，八个伺服电机，伺服电机驱动器(11)和机械手臂控制模块(12)；
所述第一、第二和第三机械手臂(9)和第四机械手臂(10)分别对称位于八边形刚性底盘(1)的边缘，每一个机械手臂都有两个关节，这两个关节通过两个伺服电机来驱动，这两个伺服电机分别位于八边形刚性底盘(1)的上方和下方，每一个机械手臂的末端都位于刚性底盘(1)的上方且安装有一个音圈电机，伺服电机通过驱动器(11)连接于机械手臂控制模块(12)中，由机械手臂控制模块(12)控制该机械手臂系统的八个伺服电机的工作，使其带动四个音圈电机跟随机床的主轴(6)的进给速度和方向；
第一、第二和第三音圈电机(2)构成一个等边三角形，且第一、第二和第三音圈电机(2)分别位于该等边三角形的三个顶点处，所述第四音圈电机(3)位于所述等边三角形的中心点处；
四个刚性立柱(4)对称固定在所述刚性底盘(1)上，所述薄板(5)的四个角被固定在四个刚性立柱(4)上；
三个激光位移传感器(8)安装在等边三角形的支架(7)上，并分别位于等边三角形的三个顶点处，所述支架(7)固定在机床的主轴(6)的刀柄上，所述激光位移传感器(8)用于检测所述薄板(5)的振动位移；
所述转换器(13)的输入端与激光位移传感器(8)连接，用于将振动位移转化为电压后输出显示；
所述控制器(15)的输入端与所述转换器(13)的输出端连接，所述控制器(15)的输出端与音圈电机驱动器(16)连接，所述显示器(14)与所述控制器(15)连接；
所述控制器(15)对三个激光位移传感器(8)的测量值进行处理，并输出四路控制信号到四个音圈电机驱动器(16)中，四个音圈电机驱动器(16)的输出分别和第一、第二和第三音圈电机(2)以及第四音圈电机(3)相连接，用于控制它们各自的振动幅值、相位和频率，从而对所述薄板(5)的振动进行相应的抑制。
2.如权利要求1所述的随动抑制装置，其特征在于，在铣削加工时，安装在支架(7)上的三个激光位移传感器(8)所发出的激光点与安装在第一、第二和第三机械手臂(9)的上方关节末端处的第一、第二和第三音圈电机(2)的作用点在所述薄板(5)上重合，此时位于等边三角形中心点处的第四音圈电机(3)的作用点将与刀具接触所述薄板(5)时的铣削点重合。
3.如权利要求1所述的随动抑制装置，其特征在于，工作时，先将位于所述薄板下方的等边三角形中心处的第四音圈电机(3)下，换上一个激光位移传感器LS，使此时的机械手臂系统不工作，然后铣削刀具开始在固定点铣削，得到四个激光位移传感器的输出信号，通过离线辨识与建模方法，得到激光位移传感器LS的测量信号与其他三个激光位移传感器(8)所测信号之间的关系模型，并用后者来表示前者；随后将激光位移传感器LS取下，换上第四音圈电机(3)，铣削开始：在四个机械手臂所能覆盖的公共区域内，刀具开始对所述薄板(5)进行铣削，三个激光位移传感器(8)将测量的位移信号在其转换器中转化为电压信号，然后该电压信号输入到控制器(15)中，控制器(15)经过相应的处理后输出四个控制电压信号连接到四个音圈电机的驱动器(16)中，驱动器(16)将该电压信号进行放大转换后输出四个控制电流分别作用在第一、第二和第三音圈电机(2)以及第四音圈电机(3)上，使其产生相应的控制力以抑制各自作用点处所述薄板(5)的振动；并且由于所述薄板(5)的刚性较差，所以铣削进行时会产生很大的变形，而四个音圈电机在抑制振动的同时也起到了辅助支撑的作用；同时，机械手臂控制模块(12)控制四个机械手臂按照机床主轴(6)事先设定好的进给速度和方向进行移动，使得第一、第二和第三机械手臂(9)以及第四机械手臂(10)的移动与主轴(6)的进给运动保持一致；在此过程中，在显示器(14)中观察控制器(15)得到的各点的振动位移信号，然后通过不断调节控制器(15)中的相关的参数，使得各点处的振动位移幅值达到最小，进而实现了薄壁件铣削振动的随动抑制。
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