CN105269449A - 一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置 - Google Patents

一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置 Download PDF

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Abstract

一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，涉及微细加工技术领域。解决了挠性接头零件难加工，且不能在加工过程中测量力的问题。研磨主轴及测力模块、垂直运动轴、XY正交精密位移台、直驱分度模块中的电机运转，共实现5个运动自由度，XY正交精密位移台实现水平方向上的两个自由度的运动，垂直运动轴完成上下运动，直驱分度模块完成高精度的分度回转运动，完成研磨。在研磨时产生的研磨力和接触力通过研磨主轴及测力模块中检测出来，工业控制计算机根据该研磨力信号和接触力信号的大小实时调整研磨主轴及测力模块、垂直运动轴、XY正交精密位移台、直驱分度模块的位置。它适用于其他研磨及测量。

Description

一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置
技术领域
本发明涉及微细加工技术领域。
背景技术
挠性接头细颈对尺寸形状精度和表面质量的严格要求使得其加工难度非常高，国内尚没有对挠性接头进行精密研磨加工和测量的专用设备，研磨与测量分别在普通精度的设备上进行，难以保证一次加工后零件尺寸的一致性。当前挠性接头的研磨加工主要依靠手工研磨，，对研磨去除量无法精确地定量控制，所以迫切需要一种适用于微小尺度细颈研磨的装置及测量方法。
国内外对于微小孔的光整加工主要包括磁力研磨、磨料射流、以及各种形状的研磨杆直接研磨，其中磁力研磨需要构成数对磁极，这对于微小的接头来说难于实现。同样，磨料射流方式需要将旋转喷嘴深入孔的内部，而接头的孔径只有2mm左右，并且这两种方式均没有对磨料进行有效约束，在孔的边缘的去除量与中部有差异，导致加工后形状误差变大。使用研磨杆将磨料挤压在内孔表面可以保证均匀去除，但是这对研磨杆与内孔的定位要求更加严格，当前国内外尚无挠性接头专用研磨装置研制的报道。
实际生产中无法做到一次装夹完成所有加工，因此孔径及孔的方位测量是很重要的环节，接头测量主要有基于显微视觉的图像处理方法和探针接触法，图像处理的方法只能对接头外部的尺寸如细颈厚度进行测量，无法测得孔的方位。接触式测量需要专门的电测头配套信号采集处理装置，装置较复杂，但是对内孔的测量策略具有借鉴意义。
在研磨装置上安装力或力矩传感器可以实现研磨力的实时监测和控制，传感器的设计和布置是首先要考虑的问题。文献中的力传感器反馈控制装置中设计的测力装置往往仅有一维的传感器，而挠性接头圆孔的复杂性要求其至少具有两个方向的测量自由度，给传感器的设计带来难度。
发明内容
本发明的目的是解决挠性接头零件难加工，且不能在加工过程中测量力的问题，提出了一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置。
一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，它包括研磨主轴及测力模块1、主轴安装座2、垂直运动轴3、大理石立柱4、大理石底座5、XY正交精密位移台6、直驱分度模块7、伺服电机驱动器及电源模块8、工业控制计算机9、运动控制卡10、数据采集卡11和动态电阻应变仪12；
研磨主轴及测力模块1固定在主轴安装座2上，主轴安装座2安装在垂直运动轴3上，且沿垂直运动轴3上下运动；垂直运动轴3固定在大理石立柱4上，且沿大理石立柱4垂直运动；大理石立柱4位于大理石底座5上，且二者之间通过大理石底座和大理石立柱内部镶嵌的T形槽及T型螺钉连接；
XY正交精密位移台6位于大理石底座5上，且XY正交精密位移台6控制大理石立柱4沿大理石底座5X轴和Y轴滑动；XY正交精密位移台6位于大理石立柱4的前方；
直驱分度模块7位于XY正交精密位移台6上，且直驱分度模块7位于研磨主轴及测力模块1下方；
伺服电机驱动器及电源模块8的伺服电机驱动器的驱动信号输出端同时与研磨主轴及测力模块1的驱动信号输入端、垂直运动轴3的驱动信号输入端、XY正交精密位移台6驱动信号输入端、直驱分度模块7驱动信号输入端连接；
研磨主轴及测力模块1的测力信号输入输出端连接动态电阻应变仪12的测力信号输出输入端；研磨主轴及测力模块1的接触力信号输入输出端连接动态电阻应变仪12的接触力信号输出输入端；动态电阻应变仪12的力信号输入输出端连接数据采集卡11的力信号输出输入端；数据采集卡11的力信号输入输出端通过PCI总线连接工业控制计算机9的力信号输出输入端；工业控制计算机9的控制信号输入输出端通过PCI总线连接运动控制卡10的控制信号输出输入端；运动控制卡10的控制信号输入输出端与伺服电机驱动器及电源模块8的控制信号输出输入端连接。
研磨主轴及测力模块1包括四片X方向电阻应变片1-1、传感器弹性体1-2、主轴驱动用伺服电机1-3、增量式编码器1-4、主轴支座1-5、联轴机构1-6、传感器安装螺钉1-7、高精度回转主轴1-8、主轴夹紧轴套1-9、研磨工具1-10、弹簧夹头1-11、主轴紧定螺钉1-12、四片Y方向电阻应变片1-13和坐标测针1-14；
X方向电阻应变片1-1和Y方向电阻应变片1-13作为研磨主轴及测力模块1的测力信号输入输出端连接动态电阻应变仪12的测力信号输出输入端；
增量式编码器1-4与主轴驱动用伺服电机1-3的后端同轴连接，主轴驱动用伺服电机1-3的前端通过螺钉固定在联轴机构1-6的上端面上，联轴机构1-6的下端面与高精度回转主轴1-8的一端螺纹连接；
传感器弹性体1-2为中空结构，高精度回转主轴1-8位于传感器弹性体1-2内部，且高精度回转主轴1-8与传感器弹性体1-2的内壁之间设置有1mm的间隙；传感器弹性体1-2通过四个传感器安装螺钉1-7安装于主轴支座1-5上；主轴支座1-5的竖直面上开有四个沉头孔，用于与外部进行支撑固定；
主轴夹紧轴套1-9为薄壁轴套结构，其一侧开有通槽，主轴紧定螺钉1-12放置于该通槽内；主轴夹紧轴套1-9位于高精度回转主轴1-8和传感器弹性体1-2之间的间隙内，并由主轴紧定螺钉1-12锁紧；
弹簧夹头1-11的一端与高精度回转主轴1-8的另一端螺纹连接；研磨工具1-10的顶端深入弹簧夹头1-11内，且由弹簧夹头1-11夹紧；
四片X方向电阻应变片1-1均粘贴于传感器弹性体1-2的下半部分的两个侧面上，每个侧面的中间位置各粘贴两片；
四片Y方向电阻应变片1-13均粘贴于传感器弹性体1-2的上半部分的两个侧面上，每个侧面的中间位置各粘贴两片；
坐标测针1-14位于弹簧夹头1-11内，且由弹簧夹头1-11夹紧；坐标测针1-14与研磨工具1-10之间的距离为3mm～5mm；坐标测针1-14用于测量挠性接头的细颈尺寸、方位及接触力的大小，并将挠性接头的细颈尺寸、方位及接触力的大小发送至动态电阻应变仪12。
传感器弹性体1-2包括X方向一号梁1-2-1、X方向二号梁1-2-2、一号螺纹孔1-2-3、沿X方向的通槽1-2-4、二号螺纹孔1-2-5、Y方向一号梁1-2-6、沿Y方向的通槽1-2-7、Y方向二号梁1-2-8、薄壁1-2-9、通孔1-2-10、U型工艺槽口1-2-11；
传感器弹性体1-2上沿两个相邻的竖直面上切割出通槽，分别为沿X方向的通槽1-2-4和沿Y方向的通槽1-2-7；通槽与传感器弹性体1-2的外表面距离最近的位置形成厚度为0.5mm的薄壁1-2-9；
沿X方向的通槽1-2-4与传感器弹性体1-2的体身构成两个梁，分别为X方向一号梁1-2-1和X方向二号梁1-2-2，且两个梁相互平行，构成X方向的平行梁结构；
沿Y方向的通槽1-2-7与传感器弹性体1-2的体身构成两个梁，分别为Y方向一号梁1-2-6和Y方向二号梁1-2-8，且两个梁相互平行，构成Y方向的平行梁结构；
传感器弹性体1-2的底部加工有两个U型工艺槽口1-2-11，用于粘贴X方向电阻应变片1-1和Y方向电阻应变片1-13；
传感器弹性体1-2中间开有通孔1-2-10，用于安装高精度回转主轴1-8；
传感器弹性体1-2的侧面开有一号螺纹孔1-2-3，用于安装传感器安装螺钉1-7；
传感器弹性体1-2的底面开有二号螺纹孔1-2-5，用于安装主轴紧定螺钉1-12。
XY正交精密位移台6包括上平台6-1、X方向防尘罩6-2、Y方向防尘罩6-3、线缆拖链6-4、两个滚珠丝杠及支撑座6-5、光栅尺及读数头6-6、中平台6-7、Y方向直线导轨滑块6-8、光电接近限位开关6-9、Y方向伺服电机6-10、两根Y方向直线导轨6-11、底板6-12、X方向伺服电机6-13、X方向直线导轨滑块6-14和两根X方向直线导轨6-15；
上平台6-1位于X方向直线导轨滑块6-14上；
X方向直线导轨滑块6-14位于X方向直线导轨6-15上，且沿X方向直线导轨6-15滑动；两根X方向直线导轨6-15平行于X轴设置，且安装于中平台6-7上；
中平台6-7位于Y方向直线导轨滑块6-8上；
Y方向直线导轨滑块6-8位于Y方向直线导轨6-11上，且沿Y方向直线导轨6-11滑动；两根Y方向直线导轨6-11平行于Y轴设置，且安装于底板6-12上；
X方向伺服电机6-13和一个滚珠丝杠及支撑座6-5均位于中平台6-7和上平台6-1之间；X方向伺服电机6-13通过膜片式弹性联轴器与一个滚珠丝杠及支撑座6-5同轴连接，用于驱动中平台6-7沿X方向直线运动；
Y方向伺服电机6-10和另一个滚珠丝杠及支撑座6-5均位于中平台6-7和底座6-12之间；Y方向伺服电机6-10通过膜片式弹性联轴器与另一个滚珠丝杠及支撑座6-5同轴连接，用于驱动中平台6-7沿Y方向直线运动；
光栅尺及读数头6-6中的光栅尺安装在上平台6-1和中平台6-7的侧面；光栅尺及读数头6-6中的读数头安装在中平台6-7和底板6-12上；
X方向防尘罩6-2用于盖住X方向伺服电机6-13和一个滚珠丝杠及支撑座6-5；Y方向防尘罩6-3Y方向伺服电机6-10和另一个滚珠丝杠及支撑座6-5；
伺服电机驱动器及电源模块8的伺服电机驱动器的驱动信号输入输出端通过线缆拖链6-4与Y方向伺服电机6-10和X方向伺服电机6-13的驱动信号输出输入端连接；
光电接近限位开关6-9位于X方向直线导轨6-15和Y方向直线导轨6-11上，用于限制X方向直线导轨滑块6-14或Y方向直线导轨滑块6-8滑出直线导轨。
直驱分度模块7包括20位增量式旋转编码器7-1、伺服电机7-2、安装座7-3、交叉滚柱轴环7-4、弹簧夹头座7-5、直驱分度模块的底板7-6、高精度回转分度轴7-7和挠性接头7-8；
20位增量式旋转编码器7-1的一端连接伺服电机驱动器及电源模块8的伺服电机驱动器；20位增量式旋转编码器7-1的另一端与伺服电机7-2的一端同轴连接；伺服电机7-2的另一端安装在安装座7-3的一侧，交叉滚柱轴环7-4通过六个沉头螺钉固定安装在安装座7-3的另一侧，且伺服电机7-2的输出轴与交叉滚柱轴环7-4的内环相连接；
高精度回转分度轴7-7套接在交叉滚柱轴环7-4上，且二者同轴；
弹簧夹头座7-5通过三个螺钉固定在高精度回转分度轴7-7的内环内，且弹簧夹头座7-5的轴线与高精度回转分度轴7-7的回转轴线同轴；
挠性接头7-8安装在弹簧夹头座7-5上；
安装座7-3固定在直驱分度模块底板7-6上，直驱分度模块底板7-6用于完成与XY正交精密位移台6之间的连接。
伺服电机驱动及电源模块8包括220V单相电源、第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器、第三伺服电机驱动器、第四伺服电机驱动器、一个步进电机驱动器、主电源空气开关、浪涌吸收器和24V-5V线性稳压电源；
220V单相电源的电源信号输出端连接空气开关的一端，空气开关的另一端连接浪涌吸收器的一端，浪涌吸收器的另一端同时连接第一伺服电机驱动器的一端、第二伺服电机驱动器的一端、第三伺服电机驱动器的一端、第四伺服电机驱动器的一端和24V-5V线性稳压电源的一端；
第一伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接研磨主轴及测力模块1的主轴驱动用伺服电机1-3的驱动信号输入端；
第二伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接XY正交精密位移台6的X方向伺服电机6-13的驱动信号输入端；
第三伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接XY正交精密位移台6的Y方向伺服电机6-10的驱动信号输入端；
第四伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接直驱分度模块7的伺服电机7-2的驱动信号输入端；
24V-5V线性稳压电源的电源输出端连接步进电机驱动器的电源输入端；步进电机驱动器的驱动信号输出端连接垂直运动轴3的驱动信号输入端。
本发明基于接触力反馈进行精确定位和加工状态监测的方法，在此基础上进行结构设计，充分考虑到挠性接头的结构复杂性和精度要求，最终研制出可以适用于多种类型挠性接头细颈研磨加工的专用研磨装置。
本发明提出了一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置。将恒接触力二维坐标测量与研磨运动的控制集成在同一套硬件装置。采用圆柱研磨工具放入挠性接头内孔后添加研磨磨料并旋转的研磨方法对挠性接头的细颈部位进行研磨加工，研磨的目的是去除接头薄壁结构的表面变质层，提高表面粗糙度并保证尺寸精度。研磨主轴及测力模块实时获得研磨力和测针与工件的接触力，通过控制接触力恒定的方法进行尺寸测量。本发明采用一套装置同时实现坐标测量和研磨力的测量。五个运动自由度的布局实现了复杂的研磨轨迹，并且测量与研磨的运动互不干涉。
本发明的有益效果：
1.通过专门设计的传感器结构，可以实时测量研磨过程中的接触力，保证薄壁零件在加工中不发生过大变形；
2.由于挠性接头细颈的尺寸微小，传统的离线测量方式存在难以精确定位的问题。本发明将挠性接头零件的加工、检测集成到一台设备上，加工之后可以实现在位测量，大大提高测量的精度，提高测量效率；
3.用多轴精密运动代替手工研磨过程中的手动进给运动，保证运动的精度和运动平稳性，提高研磨后工件的表面质量。
本发明适用于其他研磨及测量。
附图说明
图1为一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置的结构示意图；
图2为研磨时工件与工具之间的相对位置布局示意图；
图3为研磨杆、研磨磨料和挠性接头的位置关系图；
图4为运动轴的布局及主轴及传感器集成模块的结构示意图；
图5为图4的局部放大图；
图6为图4的俯视图；
图7为图4的三维立体结构示意图；
图8为XY正交精密位移台的外部结构示意图；
图9为图8的A向视图；
图10为图8的俯视图；
图11为图8的内部结构图；
图12为直驱分度模块的结构示意图；
图13为图12的侧视图；
图14研磨主轴及测力模块的结构示意图；
图15为图14的B-B方向剖视图；
图16为传感器弹性体的结构示意图；
图17为传感器弹性体的A-A方向剖视图；
图18为图16的局部放大图；
图19为传感器弹性体的外部结构示意图；
图20为图16的仰视图；
附图标记：研磨主轴及测力模块1、主轴安装座2、垂直运动轴3、大理石立柱4、大理石底座5、XY正交精密位移台6、直驱分度模块7、伺服电机驱动器及电源模块8、工业控制计算机9、运动控制卡10、数据采集卡11、动态电阻应变仪12、研磨磨料2-8；
X方向电阻应变片1-1、传感器弹性体1-2、主轴驱动用伺服电机1-3、增量式编码器1-4、主轴支座1-5、联轴机构1-6、传感器安装螺钉1-7、高精度回转主轴1-8、主轴夹紧轴套1-9、研磨工具1-10、弹簧夹头1-11、主轴紧定螺钉1-12、四片Y方向电阻应变片1-13和坐标测针1-14；
X方向一号梁1-2-1、X方向二号梁1-2-2、一号螺纹孔1-2-3、沿X方向的通槽1-2-4、二号螺纹孔1-2-5、Y方向一号梁1-2-6、沿Y方向的通槽1-2-7、Y方向二号梁1-2-8、薄壁1-2-9、通孔1-2-10、U型工艺槽口1-2-11；
上平台6-1、X方向防尘罩6-2、Y方向防尘罩6-3、线缆拖链6-4、两个滚珠丝杠及支撑座6-5、光栅尺及读数头6-6、中平台6-7、Y方向直线导轨滑块6-8、光电接近限位开关6-9、Y方向伺服电机6-10、两根Y方向直线导轨6-11、底板6-12、X方向伺服电机6-13、X方向直线导轨滑块6-14和两根X方向直线导轨6-15；
20位增量式旋转编码器7-1、伺服电机7-2、安装座7-3、交叉滚柱轴环7-4、弹簧夹头座7-5、直驱分度模块的底板7-6、高精度回转分度轴7-7和挠性接头7-8。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图1至图20具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，它包括研磨主轴及测力模块1、主轴安装座2、垂直运动轴3、大理石立柱4、大理石底座5、XY正交精密位移台6、直驱分度模块7、伺服电机驱动器及电源模块8、工业控制计算机9、运动控制卡10、数据采集卡11和动态电阻应变仪12；
研磨主轴及测力模块1固定在主轴安装座2上，主轴安装座2安装在垂直运动轴3上，且沿垂直运动轴3上下运动；垂直运动轴3固定在大理石立柱4上，且沿大理石立柱4垂直运动；大理石立柱4位于大理石底座5上，且二者之间通过大理石底座和大理石立柱内部镶嵌的T形槽及T型螺钉连接；
XY正交精密位移台6位于大理石底座5上，且XY正交精密位移台6控制大理石立柱4沿大理石底座5X轴和Y轴滑动；XY正交精密位移台6位于大理石立柱4的前方；
直驱分度模块7位于XY正交精密位移台6上，且直驱分度模块7位于研磨主轴及测力模块1下方；
伺服电机驱动器及电源模块8的伺服电机驱动器的驱动信号输出端同时与研磨主轴及测力模块1的驱动信号输入端、垂直运动轴3的驱动信号输入端、XY正交精密位移台6驱动信号输入端、直驱分度模块7驱动信号输入端连接；
研磨主轴及测力模块1的测力信号输入输出端连接动态电阻应变仪12的测力信号输出输入端；研磨主轴及测力模块1的接触力信号输入输出端连接动态电阻应变仪12的接触力信号输出输入端；动态电阻应变仪12的力信号输入输出端连接数据采集卡11的力信号输出输入端；数据采集卡11的力信号输入输出端通过PCI总线连接工业控制计算机9的力信号输出输入端；工业控制计算机9的控制信号输入输出端通过PCI总线连接运动控制卡10的控制信号输出输入端；运动控制卡10的控制信号输入输出端与伺服电机驱动器及电源模块8的控制信号输出输入端连接。
本实施方式中，本发明的装置通过研磨工具回转的方式去除薄壁结构的表面变质层，提高表面粗糙度并保证尺寸精度。
工作原理：工业控制计算机9通过运动控制卡10向伺服电机驱动器及电源模块8发送运动控制指令，伺服电机驱动器及电源模块8中的伺服电机驱动器分别向研磨主轴及测力模块1、垂直运动轴3、XY正交精密位移台6、直驱分度模块7发送驱动信号；研磨主轴及测力模块1、垂直运动轴3、XY正交精密位移台6、直驱分度模块7中的电机接收到驱动信号后，相应的驱动研磨主轴及测力模块1电机运转、驱动垂直运动轴3做上下垂直运动、驱动XY正交精密位移台6做X方向和Y方向运动、驱动直驱分度模块7做分度回转运动，直驱分度模块7随着XY正交精密位移台6运动，研磨主轴及测力模块1随着垂直运动轴3运动，使研磨主轴及测力模块1位于直驱分度模块7的正上方，且研磨主轴及测力模块1的研磨杆插入直驱分度模块7的挠性接头内，并开始研磨。研磨时产生的研磨力和接触力通过研磨主轴及测力模块1中的测力模块检测出来，并通过动态电阻应变仪12放大及滤波出来后，经过屏蔽线缆传输到数据采集卡11中，并通过数据采集卡11发送至工业控制计算机9内，工业控制计算机9实时记录、显示及处理研磨力信号和接触力信号，工业控制计算机9根据该研磨力信号和接触力信号的大小，根据需要，实时调整研磨主轴及测力模块1、垂直运动轴3、XY正交精密位移台6、直驱分度模块7的位置，实现了挠性接头零件的加工。
本发明不仅解决了挠性接头零件难加工的问题，还完成了研磨过程中的力的测量。本发明所述的装置，简单，便捷，易于推广。
本发明所述的装置，共实现5个运动自由度，其运动轴的布局如图4至图7所示，XY正交精密位移台6能够实现水平方向上的两个自由度的运动，并且运动的方向相互垂直，垂直运动轴3完成上下运动，直驱分度模块7完成高精度的分度回转运动，其回转轴线沿X方向布置，研磨主轴及测力模块1的回转轴线沿Z方向。
所有的直线运动轴部件都安装在大理石底座5和大理石立柱4上，XY正交精密位移台6安装在大理石底座5上，垂直运动轴3安装在大理石立柱4上。大理石底座5和大理石立柱4之间通过大理石底座和立柱内部镶嵌的T形槽及T型螺钉连接。
具体实施方式二、参照图4、图5、图14至图20说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置的进一步说明，本实施方式中，研磨主轴及测力模块1包括四片X方向电阻应变片1-1、传感器弹性体1-2、主轴驱动用伺服电机1-3、增量式编码器1-4、主轴支座1-5、联轴机构1-6、传感器安装螺钉1-7、高精度回转主轴1-8、主轴夹紧轴套1-9、研磨工具1-10、弹簧夹头1-11、主轴紧定螺钉1-12、四片Y方向电阻应变片1-13和坐标测针1-14；
X方向电阻应变片1-1和Y方向电阻应变片1-13作为研磨主轴及测力模块1的测力信号输入输出端连接动态电阻应变仪12的测力信号输出输入端；
增量式编码器1-4与主轴驱动用伺服电机1-3的后端同轴连接，主轴驱动用伺服电机1-3的前端通过螺钉固定在联轴机构1-6的上端面上，联轴机构1-6的下端面与高精度回转主轴1-8的一端螺纹连接；
传感器弹性体1-2为中空结构，高精度回转主轴1-8位于传感器弹性体1-2内部，且高精度回转主轴1-8与传感器弹性体1-2的内壁之间设置有1mm的间隙；传感器弹性体1-2通过四个传感器安装螺钉1-7安装于主轴支座1-5上；主轴支座1-5的竖直面上开有四个沉头孔，用于与外部进行支撑固定；
主轴夹紧轴套1-9为薄壁轴套结构，其一侧开有通槽，主轴紧定螺钉1-12放置于该通槽内；主轴夹紧轴套1-9位于高精度回转主轴1-8和传感器弹性体1-2之间的间隙内，并由主轴紧定螺钉1-12锁紧；
弹簧夹头1-11的一端与高精度回转主轴1-8的另一端螺纹连接；研磨工具1-10的顶端深入弹簧夹头1-11内，且由弹簧夹头1-11夹紧；
四片X方向电阻应变片1-1均粘贴于传感器弹性体1-2的下半部分的两个侧面上，每个侧面的中间位置各粘贴两片；
四片Y方向电阻应变片1-13均粘贴于传感器弹性体1-2的上半部分的两个侧面上，每个侧面的中间位置各粘贴两片；
坐标测针1-14位于弹簧夹头1-11内，且由弹簧夹头1-11夹紧；坐标测针1-14与研磨工具1-10之间的距离为3mm～5mm；坐标测针1-14用于测量挠性接头的细颈尺寸、方位及接触力的大小，动态电阻应变仪12并将挠性接头的细颈尺寸、方位及接触力的大小发送至动态电阻应变仪12。
具体实施方式三、参照图4、图5、图14至图20说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置的进一步说明，本实施方式中，传感器弹性体1-2包括X方向一号梁1-2-1、X方向二号梁1-2-2、一号螺纹孔1-2-3、沿X方向的通槽1-2-4、二号螺纹孔1-2-5、Y方向一号梁1-2-6、沿Y方向的通槽1-2-7、Y方向二号梁1-2-8、薄壁1-2-9、通孔1-2-10、U型工艺槽口1-2-11传感器弹性体1-2上沿两个相邻的竖直面上切割出通槽，分别为沿X方向的通槽1-2-4和沿Y方向的通槽1-2-7；通槽与传感器弹性体1-2的外表面距离最近的位置形成厚度为0.5mm的薄壁1-2-9；
沿X方向的通槽1-2-4与传感器弹性体1-2的体身构成两个梁，分别为X方向一号梁1-2-1和X方向二号梁1-2-2，且两个梁相互平行，构成X方向的平行梁结构；
沿Y方向的通槽1-2-7与传感器弹性体1-2的体身构成两个梁，分别为Y方向一号梁1-2-6和Y方向二号梁1-2-8，且两个梁相互平行，构成Y方向的平行梁结构；
传感器弹性体1-2的底部加工有两个U型工艺槽口1-2-11，用于粘贴X方向电阻应变片1-1和Y方向电阻应变片1-13；
传感器弹性体1-2中间开有通孔1-2-10，用于安装高精度回转主轴1-8；
传感器弹性体1-2的侧面开有一号螺纹孔1-2-3，用于安装传感器安装螺钉1-7；
传感器弹性体1-2的底面开有二号螺纹孔1-2-5，用于安装主轴紧定螺钉1-12。
具体实施方式四、参照图8、图9、图10和图11说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置的进一步说明，本实施方式中，XY正交精密位移台6包括上平台6-1、X方向防尘罩6-2、Y方向防尘罩6-3、线缆拖链6-4、两个滚珠丝杠及支撑座6-5、光栅尺及读数头6-6、中平台6-7、Y方向直线导轨滑块6-8、光电接近限位开关6-9、Y方向伺服电机6-10、两根Y方向直线导轨6-11、底板6-12、X方向伺服电机6-13、X方向直线导轨滑块6-14和两根X方向直线导轨6-15；
上平台6-1位于X方向直线导轨滑块6-14上；
X方向直线导轨滑块6-14位于X方向直线导轨6-15上，且沿X方向直线导轨6-15滑动；两根X方向直线导轨6-15平行于X轴设置，且安装于中平台6-7上；
中平台6-7位于Y方向直线导轨滑块6-8上；
Y方向直线导轨滑块6-8位于Y方向直线导轨6-11上，且沿Y方向直线导轨6-11滑动；两根Y方向直线导轨6-11平行于Y轴设置，且安装于底板6-12上；
X方向伺服电机6-13和一个滚珠丝杠及支撑座6-5均位于中平台6-7和上平台6-1之间；X方向伺服电机6-13通过膜片式弹性联轴器与一个滚珠丝杠及支撑座6-5同轴连接，用于驱动中平台6-7沿X方向直线运动；
Y方向伺服电机6-10和另一个滚珠丝杠及支撑座6-5均位于中平台6-7和底座6-12之间；Y方向伺服电机6-10通过膜片式弹性联轴器与另一个滚珠丝杠及支撑座6-5同轴连接，用于驱动中平台6-7沿Y方向直线运动；
光栅尺及读数头6-6中的光栅尺安装在上平台6-1和中平台6-7的侧面；光栅尺及读数头6-6中的读数头安装在中平台6-7和底板6-12上；
X方向防尘罩6-2用于盖住X方向伺服电机6-13和一个滚珠丝杠及支撑座6-5；Y方向防尘罩6-3Y方向伺服电机6-10和另一个滚珠丝杠及支撑座6-5；
伺服电机驱动器及电源模块8的伺服电机驱动器的驱动信号输入输出端通过线缆拖链6-4与Y方向伺服电机6-10和X方向伺服电机6-13的驱动信号输出输入端连接；
光电接近限位开关6-9位于X方向直线导轨6-15和Y方向直线导轨6-11上，用于限制X方向直线导轨滑块6-14或Y方向直线导轨滑块6-8滑出直线导轨。
本实施方式中，XY正交精密位移台6平台为整体式设计，主要由三个台面层叠而成，XY两轴的垂直度由中间台面的加工精度保证，总体结构紧凑，高度大大降低。上平台6-1、中平台6-7和底板6-12均采用高刚性铝合金6061-T6材料制成。
具体实施方式五、参照图2、图12和图13说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置的进一步说明，本实施方式中，直驱分度模块7包括20位增量式旋转编码器7-1、伺服电机7-2、安装座7-3、交叉滚柱轴环7-4、弹簧夹头座7-5、直驱分度模块的底板7-6、高精度回转分度轴7-7和挠性接头7-8；
20位增量式旋转编码器7-1的一端连接伺服电机驱动器及电源模块8的伺服电机驱动器；20位增量式旋转编码器7-1的另一端与伺服电机7-2的一端同轴连接；伺服电机7-2的另一端安装在安装座7-3的一侧，交叉滚柱轴环7-4通过六个沉头螺钉固定安装在安装座7-3的另一侧，且伺服电机7-2的输出轴与交叉滚柱轴环7-4的内环相连接；
高精度回转分度轴7-7套接在交叉滚柱轴环7-4上，且二者同轴；
弹簧夹头座7-5通过三个螺钉固定在高精度回转分度轴7-7的内环内，且弹簧夹头座7-5的轴线与高精度回转分度轴7-7的回转轴线同轴；
挠性接头7-8安装在弹簧夹头座7-5上；
安装座7-3固定在直驱分度模块底板7-6上，直驱分度模块底板7-6用于完成与XY正交精密位移台6之间的连接。
本实施方式中，增量式旋转编码器7-1和伺服电机7-2为整体结构，采用松下小功率伺服电机，交叉滚柱轴环的外环7-4通过六个沉头螺钉固定在安装座7-3上，同时伺服电机7-2也安装在安装座7-3上，伺服电机的输出轴与交叉滚柱轴环的内环相连接，这样实现轴环的导向作用及电机的驱动。高精度回转分度轴7-7套接在交叉滚柱轴环7-4上，且二者同轴；弹簧夹头座7-5通过三个螺钉固定在高精度回转分度轴7-7的内环内，且弹簧夹头座7-5的轴线与高精度回转分度轴7-7的回转轴线同轴，直驱分度模块底板7-6用于将直驱分度组件安装在XY正交位移平台上。20位增量式旋转编码器7-1用于与伺服电机驱动器及电源模块8的伺服电机驱动器进行信号传输。
具体实施方式六、本实施方式是对实施方式五所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置的进一步说明，本实施方式中，伺服电机驱动及电源模块8包括220V单相电源、第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器、第三伺服电机驱动器、第四伺服电机驱动器、一个步进电机驱动器、主电源空气开关、浪涌吸收器和24V-5V线性稳压电源；
220V单相电源的电源信号输出端连接空气开关的一端，空气开关的另一端连接浪涌吸收器的一端，浪涌吸收器的另一端同时连接第一伺服电机驱动器的一端、第二伺服电机驱动器的一端、第三伺服电机驱动器的一端、第四伺服电机驱动器的一端和24V-5V线性稳压电源的一端；
第一伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接研磨主轴及测力模块1的主轴驱动用伺服电机1-3的驱动信号输入端；
第二伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接XY正交精密位移台6的X方向伺服电机6-13的驱动信号输入端；
第三伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接XY正交精密位移台6的Y方向伺服电机6-10的驱动信号输入端；
第四伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接直驱分度模块7的伺服电机7-2的驱动信号输入端；
24V-5V线性稳压电源的电源输出端连接步进电机驱动器的电源输入端；步进电机驱动器的驱动信号输出端连接垂直运动轴3的驱动信号输入端。
本发明中，挠性接头7-8通过专用的夹具安装于高精度回转分度轴7-7上，挠性接头7-8上具有两个圆弧构成的薄壁结构。本发明所述装置的目的就是设计出一种通过研磨工具回转的方式去除薄壁结构的表面变质层，提高表面粗糙度并保证尺寸精度。
研磨工具1-10为铸铁材料的制成并且直径比内孔直径小10um左右，这样研磨工具可以在一定条件下放入挠性接头7-8上的小孔，并且留有空间添加研磨磨料2-8。选用的研磨磨料为刚玉微粉制成的糊状研磨膏。研磨工具1-10通过弹簧夹头1-11安装在高精度回转主轴1-8上，研磨主轴及测力模块的转速控制在0至3000rpm之间。
研磨过程中研磨主轴及测力模块1做回转的同时，还能跟随垂直运动轴3做垂直方向上的往复运动，形成复杂的研磨轨迹，有助于提高加工后的工件表面质量。
研磨主轴及测力模块1能够准确地测量研磨主轴在水平XY两个方向上的受力情况，实现研磨过程的在线监测。
一个红宝石材料的球形坐标测针1-14安装于研磨主轴及测力模块1上，用于测量挠性接头的细颈尺寸及方位。
所采用的挠性接头细颈研磨方法是：用尺寸接近的圆柱形研磨工具放入挠性接头的内孔，然后添加研磨磨料并施加一定的载荷，靠两者的相对运动实现材料的去除。研磨工具与工件(挠性接头)相对运动的实现可以有多种方式，如振动、回转、平移等。对于盲孔接头研磨杆的轴向平移受限，因此，研磨杆沿轴向移动的方式只适用于通孔挠性接头的研磨。相比之下，研磨工具的回转运动比较容易实现，因此，本发明采用研磨工具回转的方式进行内孔的研磨。

Claims (8)

1.一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，其特征在于，它包括研磨主轴及测力模块(1)、主轴安装座(2)、垂直运动轴(3)、大理石立柱(4)、大理石底座(5)、XY正交精密位移台(6)、直驱分度模块(7)、伺服电机驱动器及电源模块(8)、工业控制计算机(9)、运动控制卡(10)、数据采集卡(11)和动态电阻应变仪(12)；
研磨主轴及测力模块(1)固定在主轴安装座(2)上，主轴安装座(2)安装在垂直运动轴(3)上，且沿垂直运动轴(3)上下运动；垂直运动轴(3)固定在大理石立柱(4)上，且沿大理石立柱(4)垂直运动；大理石立柱(4)位于大理石底座(5)上，且二者之间通过大理石底座和大理石立柱内部镶嵌的T形槽及T型螺钉连接；
XY正交精密位移台(6)位于大理石底座(5)上，且XY正交精密位移台(6)控制大理石立柱(4)沿大理石底座(5)X轴和Y轴滑动；XY正交精密位移台(6)位于大理石立柱(4)的前方；
直驱分度模块(7)位于XY正交精密位移台(6)上，且直驱分度模块(7)位于研磨主轴及测力模块(1)下方；
伺服电机驱动器及电源模块(8)的伺服电机驱动器的驱动信号输出端同时与研磨主轴及测力模块(1)的驱动信号输入端、垂直运动轴(3)的驱动信号输入端、XY正交精密位移台(6)驱动信号输入端、直驱分度模块(7)驱动信号输入端连接；
研磨主轴及测力模块(1)的测力信号输入输出端连接动态电阻应变仪(12)的测力信号输出输入端；研磨主轴及测力模块(1)的接触力信号输入输出端连接动态电阻应变仪(12)的接触力信号输出输入端；动态电阻应变仪(12)的力信号输入输出端连接数据采集卡(11)的力信号输出输入端；数据采集卡(11)的力信号输入输出端通过PCI总线连接工业控制计算机(9)的力信号输出输入端；工业控制计算机(9)的控制信号输入输出端通过PCI总线连接运动控制卡(10)的控制信号输出输入端；运动控制卡(10)的控制信号输入输出端与伺服电机驱动器及电源模块(8)的控制信号输出输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，其特征在于，研磨主轴及测力模块(1)包括四片X方向电阻应变片(1-1)、传感器弹性体(1-2)、主轴驱动用伺服电机(1-3)、增量式编码器(1-4)、主轴支座(1-5)、联轴机构(1-6)、传感器安装螺钉(1-7)、高精度回转主轴(1-8)、主轴夹紧轴套(1-9)、研磨工具(1-10)、弹簧夹头(1-11)、主轴紧定螺钉(1-12)、四片Y方向电阻应变片(1-13)和坐标测针(1-14)；
X方向电阻应变片(1-1)和Y方向电阻应变片(1-13)作为研磨主轴及测力模块(1)的测力信号输入输出端连接动态电阻应变仪(12)的测力信号输出输入端；
增量式编码器(1-4)与主轴驱动用伺服电机(1-3)的后端同轴连接，主轴驱动用伺服电机(1-3)的前端通过螺钉固定在联轴机构(1-6)的上端面上，联轴机构(1-6)的下端面与高精度回转主轴(1-8)的一端螺纹连接；
传感器弹性体(1-2)为中空结构，高精度回转主轴(1-8)位于传感器弹性体(1-2)内部，且高精度回转主轴(1-8)与传感器弹性体(1-2)的内壁之间设置有1mm的间隙；传感器弹性体(1-2)通过四个传感器安装螺钉(1-7)安装于主轴支座(1-5)上；主轴支座(1-5)的竖直面上开有四个沉头孔，用于与外部进行支撑固定；
主轴夹紧轴套(1-9)为薄壁轴套结构，其一侧开有通槽，主轴紧定螺钉(1-12)放置于该通槽内；主轴夹紧轴套(1-9)位于高精度回转主轴(1-8)和传感器弹性体(1-2)之间的间隙内，并由主轴紧定螺钉(1-12)锁紧；
弹簧夹头(1-11)的一端与高精度回转主轴(1-8)的另一端螺纹连接；研磨工具(1-10)的顶端深入弹簧夹头(1-11)内，且由弹簧夹头(1-11)夹紧；
四片X方向电阻应变片(1-1)均粘贴于传感器弹性体(1-2)的下半部分的两个侧面上，每个侧面的中间位置各粘贴两片；
四片Y方向电阻应变片(1-13)均粘贴于传感器弹性体(1-2)的上半部分的两个侧面上，每个侧面的中间位置各粘贴两片；
坐标测针(1-14)位于弹簧夹头(1-11)内，且由弹簧夹头(1-11)夹紧；坐标测针(1-14)与研磨工具(1-10)之间的距离为3mm～5mm；坐标测针(1-14)用于测量挠性接头的细颈尺寸、方位及接触力的大小，并将挠性接头的细颈尺寸、方位及接触力的大小发送至动态电阻应变仪(12)。
3.根据权利要求2所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，其特征在于，传感器弹性体(1-2)包括X方向一号梁(1-2-1)、X方向二号梁(1-2-2)、一号螺纹孔(1-2-3)、沿X方向的通槽(1-2-4)、二号螺纹孔(1-2-5)、Y方向一号梁(1-2-6)、沿Y方向的通槽(1-2-7)、Y方向二号梁(1-2-8)、薄壁(1-2-9)、通孔(1-2-10)、U型工艺槽口(1-2-11)；
传感器弹性体(1-2)上沿两个相邻的竖直面上切割出通槽，分别为沿X方向的通槽(1-2-4)和沿Y方向的通槽(1-2-7)；通槽与传感器弹性体(1-2)的外表面距离最近的位置形成厚度为0.5mm的薄壁(1-2-9)；
沿X方向的通槽(1-2-4)与传感器弹性体(1-2)的体身构成两个梁，分别为X方向一号梁(1-2-1)和X方向二号梁(1-2-2)，且两个梁相互平行，构成X方向的平行梁结构；
沿Y方向的通槽(1-2-7)与传感器弹性体(1-2)的体身构成两个梁，分别为Y方向一号梁(1-2-6)和Y方向二号梁(1-2-8)，且两个梁相互平行，构成Y方向的平行梁结构；
传感器弹性体(1-2)的底部加工有两个U型工艺槽口(1-2-11)，用于粘贴X方向电阻应变片(1-1)和Y方向电阻应变片(1-13)；
传感器弹性体(1-2)中间开有通孔(1-2-10)，用于安装高精度回转主轴(1-8)；
传感器弹性体(1-2)的侧面开有一号螺纹孔(1-2-3)，用于安装传感器安装螺钉(1-7)；传感器弹性体(1-2)的底面开有二号螺纹孔(1-2-5)，用于安装主轴紧定螺钉(1-12)。
4.根据权利要求3所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，其特征在于，XY正交精密位移台(6)包括上平台(6-1)、X方向防尘罩(6-2)、Y方向防尘罩(6-3)、线缆拖链(6-4)、两个滚珠丝杠及支撑座(6-5)、光栅尺及读数头(6-6)、中平台(6-7)、Y方向直线导轨滑块(6-8)、光电接近限位开关(6-9)、Y方向伺服电机(6-10)、两根Y方向直线导轨(6-11)、底板(6-12)、X方向伺服电机(6-13)、X方向直线导轨滑块(6-14)和两根X方向直线导轨(6-15)；
上平台(6-1)位于X方向直线导轨滑块(6-14)上；
X方向直线导轨滑块(6-14)位于X方向直线导轨(6-15)上，且沿X方向直线导轨(6-15)滑动；两根X方向直线导轨(6-15)平行于X轴设置，且安装于中平台(6-7)上；
中平台(6-7)位于Y方向直线导轨滑块(6-8)上；
Y方向直线导轨滑块(6-8)位于Y方向直线导轨(6-11)上，且沿Y方向直线导轨(6-11)滑动；两根Y方向直线导轨(6-11)平行于Y轴设置，且安装于底板(6-12)上；
X方向伺服电机(6-13)和一个滚珠丝杠及支撑座(6-5)均位于中平台(6-7)和上平台(6-1)之间；X方向伺服电机(6-13)通过膜片式弹性联轴器与一个滚珠丝杠及支撑座(6-5)同轴连接，用于驱动中平台(6-7)沿X方向直线运动；
Y方向伺服电机(6-10)和另一个滚珠丝杠及支撑座(6-5)均位于中平台(6-7)和底座(6-12)之间；Y方向伺服电机(6-10)通过膜片式弹性联轴器与另一个滚珠丝杠及支撑座(6-5)同轴连接，用于驱动中平台(6-7)沿Y方向直线运动；
光栅尺及读数头(6-6)中的光栅尺安装在上平台(6-1)和中平台(6-7)的侧面；光栅尺及读数头(6-6)中的读数头安装在中平台(6-7)和底板(6-12)上；
X方向防尘罩(6-2)用于盖住X方向伺服电机(6-13)和一个滚珠丝杠及支撑座(6-5)；Y方向防尘罩(6-3)Y方向伺服电机(6-10)和另一个滚珠丝杠及支撑座(6-5)；
伺服电机驱动器及电源模块(8)的伺服电机驱动器的驱动信号输入输出端通过线缆拖链(6-4)与Y方向伺服电机(6-10)和X方向伺服电机(6-13)的驱动信号输出输入端连接；光电接近限位开关(6-9)位于X方向直线导轨(6-15)和Y方向直线导轨(6-11)上，用于限制X方向直线导轨滑块(6-14)或Y方向直线导轨滑块(6-8)滑出直线导轨。
5.根据权利要求4所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，其特征在于，直驱分度模块(7)包括20位增量式旋转编码器(7-1)、伺服电机(7-2)、安装座(7-3)、交叉滚柱轴环(7-4)、弹簧夹头座(7-5)、直驱分度模块的底板(7-6)、高精度回转分度轴(7-7)和挠性接头(7-8)；
20位增量式旋转编码器(7-1)的一端连接伺服电机驱动器及电源模块(8)的伺服电机驱动器；20位增量式旋转编码器(7-1)的另一端与伺服电机(7-2)的一端同轴连接；伺服电机(7-2)的另一端安装在安装座(7-3)的一侧，交叉滚柱轴环(7-4)通过六个沉头螺钉固定安装在安装座(7-3)的另一侧，且伺服电机(7-2)的输出轴与交叉滚柱轴环(7-4)的内环相连接；
高精度回转分度轴(7-7)套接在交叉滚柱轴环(7-4)上，且二者同轴；
弹簧夹头座(7-5)通过三个螺钉固定在高精度回转分度轴(7-7)的内环内，且弹簧夹头座(7-5)的轴线与高精度回转分度轴(7-7)的回转轴线同轴；
挠性接头(7-8)安装在弹簧夹头座(7-5)上；
安装座(7-3)固定在直驱分度模块底板(7-6)上，直驱分度模块底板(7-6)用于完成与XY正交精密位移台(6)之间的连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，其特征在于，伺服电机驱动及电源模块(8)包括220V单相电源、第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器、第三伺服电机驱动器、第四伺服电机驱动器、一个步进电机驱动器、主电源空气开关、浪涌吸收器和24V-5V线性稳压电源；
220V单相电源的电源信号输出端连接空气开关的一端，空气开关的另一端连接浪涌吸收器的一端，浪涌吸收器的另一端同时连接第一伺服电机驱动器的一端、第二伺服电机驱动器的一端、第三伺服电机驱动器的一端、第四伺服电机驱动器的一端和24V-5V线性稳压电源的一端；
第一伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接研磨主轴及测力模块(1)的主轴驱动用伺服电机(1-3)的驱动信号输入端；
第二伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接XY正交精密位移台(6)的X方向伺服电机(6-13)的驱动信号输入端；
第三伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接XY正交精密位移台(6)的Y方向伺服电机(6-10)的驱动信号输入端；
第四伺服电机驱动器的驱动信号输出端连接直驱分度模块(7)的伺服电机(7-2)的驱动信号输入端；
24V-5V线性稳压电源的电源输出端连接步进电机驱动器的电源输入端；步进电机驱动器的驱动信号输出端连接垂直运动轴(3)的驱动信号输入端。
7.根据权利要求6所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，其特征在于，研磨主轴及测力模块(1)的转速为0rpm至3000rpm。
8.根据权利要求7所述的一种基于力反馈的挠性接头细颈研磨及测量一体化装置，其特征在于，坐标测针(1-14)为红宝石的球形坐标测针。
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