CN106378637B - 一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统，它是由：基座、万向节、气液串联缸、底座万向节、底座、六维力传感器、卡具、磁致伸缩式位移传感器和刀具组成。本发明以气液串联缸作为机床平台驱动结构，是考虑到气液串联缸结构中，液体部分能提供适当的阻尼，进而提高系统刚度，而气缸部分具有较大的可压缩性，可以提高系统的柔性，两者的结合使得并联机床具有刚柔并济的良好柔性加工特性。本发明具有相对于气动、电动驱动平台的高刚度和相对于液压驱动平台的柔性加载优势，提高了机床面向曲面柔性加工过程中的关键特性。

Description

一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统
技术领域
本发明专利属于机床加工平台技术领域，特别是属于一种新型结构的六自由度并联机床加工平台系统。
背景技术
随着工业现代化的飞速发展，对机床的技术指标提出了越来越高的要求，如何提高机床加工精度，已成为制造业研究的热点内容之一。六自由度并联机床是加工机床所采用的主要结构形式之一，这种并联六自由度结构起始于1965年Stewart所提出，它由上下两个平台和6个并联的、可独立自由伸缩的杆件组成，伸缩杆和平台之间通过球铰链连接，称为Stewart平台。近些年来，经过不断的改进和发展，Stewart平台演变出了不同运动学原理和结构的空间并联机构，并在许多科学研究和工业领域获得了广泛的应用。迄今为止，国内外应用于机床加工领域的六自由度并联平台的驱动方式主要有液压、电动、气动三种。其运作过程中都有各自的优点及不足之处。液压驱动方式的优点是平台结构刚度大，能够加工高硬度零件，缺点是设计维护复杂、成本高；同时，由于液压驱动本身的高刚度带来系统的低柔顺特点，使得这种驱动方式对于提高曲面表面加工特性不利。电动并联驱动方式的特点是执行机构的速度和位置精度较高，系统设计和实现简单，但是受电机功率限制，其切削力输出能力有限。气动并联加工平台刚度低，运行精度较差，切削力输出较小。
目前有关气液并联六自由度加工平台的文献报道不多，据发明人所知，有关气液并联六自由度加工平台的专利文献几乎没有。本发明的设计考虑到气液串联缸结构中，液体部分能提供适当的阻尼，进而提高系统刚度，而气缸部分具有较大的可压缩性，可以提高系统的柔性，两者的结合使得并联机床具有刚柔并济的良好柔性加工特性。故此本发明专利提供的一种用于机床加工的气液驱动六自由度并联机床平台具有相对于气动、电动驱动平台的高刚度和相对于液压驱动平台的柔性加载优势，提高了机床面向曲面柔性加工过程中的关键特性。同时，通过离线或在线调整气液缸中液体部分的阻尼大小，可实现系统阻尼的离线或在线调节。针对不同加工对象，使阻尼随之变化，提高系统的加工过程输出特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统，考虑到液体部分能提供适当的阻尼，提高系统刚度，而气体具有较大的可压缩性，可以提高系统的柔性，两者的结合使得并联机床具有刚柔并济的良好柔性加工特性，从系统机构的改进上提高机床加工系统的加工性能。
本发明是这样实现的，构造一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统，其特征在于：具有基座、万向节、气液串联缸、底座万向节、底座、六维力传感器、卡具、刀具、气动阀、液压阀和位移传感器；基座固定于机床平台上，承起整个系统元件；气液串联缸由液压缸和气压缸串联结合；气液串联缸与基座由万向节固定；气液串联缸与底座由底座万向节固定；六个气液串联缸均为单杆对称式结构，其中，气缸作为主控缸通过气动阀对气液缸的位移进行控制，液压缸作为被动缸体，通过在线或离线调节液压阀改变系统阻尼大小；位移传感器采用磁致伸缩式的形式安装于各个气压缸之内，用于测量气液缸活塞杆的伸缩量；六维力传感器安装于底座之上，用于测量刀具尖部输出力大小；卡具安放于底座之下，用于安装刀具。
根据本发明所述的一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统，其特征在于：气压缸采用比例阀、开关阀或流量阀，液压缸采用单向节流阀、比例阀、开关阀或流量阀；其中，力传感器一个，位移传感器共六个。
根据本发明所述的一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统，其加工工作控制过程如下：
根据并联平台需要输出的指定位姿和切削力，以位移控制为内环，通过安装于各个液压缸内的位移传感器的测量信息反馈，解算出各个气液缸需要达到的位置。力控制作为外环，通过力测量信号的反馈，修正内环位姿控制误差，以达到指定的切削力。
其特征在于：具有以下两种系统阻尼控制运作形式：
形式一：开环液体阻尼调节控制方式：在加工工作过程中，气液串联缸中的液压缸部分通过单向节流阀开环控制，气压缸部分通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制。
这种控制形式的系统平台通过离线开环调节液压缸单向节流阀开口来调整系统阻尼大小。
形式二：闭环液体阻尼调节控制方式：在加工工作过程中，气液串联缸中的液压缸通过高速开关阀（或比例阀、流量阀）闭环控制，达到一定的系统阻尼，同时，气液串联缸中的气压缸通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制。
这种控制形式的系统平台通过闭环在线调整液压阀的开口和流量改变液压缸的阻尼达到不同的运动特性。
本发明的优点在于：本发明专利采用了气压缸和液压缸串联型式组成气液串联缸构成六自由度并联加工平台，由于气体本身具有可压缩的柔性特性，液体具有较高刚度的特性，二者的结合使得该平台具有刚柔并济的良好特性。本发明专利提供的一种用于机床加工的气液驱动六自由度运动平台系统具有相对于液压驱动平台的柔性运动特性和相对于气动、电动驱动平台的高刚度等优点，提高了机床面向曲面柔顺加工的关键特性。同时，通过离线或在线调整气液缸中液体部分的阻尼大小，可实现系统阻尼的离线或在线调节。针对不同加工对象，使阻尼随之变化，提高系统加工过程的输出特性。
附图说明
图1为气液并联六自由度机床加工平台原型样机结构图
图2为气液并联六自由度机床加工平台原型样机俯视图
图3为气液并联六自由度机床加工平台原型样机立体图。
图中1.基座，2.万向节，3. 气液串联缸，4. 底座万向节，5. 底座，6.六维力传感器，7. 卡具，8. 刀具。
具体实施方式
下面将结合附图1-3对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种用于机床加工的气液驱动六自由度并联运动平台系统，如图1-2所示，可以采用如下方式予以实施；具有基座1、万向节2、气液串联缸3、底座万向节4、底座5、六维力传感器6、卡具7、刀具8、气动阀、液压阀和位移传感器。基座固定于机床平台上，承起整个系统元件；气液串联缸3由液压缸和气压缸串联结合；气液串联缸3与基座1由万向节2固定；气液串联缸3与底座5由底座万向节4固定；六个气液串联缸均为单杆对称式结构，其中，气缸作为主控缸通过气动阀对气液缸的位移进行控制，液压缸作为被动缸体，通过在线或离线调节液压阀改变系统阻尼大小。气液串联缸部分中，气压缸可采用各种形式的气压阀(如：比例阀、开关阀、流量阀等)，液压缸可采用各种形式的液压阀(如：比例阀、开关阀、流量阀等)。位移传感器采用磁致伸缩式的形式安装于各个气压缸之内（也可采用电阻尺，并联安装于气液缸之外，图中略去)，用于测量气液缸活塞杆的伸缩量。六维力传感器6安装于底座5之上，用于测量刀具尖部输出力大小；卡具7安放于底座5之下，用于安装刀具8。
本发明的气液并联六自由度机床加工平台具有两种控制形式。
根据并联平台需要输出的指定位姿和切削力，以位移控制为内环，通过安装于各个液压缸内的位移传感器的测量信息反馈，解算出各个气液缸需要达到的位置。力控制作为外环，通过力测量信号的反馈，修正内环位姿控制误差，以达到指定的切削力。
实施例一：以开环液体阻尼调节控制方式调节系统液体阻尼输出，这种控制形式的系统平台通过离线开环调节液压缸单向节流阀开口来调整系统阻尼大小。
实施方式：在加工工作过程中，气液串联缸中的液压缸部分通过单向节流阀开环控制，气压缸部分通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制。
实施例二：以闭环液体阻尼调节控制方式调节系统液体阻尼输出，这种控制形式的系统平台通过闭环在线调整液压阀的开口和流量改变液压缸的阻尼达到不同的运动特性。
实施方式：在加工工作过程中，气液串联缸中的液压缸通过高速开关阀（或比例阀、流量阀）闭环控制，达到一定的系统阻尼，同时，气液串联缸中的气压缸通过气动阀（比例阀、开关阀或流量阀）进行闭环控制。
本发明所述的这种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统具有系统结构简单、成本低、阻尼在线或离线可调、柔顺加工能力强等优点，可应用于各种加工制造领域中，节约研制经费，提高加工平台工作能力。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统，其特征在于：具有基座（1）、万向节（2）、气液串联缸（3）、底座万向节（4）、底座（5）、六维力传感器（6）、卡具（7）、刀具（8）、气动阀、液压阀和位移传感器；基座固定于机床平台上，承起整个系统元件；气液串联缸（3）由液压缸和气压缸串联结合；气液串联缸（3）与基座（1）由万向节（2）固定；气液串联缸（3）与底座（5）由底座万向节（4）固定；六个气液串联缸均为单杆对称式结构，其中，气缸作为主控缸通过气动阀对气液缸的位移进行控制，液压缸作为被动缸体，通过在线或离线调节液压阀改变系统阻尼大小；位移传感器采用磁致伸缩式的形式安装于各个气压缸之内，用于测量气液缸活塞杆的伸缩量；六维力传感器（6）安装于底座（5）之上，用于测量刀具尖部输出力大小；卡具（7）安放于底座（5）之下，用于安装刀具（8）。
2.根据权利要求1所述的一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统，其特征在于：气压缸采用比例阀、开关阀或流量阀，液压缸采用单向节流阀、比例阀、开关阀或流量阀；其中，力传感器一个，位移传感器共六个。
3.根据权利要求1所述的一种用于机床加工的气液并联六自由度加工平台系统，其加工工作控制过程如下：
根据并联平台需要输出的指定位姿和切削力，以位移控制为内环，通过安装于各个液压缸内的位移传感器的测量信息反馈，解算出各个气液缸需要达到的位置；
力控制作为外环，通过力测量信号的反馈，修正内环位姿控制误差，以达到指定的切削力；
所述气液并联六自由度加工平台系统具有以下两种系统阻尼控制运作形式：
形式一：开环液体阻尼调节控制方式：在加工工作过程中，气液串联缸中的液压缸部分通过单向节流阀开环控制，气压缸部分通过比例阀、开关阀或流量阀进行闭环控制；
这种控制形式的系统平台通过离线开环调节液压缸单向节流阀开口来调整系统阻尼大小；
形式二：闭环液体阻尼调节控制方式：在加工工作过程中，气液串联缸中的液压缸通过高速开关阀闭环控制，达到一定的系统阻尼，同时，气液串联缸中的气压缸通过气动阀进行闭环控制；
这种控制形式的系统平台通过闭环在线调整液压阀的开口和流量改变液压缸的阻尼达到不同的运动特性。
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