CN106378655B - 一种弱刚性工件混联智能夹具装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱刚性工件混联智能夹具装置，包括信息采集部分、控制部分、执行部分，其特征在于：所述执行部分包括行走机构，所述行走机构的上端连接有二自由度支撑头座，所述二自由度支撑头座的上端连接有支撑头总成，所述支撑头总成用于与工件相配合，所述信息采集部分包括安装在支撑头总成上的振动位移传感器，所述控制部分包括与各振动位移传感器相连的控制模块和控制行走机构和支撑头总成的运动控制器。本发明的弱刚性工件混联智能夹具装置能够实现支撑头在任意方向与薄壁件表面法向精准贴合，从而主动抑制大型薄壁件的加工振动和变形，提升薄壁件的动态可加工性；本装置采用串联与并联的混合方式，具有响应快，驱动性能好的特点。

Description

一种弱刚性工件混联智能夹具装置

技术领域

本发明涉及工件装夹领域，尤其涉及一种弱刚性工件混联智能夹具装置。

背景技术

大型板壳类薄壁结构件由于重量轻、强度高、力学性能一致性好等特点，在汽车、航空工业中得到了广泛的运用。而这类整体薄壁结构件尺寸大、相对强度较低、形状精度要求高，在铣削力的作用下极易产生变形和振动，给制造带来了巨大的挑战。

可重构若刚性夹具在加工操作时合理的多点定位、支撑和夹持，对于保持加工特征的形状精度、尺寸精度和控制整体结构形状精度起着至关重要的作用。广泛应用于飞机蒙皮化铣刻线、空间异性薄板零件加工、复合材料零件钻孔和修整等，应用前景十分广阔。

在当前大型板壳类薄壁件加工时，夹具布局是提前规划完成的，在整个装配或加工过程中始终保持不变，或人为介入才能做少量重构工作。这种夹具加工为了保证精度，布置支撑点时过于密集，和模具作用相当。然而在加工大型板壳类薄壁件时，薄壁件上的窗、孔系等待加工特征或者连续切削表面由于加工特征分布复杂，事先规划出的不可变的夹具难以适应，加工精度也无法保证。

因此，有必要开发一种高柔性抗变形和抑制振动的自重构若刚性混联智能夹具装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种弱刚性工件混联智能夹具装置，此装置可根据移动切削载荷位置变化而主动自重构，以此来抑制大型薄壁件的加工振动和变形，提升薄壁件的动态可加工性，从而提高工件的表面质量。

本发明所采用的技术方案为：一种弱刚性工件混联智能夹具装置，包括信息采集部分、控制部分、执行部分，其特征在于：所述执行部分包括行走机构，所述行走机构的上端连接有二自由度支撑头座，所述二自由度支撑头座的上端连接有支撑头总成，所述支撑头总成用于与工件相配合，所述信息采集部分包括安装在支撑头总成上的用于获取工件在切削力作用下产生的振动位移和工件振动频率的振动位移传感器，所述控制部分包括与各振动位移传感器相连的控制模块和控制行走机构和支撑头总成的运动控制器。

按上述技术方案，所述行走机构包括动平台和安设在动平台下方的基座，在动平台的周围设置有多组可伸缩式腿部机构，所述可伸缩式腿部机构的上端通过半轴与动平台相连，下端通过夹紧机构与基座相连，所述半轴通过第一电磁离合器与动平台相连。

按上述技术方案，可伸缩式腿部机构包括腿部支撑结构和可翻转结构，在每个半轴的两侧对称设置有两组腿部支撑结构，所述腿部支撑结构包括上U型叉、电动缸、螺纹杆、螺纹杆套、腿部支撑，所述可翻转结构包括第二电磁离合器、下U型叉、第三电磁离合器，所述上U型叉与半轴固定连接，电动缸固设在上U型叉内，电动缸的输出轴与螺纹杆的上端相连，所述螺纹杆的下端与螺纹杆套的上端通过螺纹相配置，所述螺纹杆套的下端与腿部支撑的上端相固连，两组腿部支撑结构的腿部支撑的下端均通过第二电磁离合器与下U型叉转动连接，所述下U型叉的下端通过第三电磁离合器与夹紧机构相连，所述夹紧机构与安设在基座上的支撑销相配置。

按上述技术方案，所述夹紧机构为气动夹头。

按上述技术方案，所述可伸缩式腿部机构为四组。

按上述技术方案，所述支撑头总成包括从上至下依次相连的吸盘钢架、磁流变液储存器、套筒，所述吸盘钢架与工件通过真空密封垫密封配置，在吸盘钢架的内边缘设置有多个活塞，所述活塞的头部与工件接触，形成多点接触点，所述磁流变液存储器控制活塞的运动，在套筒的下端固定设有气缸，所述气缸的活塞杆端与永磁体总成相连，所述气缸推动永磁体总成的永磁体上下运动，永磁体总成与磁流变液存储器相配置。

按上述技术方案，所述二自由度支撑头座的上端与支撑头总成的套筒铰接，下端与行走机构的动平台相固连。

本发明所取得的有益效果为：本发明的弱刚性工件混联智能夹具装置能够实现支撑头在任意方向与薄壁件表面法向精准贴合，从而主动抑制大型薄壁件的加工振动和变形，提升薄壁件的动态可加工性；本装置采用串联与并联的混合方式，具有响应快，驱动性能好的特点。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为行走机构的结构示意图；

图3为支撑头总成的结构示意图；

图4为振动位移传感器安装位置示意图；

图5为磁流变液储存器的结构示意图；

图6、图7、图8为行走模式时腿部机构运动过程；

图中，1—行走机构，2—工件，3—刀具，4—支撑头总成，5—二自由度支撑头座，1-1—基座，1-2—腿部支撑 ，1-3—螺纹杆套，1-4—螺纹杆，1-5—电动缸，1-6—动平台，1-7—上U型叉，1-8—半轴， 1-9—第一电磁离合器，1-10—支撑销，1-11—下U型叉，1-12—气动夹头、1-13-第二电磁离合器，1-14-第三电磁离合器，4-1—套筒，4-2—永磁体总成，4-3—吸盘钢架，4-4—活塞,4-5—真空密封垫，4-6—磁流变液储存器，4-7—真空软管,4—8振动位移传感器安装位置，4-9气缸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种弱刚性工件混联智能夹具装置，包括信息采集部分、控制部分、执行部分，所述执行部分包括行走机构1，所述行走机构1的上端连接有二自由度支撑头座5，所述二自由度支撑头座的上端连接有支撑头总成4，所述支撑头总成4用于与工件2相配合，所述信息采集部分包括安装在支撑头总成上的用于获取工件在切削力作用下产生的振动位移和工件振动频率的振动位移传感器，所述控制部分包括与各振动位移传感器相连的控制模块和控制行走机构和支撑头总成的运动控制器。

如图2所示，所述行走机构包括动平台1-6和安设在动平台下方的基座1-1，在动平台1-6的周围设置有4组可伸缩式腿部机构，所述可伸缩式腿部机构的上端通过半轴1-8与动平台1-6相连，下端通过夹紧机构与基座相连，所述半轴1-8通过第一电磁离合器1-9与动平台1-6相连。其中，可伸缩式腿部机构包括腿部支撑结构和可翻转结构，在每个半轴1-8的两侧对称设置有两组腿部支撑结构，所述腿部支撑结构包括上U型叉1-7、电动缸1-5、螺纹杆1-4、螺纹杆套1-3、腿部支撑1-2，所述可翻转结构包括第二电磁离合器1-13、下U型叉1-11、第三电磁离合器1-14，所述上U型叉1-7与半轴1-8固定连接，电动缸1-5固设在上U型叉1-7内，电动缸1-5的输出轴与螺纹杆1-4的上端相连，所述螺纹杆1-4的下端与螺纹杆套1-3的上端通过螺纹相配置，所述螺纹杆套1-3的下端与腿部支撑的上端相固连，两组腿部支撑结构的腿部支撑的下端均通过第二电磁离合器1-13与下U型叉1-11转动连接，所述下U型叉1-11的下端通过第三电磁离合器1-14与夹紧机构相连，所述夹紧机构为气动夹头1-12，在基座上设有多个支撑销1-10，所述气动夹头1-12与支撑销1-10相配置。

工作时，可伸缩式腿部机构分别锁紧于基座1-1的四个支撑销1-10上，并定位。在行走模式时，机构采用“一定三动”的方式，即三个运动的腿部机构带动一个固定不变的腿部机构移动。具体方法如下：装置中的三组腿部机构上的六个电动缸1-5分别带动螺纹杆1-4旋转，螺纹杆1-4杆身伸长，动平台1-6升高。第四个腿部机构上的三个电磁离合器通电结合，第四个腿部机构上各构件固定锁死，保持状态不变，此时，控制第四组腿部机构上的气动夹头1-12脱离支撑销1-10离开基座1-1。由于三个腿部机构杆长变化带来其空间角度的改变，使动平台1-6移动，从而使第四个腿部机构移动到下一个支撑销1-10上方。最后三个腿部机构杆长缩短，动平台1-6下降，第四个腿部机构的气动夹头锁紧在支撑销上，第四个腿部机构上的各个电磁离合器断电分离，第四个腿部机构上各构件恢复运动。这样，装置上一个腿部机构的移动就完成了，运动过程如图6、图7、图8。其它腿部机构的运动依次过程进行。

如图3、4所示，所述支撑头总成包括从上至下依次相连的吸盘钢架4-3、磁流变液储存器4-6、套筒4-1，所述吸盘钢架4-3与工件2通过真空密封垫4-5密封配置，所述吸盘钢架4-3与真空软管4-7相配置，在吸盘钢架4-3的内边缘均匀布置有21个活塞4-4，所述活塞4-4的头部与工件2接触，形成多点接触点，在吸盘钢架4-3内设置有振动位移传感器4-8，所述磁流变液存储器4-6控制活塞4-4的运动，在套筒4-1的下端固定设有气缸4-9，所述气缸4-9的活塞杆端与永磁体总成4-2相连，所述气缸4-9推动永磁体总成4-2的永磁体上下运动，永磁体总成4-2与磁流变液存储器4-6相配置。当气缸4-9推动永磁体在底部时，磁流变液在不同的网状通道中流动（如图5所示），活塞能够根据工件几何形状在磁流变液中上下移动，使活塞接触点与工件的几何形状相适应。当气缸推动永磁体到达上部时，在磁场作用下磁流变液粘度增大，磁流变液不再流动，活塞无法移动，其位置得到固定。

二自由度支撑头座5的上端与套筒4-1相铰接，下端固定安装在动平台1-6上。

本发明的装置具有工作模式和行走模式，处于工作模式时，行走机构锁紧在基座支撑销1-10上，吸盘钢架4-3吸住工件2，行走机构构成六自由度并联机器人，并与二自由度支撑头座5共同控制支撑头的位置和姿态；行走模式时，行走机构可以实现随加工位置的改变而移动，即在工作过程中，支撑头总成与刀具的位置同步，即根据行走机构的行走，调节智能夹具装置的位置和姿态，与二自由度支撑头座共同控制支撑头总成达到与刀具一致的位置；使支撑头总成可以根据工件的变形实时的实现对工件的有效支撑，以减小工件变形。

本实施例中执行部分的电动缸1-5采用伺服电动缸，信息采集部分中的振动位移传感器采用ZLDS100，控制部分中的控制模块采用NI PCI-7774，控制行走机构和支撑头总成的运动控制器由PC机和运动控制卡（研华PCI-1285）组成，，用于对上述传感器获取的信息进行分析和处理，确定工件2的振动情况，并根据预先设定的要求（工件2振动位移公差以及支撑头的位置和姿态等）对执行机构发出指令，调整支撑头位置和姿态，抑制工件2的振动，提高工件2铣削稳定性。

Claims (7)

1.一种弱刚性工件混联智能夹具装置，包括信息采集部分、控制部分、执行部分，其特征在于：所述执行部分包括行走机构，所述行走机构的上端连接有二自由度支撑头座，所述二自由度支撑头座的上端连接有支撑头总成，所述支撑头总成用于与工件相配合，所述信息采集部分包括安装在支撑头总成上的用于获取工件在切削力作用下产生的振动位移和工件振动频率的振动位移传感器，所述控制部分包括与各振动位移传感器相连的控制模块和控制行走机构和支撑头总成的运动控制器。

2.根据权利要求1所述的夹具装置，其特征在于：所述行走机构包括动平台和安设在动平台下方的基座，在动平台的周围设置有多组可伸缩式腿部机构，所述可伸缩式腿部机构的上端通过半轴与动平台相连，下端通过夹紧机构与基座相连，所述半轴通过第一电磁离合器与动平台相连。

3.根据权利要求2所述的夹具装置，其特征在于：可伸缩式腿部机构包括腿部支撑结构和可翻转结构，在每个半轴的两侧对称设置有两组腿部支撑结构，所述腿部支撑结构包括上U型叉、电动缸、螺纹杆、螺纹杆套、腿部支撑，所述可翻转结构包括第二电磁离合器、下U型叉、第三电磁离合器，所述上U型叉与半轴固定连接，电动缸固设在上U型叉内，电动缸的输出轴与螺纹杆的上端相连，所述螺纹杆的下端与螺纹杆套的上端通过螺纹相配置，所述螺纹杆套的下端与腿部支撑的上端相固连，两组腿部支撑结构的腿部支撑的下端均通过第二电磁离合器与下U型叉转动连接，所述下U型叉的下端通过第三电磁离合器与夹紧机构相连，所述夹紧机构与安设在基座上的支撑销相配置。

4.根据权利要求3所述的夹具装置，其特征在于：所述夹紧机构为气动夹头。

5.根据权利要求3所述的夹具装置，其特征在于：所述可伸缩式腿部机构为四组。

6.根据权利要求1或2所述的夹具装置，其特征在于：所述支撑头总成包括从上至下依次相连的吸盘钢架、磁流变液储存器、套筒，所述吸盘钢架与工件通过真空密封垫密封配置，在吸盘钢架的内边缘设置有多个活塞，所述活塞的头部与工件接触，形成多点接触点，所述磁流变液存储器控制活塞的运动，在套筒的下端固定设有气缸，所述气缸的活塞杆端与永磁体总成相连，所述气缸推动永磁体总成的永磁体上下运动，永磁体总成与磁流变液存储器相配置。

7.根据权利要求1或2所述的夹具装置，其特征在于：所述二自由度支撑头座的上端与支撑头总成的套筒铰接，下端与行走机构的动平台相固连。