CN107234460B - 大型原位可重构数字加工方法及球体加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大型或超大型零件加工领域，公开了一种大型原位可重构数字加工及球体工件加工装置及方法。该大型原位可重构数字加工装置针对不同大型加工工件，通过并联结构数控加工执行装置、辅助移动装置、辅助装卡装置、大范围的数字测量系统，构建原位加工系统，保证切削刀具可以达到所有加工点位，通过数控系统、测量系统的数字集成，实现不同结构加工对象的工件坐标系与加工坐标系统一，形成重大装备原位数字化制造系统，满足不同大型或超大型零件的高精度原位加工。

Description

大型原位可重构数字加工方法及球体加工装置及方法
技术领域
本发明涉及大型或超大型零件加工领域，尤其是一种大型原位可重构数字加工及球体工件加工装置及方法。
背景技术
目前，在重型制造业，一些结构相对复杂的大型工件或是超大型工件，由于受到机床自身结构和行程的限制，则没有适宜的超大型机床进行精密加工，只能是研制专用加工设备，不断移动加工设备切削，产生了多个制造基准，使得制造方法复杂、制造精度难以保证，或对设备提出苛刻要求、需要多次重复性安装定位、误差大、劳动强度大等诸多问题。因此，对重大装备在装配现场进行原位数字化智能制造系统的构建，并实现大范围原位高精度自动化加工是非常迫切和必要的。
如申请号为201210186637.5的专利文献公开了一种大型回转体精密加工机床及利用其进行精密加工的方法，其在外轮廓和内轮廓加工轴头上分别安装位移传感器，用于对回转体的内轮廓和外轮廓的轮廓检测，通过对回转体轮廓与标准轮廓实时检测和比较，确定加工误差从而控制刀具进给量实现紧密加工。这种方式能够对单一加工点位进行精确加工，但是无法保证多点位的整体精确加工。一个点位加工完成后，当加工轴头运动到下一加工点位时，其加工基准就会随着加工轴头的移动而变化，从而产生出多个加工基准，难以保证总体上各个加工点位的精确度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大型多加工点位工件原位可重构数字加工方法，满足不同大型或超大型零件的高精度原位加工。
本发明公开的大型多加工点位工件原位可重构数字加工方法，包括以下步骤：
a、将工件装卡于用于装卡工件并辅助工件移动或者旋转的辅助装卡机构上，将并联结构数控加工执行机构安装于用于辅助并联结构数控加工执行机构进行移动或旋转的辅助移动机构上，保证通过辅助装卡机构和辅助移动机构的调整使并联结构数控加工执行机构可到达所有的加工点位；
b、根据工件位置和形态以及并联结构数控加工执行机构的安装位置设置数字测量系统，确保数字测量系统能够对工件和并联结构数控加工执行机构同时进行监测；
c、数字测量系统对工件进行检测，建立工件坐标系，同时数字测量系统对并联结构数控加工执行机构进行检测，建立加工坐标系，将工件坐标系和加工坐标系关联重合；
d、调整工件位置，并移动并联结构数控加工执行机构至工件的一个加工点位，通过数字测量系统实时监测和校验工件和并联结构数控加工执行机构到位的准确性，确定到位准确后开始加工；
e、当一个点位加工完成后，再通过调整工件或者调整并联结构数控加工执行机构使并联结构数控加工执行机构到达下一个加工点位，进行下一点位的加工，同时通过数字测量系统实时监测和校验并联结构数控加工执行机构到位的准确性；
f、重复进行e步骤，直至工件所有加工点位加工完成。
本发明还提供一种大型多加工点位球体工件加工装置，其包括加工作业台、可转动的装卡机构、支撑机构、并联机床、机床安装平台、弧形导轨和数字测量仪器；
所述可转动的装卡机构安装于加工作业台两侧，所述支撑机构设置于球体工件的底部；
所述弧形导轨沿球体工件的外轮廓线布置，所述机床安装平台设置于弧形导轨上并可沿弧形导轨运动，所述并联机床设置于机床安装平台上；
所述数字测量仪器安装于加工作业台上用于监测校验工件和并联机床的位置，所述数字测量仪器与并联机床相互通信连接。
优选地，所述支撑机构包括支撑支座、可调垫、第一压板和焊块，所述焊块焊接于球体工件上，所述可调垫设置于支撑支座上并且与焊块位置相对应，所述焊块下部设置有凸沿，所述第一压板压在凸沿上对球体工件进行固定。
优选地，所述支撑机构设置于球体工件的中轴线两侧。
优选地，沿弧形导轨布置有齿条，所述机床安装平台设置有用于驱动机床安装平台(5)运动的第一电机，所述第一电机连接有齿轮，所述齿轮与齿条相啮合。
优选地，所述装卡机构包括底座、旋转支座、轴承、芯轴和第二压板，所述底座安装于加工作业台上，所述旋转支座设置于底座上，所述芯轴通过轴承安装于旋转支座内，所述芯轴内端设置有凸缘，所述凸缘与第二压板相连接将工件的连接部夹持固定。
优选地，至少一个装卡机构上设置有驱动工件旋转的驱动机构，所述驱动机构包括第二电机、蜗杆和蜗轮，所述蜗轮同轴设置于芯轴上，所述第二电机与蜗杆传动连接，所述蜗杆和蜗轮相啮合。
优选地，所述装卡机构两侧设置有吊耳。
优选地，所述的大型多加工点位球体工件加工装置设置有三个数字测量仪器，其中两个数字测量仪器分别设置于弧形导轨两端，另一个数字测量仪器设置于加工作业台远离弧形导轨一侧的高台上。
优选地，所述加工作业台内设置有用于安置球体工件的安置坑，所述装卡机构设置于安置坑两侧，所述支撑机构设置于安置坑底部。
优选地，所述数字测量仪器为激光跟踪测量仪
本发明还公开了一种大型球体工件多点位开孔方法，采用上述的大型多加工点位球体工件加工装置；
该大型球体工件多点位开孔方法包括如下步骤：
a、将球体工件装卡在两侧的装卡机构之间，保证两侧可转动的装卡机构的连线穿过球体工件的球心；
b、采用数字测量仪器对工件进行检测，建立工件坐标系，同时数字测量仪器对并联结构数控加工执行机构进行检测，建立加工坐标系，将工件坐标系和加工坐标系关联重合；
c、转动球体工件使至少一个开孔点位转动至并联机床一侧的加工区域内，数字测量仪器检测并校验球体工件到位的准确性，确定到位准确后，利用支撑机构对球体进行支撑；
d、移动并联机床至其中一个开孔点位，数字测量仪器对并联机床进行检测和校验保证到位的准确性，确定到位准确后开始开孔加工；
e、当一个点位加工完成后，移动并联机床至位于同一水平面的下一点位进行加工，数字测量仪器实时检测和校验移动并联机床的位置；
f、当加工区域内的所有开孔点位均加工完成后，取消支撑机构对球体工件的支撑，重复c、d、e步骤，直至完成整个球体工件的开孔。
本发明的有益效果是：该大型原位可重构数字加工装置针对不同大型加工工件，通过并联结构数控加工执行装置、辅助移动装置、辅助装卡装置、大范围的数字测量系统，构建原位加工系统，保证切削刀具可以达到所有加工点位，通过数控系统、测量系统的数字集成，实现不同结构加工对象的工件坐标系与加工坐标系统一，形成重大装备原位数字化制造系统，满足不同大型或超大型零件的高精度原位加工。
附图说明
图1是大型球体工件加工装置的立体示意图；
图2是大型球体工件加工装置的平面示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2的侧视图；
图5是机床安装平台和弧形导轨的放大图；
图6是支撑机构的放大图；
图7是装卡机构的内部示意图；
图8是含有驱动机构的装卡机构的示意图；
图9是图8的俯视图；
图10是图8的侧视图。
附图标记：加工作业台1，装卡机构2，底座201，旋转支座202，轴承203，芯轴204，第二压板205，凸缘206，第二电机207，蜗杆208，蜗轮209，吊耳210，支撑机构3，支撑支座301，可调垫302，第一压板303，焊块304，并联机床4，机床安装平台5，第一电机501，齿轮502，齿条503，弧形导轨6，数字测量仪器7，球体工件8，安置坑9。
具体实施方式
本发明公开大型多加工点位工件原位可重构数字加工方法，采用的设备包括：
并联结构数控加工执行机构，用于对工件进行加工；
辅助移动机构，用于辅助并联结构数控加工执行机构进行移动或旋转；
辅助装卡机构，用于装卡工件并辅助工件移动或者旋转；
数字测量系统，用于监测并校验工件和并联结构数控加工执行机构的位置。
其加工步骤如下：
a、将工件装卡于用于装卡工件并辅助工件移动或者旋转的辅助装卡机构上，将并联结构数控加工执行机构安装于用于辅助并联结构数控加工执行机构进行移动或旋转的辅助移动机构上，保证通过辅助装卡机构和辅助移动机构的调整使并联结构数控加工执行机构可到达所有的加工点位；
b、根据工件位置和形态以及并联结构数控加工执行机构的安装位置设置数字测量系统，确保数字测量系统能够对工件和并联结构数控加工执行机构同时进行监测；
c、数字测量系统对工件进行检测，建立工件坐标系，同时数字测量系统对并联结构数控加工执行机构进行检测，建立加工坐标系，将工件坐标系和加工坐标系关联重合；
d、调整工件位置，并移动并联结构数控加工执行机构至工件的一个加工点位，通过数字测量系统实时监测和校验工件和并联结构数控加工执行机构到位的准确性，确定到位准确后开始加工；
e、当一个点位加工完成后，再通过调整工件或者调整并联结构数控加工执行机构使并联结构数控加工执行机构到达下一个加工点位，进行下一点位的加工，同时通过数字测量系统实时监测和校验并联结构数控加工执行机构到位的准确性；
f、重复进行e步骤，直至工件所有加工点位加工完成。
不同于现有技术中，每移动一次加工执行机构就会产生一个新的加工基准，本发明的并联结构数控加工执行机构所有的加工均是在同一坐标系下完成的，从而统一了加工基准，保证了各个加工点位的布局的准确性，并且在加工的同时，数字测量系统对工件和并联结构数控加工执行机构进行实时的监测，进一步确保了加工的精确度。
在此大型多加工点位工件原位可重构数字加工方法的基础上，针对大型球体的加工，开发出了大型多加工点位球体工件加工装置
针对球体工件8的结构，此大型球体工件加工装置，包括用于安置工件和各类设备的加工作业台1、可转动的装卡机构2用以装卡工件并可使其转动、支撑机构3、并联机床4、机床安装平台5、弧形导轨6和数字测量仪器7；
所述可转动的装卡机构2安装于加工作业台1两侧并且位于球体工件8的中轴线上，使得球体工件8可以绕其中轴线转动，所述支撑机构3设置于球体工件8的底部用以支撑并稳定工件；
所述弧形导轨6沿球体工件8的外轮廓线布置，因为工件是绕中轴线转动的，因此，可使弧形导轨6与工件的距离始终保持一致，所述机床安装平台5设置于弧形导轨6上并可沿弧形导轨6运动，所述并联机床4设置于机床安装平台5上，并联机床4沿弧形导轨6运动结合工件的转动，可以使并联机床4到达工件的所有位置；所述数字测量仪器7安装于加工作业台1上用于监测校验工件和并联机床4的位置。
因为所加工的是大型工件，为了便于工件的安置固定，所述加工作业台1内设置有用于安置球体工件8的安置坑9，所述装卡机构2设置于安置坑9两侧，所述支撑机构3设置于安置坑9底部。球体工件不同于回转体工件，回转体工件可以直接采用托辊支撑并使其转动，而球体工件显然无法采用托辊支撑，因此，本发明采用装卡机构结合支撑机构，对球体进行调整和支撑固定。
并联机床4沿弧形导轨6运动，具体而言，可以采用驱动轮与导轨相配合、在导轨两端设置牵引机构等方式实现并联机床4的移动，而作为优选方式，沿弧形导轨6布置有齿条503，所述机床安装平台5设置有用于驱动机床安装平台5运动的第一电机501，所述第一电机501连接有齿轮502，所述齿轮502与齿条503相啮合。弧形导轨6是沿球体外轮廓线布置的，因此齿条503的形状也是一致的。第一电机501带动齿轮502转动，使齿轮502沿齿条503运动，进而使并联机床4沿球体外轮廓线运动，完成球体半个周面的加工。以齿轮502齿条503配合的驱动方式，不但定位准确且具有一定的自锁功能，可以保证并联机床4到位后的稳定性。通常在第一电机501和齿轮502之间还要设置减速机，以匹配转速和传递转矩。为保证到位准确，第一电机501通常采用伺服电机。
工件绕中轴线旋转，当工件转动到位后，受装卡机构2限制，沿中轴线方向的稳定性高，而垂直于中轴线方向的稳定性差，因此所述支撑机构3设置于球体工件8的中轴线两侧。当工件转动到位后，通过支撑机构3对工件进行支撑并可起到固定作用，防止工件意外转动。所述支撑机构3可以采用常用的顶升机构，侧向伸缩机构等等，但作为优选方式，所述支撑机构3包括支撑支座301、可调垫302、第一压板303和焊块304，所述焊块304焊接于球体工件8上，所述可调垫302设置于支撑支座301上并且与焊块304位置相对应，所述焊块304下部设置有凸沿，所述第一压板303压在凸沿上对球体工件8进行固定。因为很多工件的表面为弧面，直接支撑的话难以保证稳定，因此，在工件上焊接焊块304，焊块304底部通常可采用平面，使焊块304与可调垫302可以稳定接触，当然焊块304也可采用其他稳定性高的形状。焊块304要根据加工设计预先焊接在工件上，保证工件转动到焊块304与可调垫302正对时，工件8的加工面正好转动到与并联机床4相对应。当工件8转动到位后，调节可调垫302使其顶住焊块304，再采用第一压板303将焊块304压住，从而有效地防止工件8在并联机床4作业时发生转动。
装卡机构2用于装卡工件8，并使其绕中轴线转动，装卡机构2的具体结构可参照现有的各类大型工件8的装卡方式，本发明优选采用的装卡机构2包括底座201、旋转支座202、轴承203、芯轴204和第二压板205，所述底座201安装于加工作业台1上，所述旋转支座202设置于底座201上，所述芯轴204通过轴承203安装于旋转支座202内，所述芯轴204内端设置有凸缘206，所述凸缘206与第二压板205相连接将工件8的连接部夹持固定。凸缘206与第二压板205可以直接夹持于工件8上，若工件8难以直接夹持，则可在工件8上另外焊接夹持部，以便于夹持。为了保证工件8在中轴线方向的稳定性，轴承203优选采用推力调心滚子轴承。
轴承203与芯轴204相配合可以实现工件8的转动，工件8可以采用机械驱动转动，亦可采用人力转动。为节省人力，至少一个装卡机构2上设置有驱动工件旋转的驱动机构，所述驱动机构包括第二电机207、蜗杆208和蜗轮209，所述蜗轮209同轴设置于芯轴204上，所述第二电机207与蜗杆208传动连接，所述蜗杆208和蜗轮209相啮合。第二电机207驱动蜗杆208转动，蜗杆208驱动蜗轮209转动，蜗轮209连接于芯轴204上带动芯轴204转动，芯轴204与工件8固定在一起，从而实现工件8的转动。同样，在第二电机207与蜗杆208之间一般也需要设置减速机。
为了方便工件8的吊装，所述装卡机构2两侧设置有吊耳210。如此需要先将装卡机构2连接于工件8上，再吊装至加工作业台1进行安装。此外，若设置有吊耳210还可利用吊耳210实现工件8的翻转。
数字测量仪器7主要用于监测并校验并联机床4和工件8的位置，采用市售的可测量距离和方位的数字测量仪器7即可，而优选采用激光跟踪测量仪，是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量系统，它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量。数字测量仪器7设置位置必须要使其能够监测到所有加工点位，例如，因加工作业都是在弧形导轨6侧进行，因此可将其设置于弧形导轨6侧的上方。但为了全面监测且准确地监测，该大型球体工件加工装置设置有三个数字测量仪器7，其中两个数字测量仪器7分别设置于弧形导轨6两端，用以监测并联机床4的运动和作业，另一个数字测量仪器7设置于加工作业台1远离弧形导轨6一侧的高台上，用以监测工件8的转动。
具体在采用上述大型多加工点位球体工件加工装置的加工步骤如下：
a、将球体工件装卡在两侧的装卡机构2之间，保证两侧可转动的装卡机构2的连线穿过球体工件的球心；
b、采用数字测量仪器7对工件进行检测，建立工件坐标系，同时数字测量仪器7对并联结构数控加工执行机构进行检测，建立加工坐标系，将工件坐标系和加工坐标系关联重合；
c、转动球体工件使至少一个开孔点位转动至并联机床4一侧的加工区域内，数字测量仪器7检测并校验球体工件到位的准确性，确定到位准确后，利用支撑机构3对球体进行支撑；
d、移动并联机床4至其中一个开孔点位，数字测量仪器7对并联机床4进行检测和校验保证到位的准确性，确定到位准确后开始开孔加工；
e、当一个点位加工完成后，移动并联机床4至位于同一水平面的下一点位进行加工，数字测量仪器7实时检测和校验移动并联机床4的位置；
f、当加工区域内的所有开孔点位均加工完成后，取消支撑机构3对球体工件的支撑，重复c、d、e步骤，直至完成整个球体工件的开孔。

Claims (11)

1.大型多加工点位工件原位可重构数字加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将工件装卡于用于装卡工件并辅助工件移动或者旋转的辅助装卡机构上，将并联结构数控加工执行机构安装于用于辅助并联结构数控加工执行机构进行移动或旋转的辅助移动机构上，保证通过辅助装卡机构和辅助移动机构的调整使并联结构数控加工执行机构可到达所有的加工点位；
b、根据工件位置和形态以及并联结构数控加工执行机构的安装位置设置数字测量系统，确保数字测量系统能够对工件和并联结构数控加工执行机构同时进行监测；
c、数字测量系统对工件进行检测，建立工件坐标系，同时数字测量系统对并联结构数控加工执行机构进行检测，建立加工坐标系，将工件坐标系和加工坐标系关联重合；
d、调整工件位置，并移动并联结构数控加工执行机构至工件的一个加工点位，辅助装卡机构控制工件准确到位，辅助移动机构控制并联结构数控加工执行机构准确到位，通过数字测量系统实时监测和校验工件和并联结构数控加工执行机构到位的准确性，确定到位准确后开始加工；
e、当一个点位加工完成后，再通过调整工件或者调整并联结构数控加工执行机构使并联结构数控加工执行机构到达下一个加工点位，辅助装卡机构控制工件准确到位，辅助移动机构控制并联结构数控加工执行机构准确到位，进行下一点位的加工，同时通过数字测量系统实时监测和校验并联结构数控加工执行机构到位的准确性；
f、重复进行e步骤，直至工件所有加工点位加工完成。
2.大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：采用的大型多加工点位球体工件加工装置包括加工作业台(1)、可转动的装卡机构(2)、支撑机构(3)、并联机床(4)、机床安装平台(5)、弧形导轨(6)和数字测量仪器(7)；
所述可转动的装卡机构(2)安装于加工作业台(1)两侧，所述支撑机构(3)设置于球体工件的底部；
所述弧形导轨(6)沿球体工件的外轮廓线布置，所述机床安装平台(5)设置于弧形导轨(6)上并可沿弧形导轨(6)运动，所述并联机床(4)设置于机床安装平台(5)上；
所述数字测量仪器(7)安装于加工作业台(1)上用于监测校验工件和并联机床(4)的位置，所述数字测量仪器(7)与并联机床(4)相互通信连接；
该大型球体工件多点位开孔方法包括如下步骤：
a、将球体工件装卡在两侧的装卡机构(2)之间，保证两侧可转动的装卡机构(2)的连线穿过球体工件的球心；
b、采用数字测量仪器(7)对工件进行检测，建立工件坐标系，同时数字测量仪器(7)对并联结构数控加工执行机构进行检测，建立加工坐标系，将工件坐标系和加工坐标系关联重合；
c、转动球体工件使至少一个开孔点位转动至并联机床(4)一侧的加工区域内，数字测量仪器(7)检测并校验球体工件到位的准确性，确定到位准确后，利用支撑机构(3)对球体进行支撑；
d、移动并联机床(4)至其中一个开孔点位，数字测量仪器(7)对并联机床(4)进行检测和校验保证到位的准确性，确定到位准确后开始开孔加工；
e、当一个点位加工完成后，移动并联机床(4)至位于同一水平面的下一点位进行加工，数字测量仪器(7)实时检测和校验移动并联机床(4)的位置；
f、当加工区域内的所有开孔点位均加工完成后，取消支撑机构(3)对球体工件的支撑，重复c、d、e步骤，直至完成整个球体工件的开孔。
3.如权利要求2所述的大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：所述支撑机构(3)包括支撑支座(301)、可调垫(302)、第一压板(303)和焊块(304)，所述焊块(304)焊接于球体工件上，所述可调垫(302)设置于支撑支座(301)上并且与焊块(304)位置相对应，所述焊块(304)下部设置有凸沿，所述第一压板(303)压在凸沿上对球体工件进行固定。
4.如权利要求2或3所述的大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：所述支撑机构(3)设置于球体工件的中轴线两侧。
5.如权利要求2所述的大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：沿弧形导轨(6)布置有齿条(503)，所述机床安装平台(5)设置有用于驱动机床安装平台(5)运动的第一电机(501)，所述第一电机(501)连接有齿轮(502)，所述齿轮(502)与齿条(503)相啮合。
6.如权利要求2所述的大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：所述装卡机构(2)包括底座(201)、旋转支座(202)、轴承(203)、芯轴(204)和第二压板(205)，所述底座(201)安装于加工作业台(1)上，所述旋转支座(202)设置于底座(201)上，所述芯轴(204)通过轴承(203)安装于旋转支座(202)内，所述芯轴(204)内端设置有凸缘(206)，所述凸缘(206)与第二压板(205)相连接将工件的连接部夹持固定。
7.如权利要求6所述的大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：至少一个装卡机构(2)上设置有驱动工件旋转的驱动机构，所述驱动机构包括第二电机(207)、蜗杆(208)和蜗轮(209)，所述蜗轮(209)同轴设置于芯轴(204)上，所述第二电机(207)与蜗杆(208)传动连接，所述蜗杆(208)和蜗轮(209)相啮合。
8.如权利要求2、6或7所述的大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：所述装卡机构(2)两侧设置有吊耳(210)。
9.如权利要求2所述的大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：设置有三个数字测量仪器(7)，其中两个数字测量仪器(7)分别设置于弧形导轨(6)两端，另一个数字测量仪器(7)设置于加工作业台(1)远离弧形导轨(6)一侧的高台上。
10.如权利要求2所述的大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：所述加工作业台(1)内设置有用于安置球体工件的安置坑(9)，所述装卡机构(2)设置于安置坑(9)两侧，所述支撑机构(3)设置于安置坑(9)底部。
11.如权利要求2所述的大型球体工件多点位开孔方法，其特征在于：所述数字测量仪器(7)为激光跟踪测量仪。
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