CN108687573B - 一种自动化磁场辅助光整加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

针对复杂曲面高效高质光整和柔性控制面临的技术难题，发明了一种自动化磁场辅助光整加工装置及方法。所述装置包括工业机器人、工业振动马达、新型光整加工装置、工件装夹装置和三轴精密位移工作台；新型光整加工装置包括磁场发生装置、固定板、连接板、导向螺钉和连接杆；磁场发生装置包括连杆、导杆、磁轭、丝杆、手柄、螺母、螺栓、四个磁极和磁极套。通过工业机器人实现多自由度柔性调整，可以完成对不同面型的工件进行自动化光整加工；工业振动马达的振动复合作用，可提高光整加工效率；新型光整加工装置磁极角度可以针对不同工件特征表面进行调节。本发明能突破传统方法对复杂曲面光整加工的局限性，从而实现高效高质的柔性自动化光整加工。

Description

一种自动化磁场辅助光整加工装置及方法

技术领域

本发明涉及复杂曲面光整加工技术，特别提供了一种自动化磁场辅助的光整加工装置及其光整加工方法。

背景技术

表面质量直接影响产品的使用性能和使用寿命，不同的光整加工方法会得到不同的表面特征和精度特征。为进一步改善抛光方法，获取较高的加工精度及表面粗糙度，一些非传统光整加工方法相继出现，主要包括磁性磨料光整、磨粒流光整、珩磨光整、磁流变光整等。磁性磨粒光整加工是指磁场作用于磁性磨粒上并形成磨具，将形成的磨具作用于工件表面上。通过工件与磁性磨粒做相对运动，从而使磨粒在工件表面产生摩擦、滚压等现象，进而完成对工件的光整加工，磨粒的制备是其中的一个难题，当前技术制备出的平均粒径约为150 μm，粒径较大且成本较高。磨粒流光整加工是将一种半固态磨料放置于待加工件型腔内，通过在工件端部加压使磨料流过工件表面，从而完成对工件表面毛刺去除、降低粗糙度。该方法精确性高、稳定性好，尤其适用于微小零件内腔表面光整加工，但磨粒流光整加工需要特殊的加工平台，生产过程繁琐，增加了加工时间与生产成本。珩磨是利用油石组成珩磨头，通过往复和旋转运动，对内孔进行光整的加工工艺，该方法主要用来加工圆柱孔，通过更换相应直径的珩磨头，可以加工平面、球面等，但该方法会因转速过高产生热误差问题，造成尺寸精度变小、表面质量变差等问题。磁流变光整是指磁流变液在高梯度磁场的作用下，其流变性发生变化，表现出类固体的性质，形成具有黏性行为的“小磨头”，该磨头与工件之间做相对运动，使工件表面收到较大的剪切力，从而使工件表面材料去除，完成对工件的光整加工。然而，现有光整加工方法主要用来提高平面的表面质量，针对复杂曲面的光整加工主要由人工完成，这种加工方式不仅费时、费力，而且加工质量难以得到保障。随着制造技术的发展，对零件表面质量的要求也越来越高，特别是面向航空、航天等领域，基础零件和模具的形状越来越复杂。因此，开发面向曲面高效、高质量的柔性自动化光整加工方法和技术具有重要的理论意义和实际应用价值。本发明提出一种新型自动化磁场辅助加工装置，通过集成所发明的新型磁场发生装置，利用工业机器人的多自由度位姿调节，实现对复杂曲面的自动化光整加工，并通过振动模块的复合作用，进一步提高光整加工效率。

发明内容

本发明提供了一种自动化磁场辅助光整加工装置及方法。磁极集成于磁轭上构成磁场发生装置，磁场发生装置装备于工业机器人上，通过调节丝杆精确控制磁极作用区域，调整磁极角度位置和工业机器人的辅助控制，以更有效的贴合待加工复杂表面，解决光整加工的柔性自动化控制问题，提高工作效率。同时，利用对工业振动马达施加驱动信号后产生的振动，进一步提高光整加工效率。

本发明的一种自动化磁场辅助光整加工装置及方法所提供的技术方案如下：

1. 所述自动化磁场辅助光整加工装置：包括工业机器人、工业振动马达、新型光整加工装置、工件装夹装置和三轴精密位移工作台，新型光整加工装置包括磁场发生装置、固定板、连接板、导向螺钉和连接杆，磁场发生装置包括连杆、导杆、磁轭、丝杆、手柄、螺母、螺栓1、四个磁极和磁极套，所述工业振动马达的一端连接工业机器人的末端，另一端连接新型光整加工装置，工件装夹装置固定在三轴精密位移工作台上，待加工零件放置于工件装夹装置上，所述磁场发生装置通过连接板和连接杆与工业机器人连接、集成，所述固定板上具有螺纹孔1和沉头孔，下端面通过螺栓2和螺纹孔2与磁场发生装置固定连接，上端面通过导向螺钉和螺纹孔1与连接板固定连接，所述导杆穿过磁轭，一端连接手柄和丝杆，另一端连接磁极套，并通过螺母和螺栓1紧固，四个磁极分别放置在磁极套中；

2. 所述自动化磁场辅助光整加工方法，可以通过以下步骤实现：

(1) 将待加工零件通过工件装夹装置固定在三轴精密位移工作台上，完成定位装夹；

(2) 三轴精密位移工作台调整待加工零件至光整加工区域；

(3) 新型光整加工装置集成于工业机器人的末端，多自由度机械手可调节光整加工装置在任意方向上对零件进行光整加工的位姿控制；

(4) 光整介质放置于新型光整加工装置磁极的聚集处，在磁力线的作用下光整介质形成类似凸起的“柔性固着磨具”；

(5) 调节工业机器人、三轴精密位移工作台的相对位置，使光整介质与待加工零件柔性接触；

(6) 工业机器人带动新型光整装置高速旋转，三轴精密位移工作台,进行快速进给，可实现光整介质与待加工零件表面的相对移动，进行光整加工；

(7) 工业振动马达施加驱动信号后，在新型光整加工装置的轴向方向产生振动，提高光整加工效率；

(8) 通过磁场发生装置的偏心调整，放置在四个磁极上的磁性光整介质在交变磁场中进行光整加工，调整四个磁极不同的组合方式，可产生不同类型的“柔性固着磨具”，进而满足不同特征类型零件的光整加工。

本发明的有益效果是：1、本发明所述的一种自动化磁场辅助光整加工装置，新型光整加工装置集成于工业机器人上，可实现新型光整加工装置的多自由度移动，能够完成针对不同形状、不同尺寸的自由曲面自动化光整加工，具有操作柔性。2、本发明所述的新型光整加工装置，通过调整磁场发生装置与连接板的相对位置，实现磁场发生装置的位置偏移，产生交变磁场，进而使磁性光整介质更加有效的对工件进行光整加工，提高光整效率。3、本发明所述的一种自动化磁场辅助光整加工装置，通过工业振动马达施加一定频率的振动，作用于光整加工进程，可有效提高光整加工效率。4、本发明所述的一种自动化磁场辅助光整加工装置，磁场发生装置中磁极所围成的作用区域大小可以进行调节，以改变不同的面积的磁场分布，便于配合不同尺寸的工件。5、本发明所述的一种自动化磁场辅助光整加工装置，可柔性调节磁极的组合方式，形成不同类型配置，便于以适应不同结构特征类型的零件加工。

附图说明

图1是本发明的一种自动化磁场辅助光整加工装置的整体结构示意图。

图2是本发明的一种自动化磁场辅助光整加工装置的新型光整加工装置的局部结构示意图。

图3是本发明的一种自动化磁场辅助光整加工装置的新型光整加工装置的磁场发生装置结构示意图。

图4是本发明的一种自动化磁场辅助光整加工装置及方法的不同磁极组合产生的磁力线分布示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明，本实施方式所述装置包括工业机器人1-1、工业振动马达1-2、新型光整加工装置1-3、工件装夹装置1-5和三轴精密位移工作台1-6，新型光整加工装置1-3包括磁场发生装置2-10、固定板2-8、连接板2-4、导向螺钉2-1和连接杆2-2，磁场发生装置2-10包括连杆3-1、导杆3-2、磁轭3-3、丝杆3-4、手柄3-5、螺母3-6、螺栓3-7、四个磁极3-8和磁极套3-9，所述工业振动马达1-2的一端连接工业机器人1-1的末端，另一端连接新型光整加工装置1-3，工件装夹装置1-5固定在三轴精密位移工作台1-6上，待加工零件1-4放置于工件装夹装置上，所述磁场发生装置2-10通过连接板2-4和连接杆2-2与工业机器人1-1连接、集成，所述固定板2-8上具有螺纹孔2-9和沉头孔2-6，下端面通过螺栓2-5和螺纹孔2-7与磁场发生装置2-10固定连接，上端面通过导向螺钉2-1和螺纹孔2-9与连接板2-4固定连接，所述导杆3-2穿过磁轭3-3，一端连接手柄3-5和丝杆3-4，另一端连接磁极套3-9，并通过螺母3-6和螺栓3-7紧固，四个磁极3-8分别放置在磁极套3-9中。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式所述工业工业机器人1-1具有六自由度，可实现新型光整加工装置1-3的高速旋转运动和复杂曲面光整加工的多自由度控制。工业机器人可选用ABB IRB2400机器人，其有效载荷7-20 kg、最大工作范围1810 mm，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式所述工业振动马达1-2在光整加工时对新型光整加工装置1-3提供辅助振动，提高加工效率。振动马达的振动频率可选为50 Hz，其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式所述连接板2-4上具有T型槽2-3，调节导向螺钉2-1的固定连接位置可调整磁场发生装置2-10与连接板2-4的相对位置，实现磁场发生装置2-10的偏心，并产生交变磁场，进一步提高光整加工效率，其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图2和图3说明本实施方式调整所述磁场发生装置2-10中导杆3-2的位置，可以调整四个磁极3-8在磁轭中的相对位置，进而控制四个磁极3-8所围成磁场区域的大小，满足不同加工范围的适应性，调整所述磁极套3-9和导杆3-2之间的角度，可以调整四个磁极3-8的放置角度，从而配合不同特征表面零件的加工，其它与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图3和图4说明本实施方式所述四个磁极3-8根据不同的排列方式可产生四路磁力线4-1、两路磁力线4-2、三路磁力线4-3，磁性磨料沿磁力线分布，并产生类似凸起的“柔性固着磨具”聚集物，不同的磁力线分布产生不同类型的“柔性固着磨具”，其它与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1、图2和图3说明，本实施方式利用具体实施方式一、二、三或五中任意一个具体实施方式所述装置进行光整加工步骤如下：

(1) 将待加工零件通过工件装夹装置固定在三轴精密位移工作台1-6上，完成定位装夹；

(2) 三轴精密位移工作台1-6调整待加工零件1-4至光整加工区域；

(3) 新型光整加工装置1-3集成于工业机器人1-1的末端，多自由度机械手可调节新型光整加工装置1-3在任意方向上对零件1-4进行光整加工的位姿控制；

(4) 光整介质放置于新型光整加工装置1-3磁极3-8的聚集处，在磁力线的作用下光整介质形成类似凸起的“柔性固着磨具”；

(5) 调节工业机器人1-1、三轴精密位移工作台1-6的相对位置，使光整介质与待加工零件1-4柔性接触；

(6) 工业机器人1-1带动新型光整装置1-3高速旋转，三轴精密位移工作台1-6,进行快速进给，可实现光整介质与待加工零件1-4表面的相对移动，进行光整加工；

(7) 工业振动马达1-2施加驱动信号后，在新型光整加工装置1-3的轴向方向产生振动，提高光整加工效率；

(8) 通过磁场发生装置2-10的偏心调整，放置在四个磁极3-8上的磨料在交变磁场中进行光整加工，调整四个磁极3-8不同的组合方式，可产生不同类型的“柔性固着磨具”，进而满足不同特征类型零件的光整加工，其他与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种自动化磁场辅助光整加工装置及方法，进行零件的表面光整实验，以钛合金（TC4）作为测试试样，粒径250 μm的羟基铁粉和粒径150 μm碳化硅磨料以9:1的重量比配置成光整介质，测试实验表明，经过35 min的光整加工，钛合金的表面粗糙度由初始的1.13 μm降至48 nm，可实现高效、高质、自动化光整加工，其它与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

Claims (4)

1.一种利用自动化磁场辅助光整加工装置进行光整加工的方法,其特征在于，自动化磁场辅助光整加工装置，包括工业机器人（1-1）、工业振动马达（1-2）、新型光整加工装置（1-3）、工件装夹装置（1-5）和三轴精密位移工作台（1-6），新型光整加工装置（1-3）包括磁场发生装置（2-10）、固定板（2-8）、连接板（2-4）、导向螺钉（2-1）和连接杆（2-2），磁场发生装置（2-10）包括连杆（3-1）、导杆（3-2）、磁轭（3-3）、丝杆（3-4）、手柄（3-5）、螺母（3-6）、螺栓1（3-7）、四个磁极（3-8）和磁极套（3-9），所述工业振动马达（1-2）的一端连接工业机器人（1-1）的末端，另一端连接新型光整加工装置（1-3），工件装夹装置（1-5）固定在三轴精密位移工作台（1-6）上，待加工零件（1-4）放置于工件装夹装置上，所述磁场发生装置（2-10）通过连接板（2-4）和连接杆（2-2）与工业机器人（1-1）连接、集成，所述固定板（2-8）上具有螺纹孔1（2-9）和沉头孔（2-6），下端面通过螺栓2（2-5）和螺纹孔2（2-7）与磁场发生装置（2-10）固定连接，上端面通过导向螺钉（2-1）和螺纹孔1（2-9）与连接板（2-4）固定连接，所述导杆（3-2）穿过磁轭（3-3），一端连接手柄（3-5）和丝杆（3-4），另一端连接磁极套（3-9），磁极套（3-9）通过螺母（3-6）和螺栓1（3-7）紧固，四个磁极（3-8）分别放置在磁极套（3-9）中；工业振动马达（1-2）在光整加工时对新型光整加工装置（1-3）提供辅助振动，提高加工效率；所述连接板（2-4）上具有T型槽（2-3），调节导向螺钉（2-1）的固定连接位置可调整磁场发生装置（2-10）与连接板（2-4）的相对位置，实现磁场发生装置（2-10）的偏心，并产生交变磁场，进一步提高光整加工效率；调整所述磁场发生装置（2-10）中导杆（3-2）的位置，可以调整四个磁极（3-8）在磁轭中的相对位置，进而控制四个磁极（3-8）所围成磁场区域的大小，满足不同加工范围的适应性，调整所述磁极套（3-9）和导杆（3-2）之间的角度，可以调整四个磁极（3-8）的放置角度，从而配合不同特征表面零件的加工；

所述方法主要包括如下步骤：

(1)将待加工零件（1-4）通过工件装夹装置（1-5）固定在三轴精密位移工作台（1-6）上，完成定位装夹；

(2)三轴精密位移工作台（1-6）调整待加工零件（1-4）至光整加工区域；

(3)新型光整加工装置（1-3）集成于工业机器人（1-1）的末端，多自由度机械手可调节新型光整加工装置（1-3）在任意方向上对零件（1-4）进行光整加工的位姿控制；

(4)磁性光整介质放置于新型光整加工装置（1-3）磁极（3-8）的聚集处，在磁力线的作用下光整介质形成类似凸起的“柔性固着磨具”聚集物；

(5)调节工业机器人（1-1）、三轴精密位移工作台（1-6）的相对位置，使光整介质与待加工零件（1-4）柔性接触；

(6)工业机器人（1-1）带动新型光整装置（1-3）高速旋转，三轴精密位移工作台（1-6）,进行快速进给，可实现光整介质与待加工零件（1-4）表面的相对移动，进行光整加工；

(7)工业振动马达（1-2）施加驱动信号后，在新型光整加工装置（1-3）的轴向方向产生振动，提高光整加工效率；

(8)通过磁场发生装置（2-10）的偏心调整，放置在四个磁极（3-8）上的磁性光整介质在交变磁场中进行光整加工，调整四个磁极（3-8）不同的组合方式，可产生不同类型的“柔性固着磨具”，进而满足不同特征类型零件的光整加工，所述四个磁极（3-8）根据不同的排列方式可产生四路磁力线（4-1）、两路磁力线（4-2）和三路磁力线（4-3），磁性光整介质沿磁力线分布，所述四路磁力线（4-1）围成一个闭合的图形；所述两路磁力线（4-2）中，对角线的两磁极为一组，每一组的磁极相反，两组磁力线相对于中线对称；所述三路磁力线（4-3）中，一路磁极与其他三路相反，三路同极磁极分别与相反磁极各形成一路磁力线。

2.一种采用权利要求1所述方法的自动化磁场辅助光整加工装置，其特征在于：所述装置包括工业机器人（1-1）、工业振动马达（1-2）、新型光整加工装置（1-3）、工件装夹装置（1-5）和三轴精密位移工作台（1-6），新型光整加工装置（1-3）包括磁场发生装置（2-10）、固定板（2-8）、连接板（2-4）、导向螺钉（2-1）和连接杆（2-2），磁场发生装置（2-10）包括连杆（3-1）、导杆（3-2）、磁轭（3-3）、丝杆（3-4）、手柄（3-5）、螺母（3-6）、螺栓1（3-7）、四个磁极（3-8）和磁极套（3-9），所述工业振动马达（1-2）的一端连接工业机器人（1-1）的末端，另一端连接新型光整加工装置（1-3），工件装夹装置（1-5）固定在三轴精密位移工作台（1-6）上，待加工零件（1-4）放置于工件装夹装置上，所述磁场发生装置（2-10）通过连接板（2-4）和连接杆（2-2）与工业机器人（1-1）连接、集成，所述固定板（2-8）上具有螺纹孔1（2-9）和沉头孔（2-6），下端面通过螺栓2（2-5）和螺纹孔2（2-7）与磁场发生装置（2-10）固定连接，上端面通过导向螺钉（2-1）和螺纹孔1（2-9）与连接板（2-4）固定连接，所述导杆（3-2）穿过磁轭（3-3），一端连接手柄（3-5）和丝杆（3-4），另一端连接磁极套（3-9），磁极套（3-9）通过螺母（3-6）和螺栓1（3-7）紧固，四个磁极（3-8）分别放置在磁极套（3-9）中。

3.根据权利要求2所述的一种自动化磁场辅助光整加工装置，其特征在于：所述工业机器人（1-1）具有六自由度，可实现新型光整加工装置（1-3）的高速旋转运动和复杂曲面光整加工的多自由度自动化控制。

4.根据权利要求2所述的一种自动化磁场辅助光整加工装置，其特征在于：所述四个磁极（3-8）根据不同的排列方式可产生四路磁力线（4-1）、两路磁力线（4-2）和三路磁力线（4-3），磁性光整介质沿磁力线分布，并产生类似凸起的“柔性固着磨具”聚集物，不同的磁力线分布产生不同类型的“柔性固着磨具”聚集物。

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