CN110227954A - 磁引导的气动变刚度镜像铣柔性支撑机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了磁引导的气动变刚度镜像铣柔性支撑机构，包括：支撑头部分和主动端部分。支撑头部分包括气缸座，其外壁均匀分布有带圆环的肋板，每个圆环与一个套筒共同安装在全螺纹万向滚珠上，用锁紧螺母固定在一起；套筒边缘有侧肋板，用于安装磁铁弧；气缸通过其外壁螺纹与气缸座螺纹孔连接，用锁紧螺母固定，气缸活塞杆上安装有圆柱万向滚珠，使用定位螺母辅助定位。所述主动端部分包括主动端基座，其外壁均匀设有肋板，用于通过全螺纹万向滚珠与一个磁铁环连接，并通过锁紧螺母固定，该磁环与上述磁铁弧相对设置面的磁性相反。本装置可简化镜像铣削设备中支撑端软硬件配置要求，有效抑制振动。

Description

磁引导的气动变刚度镜像铣柔性支撑机构

技术领域

本发明涉及镜像铣柔性支撑机构，特别涉及一种薄壁件镜像铣削加工支撑机构，主要用 于在镜像铣削加工过程中实现对不同曲率、不同刚度的弱刚度薄壁件进行变刚度的随动、随 形柔性支撑。

背景技术

大型轻质合金薄壁件在航空航天领域有着广泛应用，大型蒙皮薄壁件传统加工方式包括 化学铣和靠模铣削；相对于这些传统加工方式，由于镜像加工高效、经济、环保的特点，这 种加工方式已越来越多的应用于薄壁件的加工。镜像加工系统拥有对称布置于薄壁件两侧并 同步运动的加工机构和支撑机构。由于薄壁件的弱刚性，在加工过程中会发生变形和颤振， 因此需要引入支撑机构，通过对材料加工点施加支撑来实现抑制颤振、提高刚度、提高加工 精度。此外，在加工弯曲薄壁件时，为保证铣刀和支撑机构在加工件两侧镜像对准，加工侧 和支撑侧所使用的机器人各个关节的运动轨迹不同，对于镜像支撑机构的运动算法的编写提 出了较高的要求。

目前，针对镜像支撑机构已经提出了许多不同的设计方案，但现有技术方案尚不能完全 满足镜像加工的要求。美国专利US7682112公开了一种飞机蒙皮镜像加工的方法。该技术方 案要求刀具与支撑点移动保持完全同步，控制复杂且难实现刀具与支撑点的完全正对；而且 是刚性支撑，支撑头不能抑制加工过程中的振颤现象。中国专利201510038101.2公开了一种 用于镜像加工的刚柔多点随动支撑头。该发明同时考虑支撑的刚性和柔性要求。但该发明依 靠弹簧被动支撑，体积大且笨重，加工过程中无法调节支撑头的刚度，无法在保证支撑力相 同的情况下适应薄壁件不同曲率的支撑要求。中国专利CN201610897924.5公开了一种用于镜 像铣削加工过程中的气动式变刚度实时随动支撑头。该发明采用多个气缸调节支撑力的大小， 但该发明需要保证加工过程中支撑端和铣削端机器人末端的镜像位姿，在铣削加工不同曲率 的薄壁件时对支撑侧与铣削侧加工轨迹的同步算法设计有较高要求；且通过实际实验验证发 现，多个气缸支撑相比单个气缸点对点支撑，对振动的抑制效果十分有限，反而会增加支撑 头的重量。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种可以抑制薄壁件加工过程中的振动现 象，大幅度减小随动支撑过程中摩擦和划痕问题，满足不同曲率的薄壁件支撑的要求和实时 跟随要求的磁引导的气动变刚度镜像铣柔性支撑机构。

磁引导的气动变刚度镜像铣柔性支撑机构，包括支撑头部分和主动端部分，所述的支撑 头部分包括沿同一圆周方向均布的三个套筒，所述的三个套筒的轴线沿水平方向设置，在每 一个套筒的右端侧壁上沿套筒径向对称设置有两个外翼，相邻的两个套筒的相邻的两个外翼 分别与一个磁铁弧的两端通过螺钉固定相连，三个磁铁弧通过套筒的外翼彼此相连构成一个 轴线沿水平方向设置的圆环；

一个支撑头基座包括设置在所述的圆环左侧中间的气缸座，在所述气缸座的外壁上沿同 一圆周方向均布有三个末端带圆环的侧肋板，每一个侧肋板的圆环与一个套筒从左至右共同 套在一个第一全螺纹万向滚珠上，所述的第一全螺纹万向滚珠与对应设置的套筒以及侧肋板 的圆环过盈配合，所述的每个第一全螺纹万向滚珠的左侧和右侧分别露出套筒设置且第一全 螺纹万向滚珠露出套筒的螺纹段上分别螺纹连接有一个锁紧螺母使得套筒以及侧肋板的圆环 压紧设置在两个锁紧螺母之间；

一个气缸右侧通过外壁上设置的外螺纹与气缸座的中间螺纹孔螺纹连接并通过连接在气 缸左侧外壁上的锁紧螺母以及气缸右端外壁上的定位螺母与气缸座锁紧固定，在所述的气缸 右侧的活塞杆上固定有轴线沿水平方向设置的圆柱万向滚珠，所述的第一全螺纹万向滚珠的 滚珠设置在第一全螺纹万向滚珠的右端，圆柱万向滚珠的滚珠设置在圆柱万向滚珠的右端；

所述的主动端部分包括主动端基座，所述的主动端基座包括轴线沿水平方向设置的主体， 所述的主体为圆环柱体结构，在所述的主体左端外壁上沿同一圆周方向均匀设置有三个连接 肋板，一个与所述的主体同轴线设置的磁铁环与三个连接肋板的外端分别通过轴线沿水平方 向设置的第二全螺纹万向滚珠连接，所述的第二全螺纹万向滚珠右端通过与其螺纹连接的锁 紧螺母与磁铁环以及连接肋板固定相连，所述的第二全螺纹万向滚珠的滚珠探出磁铁环左壁 设置，所述磁铁弧与磁铁环相对设置的壁面的磁性相反，三段磁铁弧与套筒安装在一起构成 的所述圆环为与磁铁环直径相同的完整的圆环。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明通过分别在铣削端和支撑头上安装磁铁，靠磁力吸引实现了在铣削过程中支撑机 构自动跟随铣刀运动，从而大幅度降低了支撑设备成本，解决了当前镜像加工主要面临的加 工端机床与支撑端机床如何编写协同运动程序的问题。该机构采用点对点的气动支撑设计， 通过改变气缸气压来改变支撑力大小，从而能更灵活地根据需要调整支撑力大小，有效抑制 薄壁件铣削振动；同时，气缸活塞杆的伸出长度也会随薄壁件表面曲率变化而变化，满足对 于不同曲率的薄壁件支撑的要求；支撑头采用万向滚珠与工件表面接触，大幅度减小加工过 程中支撑头与工件的摩擦和划痕问题。

附图说明

图1为本发明的磁引导的气动变刚度镜像铣柔性支撑机构的立体图；

图2为图1所示的机构中的支撑头边缘支撑部分的爆炸示意图；

图3为图1所示的机构中的支撑头部分的左视图；

图4为图1所示的机构中的支撑头部分的右视图；

图5为图1所示的机构中的主动端部分的右视图；

图6为图1所示的支撑机构在加工过程的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如附图所示的本发明的磁引导的气动变刚度镜像铣柔性支撑机构，包括支撑头部分和主 动端部分，所述的支撑头部分包括沿同一圆周方向均布的三个套筒6，所述的三个套筒6的 轴线沿水平方向设置，在每一个套筒6的右端侧壁上沿套筒6径向对称设置有两个外翼，相 邻的两个套筒的相邻的两个外翼分别与一个磁铁弧4的两端通过螺钉5固定相连，三个磁铁 弧4通过套筒的外翼彼此相连构成一个轴线沿水平方向设置的圆环。

一个支撑头基座11包括设置在所述的圆环左侧中间的气缸座，在所述气缸座的外壁上沿 同一圆周方向均布有三个末端带圆环的侧肋板，如图2所示，每一个侧肋板的圆环与一个套 筒6从左至右共同套在一个第一全螺纹万向滚珠8上，所述的第一全螺纹万向滚珠8与对应 设置的套筒6以及侧肋板的圆环过盈配合，所述的每个第一全螺纹万向滚珠8的左侧和右侧 分别露出套筒6设置且第一全螺纹万向滚珠8露出套筒6的螺纹段上分别螺纹连接有一个锁 紧螺母7使得套筒6以及侧肋板的圆环压紧设置在两个锁紧螺母7之间。

一个气缸9右侧通过外壁上设置的外螺纹与气缸座的中间螺纹孔螺纹连接并通过连接在 气缸左侧外壁上的锁紧螺母10以及气缸右端外壁上的定位螺母14与气缸座锁紧固定。在所 述的气缸9右侧的活塞杆上固定有轴线沿水平方向设置的圆柱万向滚珠12。所述的第一全螺 纹万向滚珠8的滚珠设置在第一全螺纹万向滚珠的右端，圆柱万向滚珠12的滚珠设置在圆柱 万向滚珠12的右端。

所述的主动端部分包括主动端基座1，所述的主动端基座1包括轴线沿水平方向设置的 主体，所述的主体为圆环柱体结构，在所述的主体左端外壁上沿同一圆周方向均匀设置有三 个连接肋板，一个与所述的主体同轴线设置的磁铁环2与三个连接肋板的外端分别通过轴线 沿水平方向设置的第二全螺纹万向滚珠3连接，所述的第二全螺纹万向滚珠3右端通过与其 螺纹连接的锁紧螺母13与磁铁环2以及连接肋板固定相连，所述的第二全螺纹万向滚珠3的 滚珠探出磁铁环左壁设置。所述磁铁弧4与磁铁环2相对设置的壁面的磁性相反。

三段磁铁弧与套筒安装在一起构成的所述圆环为与磁铁环2直径相同的完整的圆环。

将所述第二全螺纹万向滚珠3当做螺钉，用于磁铁环2和主动端基座1的安装固定，安 装时，应使得所述第二全螺纹万向滚珠3的左端钢球略微探出磁铁环，用于与铣削薄壁件15 相接触。

全螺纹万向滚珠以及圆柱万向滚珠均市场有售。本装置中采用全螺纹万向滚珠，变滑动 摩擦为滚动摩擦，减小了摩擦力，便于重载荷下薄壁件的自由移动。

所述磁铁弧4选用磁力足够强的永磁体，永磁体左右平面分别为N极与S极，如图3、图4所示；所述磁铁环2在安装时应选择与磁铁弧S极相对的一面为N极，另一面为S极， 如图6所示，从而保证在如图6所示的工作状态中，支撑头与主动端能隔着薄壁件互相吸引。

装配过程中，安装在气缸9上的锁紧螺母10与气缸座中心通孔左侧底面压紧配合，预先 调整气缸9旋入气缸座上的通孔的长度，使得气缸9上安装的圆柱万向滚珠在气缸未充气时 不与薄壁件表面接触；当对薄壁件进行镜像铣削加工时，首先，支撑头上的第一全螺纹万向 滚珠8与铣削薄壁件表面接触，之后预先调节锁紧螺母10和定位螺母14，使圆柱万向滚珠 12的右端面短于支撑头整体的右端面，支撑头将放置于加工工件另一侧与铣刀相对的位置， 气缸9充气工作，圆柱万向滚珠12伸出，与薄壁件接触。通过圆柱万向滚珠12对薄壁件铣 削点进行柔性支撑，抑制薄壁件铣削加工过程中的振动与变形；通过调节支撑气缸9的输入 气压，改变气缸内气体弹簧刚度和支撑力大小，满足薄壁件对不同支撑刚度的要求；所述气 缸9在保证缸内气压恒定的情况下，其活塞杆的伸出长度会根据薄壁件的形状自动调节，满 足不同曲率薄壁件的支撑要求。

装配时，所述的主动端基座1中心有通孔，用于与铣刀刀柄轴16配合安装，铣刀移动时 主动端基座随之移动。

在铣刀刀柄轴上配合安装的主动端底座1通过第二全螺纹万向滚珠3与铣削薄壁件相接 触，通过磁铁环2与铣削薄壁件另一面上的支撑头上的磁铁弧4相互吸引；在加工工件的另 一侧与铣刀对应的位置安装支撑头，由于磁力的作用，支撑头中心轴始终保持与主动端底座 中心轴共线，且使得支撑头中心的圆柱万向滚珠12与铣刀点对点支撑；在加工过程中，刀具 移动，带动主动端底座1移动，由于支持头上安装的磁铁弧4与主动端上安装的磁铁环2相 互吸引，支撑头也会受磁力牵连而随铣刀一同运动，从而保证支撑头与铣刀时刻点对点支撑， 不需要编写支撑端机械跟随程序即可实现支撑头的实时自动跟随，简化了支撑端的硬件和软 件配置要求。

Claims (1)

1.磁引导的气动变刚度镜像铣柔性支撑机构，包括支撑头部分和主动端部分，其特征在于：所述的支撑头部分包括沿同一圆周方向均布的三个套筒，所述的三个套筒的轴线沿水平方向设置，在每一个套筒的右端侧壁上沿套筒径向对称设置有两个外翼，相邻的两个套筒的相邻的两个外翼分别与一个磁铁弧的两端通过螺钉固定相连，三个磁铁弧通过套筒的外翼彼此相连构成一个轴线沿水平方向设置的圆环；

一个支撑头基座包括设置在所述的圆环左侧中间的气缸座，在所述气缸座的外壁上沿同一圆周方向均布有三个末端带圆环的侧肋板，每一个侧肋板的圆环与一个套筒从左至右共同套在一个第一全螺纹万向滚珠上，所述的第一全螺纹万向滚珠与对应设置的套筒以及侧肋板的圆环过盈配合，所述的每个第一全螺纹万向滚珠的左侧和右侧分别露出套筒设置且第一全螺纹万向滚珠露出套筒的螺纹段上分别螺纹连接有一个锁紧螺母使得套筒以及侧肋板的圆环压紧设置在两个锁紧螺母之间；

一个气缸右侧通过外壁上设置的外螺纹与气缸座的中间螺纹孔螺纹连接并通过连接在气缸左侧外壁上的锁紧螺母以及气缸右端外壁上的定位螺母与气缸座锁紧固定，在所述的气缸右侧的活塞杆上固定有轴线沿水平方向设置的圆柱万向滚珠，所述的第一全螺纹万向滚珠的滚珠设置在第一全螺纹万向滚珠的右端，圆柱万向滚珠的滚珠设置在圆柱万向滚珠的右端；

所述的主动端部分包括主动端基座，所述的主动端基座包括轴线沿水平方向设置的主体，所述的主体为圆环柱体结构，在所述的主体左端外壁上沿同一圆周方向均匀设置有三个连接肋板，一个与所述的主体同轴线设置的磁铁环与三个连接肋板的外端分别通过轴线沿水平方向设置的第二全螺纹万向滚珠连接，所述的第二全螺纹万向滚珠右端通过与其螺纹连接的锁紧螺母与磁铁环以及连接肋板固定相连，所述的第二全螺纹万向滚珠的滚珠探出磁铁环左壁设置，所述磁铁弧与磁铁环相对设置的壁面的磁性相反，三段磁铁弧与套筒安装在一起构成的所述圆环为与磁铁环直径相同的完整的圆环。