CN110421383B - 一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹方法及装置，它利用滑块机构在浮动状态下能够通过沿X、Y、Z轴方向自由移动，以及绕X、Y轴方向自由转动实现根据零件变形自适应的调整，以充分释放零件变形量。装夹装置浮动、锁紧状态的切换通过气源实现，其任意姿态的调整无需借助电机等外部动力源。此外，该装置能够依靠机械结构实现任意姿态下的锁紧，并且锁紧力无须外部动力源提供。装夹装置浮动状态下根据零件变形自适应调整装夹位姿，然后通过机械锁紧保证了装夹装备变形后零件的稳定锁紧，以及零件后续加工中的稳定性。本发明具有成本低、效率高、可靠性好的优点，它能在无须借助电机的外部动力源及其余传感器的情况下，根据零件变形自适应调整装夹位姿。

Description

一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹方法及装置

技术领域

本发明涉及一种工装夹具，尤其是一种用于加工过程中释放零件变形并在任意姿态锁紧的自适应浮动装夹的工艺装备，具体地说是一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹方法及装置。

背景技术

对于飞行器、汽车等大型零件，由于其尺寸大、结构复杂且材料去除率高，零件加工后会产生较大的变形，甚至会造成零件的超差报废，严重影响产品生产周期。

装夹装置在加工制造中起到定位、固定、增强工件刚度的作用，对于工件质量和加工效率有重要影响。

（1）固定装夹方法与装置

传统装夹方法及其装置在加工过程中夹紧力大小、夹紧位置、定位器布局等保持不变，但是工件在加工过程中的刚度、应力分布均在发生变化，因此当加工操作完成后松开装夹时，由于残余应力释放和重新平衡导致工件产生变形，严重影响工件的加工质量，传统的装夹方法及其装置已难以适应于易变形零件的高精度加工需求。

（2）可调整的装夹方法与装置

为了增强零件的刚性、减小振动，控制零件的加工变形，部分发明研究在设计、改进装夹装置和装夹方法方面做了很多工作。包括1）针对大型蒙皮类弱刚性零件的基于阵列式立柱的夹紧方法，该方法通过控制立柱伸缩构成不同弧型曲面适应零件的外形，利用真空吸附对工件进行夹紧。该方法能够适应蒙皮类零件的数控加工，在加工前适应零件的外形进行夹紧，但难以实现加工过程中的变形自适应释放，本质上仍属于固定装夹。2）在加工过程中可以调整夹紧力与改变装夹位置的夹具，借助有限元仿真的工具，增强工件局部刚度，减小加工变形。3）基于有限元分析结果的夹紧力调整夹具，通过在线调整夹紧力达到控制工件加工变形的目的。

但以上装夹方法与装置的调整主要是基于加工前的分析进行事前调整或者在线调整，从而达到增强工件刚度或者减小工件变形的目的，但是由于大型结构件加工过程非常复杂，是一个强时变系统，工件自身的刚度随着材料的去除持续变化，而且加工过程中有很多随机因素事前难以准确预测，如材料内部残余应力的变化，所以仅仅依靠以上装夹方法与装置和仍然难以满足大型结构件加工变形控制的需求。

减少零件变形量，对于提高零件质量，延长零件使用寿命具有重要意义。已有的加工方法在本质上都属于固定装夹，只能进行局部加工变形监测或者控制，难以实现整体加工变形的监测和控制。

申请人曾提出了浮动装夹自适应加工的方法及装夹装置，该方法通过监测零件的变形量及变形力，释放零件变形，将零件变形量在加工过程中多次释放及消除以达到减小零件最终变形的目的。但其从本质上仍然是一种固定装夹，无法满足使用要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有的浮动装夹大多仍属于固定装置，无法满足自适应加工要求的问题，发明一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹方法，同时设计一种相应的浮动装夹装置，它具有成本低、效率高、可靠性好的优点，它能在无须借助电机的外部动力源及其余传感器的情况下，根据零件变形自适应调整装夹位姿。

本发明的技术方案之一是：

一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹方法，其特征是利用滑块机构，使其在浮动状态下能够通过沿X、Y、Z轴方向自由移动；利用弧形转角块机构，使其在浮动状态下绕X、Y轴方向的自由转动；装夹装置浮动、锁紧状态的切换通过气源实现，其任意姿态的调整无需借助外部动力源；此外，所使用的浮动装夹装置能够依靠机械结构实现任意姿态下的锁紧，并且锁紧力无须外部动力源提供。

在释放零件变形时由锁紧状态切换为浮动状态，并根据零件的变形自适应调整自身的位姿；调整完成后的浮动装夹装置将在当前位姿下锁紧，从而切换为锁紧状态。

采用机械锁紧方法，保证零件加工过程中的稳定性，松开采用气压源动力法，快速实现浮动装夹装置松开、锁紧状态的切换。

运动部件分开设计以实现多自由度的联动，即通过弧形滑轨实现绕X、Y轴方向转动；通过平动滑轨实现X、Y轴方向的平动；通过上、下壳体间的销孔间隙配合可实现Z轴方向竖直运动；通过以上五个方向的联动，实现浮动装夹装置能够根据零件变形进行任意姿态的调整。

实现X、Y轴方向的转动、锁紧的部分与实现X、Y轴方向的平动、锁紧的部分由锁紧钉、平动块、弧形转角块、活塞、弹性元件组成；锁紧钉与平动块、弧形转角块的中心孔配合，并由弹性元件实现锁紧钉与上壳体的锁紧；实现Z轴方向竖直运动的部分由锲形块、活塞、锁紧块以及弹性元件等组成。锲形块与锁紧块相配合，在弹性元件作用下实现上、下壳体间的锁紧；弹性元件分别位于锁紧钉底部上方及锁紧块下部，提供装置的机械锁紧力；底座用于将该装置固定于机床，或是基板之上；上、下壳体下端均设置有气道，分别通往各自的内部气缸，可控制部件实现装置锁紧、松开状态的切换。

浮动装夹装置的顶部安装夹持装置，夹持装置包括虎钳、零点定位夹紧系统，实现零件的夹紧。

本发明的技术方案之二为：

一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹装置，其特征是它包括底座17、上壳体10和下壳体12，下壳体12安装在底座17上，上壳体10的下端插装在下壳体12中，上壳体10的上部安装有水平滑块9，水平滑块9上安装有弧形转角块8，锁紧钉1的下端穿过弧形转角块8和水平滑块9并通过第一弹簧组件11定位在上壳体10中，第一弹簧组件11与安装在上壳体底部的第一气缸2相连，第一气缸2通过第一进气口3与气源相连通，第一气缸2工作时，克服第一弹簧组件的弹力使锁紧钉处于解锁状态，弧形转角块8和水平滑块9带动安装夹具安装体18实现X、Y方向的移动和绕X、Y轴的转动，第一气缸不工作时，依靠弹簧组件的弹力使锁紧钉1锁紧；所述的上壳体10插入下壳体12的插入端19与第二气缸6相连，第二气缸6通过第二气道7与气源相连通，在插入端19的外侧安装有锲形块14，锲形块14的外侧安装在锁紧块15，锁紧块15的上端与第三气缸13的顶撑活塞5相抵，第三气缸13通过第三气道4与气源相连通，锁紧块15的下端与第二弹簧组件16相抵，第三气缸13工作时推动顶撑活塞5下移，顶撑活塞5推动锁紧块15确了第二弹簧组件16的弹力下行，锲形块14对插入端19解锁，第二气缸6推动插入端19带动上壳体10向上或向下的移动，实现夹具安装体18Z轴方向的移动，第三气缸13停止工作时，顶撑活塞5失去动力，第二弹簧组件16推动锁紧块15上移，利用斜面原理使锲形块14抱紧在插入端上，实现轴向定位。

所述的锁紧钉1由上部的方便转动的圆弧形头部、下部的便于锁紧的平板部及连接上部和下部的直杆部组成；所述的水平滑块9主体呈倒“工”字形结构，其上部设有与弧形转角块8的弧形凸起相配的弧形凹槽；所述的弧形转角块8的下部设有弧形凸起，上部设有弧有凹槽。

所述的上壳体10的内部设有供水平滑块9水平移动的导向结构20。装夹装置的顶部安装多种夹持装置实现零件的夹紧。

本发明的有益效果是：

1、由零件变形驱动装置，提高了控制精度及系统的鲁棒性；

2、结构简单，加工制造方便，成本低，依靠压缩弹性元件储存的弹性能量可获得较大的锁紧力，并且机械稳定性好，效率高、操作方便；

3、可以根据零件的实时变形情况对加工工艺进行合理的优化，降低零件报废率。

4、本发明具有成本低、效率高、可靠性好的优点，它能在无须借助电机的外部动力源及其余传感器的情况下，根据零件变形自适应调整装夹位姿。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明使用状态示意图之一。

图3为本发明使用状态示意图之二。

图中包括：锁紧钉1，顶撑活塞5，弧形转角块8，水平滑块9，上壳体10，下壳体12，锲形块14，锁紧块15，第一弹簧组件11，第二弹簧组件16，第一气缸2，第二气缸6，第三气缸13，第一气道3，第二气道7，第三气道4，底座17，夹具安装体18，插入端19，导向结构20。

具体实施方式

以下结合附图和实例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。

实施例一。

一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹方法，它利用图1所示的滑块机构，使其在浮动状态下能够通过沿X、Y、Z轴方向自由移动；利用弧形转角块机构，使其在浮动状态下绕X、Y轴方向的自由转动；装夹装置浮动、锁紧状态的切换通过气源实现，其任意姿态的调整无需借助外部动力源；此外，所使用的浮动装夹装置能够依靠机械结构实现任意姿态下的锁紧，并且锁紧力无须外部动力源提供。具体而言，就是在释放零件变形时由锁紧状态切换为浮动状态，并根据零件的变形自适应调整自身的位姿；调整完成后的浮动装夹装置将在当前位姿下锁紧，从而切换为锁紧状态。采用机械锁紧方法，保证零件加工过程中的稳定性，松开采用气压源动力法，快速实现浮动装夹装置松开、锁紧状态的切换。

此外，运动部件分开设计以实现多自由度的联动也是本方法的重点之一，即通过弧形滑轨实现绕X、Y轴方向转动；通过平动滑轨实现X、Y轴方向的平动；通过上、下壳体间的销孔间隙配合可实现Z轴方向竖直运动；通过以上五个方向的联动，实现浮动装夹装置能够根据零件变形进行任意姿态的调整。实现X、Y轴方向的转动、锁紧的部分与实现X、Y轴方向的平动、锁紧的部分由锁紧钉、平动块、弧形转角块、活塞、弹性元件组成；锁紧钉与平动块、弧形转角块的中心孔配合，并由弹性元件实现锁紧钉与上壳体的锁紧；实现Z轴方向竖直运动的部分由锲形块、活塞、锁紧块以及弹性元件等组成。锲形块与锁紧块相配合，在弹性元件作用下实现上、下壳体间的锁紧；弹性元件分别位于锁紧钉底部上方及锁紧块下部，提供装置的机械锁紧力；底座用于将该装置固定于机床，或是基板之上；上、下壳体下端均设置有气道，分别通往各自的内部气缸，可控制部件实现装置锁紧、松开状态的切换，本发明是通过浮动装夹装置的顶部安装夹持装置，夹持装置夹持零件，从而实现加工过程中对零件的浮动装夹，具体而言常见的夹持装置有虎钳、零点定位夹紧系统等等。

实施例二。

如图1所示。

一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹装置，它包括底座17、上壳体10和下壳体12，下壳体12安装在底座17上，上壳体10的下端插装在下壳体12中，上壳体10的上部安装有水平滑块9，水平滑块9上安装有弧形转角块8，锁紧钉1的下端穿过弧形转角块8和水平滑块9并通过第一弹簧组件11[可由弹簧和压板组成]定位在上壳体10中，第一弹簧组件11与安装在上壳体底部的第一气缸2相连，第一气缸2通过第一进气口3与气源相连通，第一气缸2工作时，克服第一弹簧组件的弹力使锁紧钉处于解锁状态，弧形转角块8和水平滑块9带动安装夹具安装体18实现X、Y方向的移动和绕X、Y轴的转动。夹具安装体可以在顶部安装多种夹持装置，如虎钳或零点定位夹紧系统等，以实现零件的夹紧。第一气缸不工作时，依靠弹簧组件的弹力使锁紧钉1锁紧；所述的上壳体10插入下壳体12的插入端19与第二气缸6相连，第二气缸6通过第二气道7与气源相连通，在插入端19的外侧安装有锲形块14，锲形块14的外侧安装在锁紧块15，锁紧块15的上端与第三气缸13的顶撑活塞5相抵，第三气缸13通过第三气道4与气源相连通，锁紧块15的下端与第二弹簧组件[也可由弹簧和压板组成]16相抵，第三气缸13工作时推动顶撑活塞5下移，顶撑活塞5推动锁紧块15确了第二弹簧组件16的弹力下行，锲形块14对插入端19解锁，第二气缸6推动插入端19带动上壳体10向上或向下的移动，实现夹具安装体18Z轴方向的移动，第三气缸13停止工作时，顶撑活塞5失去动力，第二弹簧组件16推动锁紧块15上移，利用斜面原理使锲形块14抱紧在插入端上，实现轴向定位。如图1所示，具体实施时，锁紧钉1可由上部的方便转动的圆弧形头部、下部的便于锁紧的平板部及连接上部和下部的直杆部组成；所述的水平滑块9主体呈倒“工”字形结构，其上部设有与弧形转角块8的弧形凸起相配的弧形凹槽；所述的弧形转角块8的下部设有弧形凸起，上部设有弧有凹槽。为了便于水平滑块9的水平移动，在上壳体10的内部设有供水平滑块9水平移动的导向结构20。

由图1可见，本发明利用滑块机构，使其在浮动状态下能够通过沿X、Y、Z轴方向自由移动；利用弧形转角块机构，使其在浮动状态下绕X、Y轴方向的自由转动；装夹装置浮动、锁紧状态的切换通过气源实现，其任意姿态的调整无需借助外部动力源，此外，该装置能够依靠机械结构实现任意姿态下的锁紧，并且锁紧力无须外部动力源提供。本发明在释放零件变形时由锁紧状态切换为浮动状态，并根据零件的变形自适应调整自身的位姿；调整完成后的装置将在当前位姿下锁紧，从而切换为锁紧状态。本发明采用机械锁紧方法保证零件加工过程中的稳定性；松开采用气压源动力法快速实现装置松开、锁紧状态的切换。本发明采用分开设计的运动部件实现多自由度联动：通过弧形滑轨实现绕X、Y轴方向转动；通过平动滑轨实现X、Y轴方向的平动；通过上、下壳体间的销孔间隙配合可实现Z轴方向竖直运动，即通过以上五个方向的联动，实现了装夹装置能够根据零件变形进行任意姿态的调整。本发明实现X、Y轴方向的转动、锁紧的部分与实现X、Y轴方向的平动、锁紧部分由锁紧钉、平动块、弧形转角块、活塞、弹性元件组成；锁紧钉与平动块、弧形转角块的中心孔配合，并由弹性元件实现锁紧钉与上壳体的锁紧；实现Z轴方向竖直运动的部分由锲形块、活塞、锁紧块以及弹性元件组成；锲形块与锁紧块相配合，在弹性元件作用下实现上、下壳体间的锁紧；弹性元件分别位于锁紧钉底部上方及锁紧块下部，可提供装置的机械锁紧力；底座用于将该装置固定于机床，或是基板之上；上、下壳体下端均设置有气道，分别通往各自的内部气缸，能控制部件实现装置锁紧、松开状态的切换。

本发明的工作过程为

当装置接通气源时，气缸2、6、13分别通过气道3、7、4开始充气。顶撑活塞5受气缸13中的气压影响开始向下移动，对抗弹簧16的弹簧力使锁紧块15向下运动，从而松开锲形块14，气缸6中的气压可平衡上壳体及内部部件的重力。装置因此可实现Z轴向平移的自由度；气缸2中的气压对抗弹簧11的弹簧力使锁紧钉1松开，分别使锁紧钉1与上壳体10及弧形转角块8的接触面，水平滑块9与上壳体的接触面产生间隙，以实现弧形转角块8的角度浮动和水平滑块9的水平浮动，如图2、3所示。装置因此可实现X、Y轴向平移的自由度与绕X、Y轴向转动的自由度。该过程实现了装置根据零件变形自适应调整自身位姿这一要求。

当装置在零件变形，装夹装置完成浮动过程后，装置将断开气源。弹簧16推动锁紧块15并作用力于锲形块2，以在当前位置锁紧上壳体，限制其Z向移动；弹簧11推动锁紧钉1与上壳体10底面接触并锁紧，从而作用锁紧钉1的将水平滑块9、弧形转角块8和上壳体10在浮动后的当前位置锁紧。该过程实现了装置在完成浮动后的当前位置锁紧这一要求。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种任意姿态锁紧的自适应浮动装夹方法，其特征是利用滑块机构，使其在浮动状态下能够通过沿X、Y、Z轴方向自由移动，所述的滑块机构通过弧形滑轨实现绕X、Y轴方向转动；通过平动滑轨实现X、Y轴方向的平动；通过上、下壳体间的销孔间隙配合实现Z轴方向竖直运动，通过以上五个方向的联动，实现浮动装夹装置能够根据零件变形进行任意姿态的调整；利用弧形转角块，使其在浮动状态下绕X、Y轴方向自由转动；装夹装置浮动、锁紧状态的切换通过气源实现，其任意姿态的调整无需借助外部动力源；此外，所使用的浮动装夹装置能够依靠由锁紧钉、平动块、弧形转角块、活塞、弹性元件组成的机械结构实现任意姿态下的锁紧，并且锁紧力无须外部动力源提供，锁紧钉与平动块、弧形转角块的中心孔配合，并由弹性元件实现锁紧钉与上壳体的锁紧；实现Z轴方向竖直运动的部分由锲形块、活塞、锁紧块以及弹性元件组成；锲形块与锁紧块相配合，在弹性元件作用下实现上、下壳体间的锁紧；弹性元件分别位于锁紧钉底部上方及锁紧块下部，提供装置的机械锁紧力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在释放零件变形时由锁紧状态切换为浮动状态，并根据零件的变形自适应调整自身的位姿；调整完成后的浮动装夹装置将在当前位姿下锁紧，从而切换为锁紧状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于采用机械锁紧方法，保证零件加工过程中的稳定性，松开采用气压源动力法，快速实现浮动装夹装置松开、锁紧状态的切换。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于运动部件分开设计以实现多自由度的联动，即通过弧形滑轨实现绕X、Y轴方向转动；通过平动滑轨实现X、Y轴方向的平动；通过上、下壳体间的销孔间隙配合可实现Z轴方向竖直运动；通过以上五个方向的联动，实现浮动装夹装置能够根据零件变形进行任意姿态的调整。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于底座用于将该装置固定于机床，或是基板之上；上、下壳体下端均设置有气道，分别通往各自的内部气缸，可控制部件实现装置锁紧、松开状态的切换。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于浮动装夹装置的顶部安装夹持装置，夹持装置包括虎钳、零点定位夹紧系统，实现零件的夹紧。

7.一种权利要求1所述的方法使用的任意姿态锁紧的自适应浮动装夹装置，其特征是它包括底座（17）、上壳体（10）和下壳体（12），下壳体（12）安装在底座（17）上，上壳体（10）的下端插装在下壳体（12）中，上壳体（10）的上部安装有水平滑块（9），水平滑块（9）上安装有弧形转角块（8），锁紧钉（1）的下端穿过弧形转角块（8）和水平滑块（9）并通过第一弹簧组件（11）定位在上壳体（10）中，第一弹簧组件（11）与安装在上壳体底部的第一气缸（2）相连，第一气缸（2）通过第一进气口（3）与气源相连通，第一气缸（2）工作时，克服第一弹簧组件的弹力使锁紧钉处于解锁状态，弧形转角块（8）和水平滑块（9）带动安装夹具安装体（18）实现X、Y方向的移动和绕X、Y轴的转动，第一气缸不工作时，依靠弹簧组件的弹力使锁紧钉（1）锁紧；所述的上壳体（10）插入下壳体（12）的插入端（19）与第二气缸（6）相连，第二气缸（6）通过第二气道（7）与气源相连通，在插入端（19）的外侧安装有锲形块（14），锲形块（14）的外侧安装在锁紧块（15），锁紧块（15）的上端与第三气缸（13）的顶撑活塞（5）相抵，第三气缸（13）通过第三气道（4）与气源相连通，锁紧块（15）的下端与第二弹簧组件（16）相抵，第三气缸（13）工作时推动顶撑活塞（5）下移，顶撑活塞（5）推动锁紧块（15）克服第二弹簧组件（16）的弹力下行，锲形块（14）对插入端（19）解锁，第二气缸（6）推动插入端（19）带动上壳体（10）向上或向下的移动，实现夹具安装体（18）Z轴方向的移动，第三气缸（13）停止工作时，顶撑活塞（5）失去动力，第二弹簧组件（16）推动锁紧块（15）上移，利用斜面原理使锲形块（14）抱紧在插入端上，实现轴向定位。

8.根据权利要求7所述的任意姿态锁紧的自适应浮动装夹装置，其特征是所述的锁紧钉（1）由上部的方便转动的圆弧形头部、下部的便于锁紧的平板部及连接上部和下部的直杆部组成；所述的水平滑块（9）主体呈倒“工”字形结构，其上部设有与弧形转角块（8）的弧形凸起相配的弧形凹槽；所述的弧形转角块（8）的下部设有弧形凸起，上部设有弧有凹槽。

9.根据权利要求7所述的任意姿态锁紧的自适应浮动装夹装置，其特征是所述的上壳体（10）的内部设有供水平滑块（9）水平移动的导向结构（20）。

10.根据权利要求7所述的任意姿态锁紧的自适应浮动装夹装置，其特征在于装夹装置的顶部安装多种夹持装置实现零件的夹紧。

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