CN110497230A - 连续加工梁框类整体结构件的柔性装夹装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明连续加工梁框类整体结构件的柔性装夹装置及方法属于加工装夹领域，涉及一种面向梁框类整体结构件连续加工的柔性装夹装置及方法。该装夹装置是由支撑组件，夹持组件及电控组件组成，可对结构相似的零件进行加工。一种连续加工梁框类整体结构件的柔性装夹方法，先建立工件坐标系和本地坐标系，然后建立干涉判定规则和进行干涉判定。运用BCNET系列通信模块进行协议转换，将不同的通信协议统一为Modbus通信协议，建立PLC与数控机床的通信连接。本发明的柔性可调装置可以使一套工装适用于同系列零件的装夹，降低了该装夹装置开发成本。柔性装夹方法和连续加工，具有自动化程度高、操作简便、安全可靠的特点。

Description

连续加工梁框类整体结构件的柔性装夹装置及方法

技术领域

本发明属于加工装夹领域，涉及一种面向梁框类整体结构件连续加工的柔性装夹装置及方法。

背景技术

梁框类整体结构件在高端装备制造领域应用广泛，是飞机等高端装备的骨架结构及外壳的重要组成部件。考虑减重和结构强度需求，一般需要在梁框类整体结构件上加工出较为复杂的筋、孔及型腔等结构。在数控加工中，往往需要多道工序/多把刀具对零件外缘条、内缘条、腹板、筋条等特征形面进行粗精加工。因此，在整体结构件加工中，保证零件具有较好的定位精度、装夹刚度和稳定性十分重要。在实际生产中，操作工人一般采用压板对零件进行多点手动夹紧，但在压板与加工特征重叠时，需要机床停车并手动更换压板夹紧位置。此种经验式的人工装夹方法存在着生产辅助时间长、定位精度差、压紧力不可控、工人劳动强度大等问题。面向梁框类整体结构件，研发可连续加工的柔性自动装夹技术十分必要。

近年来也有学者针对梁框类整体结构件的装夹问题提出了解决方案。2011年江西昌河航空工业有限公司在专利CN202006372U中公开了“一种工字型梁类零件加工工装”。该工装采用螺栓侧面顶紧的方式夹紧工件，适合侧面没有加工特征的一类零件，但仍需依靠工人手动操作工装。2018年成都飞机工业(集团)有限责任公司在专利CN107617911A中公开了“一种航空结构件通用高效装夹装置”。该装夹装置设有多个可伸缩支撑杆，支撑杆顶部设有真空吸盘锁紧工件，适合装夹平板型单面结构梁框类零件。

上述研究均未提及梁框类整体结构件连续加工的柔性装夹装置及方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服上述方法的不足，针对梁框类整体结构件装夹问题，发明了一种能实现梁框类整体结构件连续加工的柔性装夹装置及方法。该装夹装置采用油压转角缸压板可抬起回转的方式，实现零件连续加工；采用高压气体反吹的方式，实现压点区域碎屑自清洁；采用油压转角缸压板安装角度可调和压板伸缩调整压点的方式，实现同系列零件的柔性装夹；采用Modbus通信协议实现PLC与数控机床通信，读取机床刀具运行参数，实现夹具动作判断与控制。

本发明所采用的技术方案是一种连续加工梁框类整体结构件的柔性装夹装置，其特征是，该装夹装置是由支撑组件Ⅰ，夹持组件Ⅱ及电控组件Ⅲ组成，可对结构相似的零件进行加工；

所述支撑组件Ⅰ由底座1、安装在底座1上的零件支撑台2、对刀元件3、吊环螺钉4及安装在底座1中的管路系统5构成；底座1为有加强筋的内部空心结构，其内部空间进行管路系统5排布，加强筋结构既保证底座1的刚度，也可以将管路系统5限位固定；底座1上表面安装有若干个夹持组件Ⅱ，底座1四角区域的螺孔分别安装吊环螺钉4，用于夹具吊装；底座1通过压板与机床工作台固定。零件支撑台2起到对零件定位支撑的作用，设置有定位销，通过焊接的方法固定在底座1上。对刀元件3通过螺钉安装在底座1两侧靠边位置，用于数控加工中工件坐标系的建立，确保不与工装主体部分发生干涉。

管路系统5由软管，电磁阀，快速接头，分路装置组成，外部油液和高压气体由总管路提供给装夹装置，经由快速接头、分路装置分路，从底座1内部管路传导至各个夹持组件Ⅱ，电磁阀控制油路和气路通断使夹持组件Ⅱ进行动作响应。

所述夹持组件Ⅱ由油压转角缸6，伸缩式压板7，压头8，缸垫9，气路伸出管10，防松螺母11，侧面顶紧螺钉12组成；油压转角缸6通过紧固螺钉穿过缸垫9上的通孔固定在底座1上；油压转角缸6带动伸缩式压板7可进行回转抬起，及回复压紧的动作，实现零件连续加工；伸缩式压板7通过防松螺母11固定在油压转角缸6上，伸缩式压板7的伸出长度可根据装夹需要进行调整，调整安装角度，调整完毕后，由侧面顶紧螺钉12顶紧；从而达到柔性夹持的目的，实现同系列零件的柔性装夹；压头8焊接在伸缩式压板7上，压头8中心有高压气体通道，通过快速接头与由气路伸出管10伸出的气管连接；在夹持组件Ⅱ压紧零件时，采用高压气体反吹的方式，实现压点区域碎屑自清洁；以防止金属碎屑影响加持效果和加工质量；

所述电控组件Ⅲ是以PLC为核心的电控系统，PLC具备与数控机床经由Modbus通信协议通信的功能；PLC读取机床刀具运行参数,进行算法运行及数据处理，对由支撑组件Ⅰ和夹持组件Ⅱ组成的装夹工装实现自动控制；

一种连续加工梁框类整体结构件的柔性装夹方法，其特征是，该方法中采用柔性装夹装置，利用PLC与机床通信，针对不同品牌型号的机床的通信协议不一致，使用BCNET系列通信模块进行协议转换，将不同的通信协议统一为Modbus通信协议；BCNET通信模块作为Modbus服务器应用，实现对Modbus应用报文的分析与响应，PLC作为Modbus客户端应用，主要是向服务器发送请求，并等待并接收服务器的响应；装夹方法的具体步骤如下：

第一步建立工件坐标系和本地坐标系，

工件坐标系的建立以支撑组件Ⅰ中一对刀点为坐标原点，两对刀点连线建立X轴，水平面内过坐标原点垂直X轴建立Y轴，过坐标原点垂直于X轴与Y轴建立Z轴，完成工件坐标系构建；为方便干涉区域划分和表示，在各夹持区域处分别建立本地坐标系，在本地坐标系下划分干涉区域；本地坐标系以夹持组件Ⅱ中油压转角缸6回转中心为坐标原点，以抬起状态下压头8中心与坐标原点连线作X轴，以压紧状态下压头8中心与坐标原点连线作Y轴，过坐标原点垂直于X轴与Y轴建立Z轴，完成本地坐标系构建；

第二步建立干涉判定规则和进行干涉判定

在本地坐标系下进行干涉区域的划分，干涉区域的形状和大小直接决定了工装的可靠性和安全；其需要考虑伸缩式压板7的回转半径和抬起高度、刀具直径、刀具进给速度等工艺参数；同时，还要进一步考虑油压转角缸6回转方向及动作响应时间；干涉判定规则如下：

式中，(x_m,y_m,z_m)一刀具在本地坐标系下的表示，l一伸缩式压板7回转半径，s一安全宽度，b一伸缩式压板7宽度，h一伸缩式压板7抬起高度，d一刀具直径，λ一安全系数，取3—6，v一刀具进给速度，t一油压转角缸6动作响应时间；

进行干涉判定，首先要保证坐标系统一，通过坐标变换，将工件坐标系下的刀具位置转换到本地坐标系；坐标转换规则如下：

式中，(x,y,z)一刀具在工件坐标系下的表示，(x_m,y_m,z_m)一刀具在本地坐标系下的表示，(x_om,y_om,z_om)一本地坐标系原点O_m在工件坐标系下的表示，θ一平面内本地坐标系相对于工件坐标系的旋转角，以逆时针转角为正；

第三步控制策略的具体执行过程如下：

1)运用BCNET系列通信模块进行协议转换，将不同的通信协议统一为Modbus通信协议，建立PLC与数控机床的通信连接；

2)根据装夹工装的实际安装布置，建立工件坐标系和各夹持区域的本地坐标系；

3)获取机床运行参数如刀具进给速度、刀具直径等，结合工艺参数构建各夹持区域在本地坐标系下的干涉区域；

4)读取工件坐标系下的实时刀具位置，通过坐标变换，得到刀具在各本地坐标系下的坐标；

5)判断本地坐标系下刀具与各干涉区域的相对位置；当刀具处于干涉区域内时，判定该干涉区域内的夹持组件Ⅱ状态，若干涉区域对应的夹持组件Ⅱ处于压紧状态，则由电控组件Ⅲ控制夹持组件Ⅱ回转抬起；若干涉区域对应的夹持组件Ⅱ已处于抬起状态，则维持现状；当刀具处于各干涉区域外时，判定各夹持组件Ⅱ状态，若有夹持组件Ⅱ处于抬起状态，则由电控组件Ⅲ控制夹持组件Ⅱ进行吹气动作并回复压紧；若夹持组件Ⅱ均处于压紧状态，则维持现状；

6)一次判定流程完成后，若加工未完成，则重复第三步具体过程中的3)-5)继续进行；若加工完成，则结束。

本发明的有益效果是解决了梁框类整体结构件在连续加工过程中的装夹难题，自动化的装夹消除了经验式的人工装夹存在的生产辅助时间长、定位精度差、压紧力不可控等缺点。可连续加工的装夹方法避免了加工过程中因机床停车和夹具换装所导致的零件加工精度低、表面质量差等问题。柔性可调装置使一套工装适用于同系列零件的装夹，降低了该装夹装置开发成本。该装夹装置采用油压转角缸压板可抬起回转的方式，实现零件连续加工；采用高压气体反吹的方式，实现压点区域碎屑自清洁；采用油压转角缸压板安装角度可调和压板伸缩调整压点的方式，实现同系列零件的柔性装夹。采用Modbus通信协议实现PLC与数控机床通信，读取机床刀具运行参数，实现夹具动作判断与控制。该方法具有自动化程度高、操作简便、安全可靠等特点。

附图说明

图1—柔性装置整体结构示意图。其中，1—底座，2—零件支撑台，3—对刀元件，4—吊环螺钉，5—管路系统，9—缸垫，10—气路伸出管

图2—夹持组件Ⅱ结构示意图。其中，6—油压转角缸，7—伸缩式压板，8—压头，11—放松螺母，12—顶紧螺钉；

图3—XY平面内干涉区域示意图；其中，b—伸缩式压板7宽度，l—伸缩式压板7回转半径，s—安全宽度，X—横坐标，Y—纵坐标。

图4—控制策略流程图。

图5—判定方法实施示意图，其中，1—15为夹持组件Ⅱ的分布图，①—④刀具位置图。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。

该系列零件为弧形梁结构件，局部结构略有不同，由西门子S7-300数控机床对零件表面内缘条、外缘条、腹板、筋条等特征形面进行加工。

图1—柔性装置整体结构示意图。该柔性装夹装置是由支撑组件Ⅰ，夹持组件Ⅱ及电控组件Ⅲ组成，可对结构相似的零件进行加工。

其中，支撑组件Ⅰ由底座1、安装在底座1上的零件支撑台2、对刀元件3及吊环螺钉4，以及安装在底座1中的管路系统5构成。底座1为有加强筋的内部空心结构，其内部空间进行管路系统5排布，加强筋结构既保证底座1的刚度，也可以将管路系统5限位固定。底座1上表面安装有若干个夹持组件Ⅱ，吊环螺钉4分别安装在底座1四角区域的螺孔中，对刀元件3通过螺钉安装在底座1两侧靠边位置上。

夹持组件Ⅱ中，油压转角缸6通过紧固螺钉穿过缸垫9上的通孔固定在底座1上，油压转角缸6带动伸缩式压板7可进行回转抬起，及回复压紧的动作，实现零件连续加工。伸缩式压板7通过防松螺母11固定在油压转角缸6上，伸缩式压板7的伸出长度可根据装夹需要进行调整，调整安装角度，调整完毕后，由侧面顶紧螺钉12顶紧；从而达到柔性夹持的目的，实现同系列零件的柔性装夹。压头8焊接在伸缩式压板7上，压头8中心有高压气体通道，通过快速接头与由气路伸出管10伸出的气管连接；在夹持组件Ⅱ压紧零件时，采用高压气体反吹的方式，实现压点区域碎屑自清洁；以防止金属碎屑影响加持效果和加工质量。

电控组件Ⅲ是以PLC为核心的电控系统，PLC具备与数控机床经由Modbus通信协议通信的功能；PLC读取机床刀具运行参数,进行算法运行及数据处理，对由支撑组件Ⅰ和夹持组件Ⅱ组成的装夹工装实现自动控制。

将柔性装夹装置通过安装在底座1上的吊环螺钉4吊装至机床工作台上，再通过压板与机床工作台固定。在零件支撑台2上安装零件，根据待加工零件的具体结构布置压点位置，如图1、图5所示，共布置了15组夹持组件Ⅱ。调整每组伸缩式压板7伸出长度，摆正安装角度，由防松螺母11固定在油压转角缸6上，由侧面顶紧螺母12顶紧。

一种连续加工梁框类整体结构件的柔性装夹方法，该方法中采用柔性装夹装置，利用PLC与机床通信。安装好零件，机床完成对刀后，夹持组件Ⅱ全部压紧零件，机床开始按照规划路径进行自动加工。

装夹方法的具体步骤如下：

第一步建立工件坐标系和本地坐标系，

工件坐标系的建立以支撑组件Ⅰ中一对刀点为坐标原点，两对刀点连线建立X轴，水平面内过坐标原点垂直X轴建立Y轴，过坐标原点垂直于X轴与Y轴建立Z轴，完成工件坐标系构建。

本地坐标系以夹持组件Ⅱ中油压转角缸6回转中心为坐标原点，以抬起状态下压头8中心与坐标原点连线作X轴，以压紧状态下压头8中心与坐标原点连线作Y轴，过坐标原点垂直于X轴与Y轴建立Z轴，完成本地坐标系构建。

第二步建立干涉判定规则和进行干涉判定

图3为XY平面内干涉区域示意图，其中，b—伸缩式压板7宽度，l—伸缩式压板7回转半径，s—安全宽度，X—横坐标，Y—纵坐标。

根据公式(1)建立干涉判定规则，依据获取的机床运行参数如刀具进给速度、刀具直径等，结合工艺参数构建各夹持区域在本地坐标系下的干涉区域；读取工件坐标系下的实时刀具位置，通过坐标变换，依据公式(2)得到刀具在各本地坐标系下的坐标。

以图5中干涉区域4和刀具①位置的干涉判别为例进行说明：

干涉区域4中，伸缩式压板7回转半径l＝100mm，伸缩式压板7宽度b＝32mm，伸缩式压板7抬起高度h＝120mm，刀具直径d＝32mm，安全系数λ取3，刀具进给速度v＝6mm/s，油压转角缸6动作响应时间t＝0.15s，安全宽度s＝d/2+λvt＝18.7；由公式(1)生成干涉判别式为：

其中，(x_m,y_m,z_m)为刀具在本地坐标系下的表示，其通过坐标变换得到。刀具①位置在工件坐标系下的表示(x,y,z)为(864.0,488.8,90)，干涉区域4的本地坐标系原点O_m在工件坐标系下的表示(x_om,y_om,z_om)为(716.5,656.1,40)，平面内干涉区域4的本地坐标系相对于工件坐标系的旋转角θ为185°，依据公式(2)得到，刀具①位置在本地坐标系下的表示(x_m,y_m,z_m)为(-132.4,179.5,50)。

经干涉判别式(3)判定，刀具①位置与干涉区域4未干涉。

第三步控制策略的具体执行过程如下：

图4是控制策略流程图，使用BCNET-S7通信模块将西门子PROFIBUS协议转化为Modbus协议，从而建立电控组件Ⅲ中PLC与西门子S7-300数控机床的通信连接。

按照控制策略：根据装夹工装的实际安装布置和建立起工件坐标系和各夹持区域的本地坐标系；得到刀具在各本地坐标系下的坐标。

图5为判定方法实施示意图，判断本地坐标系下刀具与各干涉区域的相对位置：

当刀具运行至①位置时，刀具分别与各干涉区域进行比较判断，刀具处于非干涉区域，判定各夹持组件Ⅱ状态，各夹持组件Ⅱ均处于压紧状态，维持现状。

刀具运行至于②位置时，刀具分别与各干涉区域进行比较判断，刀具处于干涉区域4中，判定干涉区域4对应的夹持组件Ⅱ状态，夹持组件Ⅱ处于压紧状态，由电控组件Ⅲ控制夹持组件Ⅱ回转抬起；

刀具运行至于③位置时，刀具分别与各干涉区域进行比较判断，刀具处于干涉区域4中，判定干涉区域4对应的夹持组件Ⅱ状态，夹持组件Ⅱ处于抬起状态，维持现状；

刀具运行至于④位置时，刀具分别与各干涉区域进行比较判断，刀具处于非干涉区域，判定各夹持组件Ⅱ状态。干涉区域4对应的夹持组件Ⅱ处于抬起状态，其他夹持组件Ⅱ处于压紧状态，由电控组件Ⅲ控制夹持组件Ⅱ进行吹气动作并回复压紧。

一次判定流程完成后，若加工未完成，则重复执行干涉判断算法直至整个加工结束。

本发明提出的装夹装置及方法通过可调整的工装和刀具干涉判断算法实现了梁框类整体结构件的柔性装夹和连续加工，具有自动化程度高、操作简便、安全可靠等特点。

Claims (2)

1.一种连续加工梁框类整体结构件的柔性装夹装置，其特征是，该装夹装置是由支撑组件(Ⅰ)，夹持组件(Ⅱ)及电控组件(Ⅲ)组成；

所述支撑组件(Ⅰ)由底座(1)、安装在底座(1)上的零件支撑台(2)、对刀元件(3)、吊环螺钉(4)，以及安装在底座(1)中的管路系统(5)及构成；底座(1)为有加强筋的内部空心结构，其内部空间进行管路系统(5)排布，加强筋结构既保证底座(1)的刚度，也可以将管路系统(5)限位固定；底座(1)上表面安装有若干个夹持组件Ⅱ，底座(1)四角区域的螺孔安装吊环螺钉(4)，用于夹具吊装；底座(1)通过压板与机床工作台固定；零件支撑台(2)起到对零件定位支撑的作用，设置有定位销，通过焊接的方法固定在底座(1)上；对刀元件(3)通过螺钉安装在底座(1)两侧靠边位置，用于数控加工中工件坐标系的建立，确保不与工装主体部分发生干涉；

管路系统(5)由软管，电磁阀，快速接头，分路装置组成，外部油液和高压气体由总管路提供给装夹装置，经由快速接头、分路装置分路，从底座(1)内部管路传导至各个夹持组件(Ⅱ)，电磁阀控制油路和气路通断使夹持组件(Ⅱ)进行动作响应；

所述夹持组件(Ⅱ)由油压转角缸(6)，伸缩式压板(7)，压头(8)，缸垫(9)，气路伸出管(10)，防松螺母(11)，侧面顶紧螺钉(12)组成；油压转角缸(6)通过紧固螺钉穿过缸垫(9)上的通孔固定在底座(1)上；油压转角缸(6)带动伸缩式压板(7)进行回转抬起，及回复压紧的动作，实现零件连续加工；伸缩式压板(7)通过防松螺母(11)固定在油压转角缸(6)上，伸缩式压板(7)的伸出长度根据装夹需要进行调整，调整安装角度，调整完毕后，由侧面顶紧螺钉(12)顶紧，从而达到柔性夹持的目的，实现同系列零件的柔性装夹；压头(8)焊接在伸缩式压板(7)上，压头(8)中心有高压气体通道，通过快速接头与由气路伸出管(10)伸出的气管连接；在夹持组件Ⅱ压紧零件时，采用高压气体反吹的方式，实现压点区域碎屑自清洁；以防止金属碎屑影响加持效果和加工质量；

所述电控组件(Ⅲ)是以PLC为核心的电控系统，PLC具备与数控机床经由Modbus通信协议通信的功能；PLC读取机床刀具运行参数,进行算法运行及数据处理，对由支撑组件(Ⅰ)和夹持组件(Ⅱ)组成的装夹工装实现自动控制。

2.一种连续加工梁框类整体结构件的柔性装夹方法，其特征是，该方法中采用柔性装夹装置，利用PLC与机床通信，针对不同品牌型号的机床的通信协议不一致，使用BCNET系列通信模块进行协议转换，将不同的通信协议统一为Modbus通信协议；BCNET通信模块作为Modbus服务器应用，实现对Modbus应用报文的分析与响应，PLC作为Modbus客户端应用，是向服务器发送请求，并等待并接收服务器的响应；

第一步建立工件坐标系和本地坐标系，

工件坐标系的建立以支撑组件(Ⅰ)中一对刀点为坐标原点，两对刀点连线建立X轴，水平面内过坐标原点垂直X轴建立Y轴，过坐标原点垂直于X轴与Y轴建立Z轴，完成工件坐标系构建；为方便干涉区域划分和表示，在各夹持区域处分别建立本地坐标系，在本地坐标系下划分干涉区域；本地坐标系以夹持组件(Ⅱ)中油压转角缸(6)回转中心为坐标原点，以抬起状态下压头(8)中心与坐标原点连线作X轴，以压紧状态下压头(8)中心与坐标原点连线作Y轴，过坐标原点垂直于X轴与Y轴建立Z轴，完成本地坐标系构建；

第二步建立干涉判定规则和进行干涉判定

在本地坐标系下进行干涉区域的划分，干涉区域的形状和大小直接决定了工装的可靠性和安全；其需要考虑伸缩式压板(7)的回转半径和抬起高度、刀具直径、刀具进给速度工艺参数；同时，还要进一步考虑油压转角缸(6)回转方向及动作响应时间；干涉判定规则如下：

式中，(x_m,y_m,z_m)一刀具在本地坐标系下的表示，l一伸缩式压板回转半径，s一安全宽度，b一伸缩式压板宽度，h一伸缩式压板抬起高度，d一刀具直径，λ一安全系数，取3—6，v一刀具进给速度，t一油压转角缸动作响应时间；

进行干涉判定，首先要保证坐标系统一，通过坐标变换，将工件坐标系下的刀具位置转换到本地坐标系；坐标转换规则如下：

式中，(x,y,z)一刀具在工件坐标系下的表示，(x_m,y_m,z_m)一刀具在本地坐标系下的表示，(x_om,y_om,z_om)一本地坐标系原点Om在工件坐标系下的表示，θ一平面内本地坐标系相对于工件坐标系的旋转角，以逆时针转角为正；

第三步控制策略具体执行过程如下：

1)运用BCNET系列通信模块进行协议转换，将不同的通信协议统一为Modbus通信协议，建立PLC与数控机床的通信连接；

2)根据装夹工装的实际安装布置，建立工件坐标系和各夹持区域的本地坐标系；

3)获取机床运行参数如刀具进给速度、刀具直径等，结合工艺参数构建各夹持区域在本地坐标系下的干涉区域；

4)读取工件坐标系下的实时刀具位置，通过坐标变换，得到刀具在各本地坐标系下的坐标；

5)判断本地坐标系下刀具与各干涉区域的相对位置；当刀具处于干涉区域内时，判定该干涉区域内的夹持组件(Ⅱ)状态，若干涉区域对应的夹持组件(Ⅱ)处于压紧状态，则由电控组件(Ⅲ)控制夹持组件(Ⅱ)回转抬起；若干涉区域对应的夹持组件(Ⅱ)已处于抬起状态，则维持现状；当刀具处于各干涉区域外时，判定各夹持组件(Ⅱ)状态，若有夹持组件(Ⅱ)处于抬起状态，则由电控组件Ⅲ控制夹持组件(Ⅱ)进行吹气动作并回复压紧；若夹持组件(Ⅱ)均处于压紧状态，则维持现状；

6)一次判定流程完成后，若加工未完成，则重复第三步具体过程中的3)一5)继续进行；若加工完成，则结束。