CN110744329B

CN110744329B - 弹性薄壁件动态加工支承装置及方法

Info

Publication number: CN110744329B
Application number: CN201911042648.4A
Authority: CN
Inventors: 刘玉飞; 张席; 鞠锦勇; 王霄
Original assignee: Anhui Polytechnic University
Current assignee: Anhui Polytechnic University
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: CN110744329A

Abstract

本发明提供一种弹性薄壁件动态加工支承装置及方法，适用于对轻薄壁件加工使用。包括支承顶板、运动机构、支承底座，支承顶板为一体式结构，支承顶板上安装有扰动补偿装置，运动机构包括平动机构和姿态调整机构。本发明的支承装置通过气动吸附实现对弹性薄壁件的吸附固定，通过运动机构包括平动机构和姿态调整机构，能够实现支承装置的大范围平动和姿态调整，在实现弹性薄壁件支承的同时，实现对弹性薄壁件扰动行为的实时监测反馈，补偿弹性薄壁件动态加工过程的扰动行为，为弹性薄壁件的高精度加工支承提供一种新的方案。

Description

弹性薄壁件动态加工支承装置及方法

技术领域

本发明涉及一种弹性薄壁件动态加工支承装置及方法，尤其适用于机加工企业针对轻薄壁件加工使用的弹性薄壁件动态加工支承装置及方法。

背景技术

产品轻量化是制造业的发展趋势，尤其在航空工业中,大量的结构件在满足强度的基础上尽可能变轻变薄。因此,尤其在航空航天领域，面临越来越多的薄壁件的加工需求。由于薄壁特征导致的弱刚性,薄壁件在加工中会发生振动、变形并产生误差。过大的加工误差不仅影响产品性能,而且提高了生成成本,造成浪费。

现有技术主要是在已有工件刚度的基础上，通过设置工艺参数进行变形补偿控制,主要包括加工前的参数预测和加工后的参数修正。然而，目前针对薄壁件加工误差补偿模型的研究,没有建立统一的数学模型；对切深参数进行修正时采用的镜像补偿方法的修正力度不足,使得一次补偿加工后的误差仍无法满足精度要求,需要进行迭代补偿；补偿系数过于单一,未实现离线学习控制,不能满足精度要求，因此这种方法仍存在不足。

总体来说，针对薄壁件加工过程中的切削变形问题,通常是采用加工误差补偿控制方法，而工件的装夹方式同样是影响加工精度的主要因素，也为薄壁件加工变形控制提供一种思路。然而，现有的装卡方式功能单一、无法有效适应弹性薄壁件加工过程的动态变化，补偿弹性薄壁件的振动变形。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种结构简单，能够对弹性薄壁件提供多自由度运动支承，实现弹性薄壁件的吸附，同时补偿加工过程中弹性薄壁件的扰动的弹性薄壁件动态加工支承装置及方法。

为实现上述技术目的，本发明的弹性薄壁件动态加工支承装置，包括支承顶板、运动机构、支承底座，

所述的支承顶板为矩形框状结构，支承顶板的矩形框状结构上设有一圈通槽，支承顶板的外侧设有与通槽连通的流通孔，流通孔通过管路与气泵相连接，支承顶板矩形框状结构的内侧有呈“十”字结构布置的筋板，筋板的中心处设有联接板并联接成一个整体，联接板上通过安装孔Ⅱ安装有扰动补偿装置，支承顶板的外侧设置有流通孔，流通孔与通槽是贯通的，流通孔通过连接管与气泵联接，通过气泵的吸附实现通槽内压力的控制，从而实现支承顶板上弹性薄壁件的吸附。

所述运动机构包括平动机构和姿态调整机构，平动机构包括X向驱动机构、Y向驱动机构和运动底板，用于实现支承装置整体的大范围平动，其中X向驱动机构包括两组并排设置的丝杠模组单元，每个丝杠模组单元包括X向驱动电机、X向传动丝杠、X向螺母滑块、X向滑动导轨，其中X向螺母滑块设置在X向传动丝杠上，X向螺母滑块上方与设置在运动底板上的连接板固定连接，X向传动丝杠固定在X向滑动导轨上，X向传动丝杠的一端与X向驱动电机连接；Y向驱动机构包括两组并排设置的双螺母丝杠模组单元，每个双螺母丝杠模组单元包括Y向驱动电机、Y向传动丝杠、Y向螺母滑块I、Y向螺母滑块Ⅱ、Y向滑动导轨，其中Y向传动丝杠与X向传动丝杠直角交叉设置，Y向传动丝杠上设有Y向螺母滑块I和Y向螺母滑块Ⅱ，Y向螺母滑块I和Y向螺母滑块Ⅱ的顶部分别与同一个X向滑动导轨下方的两端相互连接，Y向传动丝杠设置在Y向滑动导轨上，Y向传动丝杠的一端与Y向驱动电机连接，Y向滑动导轨底部与支承底座固定连接；

所述姿态调整机构为多个驱动单元，每个驱动单元的两端分别固定在支承顶板和运动底板上，用于实现支承装置的姿态调整。

所述扰动补偿装置包括开口设有法兰端面的外壳，外壳内腔中设有动力杆，外壳开口处设有弹性压板，动力杆的顶部的圆柱部分穿过弹性压板，动力杆穿过弹性压板的圆柱部分为螺纹结构并设有调节平衡螺母，外壳与弹性压板之间通过设有预紧螺钉调节固定，动力杆的底部为圆柱端面，动力杆的圆柱端面的下方设有动力输出板，其中外壳内的底部设有控制模块，控制模块上设有安装座，动力输出板与安装座之间设有多点驱动并均匀设置的多个具有抗扭力作用的压电陶瓷致动器，其中压电陶瓷致动器上方的输出端与动力输出板接触、下方通过电源线与控制模块相连，弹性压板为智能压电板，当产生变形时能够产生压电信号，弹性压板与动力杆的圆柱端面之间的杆体上设有刚度弹簧，刚度弹簧与弹性压板之间设有隔板，刚度弹簧的一端与动力杆的圆柱端面接触、另一端与隔板接触，控制模块与弹性压板之间通过导线相连接。

一种弹性薄壁件动态加工支承方法，其步骤如下：

步骤1：通过预紧螺钉将弹性压板固定在扰动补偿装置外壳的法兰端面上，通过安装孔ⅡI将扰动补偿装置安装在联接板上，使扰动补偿装置的动力杆从联接板中央的通孔穿过；

步骤2：将等待加工的弹性薄壁件放置在支承顶板的上表面，并保证弹性薄壁件将通槽全部覆盖住；

步骤3：启动气泵，通过流通孔使通槽产生负压吸力，将弹性薄壁件吸附固定在支承顶板上，同时，弹性薄壁件的下表面与扰动补偿装置的动力杆的伸出部分接触；

步骤4：启动运动机构，将弹性薄壁件调整至所需位置和姿态；

步骤5：在弹性薄壁件和刚度弹簧的作用下，弹性压板产生变形，调节平衡螺母使弹性压板处于水平位置，同时带动动力杆端部的圆柱端面向动力输出板施加压力，实现对压电陶瓷致动器的预紧；

步骤6：在弹性薄壁件动态加工过程中，当弹性薄壁件产生扰动行为时，弹性薄壁件的扰动通过其下表面接触的动力杆反馈到扰动补偿装置中，通过动力杆的作用，弹性压板产生相对位移，根据逆电效应，弹性压板在位移下产生压电信号，压电信号输入扰动补偿装置的控制模块，控制模块向压电陶瓷致动器输出控制信号，压电陶瓷致动器驱动动力输出板运动，从而控制驱动动力杆产生反向的运动位移，从而补偿弹性薄壁件的扰动。

有益效果：

本发明的支承装置通过气动吸附实现对弹性薄壁件的吸附固定，可避免对零件表面产生损伤，通过运动机构包括平动机构和姿态调整机构，能够实现支承装置的大范围平动和姿态调整，在实现弹性薄壁件支承的同时，补偿弹性薄壁件动态加工过程的扰动行为，从而适应弹性薄壁件的高精度加工；

本装置为模块化的结构，与支承顶板底部直接固定，结构紧凑，拆卸方便，可根据需要更换扰动补偿装置的元件，实现功能拓展；

本装置的刚度弹簧根据需要可更换不同刚度型号，能够适应不同扰动强度的弹性薄壁件，调整弹性压板的检测范围和灵敏度；

通过调节扰动补偿装置平衡螺母能够同时实现弹性压板的平衡调节和微动致动器的预紧功能，弹性压板处于平衡状态时，弹性压板底部的刚度弹簧处于压缩状态，在加工过程中，当弹性压板产生扰动时，动力杆能够跟随弹性压板的运动，实现对弹性薄壁件扰动行为的实时监测反馈。

附图说明

图1为本发明弹性薄壁件动态加工支承装置的支承装置的整体结构图；

图2为本发明弹性薄壁件动态加工支承装置的支承顶板的俯视图；

图3为本发明弹性薄壁件动态加工支承装置的支承顶板的侧视图；

图4为本发明弹性薄壁件动态加工支承装置的支承装置的主视图；

图5为本发明弹性薄壁件动态加工支承装置的支承装置的侧视图；

图6为本发明弹性薄壁件动态加工支承装置的姿态调整机构的仰视图；

图7为本发明弹性薄壁件动态加工支承装置的扰动补偿装置的结构图；

图8为本发明弹性薄壁件动态加工支承装置的扰动补偿装置的外壳的俯视图。

图中：100-支承顶板，110-通槽，120-流通孔，130-筋板，140-安装孔I，150-联接板，200-支承底座，211-Y向驱动电机，212-X向驱动电机，213-Y向传动丝杠，214-X向传动丝杠，2151-Y向螺母滑块I，2152-Y向螺母滑块216-X向螺母滑块，217-Y向滑动导轨，218-X向滑动导轨，220-运动底板，230-驱动单元，300-扰动补偿装置，310-控制模块，320-压电陶瓷致动器，321-安装座，322-动力输出板，330-动力杆，331-弹性压板，332-刚度弹簧，333-隔板，340-外壳，341-法兰端面，351-平衡螺母，352-预紧螺钉，400-气泵，500-连接管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术做进一步说明。

如图1、2、3所示，本发明的弹性薄壁件动态加工支承装置，其特征在于：它包括支承顶板100、运动机构、支承底座200，

所述的支承顶板100为矩形框状结构，支承顶板100的矩形框状结构上设有一圈通槽110，支承顶板100的外侧设有与通槽110连通的流通孔120，流通孔120通过管路与气泵400相连接，支承顶板100矩形框状结构的内侧有呈“十”字结构布置的筋板130，筋板130的中心处设有联接板150并联接成一个整体，联接板150上通过安装孔Ⅱ151安装有扰动补偿装置300，支承顶板100的外侧设置有流通孔120，流通孔120与通槽110是贯通的，工作时流通孔120通过连接管500与气泵400联接，通过气泵400的吸附实现通槽110内压力的控制，从而实现支承顶板100上弹性薄壁件的吸附。

如图4、5、6所示，运动机构包括平动机构和姿态调整机构，平动机构用于实现支承装置的大范围平动，姿态调整机构用于实现支承装置的姿态调整，其包括X向驱动机构、Y向驱动机构和运动底板220，运动底板220为等边三角形框架结构用于实现支承装置整体的大范围平动，其中X向驱动机构包括两组并排设置的丝杠模组单元，每个丝杠模组单元包括X向驱动电机212、X向传动丝杠214、X向螺母滑块216、X向滑动导轨218，其中X向螺母滑块216设置在X向传动丝杠214上，X向螺母滑块216上方与设置在运动底板220上的连接板221固定连接，X向传动丝杠214固定在X向滑动导轨218上，X向传动丝杠214的一端与X向驱动电机212连接；Y向驱动机构包括两组并排设置的双螺母丝杠模组单元，每个双螺母丝杠模组单元包括Y向驱动电机211、Y向传动丝杠213、Y向螺母滑块I2151、Y向螺母滑块Ⅱ2152、Y向滑动导轨217，其中Y向传动丝杠213与X向传动丝杠214直角交叉设置，Y向传动丝杠213上设有Y向螺母滑块I2151和Y向螺母滑块Ⅱ2152，Y向螺母滑块I2151和Y向螺母滑块Ⅱ2152的顶部分别与同一个X向滑动导轨218下方的两端相互连接，Y向传动丝杠213设置在Y向滑动导轨217上，Y向传动丝杠213的一端与Y向驱动电机211连接，Y向滑动导轨217底部与支承底座200固定连接；所述姿态调整机构为多个驱动单元230，每个驱动单元230的两端分别固定在支承顶板100和运动底板220上，用于实现支承装置的姿态调整，驱动单元230为FESTO品牌的伺服电动缸。

如图7、8所示，所述扰动补偿装置300包括开口设有法兰端面341的外壳340，外壳340内腔中设有动力杆330，外壳340开口处设有弹性压板331，动力杆330的顶部的圆柱部分穿过弹性压板331，动力杆330穿过弹性压板331的圆柱部分为螺纹结构并设有调节平衡螺母351，外壳340与弹性压板331之间通过设有预紧螺钉352调节固定，动力杆330的底部为圆柱端面，动力杆330的圆柱端面的下方设有动力输出板322，其中外壳340内的底部设有控制模块310，控制模块310采用ARM控制器，控制模块310上设有安装座321，动力输出板322与安装座321之间设有多点驱动并均匀设置的多个具有抗扭力作用的多点驱动压电陶瓷致动器320，其中压电陶瓷致动器320上方的输出端与动力输出板322接触、下方通过电源线311与控制模块310相连，弹性压板331为智能压电板，当产生变形时能够产生压电信号，弹性压板331与动力杆330的圆柱端面之间的杆体上设有刚度弹簧332，刚度弹簧332与弹性压板331之间设有隔板333，刚度弹簧332的一端与动力杆330的圆柱端面接触、另一端与隔板333接触，控制模块310与弹性压板331之间通过导线相连接。

所述压电陶瓷致动器320为柱形结构，型号选用PSt150/7/20VT17，该型号压电陶瓷致动器具有抗扭力功能，能够保证在动力输出板322存在扭力作用时不会直接作用于内部压电叠堆陶瓷，从而对内部压电陶瓷起到保护作用，保证压电陶瓷致动器320的可靠工作。

一种弹性薄壁件动态加工支承方法，其步骤如下：

步骤1：通过预紧螺钉352将弹性压板331固定在扰动补偿装置外壳340的法兰端面341上，通过安装孔ⅡI151将扰动补偿装置300安装在联接板150上，使扰动补偿装置300的动力杆330从联接板150中央的通孔穿过；

步骤2：将等待加工的弹性薄壁件放置在支承顶板100的上表面，并保证弹性薄壁件将通槽110全部覆盖住；

步骤3：启动气泵400，通过流通孔120使通槽110产生负压吸力，将弹性薄壁件吸附固定在支承顶板100上，同时，弹性薄壁件的下表面与扰动补偿装置300的动力杆330的伸出部分接触；

步骤5：在弹性薄壁件和刚度弹簧332的作用下，弹性压板331产生变形，调节平衡螺母351使弹性压板331处于水平位置，同时带动动力杆330端部的圆柱端面向动力输出板322施加压力，实现对压电陶瓷致动器320的预紧；

步骤6：在弹性薄壁件动态加工过程中，当弹性薄壁件产生扰动行为时，弹性薄壁件的扰动通过其下表面接触的动力杆330反馈到扰动补偿装置300中，通过动力杆330的作用，弹性压板331产生相对位移，根据逆电效应，弹性压板331在位移下产生压电信号，压电信号输给扰动补偿装置300的控制模块310，控制模块310向压电陶瓷致动器320输出控制信号，压电陶瓷致动器320驱动动力输出板322运动，从而控制驱动动力杆330产生反向的运动位移，从而补偿弹性薄壁件的扰动。

Claims

1.一种弹性薄壁件动态加工支承装置，其特征在于：它包括支承顶板（100）、运动机构、支承底座（200），

所述的支承顶板（100）为矩形框状结构，支承顶板（100）的矩形框状结构上设有一圈通槽（110），支承顶板（100）的外侧设有与通槽（110）连通的流通孔（120），流通孔（120）通过管路与气泵（400）相连接，支承顶板（100）矩形框状结构的内侧有呈“十”字结构布置的筋板（130），筋板（130）的中心处设有联接板（150）并联接成一个整体，联接板（150）上通过安装孔Ⅱ（151）安装有扰动补偿装置（300），支承顶板（100）的外侧设置有流通孔（120），流通孔（120）与通槽（110）是贯通的，流通孔（120）通过连接管（500）连接有气泵（400），通过气泵（400）的吸附实现通槽（110）内压力的控制，从而实现支承顶板（100）上弹性薄壁件的吸附；

所述扰动补偿装置（300）包括开口设有法兰端面（341）的外壳（340），外壳（340）内腔中设有动力杆（330），外壳（340）开口处设有弹性压板（331），动力杆（330）的顶部的圆柱部分穿过弹性压板（331），动力杆（330）穿过弹性压板（331）的圆柱部分为螺纹结构并设有调节平衡螺母（351），外壳（340）与弹性压板（331）之间通过设有预紧螺钉（352）调节固定，动力杆（330）的底部为圆柱端面，动力杆（330）的圆柱端面的下方设有动力输出板（322），其中外壳（340）内的底部设有控制模块（310），控制模块（310）上设有安装座（321），动力输出板（322）与安装座（321）之间设有多点驱动并均匀设置的多个具有抗扭力作用的压电陶瓷致动器（320），其中压电陶瓷致动器（320）上方的输出端与动力输出板（322）接触、下方通过电源线（311）与控制模块（310）相连，弹性压板（331）为智能压电板，当产生变形时能够产生压电信号，弹性压板（331）与动力杆（330）的圆柱端面之间的杆体上设有刚度弹簧（332），刚度弹簧（332）与弹性压板（331）之间设有隔板（333），刚度弹簧（332）的一端与动力杆（330）的圆柱端面接触、另一端与隔板（333）接触，控制模块（310）与弹性压板（331）之间通过导线相连接。

2.根据权利要求1所述的弹性薄壁件动态加工支承装置，其特征在于：所述运动机构包括平动机构和姿态调整机构，

平动机构包括X向驱动机构、Y向驱动机构和运动底板（220），用于实现支承装置整体的大范围平动，其中X向驱动机构包括两组并排设置的丝杠模组单元，每个丝杠模组单元包括X向驱动电机（212）、X向传动丝杠（214）、X向螺母滑块（216）、X向滑动导轨（218），其中X向螺母滑块（216）设置在X向传动丝杠（214）上，X向螺母滑块（216）上方与设置在运动底板（220）上的连接板（221）固定连接，X向传动丝杠（214）固定在X向滑动导轨（218）上，X向传动丝杠（214）的一端与X向驱动电机（212）连接；Y向驱动机构包括两组并排设置的双螺母丝杠模组单元，每个双螺母丝杠模组单元包括Y向驱动电机（211）、Y向传动丝杠（213）、Y向螺母滑块I（2151）、Y向螺母滑块Ⅱ（2152）、Y向滑动导轨（217），其中Y向传动丝杠（213）与X向传动丝杠（214）直角交叉设置，Y向传动丝杠（213）上设有Y向螺母滑块I（2151）和Y向螺母滑块Ⅱ（2152），Y向螺母滑块I（2151）和Y向螺母滑块Ⅱ（2152）的顶部分别与同一个X向滑动导轨（218）下方的两端相互连接，Y向传动丝杠（213）设置在Y向滑动导轨（217）上，Y向传动丝杠（213）的一端与Y向驱动电机（211）连接，Y向滑动导轨（217）底部与支承底座（200）固定连接；

所述姿态调整机构为多个驱动单元（230），每个驱动单元（230）的两端分别固定在支承顶板（100）和运动底板（220）上，用于实现支承装置的姿态调整。

3.一种使用权利要求1所述弹性薄壁件动态加工支承装置的支承方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过预紧螺钉（352）将弹性压板（331）固定在扰动补偿装置外壳（340）的法兰端面（341）上，通过安装孔Ⅱ（151）将扰动补偿装置（300）安装在联接板（150）上，使扰动补偿装置（300）的动力杆（330）从联接板（150）中央的通孔穿过；

步骤2：将等待加工的弹性薄壁件放置在支承顶板（100）的上表面，并保证弹性薄壁件将通槽（110）全部覆盖住；

步骤3：启动气泵（400），通过流通孔（120）使通槽（110）产生负压吸力，将弹性薄壁件吸附固定在支承顶板（100）上，同时，弹性薄壁件的下表面与扰动补偿装置（300）的动力杆（330）的伸出部分接触；

步骤5：在弹性薄壁件和刚度弹簧（332）的作用下，弹性压板（331）产生变形，调节平衡螺母（351）使弹性压板（331）处于水平位置，同时带动动力杆（330）端部的圆柱端面向动力输出板（322）施加压力，实现对压电陶瓷致动器（320）的预紧；

步骤6：在弹性薄壁件动态加工过程中，当弹性薄壁件产生扰动行为时，弹性薄壁件的扰动通过其下表面接触的动力杆（330）反馈到扰动补偿装置（300）中，通过动力杆（330）的作用，弹性压板（331）产生相对位移，根据逆电效应，弹性压板（331）在位移下产生压电信号，压电信号输给扰动补偿装置（300）的控制模块（310），控制模块（310）向压电陶瓷致动器（320）输出控制信号，压电陶瓷致动器（320）驱动动力输出板（322）运动，从而控制驱动动力杆（330）产生反向的运动位移，从而补偿弹性薄壁件的扰动。