CN111360303A - 曲面薄壁零件铣削加工监测装置及其应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了曲面薄壁零件铣削加工监测装置及其应用系统，所述Z轴调整架上端转动连接有旋转台，所述旋转台通过转动驱动伺服电机做旋转运动，所述旋转台上端一侧固定安装有激光传感器；所述贴片传感器通过振动数据采集模块和数/模转换模块与计算机通信连接，所述计算机控制在线运动控制模块对其下达采集指令。本发明涉及一种在线监测系统，特别涉及曲面薄壁零件铣削加工监测装置及其应用系统，属于曲面薄壁零件加工技术领域。解决了薄壁曲面零件加工变形和振动实时在线监测过程中所涉及的切削点时变、曲率时变、传感器跟踪位移和转角时变等技术难题。

Description

曲面薄壁零件铣削加工监测装置及其应用系统

技术领域

本发明涉及一种在线监测系统，特别涉及曲面薄壁零件铣削加工监测装置及其应用系统，属于曲面薄壁零件加工技术领域。

背景技术

曲面薄壁零件因其特有的高强度、重量轻、高承载性等特点，在航空航天、汽车、国防等国家重要工业领域中被广泛应用。曲面薄壁件主要采用数控铣削的方法进行加工，其加工过程中伴随严重的加工变形和切削振动，将恶化零件的尺寸精度和表面品质。众所周知，开展在线控制是保证薄壁件加工过程的有效方法，而对薄壁件加工过程开展合理有效的振动与变形在线监测则是实现控制的重要前提。

就目前而言，曲面零件加工过程振动与变形的获取手段主要为数值模拟。其基本思路是利用ANSYS、ABQUS等软件模拟切削加工，获得变形与振动。该类方法由于存在很多模型简化(如切削力、切削过程、边界条件等)，模拟结果误差较大，因此只能作为参考而基本无法实用。在线监测是获得薄壁零件加工的振动与变形的重要方法，也是最直接实用的方法。如“一种带有变形实时补偿的薄壁件铣削系统(公开号CN106271861A)”、“薄壁件铣削用随动支撑夹具(公开号CN104889757A)”、“薄壁件加工的流体随动辅助支撑装置(公开号CN106736645A)”、“一种薄壁件铣削振动的多机械手臂随动抑制装置(CN104589147A)”，这些方法都以平面薄壁件为对象，利用在机床主轴上固定夹具夹紧激光传感器，传感器随主轴单一方向平动进而实现在线数据采集。因此方法存在两个重要问题：该方法可行的前提是薄壁件平面的法线必须与机床x轴和y轴平行，即对于两轴及两轴以上的主轴组合运动不适用，因此无法适用于斜面零件。考虑到曲面零件曲率复杂、切削点曲面法线时变、随动监测位移时变等问题，该类方法亦不适用曲面零件。从以上分析可以发现，目前，薄壁曲面零件加工过程实时在线监测技术尚属空白。而发动机叶轮、叶片、火箭燃气舵等航空航天典型薄壁曲面零件的高精度加工是国家战略需求，因此，提出合理有效的薄壁曲面零件加工过程在线监测技术，实现其振动与变形的有效抑制以提高其加工质量和精度迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供曲面薄壁零件铣削加工监测装置及其应用系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：曲面薄壁零件铣削加工监测装置，包括Y轴装置和X轴装置，所述X轴装置在Y轴装置上端做直线位移运动，所述Z轴装置在X轴装置上端做直线位移运动，且Z轴装置的位移方向与X轴装置的位移方向垂直，所述Z轴装置包括Z轴调整架、固定架和Z轴底座，所述Z轴底座滑动安装在X轴装置上端，所述固定架固定安装在Z轴底座上端，所述Z轴调整架活动安装在固定架侧端，且所述Z轴调整架通过Z轴调节机构做上下位移运动，所述Z轴调整架上端转动连接有旋转台，所述旋转台通过转动驱动伺服电机做旋转运动，所述旋转台上端一侧固定安装有激光传感器。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括薄壁曲面薄壁件，所述激光传感器与薄壁曲面薄壁件被测点的初始距离值为薄壁曲面薄壁件曲面的最小曲率半径。

作为本发明的一种优选技术方案，所述Z轴调节机构包括调整螺栓，所述调整螺栓转动安装在固定架顶部和Z轴底座之间，所述调整螺栓上端贯穿固定架顶部固定连接有调节螺母，所述固定架转动安装在调整螺栓上，所述固定架侧端开设有长孔，还包括固定螺栓，所述固定螺栓贯穿长孔与Z轴调整架固定连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述Z轴调整架呈倒L形，且上端凸出部端头呈半圆形，所述转动驱动伺服电机固定安装在Z轴调整架上端凸出部下方。

曲面薄壁零件铣削加工监测系统，包括计算机、监测启动/结束指示模块、在线运动控制模块、变形振动数据收集模块、主轴系统和薄壁曲面薄壁件，所述监测启动/结束指示模块包括振动数据采集模块、数/模转换模块和贴片传感器，所述监测启动/结束指示模块通过薄壁曲面薄壁件上贴附的贴片传感器的振动信息控制监控的开始和结束，所述贴片传感器通过振动数据采集模块和数/模转换模块与计算机通信连接，所述计算机控制在线运动控制模块对其下达采集指令。

作为本发明的一种优选技术方案，所述贴片传感器粘接在薄壁曲面薄壁件上，且粘贴位置置于薄壁曲面薄壁件当前加工面的背面底部。

作为本发明的一种优选技术方案，所述在线运动控制模块包括PLC控制系统、X轴平动驱动器、Y轴平动驱动器、绕Z轴转动驱动器和曲面薄壁零件铣削加工监测装置，所述曲面薄壁零件铣削加工监测装置包括激光传感器和旋转台，所述在线运动控制模块通过主轴系统轨迹获得激光传感器和旋转台的移动和转动速度。

作为本发明的一种优选技术方案，所述PLC控制系统包括运动控制计算模块，所述运动控制计算模块根据切削运行轨迹计算旋转台的X和Y向实时移动速度及绕Z轴的实时转动速度，并向X轴平动驱动器、Y轴平动驱动器和绕Z轴转动驱动器传达驱动信息，使旋转台带动激光传感器作平动与转动。

作为本发明的一种优选技术方案，所述激光传感器的测量光束始终与薄壁曲面薄壁件上测点的切线方向垂直。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明有效弥补了现有技术中无法适用于薄壁斜面或薄壁曲面零件等一般工况、技术适用范围小、实用性较差等显著缺陷，解决了薄壁曲面零件加工变形和振动实时在线监测过程中所涉及的切削点时变、曲率时变、传感器跟踪位移和转角时变等技术难题。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明中激光传感器监测轨迹示意图；

图3为本发明中监测装置立体示意图；

图4为本发明中在线监测装置的结构示意图

图5为图4中B部分的局部放大图；

图6为图4中A-A的局部剖面图。

图中：1、计算机；2、监测启动/结束指示模块；3、在线运动控制模块；4、变形振动数据收集模块；5、振动数据采集模块；6、数/模转换模块；7、PLC控制系统；8、X轴平动驱动器；9、Y轴平动驱动器；10、绕Z轴转动驱动器；11、主轴系统；12、贴片传感器；13、薄壁曲面薄壁件；14、曲面薄壁零件铣削加工监测装置；17、Y轴装置；18、X轴装置；19、Z轴装置；20、Y向底座；21、卡扣；22、Y向光杠；23、Y向伺服电机；24、Y向丝杠；25、Y向导轨；26、Y向导轨槽；27、X向底座；28、X向丝杠；29、X向伺服电机；30、X向丝杠滑块；31、X向导轨；32、旋台螺母；33、激光传感器；34、旋转台；35、转动驱动伺服电机；36、Z轴调整架；37、固定架；38、Z轴底座；39、固定螺栓；40、长孔；41、调整螺栓；42、Y向光杠滑块；43、Y向丝杠移动块。

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方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供了曲面薄壁零件铣削加工监测装置及其应用系统，包括Y轴装置17和X轴装置18，X轴装置18在Y轴装置17上端做直线位移运动，Y轴装置17包括Y向底座20、Y向光杠22、Y向光杠滑块42、Y向丝杠24、Y向丝杠移动块43、Y向导轨25、Y向导轨槽26、卡扣21、Y向伺服电机23，Y轴装置17中的Y向光杠22、Y向光杠滑块42、Y向导轨25和Y向导轨槽26，数量都为两个，Y轴装置17的Y向光杠滑块42、Y向丝杠移动块43和Y向导轨槽26，与X轴装置18的X向底座27底部固定连接，Y轴装置17一端配置Y向伺服电机23，带动Y向丝杠24转动，驱动Y向丝杠移动块43作Y向水平运动，Y轴装置17的Y向光杠22和Y向光杠滑块42两端用卡扣21固定于Y向底座20，X轴装置18与Y轴装置17主体结构一样，X轴装置18一端配置X向伺服电机29，带动X向丝杠28转动，通过X向导轨31驱动X向丝杠滑块30作X向水平运动，Z轴装置19在X轴装置18上端做直线位移运动，且Z轴装置19的位移方向与X轴装置18的位移方向垂直，Z轴装置19包括Z轴装置19包含激光传感器33、固定架37、Z轴底座38、Z轴调整架36、调整螺栓41、固定螺栓39、转动驱动伺服电机35、旋转台34和旋台螺母32，Z轴底座38滑动安装在X轴装置18上端，固定架37固定安装在Z轴底座38上端，Z轴调整架36活动安装在固定架37侧端，且Z轴调整架36通过Z轴调节机构做上下位移运动，Z轴调整架36上端转动连接有旋转台34，旋转台34通过转动驱动伺服电机35做旋转运动，旋转台34上端一侧固定安装有激光传感器33。

还包括薄壁曲面薄壁件13，激光传感器33与薄壁曲面薄壁件13被测点的初始距离值为薄壁曲面薄壁件13曲面的最小曲率半径，以避免因传感器无法进入薄壁曲面狭小区域而导致的测量过程失效。

Z轴调节机构包括调整螺栓41，调整螺栓41转动安装在固定架37顶部和Z轴底座38之间，调整螺栓41上端贯穿固定架37顶部固定连接有调节螺母，固定架37转动安装在调整螺栓41上，固定架37侧端开设有长孔40，且固定架37右侧设有内凹的方槽，还包括固定螺栓39，固定螺栓39贯穿长孔40与Z轴调整架36固定连接，Z轴调整架36呈倒L形，侧端开垂直的螺纹通孔，侧面开2个水平的螺纹深孔(其孔距与所述的固定架37上长孔40的孔距相同)，左侧有外凸的凸块，且与方槽滑动连接，且上端凸出部端头呈半圆形，以尽量减小探测末端，转动驱动伺服电机35固定安装在Z轴调整架36上端凸出部下方，固定架37的内凹方槽和所述Z轴调整架36的外凸方槽的宽度差应小于0.1mm，以避免旋转台34的倾斜，在测试过程中，可以旋转调整螺栓41将激光传感器33调至所测量测点的高度，将固定螺栓39从左边旋入Z轴调整架36的螺纹深孔，实现固定架37和Z轴调整架36可靠固接，因此可在保证结构设计刚度的前提下，实现测试高度的Z向调整，且结构简单操作方便。

曲面薄壁零件铣削加工监测系统，包括计算机1、监测启动/结束指示模块2、在线运动控制模块3、变形振动数据收集模块4、主轴系统11和薄壁曲面薄壁件13，监测启动/结束指示模块2包括振动数据采集模块5、数/模转换模块6和贴片传感器12，监测启动/结束指示模块2通过薄壁曲面薄壁件13上贴附的贴片传感器12的振动信息控制监控的开始和结束，贴片传感器12通过振动数据采集模块5和数/模转换模块6与计算机1通信连接，监测启动/结束指示模块2主要通过反馈薄壁曲面零件13上贴片传感器12的振动信息，控制在线监测过程的开始和结束，计算机1控制在线运动控制模块3对其下达采集指令，当主轴系统11铣削开始，探测加工开始时振动信号，通过数/模转换模块6和振动数据采集模块5，反馈信号至计算机1，计算机1向在线运动控制模块3下达开始采集指令，在线实施监测开始，当主轴系统11铣削结束，无法探测振动信号或振动信号太小，同理反馈信号至计算机1，计算机1向在线运动控制模块3下达停止采集指令，在线实施监测结束。

贴片传感器12通过胶水粘接在薄壁曲面薄壁件13上，且粘贴位置置于薄壁曲面薄壁件13当前加工面的背面底部，为最佳。

在线运动控制模块3包括PLC控制系统7、X轴平动驱动器8、Y轴平动驱动器9、绕Z轴转动驱动器10和曲面薄壁零件铣削加工监测装置14，曲面薄壁零件铣削加工监测装置14包括激光传感器33和旋转台34，在线运动控制模块3通过主轴系统11轨迹获得激光传感器33和旋转台34的移动和转动速度，在线运动控制模块3根据刀具轨迹获得的激光传感器33与旋转台34的移动和转动速度等信息，通过相关的控制系统、驱动器及伺服电机单元，带动旋转台34和激光传感器33平动和转动，实现薄壁曲面零件13加工过程的实时在线监测。

PLC控制系统7包括运动控制计算模块，运动控制计算模块根据11切削运行轨迹计算旋转台34的X和Y向实时移动速度及绕Z轴的实时转动速度，并向X轴平动驱动器8、Y轴平动驱动器9和绕Z轴转动驱动器10传达驱动信息，使旋转台34带动激光传感器33作平动与转动。

激光传感器33的测量光束始终与薄壁曲面薄壁件13上测点的切线方向垂直。

PLC控制系统7中的运动控制计算模块按照下式计算旋转台34的X和Y向实时移动速度及绕Z轴的实时转动速度：

假设刀具铣削曲面薄壁件的移动轨迹路径为P(t)＝(X(t),Y(t))，由PH等距曲线法，则激光传感器的监测路径轨迹为H(t)＝P(t)±d·N(t)；

其中d为曲面薄壁件壁厚，N(t)是曲线P(t)在(X(t),Y(t))处的单位方向矢量，X，Y是以t为参数的函数，N(t)方程为：

其中X′(t)和Y′(t)是X(t)和Y(t)对t的一阶偏导，则激光传感器的监测路径轨迹方程为：

激光传感器在X和Y向实时移动速度为：

则激光传感器运动轨迹方程得在t时刻的切线方程为：

得出t时刻的法线方程的斜率为：

即激光位移传感器在t时刻的旋转角度：

激光位移传感器绕Z轴的实时转动速度为：

下面将具体阐述本发明的工作过程：工作时，将要加工的曲面薄壁零件13和在线监测装置14通过夹具固定在机床转台上，而在线监测装置14置于曲面薄壁零件13待加工的另一边，且加工主体方向与监测移动方向平行，两者最大距离不超过X轴装置18的最大可移动距离，贴片传感器12贴于曲面薄壁零件13底部；

启动控制系统，计算机1分别控制Y轴装置17、X轴装置18和Z轴装置19调整激光传感器33在X和Y方向的位置及绕Z轴的旋转角度，使激光传感器33位于薄壁曲面零件最左侧测点的垂线的延长线上，其激光束指向测点；将此时激光传感器33的X和Y向坐标及绕Z轴的旋转角度初始化，设置为0；

铣削开始，监测启动/介绍模块2中的贴片传感器12探测到薄壁件振动信号，该信号经数/模转换器6进入振动数据采集系统5，然后，输出信号至计算机1，计算机1开展机床振动等干扰信号和切削振动型号判别。当振动信号大于阈值，对在线运动控制模块3下达开始在线监测指令；

PLC控制系统7将运动控制计算模块中已经计算好的旋转台34的X和Y向实时移动速度及绕Z轴的实时转动速度，通过X轴平动驱动器8、Y轴平动驱动器9和绕Z轴转动驱动器10，控制X向伺服电机29、Y向伺服电机23和转动驱动伺服电机35，使旋转台34带动激光传感器33作X轴和Y轴的平动与绕Z轴的转动，从而实现切削点时变、曲率时变、传感器跟踪位移和转角时变情况下的薄壁件切削过程切削点的变形与振动实时在线采集；

激光传感器33采集到的切削点的实时变形与振动的变形与振动信号，通过经数/模转换器16，进入变形振动数据采集系统15，输出到计算机图像显示，完成全部在线实时监测过程；

当监测启动/介绍模块2中的贴片传感器12探测到的薄壁件振动信号小于阈值，计算机1对在线运动控制模块3下达停止在线监测指令，监测过程结束。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.曲面薄壁零件铣削加工监测装置，包括Y轴装置(17)和X轴装置(18)，所述X轴装置(18)在Y轴装置(17)上端做直线位移运动，其特征在于，所述Z轴装置(19)在X轴装置(18)上端做直线位移运动，且Z轴装置(19)的位移方向与X轴装置(18)的位移方向垂直，所述Z轴装置(19)包括Z轴调整架(36)、固定架(37)和Z轴底座(38)，所述Z轴底座(38)滑动安装在X轴装置(18)上端，所述固定架(37)固定安装在Z轴底座(38)上端，所述Z轴调整架(36)活动安装在固定架(37)侧端，且所述Z轴调整架(36)通过Z轴调节机构做上下位移运动，所述Z轴调整架(36)上端转动连接有旋转台(34)，所述旋转台(34)通过转动驱动伺服电机(35)做旋转运动，所述旋转台(34)上端一侧固定安装有激光传感器(33)。

2.根据权利要求1所述的曲面薄壁零件铣削加工监测装置，其特征在于：还包括薄壁曲面薄壁件(13)，所述激光传感器(33)与薄壁曲面薄壁件(13)被测点的初始距离值为薄壁曲面薄壁件(13)曲面的最小曲率半径。

3.根据权利要求1所述的曲面薄壁零件铣削加工监测装置，其特征在于：所述Z轴调节机构包括调整螺栓(41)，所述调整螺栓(41)转动安装在固定架(37)顶部和Z轴底座(38)之间，所述调整螺栓(41)上端贯穿固定架(37)顶部固定连接有调节螺母，所述固定架(37)转动安装在调整螺栓(41)上，所述固定架(37)侧端开设有长孔(40)，还包括固定螺栓(39)，所述固定螺栓(39)贯穿长孔(40)与Z轴调整架(36)固定连接。

4.根据权利要求1所述的曲面薄壁零件铣削加工监测装置，其特征在于：所述Z轴调整架(36)呈倒L形，且上端凸出部端头呈半圆形，所述转动驱动伺服电机(35)固定安装在Z轴调整架(36)上端凸出部下方。

5.曲面薄壁零件铣削加工监测系统，其特征在于：包括计算机(1)、监测启动/结束指示模块(2)、在线运动控制模块(3)、变形振动数据收集模块(4)、主轴系统(11)和如权利要求2中所述的薄壁曲面薄壁件(13)，所述监测启动/结束指示模块(2)包括振动数据采集模块(5)、数/模转换模块(6)和贴片传感器(12)，所述监测启动/结束指示模块(2)通过薄壁曲面薄壁件(13)上贴附的贴片传感器(12)的振动信息控制监控的开始和结束，所述贴片传感器(12)通过振动数据采集模块(5)和数/模转换模块(6)与计算机(1)通信连接，所述计算机(1)控制在线运动控制模块(3)对其下达采集指令。

6.根据权利要求5所述的曲面薄壁零件铣削加工监测系统，其特征在于：所述贴片传感器(12)粘接在薄壁曲面薄壁件(13)上，且粘贴位置置于薄壁曲面薄壁件(13)当前加工面的背面底部。

7.根据权利要求5所述的曲面薄壁零件铣削加工监测系统，其特征在于：所述在线运动控制模块(3)包括PLC控制系统(7)、X轴平动驱动器(8)、Y轴平动驱动器(9)、绕Z轴转动驱动器(10)和如权利要求1-4中所述的曲面薄壁零件铣削加工监测装置(14)，所述曲面薄壁零件铣削加工监测装置(14)包括激光传感器(33)和旋转台(34)，所述在线运动控制模块(3)通过主轴系统(11)轨迹获得激光传感器(33)和旋转台(34)的移动和转动速度。

8.根据权利要求7所述的曲面薄壁零件铣削加工监测系统，其特征在于：所述PLC控制系统(7)包括运动控制计算模块，所述运动控制计算模块根据(11)切削运行轨迹计算旋转台(34)的X和Y向实时移动速度及绕Z轴的实时转动速度，并向X轴平动驱动器(8)、Y轴平动驱动器(9)和绕Z轴转动驱动器(10)传达驱动信息，使旋转台(34)带动激光传感器(33)作平动与转动。

9.根据权利要求7所述的曲面薄壁零件铣削加工监测系统，其特征在于：所述激光传感器(33)的测量光束始终与薄壁曲面薄壁件(13)上测点的切线方向垂直。

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