CN112338247A - 一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及大型薄壁零件加工技术领域，特别涉及一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统及方法。系统具有柔性工装单元、机器人铣削单元、跟踪测量单元、安全防护单元及控制单元；所述机器人铣削单元安装在固定于地面的柔性工装单元一侧，所述跟踪测量单元安装在机器人铣削单元旁，所述安全防护单元将柔性工装单元、机器人铣削单元、跟踪测量单元包围在内，所述控制单元固定在安全防护单元外。本发明通过对薄壁零件的自适应装夹以及对机器人铣削加工过程中末端铣削主轴的姿态进行跟踪和监控，提高工件装夹效率和机器人加工精度，安全防护单元主要是实现人机分离，保证人员和设备的安全。

Description

一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统及方法
技术领域
本发明涉及大型薄壁零件加工技术领域，特别涉及一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统及方法。
背景技术
大型薄壁零件，如飞机蒙皮、火箭燃料贮箱等，是航空、航天等重大装备的关键零件。这类零件往往需要在工件一侧加工出数量不等、形状各异的栅格结构，在保证结构强度的前提下，最大限度的减轻零件质量。由于这类零件尺寸大、刚度低、形状不规则，其加工质量一直难以保证，加工效率也很低。目前，这类零件栅格结构的制造方法主要包括化学铣削方法和机械铣削方法等。化学铣削方法具有作业时间长、作业成本高、加工精度低、切削废液难处理等缺点。卧式机械铣削方法的加工质量和加工效率有了明显的提高，但是由于薄壁件尺寸较大，需要专用的大型卧式机床以及相匹配的工装系统进行加工，加工成本高昂，且机床及工装的柔性很差，难以应对多品种规格大型薄壁零件的加工。机器人加工系统柔性好，能够适应多规格零部件的应用场合，但受限于本身刚性不足且无法直接反馈末端位姿，不能在作业中根据偏差量进行实时调整，因此主要应用于加工精度要求较低的加工场合。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，主要从大型薄零部件柔性装夹以及提升低刚度机器人加工精度两个方面提供一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统及方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统，具有柔性工装单元、机器人铣削单元、跟踪测量单元、安全防护单元及控制单元；所述机器人铣削单元安装在固定于地面的柔性工装单元一侧，所述跟踪测量单元安装在机器人铣削单元旁，所述安全防护单元将柔性工装单元、机器人铣削单元、跟踪测量单元包围在内，所述控制单元固定在安全防护单元外。
进一步的，所述柔性工装单元包括工装框架模块，若干伺服柔性支撑模块和若干伺服驱动模块；所述伺服柔性支撑模块安装在工装框架模块内，所述伺服驱动模块本体安装在伺服柔性支撑模块上，驱动端与左侧相邻的伺服柔性支撑模块固定，使得两两相邻的伺服柔性支撑模块相连。
进一步的，所述工装框架模块呈“口”字型，包括固定底座，所述固定底座两端安装固定有2个立柱，2个所述立柱顶端安装有横梁，所述固定底座上表面和横梁的侧面各安装一条直线导轨。
进一步的，若干所述伺服柔性支撑模块并列安装在工装框架模块内，所述伺服柔性支撑模块包括竖梁，所述竖梁的顶端和底端各固定有2个滑块，所述滑块可滑动地安装在所述直线导轨上，所述竖梁上从上到下依次布置有若干丝杆穿过竖梁的伺服电缸，每个所述伺服电缸的端部均设有真空吸附装置。
进一步的，所述机器人铣削单元包括封闭式导轨，铣削机器人，铣削主轴，机器人底座以及拖链机构；所述封闭式导轨与柔性工装单元平行固定安装于地面，所述铣削机器人通过底端的机器人底座可以移动地安装于封闭式导轨上，所述铣削主轴安装在铣削机器人的末端。
进一步的，所述跟踪测量单元包含测量跟踪靶标和测量跟踪主机；所述测量跟踪靶标安装在铣削主轴上，所述测量跟踪主机安装在机器人铣削单元一旁的地面上。
进一步的，所述安全防护单元包含铝型材立柱，铝型材安全网片，安全门；若干所述铝型材立柱与若干铝型材安全网片将将柔性工装单元、机器人铣削单元、跟踪测量单元包围在内，所述安全门安装在2根所述铝型材立柱之间。
进一步的，所述竖梁上还安装有壁件托架。
一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工方法，包含以下步骤：
步骤1.根据大型曲面薄壁件的理论模型和预设工装点信息，柔性工装单元由离线程序自动通过控制伺服电缸调整真空吸附装置的阵列，使柔性工装单元的边界各支撑点与大型曲面薄壁件理论模型重合，内部支撑点接近理论模型位置；
步骤2.吊装大型曲面薄壁件，吊装过程中柔性工装边界支撑点先对工件边界进行吸附固定，然后柔性工装其余支撑点调整伸出长度，通过力反馈实现自适应定位并吸附固定；
步骤3.铣削机器人运行离线程序，按程序路径扫描大型曲面薄壁件，确定工件边界并将实际模型与理论模型的尺寸进行对比；
步骤4.由扫描对比结果，获取工件加工区域和与加工余量信息，在此基础上，离线编程系统对加工路径进行规划，根据经验数据库自动生成加工程序。其中路径规划可以通过仿真软件进行演示，操作人员可以查看仿真轨迹，确保路径合理正确；
步骤5.铣削机器人开始加工工件，同时，跟踪测量单元通过测量跟踪安装在机器人末端上的靶标，对铣削机器人的铣削主轴的加工姿态进行跟踪与测量，并实时对铣削机器人后续加工路径微段的姿态和工艺参数进行补偿调整；
步骤6.工件加工完毕后，铣削机器人再次运行检测扫描程序，对工件加工质量进行检测。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
(1)本发明柔性好，通用性强，可应对多品种规格大型薄壁零件的加工。
(2)本发明能根据不同的曲面薄壁件快速调整工装装夹，也能在作业中对主轴姿态进行跟踪、监控，全程自动化，加工精度较高，速度较快。
(3)本发明实现了人机分离，测量与加工过程自动化，无需人工干预，保证人员和设备的安全。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明系统整体结构示意图；
图2为本发明柔性工装单元具体结构示意图；
图3为本发明机器人铣削单元具体结构示意图；
图4为本发明安全防护单元具体结构示意图；
图5为本发明伺服电缸与真空吸附装置局部位置放大图；
图6为本发明伺服驱动模块与壁件托架局部位置放大图。
具体实施方式
(实施例1)
见图1，本发明具有柔性工装单元100、机器人铣削单元200、跟踪测量单元300、安全防护单元400及控制单元500；所述机器人铣削单元200安装在固定于地面的柔性工装单元100一侧，所述跟踪测量单元300安装在机器人铣削单元200旁，所述安全防护单元400将柔性工装单元100、机器人铣削单元200、跟踪测量单元300包围在内，所述控制单元500固定在安全防护单元400外。控制单元500通过线路与柔性工装单元100、机器人铣削单元200、跟踪测量单元300连接，起到控制作用。
见图2、图5、图6，所述柔性工装单元100包括工装框架模块110，9个伺服柔性支撑模块120和8个伺服驱动模块130；所述伺服柔性支撑模块120安装在工装框架模块110内，所述伺服驱动模块130本体安装在伺服柔性支撑模块120上，驱动端与左侧相邻的伺服柔性支撑模块120固定，使得两两相邻的伺服柔性支撑模块120相连。在铣削时实现联动。所述工装框架模块110呈“口”字型，包括固定底座111，所述固定底座111两端安装固定有2个立柱112，2个所述立柱112顶端安装有1根横梁113，所述固定底座111上表面和横梁113的侧面各安装一条直线导轨114。9个所述伺服柔性支撑模块120并列安装在工装框架模块110内，所述伺服柔性支撑模块120包括竖梁121，所述竖梁121的顶端和底端各固定有2个滑块122，所述滑块122可滑动地安装在所述直线导轨114上，所述竖梁121上从上到下依次布置有5个丝杆穿过竖梁121固定安装的伺服电缸123，每个所述伺服电缸123的端部均设有1个真空吸附装置124。所述竖梁121上还安装有壁件托架125。
见图1、图3，所述机器人铣削单元200包括封闭式导轨201，铣削机器人202，铣削主轴203，机器人底座205以及拖链机构206；所述封闭式导轨201与柔性工装单元100平行固定安装于地面，所述铣削机器人202通过底端的机器人底座205可以移动地安装于封闭式导轨201上，所述铣削主轴203安装在铣削机器人202的末端。所述跟踪测量单元300包含测量跟踪靶标204和测量跟踪主机300；所述测量跟踪靶标204安装在铣削主轴203上，所述测量跟踪主机300安装在机器人铣削单元200一旁的地面上。
见图4，所述安全防护单元400包含铝型材立柱401，铝型材安全网片402，安全门403；若干所述铝型材立柱401与若干铝型材安全网片402将将柔性工装单元100、机器人铣削单元200、跟踪测量单元300包围在内，所述安全门403安装在2根所述铝型材立柱401之间。
一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工方法，包含以下步骤：
步骤1.根据大型曲面薄壁件的理论模型和预设工装点信息，柔性工装单元(100)由离线程序自动通过控制伺服电缸(123)调整真空吸附装置(124)的阵列，使柔性工装单元(100)的边界各支撑点与大型曲面薄壁件理论模型重合，内部支撑点接近理论模型位置；
步骤2.吊装大型曲面薄壁件，吊装过程中柔性工装边界支撑点先对工件边界进行吸附固定，然后柔性工装其余支撑点调整伸出长度，通过力反馈实现自适应定位并吸附固定；
步骤3.铣削机器人(202)运行离线程序，按程序路径扫描大型曲面薄壁件，确定工件边界并将实际模型与理论模型的尺寸进行对比；
步骤4.由扫描对比结果，获取工件加工区域和与加工余量信息，在此基础上，离线编程系统对加工路径进行规划，根据经验数据库自动生成加工程序。其中路径规划可以通过仿真软件进行演示，操作人员可以查看仿真轨迹，确保路径合理正确；
步骤5.铣削机器人(202)开始加工工件，同时，跟踪测量单元(300)通过测量跟踪安装在机器人末端上的靶标(204)，对铣削机器人(202)的铣削主轴(203)的加工姿态进行跟踪与测量，并实时对铣削机器人(202)后续加工路径微段的姿态和工艺参数进行补偿调整；
步骤6.工件加工完毕后，铣削机器人(202)再次运行检测扫描程序，对工件加工质量进行检测。
本发明的工作原理为：根据大型曲面薄壁件理论模型，柔性工装单元100由离线程序自动调整真空吸附装置124的阵列，使柔性工装单元100的各支撑点与大型曲面薄壁件理论模型重合。之后，操作人员吊装大型曲面薄壁件到柔性工装单元100的工装位置，真空吸附装置124阵列工作按照先边界吸附后自适应吸附的步骤，，牢固吸附工件。下一步，铣削机器人202运行离线程序，根据工件模型预设离线程序，按程序路径扫描大型曲面薄壁件，确定工件边界及实际模型与理论模型对比。由扫描对比结果，确认铣削机器人202加工程序。然后，铣削机器人202开始加工工件，同时，跟踪测量单元300对铣削机器人202的铣削主轴203的加工姿态进行跟踪与测量，并实时对铣削机器人(202)后续加工路径微段的姿态和工艺参数进行补偿调整。工件加工过程中，工件加工完毕后，铣削机器人202再次运行检测扫描程序，对工件加工质量进行检测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统，其特征在于：具有柔性工装单元(100)、机器人铣削单元(200)、跟踪测量单元(300)、安全防护单元(400)及控制单元(500)；所述机器人铣削单元(200)安装在固定于地面的柔性工装单元(100)一侧，所述跟踪测量单元(300)安装在机器人铣削单元(200)旁，所述安全防护单元(400)将柔性工装单元(100)、机器人铣削单元(200)、跟踪测量单元(300)包围在内，所述控制单元(500)固定在安全防护单元(400)外。
2.根据权利要求1所述的一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统，其特征在于：所述柔性工装单元(100)包括工装框架模块(110)，若干伺服柔性支撑模块(120)和若干伺服驱动模块(130)；所述伺服柔性支撑模块(120)安装在工装框架模块(110)内，所述伺服驱动模块(130)本体安装在伺服柔性支撑模块(120)上，驱动端与左侧相邻的伺服柔性支撑模块(120)固定，使得两两相邻的伺服柔性支撑模块(120)相连。
3.根据权利要求2所述的一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统，其特征在于：所述工装框架模块(110)呈“口”字型，包括固定底座(111)，所述固定底座(111)两端安装固定有2个立柱(112)，2个所述立柱(112)顶端安装有横梁(113)，所述固定底座(111)上表面和横梁(113)的侧面各安装一条直线导轨(114)。
4.根据权利要求3所述的一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统，其特征在于：若干所述伺服柔性支撑模块(120)并列安装在工装框架模块(110)内，所述伺服柔性支撑模块(120)包括竖梁(121)，所述竖梁(121)的顶端和底端各固定有2个滑块(122)，所述滑块(122)可滑动地安装在所述直线导轨(114)上，所述竖梁(121)上从上到下依次布置有若干丝杆穿过竖梁(121)的伺服电缸(123)，每个所述伺服电缸(123)的端部均设有真空吸附装置(124)。
5.根据权利要求1所述的一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统，其特征在于：所述机器人铣削单元(200)包括封闭式导轨(201)，铣削机器人(202)，铣削主轴(203)，机器人底座(205)以及拖链机构(206)；所述封闭式导轨(201)与柔性工装单元(100)平行固定安装于地面，所述铣削机器人(202)通过底端的机器人底座(205)可以移动地安装于封闭式导轨(201)上，所述铣削主轴(203)安装在铣削机器人(202)的末端。
6.根据权利要求1所述的一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统，其特征在于：所述跟踪测量单元(300)包含测量跟踪靶标(204)和测量跟踪主机(300)；所述测量跟踪靶标(204)安装在铣削主轴(203)上，所述测量跟踪主机(300)安装在机器人铣削单元(200)一旁的地面上。
7.根据权利要求1所述的一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统，其特征在于：所述安全防护单元(400)包含铝型材立柱(401)，铝型材安全网片(402)，安全门(403)；若干所述铝型材立柱(401)与若干铝型材安全网片(402)将将柔性工装单元(100)、机器人铣削单元(200)、跟踪测量单元(300)包围在内，所述安全门(403)安装在2根所述铝型材立柱(401)之间。
8.根据权利要求4所述的一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工系统，其特征在于：所述竖梁(121)上还安装有壁件托架(125)。
9.一种大型曲面薄壁件机器人铣削加工方法，其特征在于：包含以下步骤：
步骤1.根据大型曲面薄壁件的理论模型和预设工装点信息，柔性工装单元(100)由离线程序自动通过控制伺服电缸(123)调整真空吸附装置(124)的阵列，使柔性工装单元(100)的边界各支撑点与大型曲面薄壁件理论模型重合，内部支撑点接近理论模型位置；
步骤2.吊装大型曲面薄壁件，吊装过程中柔性工装边界支撑点先对工件边界进行吸附固定，然后柔性工装其余支撑点调整伸出长度，通过力反馈实现自适应定位并吸附固定；
步骤3.铣削机器人(202)运行离线程序，按程序路径扫描大型曲面薄壁件，确定工件边界并将实际模型与理论模型的尺寸进行对比；
步骤4.由扫描对比结果，获取工件加工区域和与加工余量信息，在此基础上，离线编程系统对加工路径进行规划，根据经验数据库自动生成加工程序。其中路径规划可以通过仿真软件进行演示，操作人员可以查看仿真轨迹，确保路径合理正确；
步骤5.铣削机器人(202)开始加工工件，同时，跟踪测量单元(300)通过测量跟踪安装在机器人末端上的靶标(204)，对铣削机器人(202)的铣削主轴(203)的加工姿态进行跟踪与测量，并实时对铣削机器人(202)后续加工路径微段的姿态和工艺参数进行补偿调整；
步骤6.工件加工完毕后，铣削机器人(202)再次运行检测扫描程序，对工件加工质量进行检测。
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