CN113146288B - 一种基于接触界面力/位信息自感知的镜像加工支撑装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于薄壁件加工技术领域，提供了一种基于接触界面力/位信息自感知的镜像加工支撑装置，包括柔性传感单元和磁流变可控调节阵列；其中：柔性传感器由硅橡胶密封套包裹柔性压力传感器和柔性光栅传感器，实现对支撑界面力/位信息的综合感知，并对大型薄壁构件复杂面型提供随形支撑；磁流变可控调节阵列由多个内部灌注磁流变液的磁流变可控支撑单元按照规律排列组成；柔性传感单元和磁流变可控调节阵列串联布置，形成“支撑界面信息自感知、随形贴合、刚度可调”的柔性可控支撑。本发明可对大型薄壁零件镜像加工过程支撑界面信息进行综合感知和刚度调节。

Description

一种基于接触界面力/位信息自感知的镜像加工支撑装置
技术领域
本发明属于薄壁件加工技术领域，特别涉及一种基于接触界面力/位信息自感知的镜像加工支撑装置。
背景技术
镜像加工是解决大型薄壁零件高效稳定加工难题的有效手段之一，已经被广泛应用于飞机蒙皮、火箭燃料贮箱等航空航天高端装备的加工之中。镜像加工系统中，刀具与支撑装置分列于工件两端，刀具在工件待加工表面进行加工，支撑装置在工件另一侧顶撑，两者同步跟随并时刻保持镜像关系。镜像稳定支撑可有效抵消刀具对工件的轴向顶撑作用，减少工件受力变形，提高系统刚度，抑制加工颤振。如何实现镜像稳定支撑是保证镜像加工稳定进行的关键。
为了保证镜像加工稳定支撑，国内外研究学者进行了大量探索和有益尝试。目前，主要支撑形式包括“单点支撑”、“平面支撑”和“多点支撑”等。“单点支撑”采用球头接触形式对工件进行滚动/滑动支撑，但因支撑面积小，可靠保证构件加工中的镜像随动支撑刚性非常困难，若施以更大的支撑力易产生明显的支撑划痕。“平面支撑”采用低硬度材料（如硬塑料等）平板“顶平”工件的形式提供滑动支撑，虽能获得比“单点支撑”更好一些的刀具邻域支撑刚度，但难以保证与复杂面形的完全贴合，随形能力较差。“多点支撑”采用气浮等驱动形式为工件提供多点支撑，可实现局部区域多点包络支撑，在一定程度上保证了镜像支撑的可靠性，但缺少必要的支撑界面信息感知能力，难以实现支撑的反馈控制。
面向大型薄壁件镜像加工过程，支撑刚度的动态调节和支撑界面信息的综合感知对实现镜像加工稳定支撑至关重要。大型薄壁件自身刚度随材料去除动态变化。镜像支撑刚度如不能与工件时变刚度动态匹配，易引起薄壁件加工振动，甚至造成工件损伤。支撑刚度动态调节依赖于支撑-工件接触界面力/位信息的感知。因此，镜像加工过程需要“支撑刚度可控调节、支撑界面信息自感知”的镜像支撑；通过对支撑界面力/位等信息的测量实现镜像支撑状态的综合感知，并通过支撑刚度动态调整与工件时变刚度动态匹配，保证镜像加工的稳定进行。
以柔性传感器、磁流变液为代表的智能材料技术迅猛发展，为实现镜像支撑-工件界面信息感知和支撑刚度动态调整提供了有益借鉴。利用高弹性硅橡胶材料的高弹性和磁流变液的可控固化特性，将压力、形变等柔性传感器与高弹性材料、磁流变液等一体化集成，形成“支撑界面信息自感知、随形贴合、刚度可调”的柔性可控支撑，是实现镜像加工稳定支撑的一条可行途径。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是针对大型薄壁件镜像加工过程难以保证稳定支撑的问题，发明了一种技术效果优良的基于接触界面力/位信息自感知的镜像加工支撑装置，能够实现镜像加工过程支撑界面力/位信息的综合感知和支撑刚度的可控调节。
本发明是通过以下技术方案实现的，
一种基于接触界面力/位信息自感知的镜像加工支撑装置，包括柔性传感单元和磁流变可控调节阵列；其中：柔性传感器由硅橡胶密封套包裹柔性压力传感器和柔性光纤传感器，实现对支撑界面力/位信息的综合感知，并对大型薄壁构件复杂面型提供随形支撑；磁流变可控调节阵列由多个内部灌注磁流变液的磁流变可控支撑单元按照规律排列组成；柔性传感单元和磁流变可控调节阵列串联布置，形成“支撑界面信息自感知、随形贴合、刚度可调”的柔性可控支撑。
所述的柔性传感单元，包括硅橡胶密封套、柔性压力传感器、柔性光纤传感器和硅橡胶基体；其中，采用3D打印工艺，对硅橡胶材料分层打印，形成硅橡胶密封套；柔性压力传感器位于硅橡胶密封套的中间，其信号线通过中间引出；柔性光纤传感器分别均匀布置于硅橡胶密封套上方和螺旋布置于硅橡胶密封套圆周方向，其信号线通过圆周方向引出；硅橡胶基体填充于硅橡胶密封套内部，实现对工件的柔性支撑。
所述的磁流变可控调节阵列，包括基座、转接环、磁流变可控支撑单元和外保护壳体。其中，基座通过后端法兰与镜像加工装备连接；磁流变可控支撑单元通过后端外螺纹穿过转接环，并连接在基座上；七个磁流变可控支撑单元在转接环平面上均匀布置，形成可控调节阵列；外保护壳体通过内螺纹与转接环外螺纹连接，对磁流变可控支撑单元进行保护。
所述的磁流变可控支撑单元，包括磁流变液壳体、永磁铁、磁流变液和密封端盖；其中，磁流变液壳体内置永磁铁，永磁铁内填充磁流变液，并利用密封端盖进行密封。
本发明安装在镜像加工装备上。薄壁件镜像加工过程中，通过预先标定，镜像加工支撑装置中心与加工刀具中心关于工件对称，呈镜像运动关系。镜像加工装备控制系统根据规划的支撑轨迹和加工轨迹，带动支撑装置和加工刀具进行运动。运动过程中，利用柔性传感单元内置的柔性压力传感器对支撑装置与工件之间的接触力进行测量，利用柔性传感单元内置的柔性光纤传感器对随形接触界面的廓形特征进行测量，从而实现对支撑界面力/位信息的综合感知。根据接触力测量信息和廓形特征计算磁流变可控调节阵列的接触刚度，根据磁流变可控调节阵列的接触刚度调节各个磁流变可控支撑单元的电流，实现对支撑刚度的调节。
本发明的有益效果：本发明可对大型薄壁零件镜像加工过程支撑界面信息进行综合感知和刚度调节。本发明利用硅橡胶材料的高弹性，将柔性压力传感器和柔性光纤传感器集成，可以实现对复杂型面的随形支撑，并实现对支撑界面力/位信息的综合感知，测量准确度高，实时性好；本发明利用磁流变液的可控固化特性，根据支撑界面力/位信息计算支撑刚度，并通过调节电流实现对支撑刚度的可控调节，使得工件在加工点处时刻保持近恒刚度支撑，工件-支撑系统刚性好，加工过程稳定，加工精度与表面质量高，具有很高的技术价值。
附图说明
图1为镜像加工支撑装置图；
图2为柔性传感单元图；
图3为磁流变可控调节阵列图；
图4为磁流变可控支撑单元图；
图中：I柔性传感单元；II磁流变可控调节阵列；1.1硅橡胶密封套；1.2柔性压力传感器；1.3柔性光纤传感器；1.4硅橡胶基体；2.1基座；2.2转接环；2.3磁流变可控支撑单元；2.4外保护壳体；2.5磁流变液壳体；2.6永磁铁；2.7磁流变液；2.8密封端盖。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1至图4所示，本实施例包括：一种基于接触界面力/位信息自感知的镜像加工支撑装置，包括柔性传感单元I和磁流变可控调节阵列II；其中：柔性传感器I由硅橡胶密封套1.1包裹柔性压力传感器1.2和柔性光纤传感器1.3，实现对支撑界面力/位信息的综合感知，并对大型薄壁构件复杂面型提供随形支撑；磁流变可控调节阵列II由多个内部灌注磁流变液2.7的磁流变可控支撑单元2.3按照规律排列组成；柔性传感单元I和磁流变可控调节阵列II串联布置，形成“支撑界面信息自感知、随形贴合、刚度可调”的柔性可控支撑。
所述的柔性传感单元I，包括：硅橡胶密封套1.1、柔性压力传感器1.2、柔性光纤传感器1.3和硅橡胶基体1.4。其中，采用3D打印工艺，对硅橡胶材料分层打印，形成硅橡胶密封套1.1；柔性压力传感器1.2位于硅橡胶密封套1.1的中间，其信号线通过中间引出；柔性光纤传感器1.3分别均匀布置于硅橡胶保护套1.1上方和螺旋布置于硅橡胶保护套1.1圆周方向，其信号线通过圆周方向引出；硅橡胶基体1.4填充于硅橡胶保护套1.1内部，实现对工件的柔性支撑。
所述的磁流变可控调节阵列II，包括：基座2.1、转接环2.2、磁流变可控支撑单元2.3和外保护壳体2.4。其中，基座2.1通过后端法兰与镜像加工装备连接；磁流变可控支撑单元2.3通过后端外螺纹穿过转接环2.2，并连接在基座2.1上；七个磁流变可控支撑单元2.3在转接环2.2平面上均匀布置，形成可控调节阵列；外保护壳体2.4通过内螺纹与转接环2.2外螺纹连接，对磁流变可控支撑单元2.3进行保护。
所述的磁流变可控支撑单元2.3，包括：磁流变液壳体2.5、永磁铁2.6、磁流变液2.7和密封端盖2.8。其中，磁流变液壳体2.5内置永磁铁2.6和磁流变液2.7，并利用密封端盖2.8进行密封。

Claims (1)

1.一种基于接触界面力/位信息自感知的镜像加工支撑装置，其特征在于，该基于接触界面力/位信息自感知的镜像加工支撑装置包括柔性传感单元和磁流变可控调节阵列；其中：柔性传感器由硅橡胶密封套包裹柔性压力传感器和柔性光纤传感器，实现对支撑界面力/位信息的综合感知，并对大型薄壁构件复杂面型提供随形支撑；磁流变可控调节阵列由多个内部灌注磁流变液的磁流变可控支撑单元按照规律排列组成；柔性传感单元和磁流变可控调节阵列串联布置，形成“支撑界面信息自感知、随形贴合、刚度可调”的柔性可控支撑；
所述的柔性传感单元，包括硅橡胶密封套、柔性压力传感器、柔性光纤传感器和硅橡胶基体；其中，采用3D打印工艺，对硅橡胶材料分层打印，形成硅橡胶密封套；柔性压力传感器位于硅橡胶密封套的中间，其信号线通过中间引出；柔性光纤传感器分别均匀布置于硅橡胶密封套上方和螺旋布置于硅橡胶密封套圆周方向，其信号线通过圆周方向引出；硅橡胶基体填充于硅橡胶密封套内部，实现对工件的柔性支撑；
所述的磁流变可控调节阵列，包括基座、转接环、磁流变可控支撑单元和外保护壳体；其中，基座通过后端法兰与镜像加工装备连接；磁流变可控支撑单元通过后端外螺纹穿过转接环，并连接在基座上；七个磁流变可控支撑单元在转接环平面上均匀布置，形成可控调节阵列；外保护壳体通过内螺纹与转接环外螺纹连接，对磁流变可控支撑单元进行保护；
所述的磁流变可控支撑单元，包括磁流变液壳体、永磁铁、磁流变液和密封端盖；其中，磁流变液壳体内置永磁铁，永磁铁内填充磁流变液，并利用密封端盖进行密封。
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