CN114102276A - 一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法 - Google Patents

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韩金国
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Abstract

本发明公开一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，属于复杂曲面精密加工领域。所述装置包括工业机器人、六维力传感器、连接夹紧装置、电主轴、数控刀柄、防弹衣式柔性磨具、二维超声振动装置、三维精密工作台和工作台基座；电主轴通过数控刀柄连接固定防弹衣式柔性磨具，并且通过连接夹紧装置和六维力传感器相连，六维力传感器固定在工业机器人末端，二维超声振动装置固定在三维精密工作台上。磨削过程中，待加工复杂曲面零部件固定在二维超声振动装置上，耦合出相应振动轨迹，工业机器人多位姿控制防弹衣式柔性磨具，利用六维力传感器实现恒力磨削，高效、高质量完成待加工复杂曲面零部件的高剪低压磨削。

Description

一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法
技术领域
本发明涉及复杂曲面磨削技术，特别提供了一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，属于复杂曲面精密加工领域。
背景技术
随着航空航天、高速列车、风电叶片等高新技术的快速发展，其复杂曲面零部件的高效、高质量加工对磨削行业提出了更高的要求，传统磨削加工方式多通过磨床和硬质砂轮完成，但磨床加工范围小、柔性低，硬质砂轮作为一种固结磨具，硬度较高，并不适用于复杂曲面零部件的高效、高精密加工，因此，通过工业机器人控制柔性磨具的方式进行复杂曲面磨削加工将会是一个重要的发展趋势，由此开发一种面向复杂曲面的超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明提供一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，工业机器人具有多个自由度且末端安装六维力传感器，可实时监测防弹衣式柔性磨具末端受力状况，当实际受力较大时，机器人控制中心可调节各关节输出载荷，实现防弹衣式柔性磨具的恒力加工，防弹衣式柔性磨具通过数控刀柄固定在电主轴末端，对复杂曲面具有高适应性，磨料层主要组织成分为纳米级磨粒和一定质量分数的非牛顿流体，当旋转的防弹衣式柔性磨具和待加工复杂曲面零部件接触时，磨料层内磨粒随非牛顿流体出现“集群效应”，形成大的“粒子簇”抵抗复杂曲面微凸峰的方向阻力，宏观上，切向磨削力和法向磨削力的比值得到提高，通过“高剪低压”方式完成磨削加工，二维超声振动平台固定在三维精密工作台上，依据复杂曲面具体情况，第一超声振动机构与第二超声振动机构之间的夹角可进行调整，耦合多种不同振动轨迹，提高复杂曲面零部件的磨削加工质量。
本发明提供一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，所提供的技术方案如下：
1、所述的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，包括工业机器人、六维力传感器、连接夹紧装置、电主轴、数控刀柄、防弹衣式柔性磨具、二维超声振动装置、三维精密工作台和工作台基座，所述防弹衣式柔性磨具包括上基体、卡箍、柔性下基体和磨料层，所述二维超声振动装置包括第一超声振动机构、振动台、滚珠、环形滑槽、立柱、第二超声振动机构、承载板，所述第一超声振动机构包括连接件1、第一前基座、第一后基座、第一超声发生装置、第一基板、连接件2、弹簧1，所述第二超声振动机构包括弹簧2、连接件3、连接件4、第二基板、第二超声发生装置、第二前基座、第二后基座，所述电主轴通过数控刀柄连接固定防弹衣式柔性磨具，并且通过连接夹紧装置和六维力传感器相连，所述六维力传感器固定在工业机器人末端，所述二维超声振动装置固定在三维精密工作台上；所述防弹衣式柔性磨具包括上基体、卡箍、柔性下基体和磨料层，所述柔性下基体的结构为球型和冠型两种，对复杂曲面具有高适应性，所述上基体和柔性下基体通过高粘合剂进行粘结，并且上基体和柔性下基体的中轴线位于同一条直线上，所述磨料层包裹在柔性下基体的外部，并通过卡箍进行夹紧和固定，所述磨料层主要组成成分为纳米级磨粒和一定质量分数的非牛顿流体，当旋转的防弹衣式柔性磨具对复杂曲面零部件进行磨削时，磨料层工作区域磨粒会产生集群效应“集群效应”，实现待加工复杂曲面零部件的高剪低压磨削；所述第一超声振动机构包括连接件1、第一前基座、第一后基座、第一超声发生装置、第一基板、连接件2、弹簧1，所述第二超声振动机构包括弹簧2、连接件3、连接件4、第二基板、第二超声发生装置、第二前基座、第二后基座，所述第一超声发生装置和第二超声发生装置结构和尺寸相同，均采用夹心式压电陶瓷换能器，所述第一前基座和第二前基座、第一后基座和第二后基座结构和尺寸相同，所述第一超声发生装置的位移节面位于第一后基座的柱形槽内，通过第一前基座与第一后基座的螺钉连接进行固定，并固定在第一基板上，第一超声发生装置通过连接件1和振动台刚性连接，连接件1的一端处于振动台的凹槽内，且在第一超声发生装置的轴线方向上与振动紧密接触，振动台另一侧通过连接件2、弹簧1和第一基板相连，连接件2同振动台的具体连接方式和连接件1相同，所述第二超声发生装置，第二前基座、第二后基座、第二基板、弹簧2、连接件3、连接件4的具体连接方式与上述相同；所述工件固定在振动台上，振动台处于环形滑槽内的滚珠之上，可实现工作平面内多方向振动，且有效减少摩擦阻力，所述环形滑槽固定于承载板的立柱上，且与第一超声振动机构和第二超声振动机构均不接触，所述第一超声振动机构、第二超声振动机构可绕承载板的立柱进行转动，第一超声振动机构与第二超声振动机构之间的夹角范围为0-180度，根据复杂曲面具体情况，第一超声振动机构与第二超声振动机构之间的夹角可进行调整，耦合多种不同振动轨迹；
2、所述的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，可以通过以下步骤实现：
（1）将待加工复杂曲面零部件固定在振动台（3-2）上，依据复杂曲面具体情况，将第一超声振动机构（3-1）和第二超声振动机构（3-6）进行具体角度固定；
（2）将二维超声振动装置（1-7）固定在三维精密工作台（1-8）上，通过移动三维精密工作台（1-8）将待加工复杂曲面零部件移至磨削区域；
（3）将电主轴（1-4）通过连接夹持装置（1-3）和六维力传感器（1-2）相连，六维力传感器（1-2）固定在工业机器人（1-1）末端，并将防弹衣式柔性磨具（1-6）通过数控刀柄（1-5）固定到电主轴（1-4）末端；
（4）电主轴（1-4）接收信号，防弹衣式柔性磨具（1-6）开始旋转，调节六轴工业机器人（1-1）位姿，使防弹衣式柔性磨具（1-6）末端处于待加工复杂曲面零部件正上方，完成对刀；
（5）对二维超声振动装置（1-7）进行供电，第一超声发生装置（4-4）和第二超声发生装置（4-12）产生高频振动，待加工复杂曲面零部件耦合出相应轨迹；
（6）在磨削过程中，工业机器人（1-1）具有6个自由度，保证防弹衣式柔性磨具（1-6）在大范围工作空间内多位姿工作，六维力传感器（1-2）实时采集防弹衣式柔性磨具（1-6）末端力信号，机器人控制中心依据力信号大小，确保防弹衣式柔性磨具（1-6）末端的恒力加工，完成待加工复杂曲面零部件的高效、高精密磨削。
本发明具有以下明显效果：1、工业机器人具有多个自由度，可满足防弹衣式柔性磨具的多位姿调整，更好的加工复杂曲面零部件，且工业机器人末端安装六维力传感器，可实时监测防弹衣式柔性磨具末端受力状况，实现防弹衣式柔性磨具的恒力加工；2、防弹衣式柔性磨具固定在电主轴末端，对复杂曲面具有高适应性，磨料层主要组织成分为纳米级磨粒和一定质量分数的非牛顿流体，磨削过程中，磨粒随非牛顿流体出现“集群效应”，提高切向磨削力和法向磨削力的比值，通过“高剪低压”方式完成磨削加工；3、二维超声振动平台固定在三维精密工作台上，依据复杂曲面具体情况，第一超声振动机构与第二超声振动机构之间的夹角可进行调整，耦合多种不同振动轨迹，提高复杂曲面零部件的磨削加工质量。
附图说明
图1是本发明的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法的整体结构示意图。
图2是本发明的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法的防弹衣式柔性磨具结构示意图。
图3是本发明的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法的二维超声振动装置结构示意图。
图4是本发明的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法的二维超声振动装置俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1进行详细说明，所述系统包括工业机器人（1-1）、六维力传感器（1-2）、连接夹紧装置（1-3）、电主轴（1-4）、数控刀柄（1-5）、防弹衣式柔性磨具（1-6）、二维超声振动装置（1-7）、三维精密工作台（1-8）和工作台基座（1-9）；所述电主轴（1-4）通过数控刀柄（1-5）连接固定防弹衣式柔性磨具（1-6），并且通过连接夹紧装置（1-3）和六维力传感器（1-2）相连，所述六维力传感器（1-2）固定在工业机器人（1-1）末端，所述二维超声振动装置（1-7）固定在三维精密工作台（1-8）上。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式所述的工业机器人（1-1）具有六个自由度，可满足防弹衣式柔性磨具的多位姿调整，工业机器人可选用ABB IRB4600-60/2.05机器人，其有效载荷60kg，最大工作范围2050 mm。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式所述的六维力传感器（1-2）具有较好的谐振频率与较高的刚度，六维力传感器可实时监测防弹衣式柔性磨具末端受力状况，当实际受力较大时，机器人控制中心可调节各关节输出载荷，实现防弹衣式柔性磨具（1-6）的恒力加工，六维力传感器可选用ATI Delta SI-660-60。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式所述的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，其特征在于：所述防弹衣式柔性磨具包括上基体（2-1）、卡箍（2-2）、柔性下基体（2-3）和磨料层（2-4），所述柔性下基体（2-3）的结构为球型和冠型两种，对复杂曲面具有高适应性，柔性下基体选用超弹性材料橡胶，邵氏硬度值55左右，所述上基体（2-1）和柔性下基体（2-3）通过高粘合剂进行粘结，并且上基体（2-1）和柔性下基体（2-3）的中轴线位于同一条直线上，上基体选用质量轻、强度高和耐腐蚀的7075铝合金，所述磨料层（2-4）包裹在柔性下基体（2-3）的外部，并通过卡箍（2-2）进行夹紧和固定，所述磨料层（2-4）主要组织成分为纳米级磨粒和一定质量分数的非牛顿流体，当旋转的防弹衣式柔性磨具对工件进行磨削时，磨料层（2-4）工作区域磨粒会产生“集群效应”，实现待加工复杂曲面零部件的高剪低压磨削。
具体实施方式五：结合图1、图3和图4说明本实施方式所述的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，其特征在于：所述二维超声振动装置（1-7）包括第一超声振动机构（3-1）、振动台（3-2）、滚珠（3-3）、环形滑槽（3-4）、立柱（3-5）、第二超声振动机构（3-6）、承载板（3-7），所述第一超声振动机构（3-1）包括连接件1（4-1）、第一前基座（4-2）、第一后基座（4-3）、第一超声发生装置（4-4）、第一基板（4-5）、连接件2（4-8）、弹簧1（4-9），所述第二超声振动机构（3-6）包括弹簧2（4-6）、连接件3（4-7）、连接件4（4-10）、第二基板（4-11）、第二超声发生装置（4-12）、第二前基座（4-13）、第二后基座（4-14），所述第一超声发生装置（4-4）和第二超声发生装置（4-12）结构和尺寸相同，均采用夹心式压电陶瓷换能器，所述第一前基座（4-2）和第二前基座（4-13）、第一后基座（4-3）和第二后基座（4-14）结构和尺寸相同，所述第一超声发生装置（4-4）的位移节面位于第一后基座（4-3）的柱形槽内，通过第一前基座（4-2）与第一后基座（4-3）的螺钉连接进行固定，并固定在第一基板（4-5）上，第一超声发生装置（4-4）通过连接件1（4-1）和振动台（3-2）相连，连接件1（4-1）的一端处于振动台的凹槽内，且在第一超声发生装置（4-4）的轴线方向上与振动台（3-2）紧密接触，振动台（3-2）的另一侧通过连接件2（4-8）、弹簧1（4-9）和第一基板（4-5）相连，连接件2（4-8）同振动台（3-2）的具体连接方式和连接件1（4-1）相同，所述第二超声发生装置（4-12），第二前基座（4-13）、第二后基座（4-14）、第二基板（4-11）、弹簧2（4-6）、连接件3（4-7）、连接件4（4-10）的具体连接方式与上述相同。
具体实施方式六：结合图1、图3和图4说明本实施方式所述的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，其特征在于：所述工件固定在振动台（3-2）上，振动台（3-2）处于环形滑槽（3-4）内的滚珠（3-3）之上，可完成工作平面内多方向振动，且有效减少摩擦阻力，所述环形滑槽（3-4）固定于承载板（3-7）的立柱（3-5）上，所述第一超声振动机构（3-1）、第二超声振动机构（3-6）可绕承载板（3-7）的立柱（3-5）进行转动，第一超声振动机构（3-1）与第二超声振动机构（3-6）之间的夹角范围为0-180度，根据复杂曲面具体情况，第一超声振动机构（3-1）与第二超声振动机构（3-6）之间的夹角可进行调整，耦合多种不同振动轨迹。
具体实施方式七：结合图1、图2、图3和图4说明，本实施方式利用具体实施方式一、二、三、四、五、六或七中任意一个具体实施方式，所述系统进行磨削步骤如下：
（1）将待加工复杂曲面零部件固定在振动台（3-2）上，依据复杂曲面具体情况，将第一超声振动机构（3-1）和第二超声振动机构（3-6）进行具体角度固定；
（2）将二维超声振动装置（1-7）固定在三维精密工作台（1-8）上，通过移动三维精密工作台（1-8）将待加工复杂曲面零部件移至磨削区域；
（3）将电主轴（1-4）通过连接夹持装置（1-3）和六维力传感器（1-2）相连，六维力传感器（1-2）固定在工业机器人（1-1）末端，并将防弹衣式柔性磨具（1-6）通过数控刀柄（1-5）固定到电主轴（1-4）末端；
（4）电主轴（1-4）接收信号，防弹衣式柔性磨具（1-6）开始旋转，调节六轴工业机器人（1-1）位姿，使防弹衣式柔性磨具（1-6）末端处于待加工复杂曲面零部件正上方，完成对刀；
（5）对二维超声振动装置（1-7）进行供电，第一超声发生装置（4-4）和第二超声发生装置（4-12）产生高频振动，待加工复杂曲面零部件耦合出相应轨迹；
（6）在磨削过程中，工业机器人（1-1）具有6个自由度，保证防弹衣式柔性磨具（1-6）在大范围工作空间内多位姿工作，六维力传感器（1-2）实时采集防弹衣式柔性磨具（1-6）末端力信号，机器人控制中心依据力信号大小，确保防弹衣式柔性磨具（1-6）末端的恒力加工，完成待加工复杂曲面零部件的高效、高精密磨削。

Claims (2)

1.一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，其特征在于，超声辅助加工高剪低压磨削装置，包括工业机器人（1-1）、六维力传感器（1-2）、连接夹紧装置（1-3）、电主轴（1-4）、数控刀柄（1-5）、防弹衣式柔性磨具（1-6）、二维超声振动装置（1-7）、三维精密工作台（1-8）和工作台基座（1-9）；所述防弹衣式柔性磨具（1-6）包括上基体（2-1）、卡箍（2-2）、柔性下基体（2-3）和磨料层（2-4），所述二维超声振动装置（1-7）包括第一超声振动机构（3-1）、振动台（3-2）、滚珠（3-3）、环形滑槽（3-4）、立柱（3-5）、第二超声振动机构（3-6）、承载板（3-7），所述第一超声振动机构（3-1）包括连接件1（4-1）、第一前基座（4-2）、第一后基座（4-3）、第一超声发生装置（4-4）、第一基板（4-5）、连接件2（4-8）、弹簧1（4-9），所述第二超声振动机构（3-6）包括弹簧2（4-6）、连接件3（4-7）、连接件4（4-10）、第二基板（4-11）、第二超声发生装置（4-12）、第二前基座（4-13）、第二后基座（4-14）；所述电主轴（1-4）通过数控刀柄（1-5）连接固定防弹衣式柔性磨具（1-6），并且通过连接夹紧装置（1-3）和六维力传感器（1-2）相连，所述六维力传感器（1-2）固定在工业机器人（1-1）末端，所述二维超声振动装置（1-7）固定在三维精密工作台（1-8）上；所述防弹衣式柔性磨具（1-6）包括上基体（2-1）、卡箍（2-2）、柔性下基体（2-3）和磨料层（2-4），所述柔性下基体（2-3）的结构为球型和冠型两种，对复杂曲面具有高适应性，所述上基体（2-1）和柔性下基体（2-3）通过高粘合剂进行粘结，并且上基体（2-1）和柔性下基体（2-3）的中轴线位于同一条直线上，所述磨料层（2-4）包裹在柔性下基体（2-3）的外部，并通过卡箍（2-2）进行夹紧和固定，磨料层（2-4）主要组成成分为纳米级磨粒和一定质量分数的非牛顿流体，当旋转的防弹衣式柔性磨具（1-6）对复杂曲面零部件进行磨削时，磨料层（2-4）工作区域磨粒会产生“集群效应”，实现待加工复杂曲面零部件的高剪低压磨削；所述第一超声振动机构（3-1）包括连接件1（4-1）、第一前基座（4-2）、第一后基座（4-3）、第一超声发生装置（4-4）、第一基板（4-5）、连接件2（4-8）、弹簧1（4-9），所述第二超声振动机构（3-6）包括弹簧2（4-6）、连接件3（4-7）、连接件4（4-10）、第二基板（4-11）、第二超声发生装置（4-12）、第二前基座（4-13）、第二后基座（4-14），所述第一超声发生装置（4-4）和第二超声发生装置（4-12）结构和尺寸相同，均采用夹心式压电陶瓷换能器，所述第一前基座（4-2）和第二前基座（4-13）、第一后基座（4-3）和第二后基座（4-14）结构和尺寸相同，所述第一超声发生装置（4-4）的位移节面位于第一后基座（4-3）的柱形槽内，通过第一前基座（4-2）与第一后基座（4-3）的螺钉连接进行固定，并固定在第一基板（4-5）上，第一超声发生装置（4-4）通过连接件1（4-1）和振动台（3-2）刚性连接，连接件1（4-1）的一端处于振动台（3-2）的凹槽内，且在第一超声发生装置（4-4）的轴线方向上与振动台（3-2）紧密接触，振动台（3-2）的另一侧通过连接件2（4-8）、弹簧1（4-9）和第一基板（4-5）相连，连接件2（4-8）同振动台（3-2）的具体连接方式和连接件1（4-1）相同，所述第二超声发生装置（4-12），第二前基座（4-13）、第二后基座（4-14）、第二基板（4-11）、弹簧2（4-6）、连接件3（4-7）、连接件4（4-10）的具体连接方式与上述相同；所述工件固定在振动台（3-2）上，振动台（3-2）处于环形滑槽（3-4）内的滚珠（3-3）之上，可实现工作平面内多方向振动，且有效减少摩擦阻力，所述环形滑槽（3-4）固定于承载板（3-7）的立柱（3-5）上，且与第一超声振动机构（3-1）和第二超声振动机构（3-6）均不接触，所述第一超声振动机构（3-1）、第二超声振动机构（3-6）可绕承载板（3-7）的立柱（3-5）进行转动，第一超声振动机构（3-1）与第二超声振动机构（3-6）之间的夹角范围为0-180度，根据复杂曲面零部件具体情况，第一超声振动机构（3-1）与第二超声振动机构（3-6）之间的夹角可进行调整，耦合多种不同振动轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助加工高剪低压磨削装置及方法，其特征在于，所述加工方法主要包括如下步骤：
（1）将待加工复杂曲面零部件固定在振动台（3-2）上，依据复杂曲面具体情况，将第一超声振动机构（3-1）和第二超声振动机构（3-6）进行具体角度固定；
（2）将二维超声振动装置（1-7）固定在三维精密工作台（1-8）上，通过移动三维精密工作台（1-8）将待加工复杂曲面零部件移至磨削区域；
（3）将电主轴（1-4）通过连接夹持装置（1-3）和六维力传感器（1-2）相连，六维力传感器（1-2）固定在工业机器人（1-1）末端，并将防弹衣式柔性磨具（1-6）通过数控刀柄（1-5）固定到电主轴（1-4）末端；
（4）电主轴（1-4）接收信号，防弹衣式柔性磨具（1-6）开始旋转，调节六轴工业机器人（1-1）位姿，使防弹衣式柔性磨具（1-6）末端处于待加工复杂曲面零部件正上方，完成对刀；
（5）对二维超声振动装置（1-7）进行供电，第一超声发生装置（4-4）和第二超声发生装置（4-12）产生高频振动，待加工复杂曲面零部件耦合出相应轨迹；
（6）在磨削过程中，工业机器人（1-1）具有6个自由度，保证防弹衣式柔性磨具（1-6）在大范围工作空间内多位姿工作，六维力传感器（1-2）实时采集防弹衣式柔性磨具（1-6）末端力信号，机器人控制中心依据力信号大小，确保防弹衣式柔性磨具（1-6）末端的恒力加工，完成待加工复杂曲面零部件的高效、高精密磨削。
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