CN115673869B - 一种具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具及夹紧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具及夹紧方法。本发明包括底板、侧面挡板、支撑单元、辅助夹紧装置、位移测量装置、管径位移测量装置和控制系统，侧面挡板在接收到控制系统的控制信号后靠近或远离相邻的阵列复材管，支撑单元安装于侧面挡板上，用于对非连续工件侧面进行支撑，辅助夹紧装置安装于与待测复材管相邻的完整复材管内壁中，控制系统与位移测量装置、管径变化测量装置、真空吸头的薄膜压力传感器以及侧面挡板的移动装置相连，通过对复材管变形量的监测，控制以预设预紧力对复材管的装夹。本发明将预紧力与夹紧变形量相关联，有效表征了阵列复材管装夹程度，有利于提升夹层结构产品合格率，降低返修率。

Description

一种具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具及夹紧方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具及夹紧方法。

背景技术

阵列复材管是一种蜂窝结构，由单个复合材料管二维密排制成，如附图2所示。阵列复材管具有低密度、高轴向刚度、良好的热稳定性、抗冲击性和耐腐蚀等优点，可应用于航空航天、交通汽车等领域。在服役过程中，阵列复材管作为夹层与上下蒙皮胶接装配形成“三明治”结构，同时其刚度较强，无法通过弯折与蒙皮贴合，需机械加工其正反两面获得所需的尺寸和精度。然而阵列复材管夹层面内刚度远低于法向刚度，在加工表面时，阵列复材管夹层容易受到水平切削力而产生加工变形，给高精度制造带来了难题，因此需要制定阵列复材管夹层侧面装夹方案以保证加工精度。但在对侧面进行夹紧时，若所施加预紧力较大，易使得整体结构产生装夹变形，且变形量大小难以控制，若预紧力较小，则可能无法达到夹紧的效果。同时，当加工到边界时，如若切削力和夹紧力的合力向外，仍会造成阵列复材管装夹变形。因此，如何有效控制夹紧力大小是阵列复材管夹层侧面可靠装夹的关键。除此之外，由于阵列复材管工件是通过非连续的侧面包络出的边界，因此侧面边界上的复材管多不是完整的，且缺少的弧长通常各有不同，如何对此非连续的边界进行夹紧也是难点。专利CN202023179399.4提出一种具有自动夹紧功能的组合机床加工用工装夹具，其采用横向夹持条对工件进行夹紧，但其难以对装夹变形大小进行有效评价与表征。专利CN201710310198.7提出力反馈式圆筒形薄壁构件加工支撑装置，采用装夹单元对工件进行夹紧，并通过传感器对力进行反馈，但其缺乏对非连续体侧面的装夹方式。

发明内容

为解决阵列复材管侧面装夹问题，本发明提出一种具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具及夹紧方法，本发明将预紧力与夹紧变形量相关联，有效表征了阵列复材管装夹程度。采用支撑单元布置在侧面挡板上，辅助夹紧装置布置在与边界复材管相邻的完整复材管内部，对具有非连续侧边的阵列复材管夹层进行有效夹紧。整体方案具有闭环反馈功能，在阵列复材管侧面装夹过程中可实时监测夹紧变形量，有利于提升夹层结构产品合格率，降低返修率，具有显著的经济效益。同时该方法可推广至具有侧面装夹需求的蜂窝构件加工，有利于提升行业整体的加工水平。本发明采用的技术手段如下：

一种具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，包括底板、侧面挡板、支撑单元、辅助夹紧装置、位移测量装置、管径变化测量装置和控制系统，阵列复材管毛坯安装在底板上，所述侧面挡板可移动地连接在所述底板表面，所述侧面挡板为若干个，分别设置在底板的外围，各侧面挡板在接收到控制系统的控制信号后靠近或远离相邻的阵列复材管，所述支撑单元为若干个，用于对非连续侧面进行支撑，所述辅助夹紧装置的底部安装在所述底板上，辅助夹紧装置安装于与待测复材管相邻的完整复材管内壁中，其用于对与待测复材管相邻的完整复材管进行内壁胀紧，所述位移测量装置用于测量侧面挡板移动过程中阵列复材管边界沿移动方向的位移量，所述管径变化测量装置用于测量侧面挡板移动过程中待测量的阵列复材管单元管径的变化量，所述支撑单元上设有薄膜压力传感器，其用于监测支撑单元与阵列复材管的接触状态，还设有环形压力传感器，其用于监测阵列复材管边界夹紧过程中支撑单元提供的压力大小，所述控制系统与所述位移测量装置、管径变化测量装置、环形压力传感器、薄膜压力传感器以及侧面挡板的移动装置相连，通过对复材管变形量的监测，控制以预设预紧力对复材管的装夹。

进一步地，所述底板表面设置有导轨，用以与侧面挡板连接，且配合后水平方向存在间隙，允许侧边挡板在一定范围内绕Z轴摆动，以更好的适应不规整毛坯件的边界情况，防止因为毛坯边界局部单元突出而造成的装夹变形。

进一步的，所述侧面挡板上开有槽，支撑单元可在槽内移动，便于准确对复材管非连续侧面进行支撑。

进一步地，所述侧面挡板的移动装置包括电机、齿轮传动机构和螺旋机构，每个侧面挡板前均设置有两个螺旋机构，一个电机通过齿轮传动机构同时带动两个螺旋机构，用以推动侧面挡板左右两边同时进行夹紧运动。

进一步地，所述的底板四周分别设置有龙门横梁，横梁框内用于安装位移测量装置，横梁上设置柔性支撑杆，用于夹持管径变化测量装置，同时柔性支撑杆允许管径变化测量装置测量多个阵列复材管单元。

进一步地，所述的位移测量装置为线激光测量仪，其测量精度不低于0.01mm。

进一步地，所述的管径变化测量装置为异形折弯测头千分表，其测量精度不低于0.01mm。

进一步地，所述支撑单元由支撑杆、环形压力传感器和真空吸头组成，安装在所述侧面挡板上，所述的真空吸头表面为弧面，以更好的与复材管侧面接触；所述的支撑杆有不同的长度规格，以用于不同位置的非连续侧面支撑单元。

进一步地，所述的侧面挡板与底板的连接面粗糙度不高于Ra 3.2，侧面挡板的高度小于加工后阵列复材管夹层构件的最小剩余高度，其面型与工件侧面面型相配合。

进一步地，所述的辅助夹紧装置与阵列复材管夹层构件单元尺寸大小相同，高度小于加工后阵列复材管夹层构件的最小剩余高度，且其具有浮动功能，夹紧后不会对工件造成装夹应力。

本发明还公开了上述具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具的夹紧方法，具体包括如下步骤：

步骤1、按加工定位要求，将阵列复材管毛坯安装在底板上，按阵列复材管非连续边界位置，将支撑单元安装于侧面挡板上；

步骤2、在与边界复材管相邻的阵列内部的复材管内放置辅助夹紧装置，并完成辅助夹紧操作；

步骤3、根据工件夹紧需求，设置变形量阈值，通过控制系统控制电机推动侧面挡板运动，当真空吸头表面薄膜压力传感器输出信号时，侧面挡板上的支撑单元与工件侧面恰好接触，此时控制位移测量装置和管径变化测量装置开始工作，对复材管变形量进行计算，继续推动侧面挡板，当位移测量装置和管径变化测量装置其中至少一个所测数值达到阈值时，控制系统控制电机停止运行；

步骤4：重复步骤3对其余面进行夹紧。

进一步地，所述步骤4中，通过控制系统对各侧面挡板进行微调，使得相对应的位移测量装置输出均值达到阈值，完成阵列复材管的装夹。

本发明提出一种具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具及夹紧方法，整体方案具有闭环反馈功能，在阵列复材管侧面装夹过程中可实时监测夹紧变形量，采用支撑单元“既撑又吸”的方案，使阵列复材管的非连续侧面支撑更稳定，通过控制系统对装夹过程进行操作，有效的解决了此类阵列复材管夹层构件侧面装夹的问题，有利于提升夹层结构产品合格率，降低返修率，具有显著的经济效益，同时可根据加工需要对侧边挡板进行设计，以适应不同侧面形状的工件，可抑制侧边单元脱落问题，使用方便，取得了较好的质量效益与经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明阵列复材管夹层侧面装夹流程图。

图2为阵列复材管毛坯示意图。

图3为本发明阵列复材管夹层侧面装夹结构示意图。

图4为本发明阵列复材管夹层侧面装夹结构俯视图。

图5为本发明阵列复材管夹层侧面装夹结构局部示意图。

图6为本发明侧面挡板示意图。

图7为本发明支撑单元结构示意图。

图8为本发明真空吸头示意图。

图9为本发明辅助夹紧装置放置图。

图10为本发明控制系统功能模块示意图。

图中：1、底板，2、侧面挡板，3、位移测量装置，4、柔性支撑杆，5、侧面挡板的移动装置，6、管径变化测量装置，7、阵列复材管毛坯，8、辅助夹紧装置，9、支撑单元，10、支撑杆，11、环形压力传感器，12、真空吸头，13、复材管单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

如图3～5所示，本发明实施例公开了一种具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，包括底板1、侧面挡板2、支撑单元9、如图9所示的辅助夹紧装置8、位移测量装置3、管径变化测量装置6和控制系统，阵列复材管毛坯7安装在底板上，如图6所示的所述侧面挡板可移动地连接在所述底板表面，所述侧面挡板为若干个，分别设置在底板的外围，本实施例中，所述侧面挡板的数量为四个，分别设置在底板四周，各侧面挡板在接收到控制系统的控制信号后靠近或远离相邻的阵列复材管单元13，如图7所示的所述支撑单元为若干个，由支撑杆10、环形压力传感器11和真空吸头12组成，安装在所述侧面挡板上，用于对非连续侧面进行支撑，从图5可以看出，阵列复材管毛坯周边与侧面挡板相邻的管单元数量是不一样的，为了适应该案例中的毛坯形状，本实施例中，所述支撑单元的数量为十八个，即其中两面用4个支撑单元，两面用5个支撑单元。在实际加工中，可以依据毛坯实际情况增加或减少支撑单元数量。

所述辅助夹紧装置的底部安装在所述底板上，如图9所示，辅助夹紧装置安装于与待测复材管相邻的完整复材管内壁中，其用于对与待测复材管相邻的完整复材管进行内壁胀紧，用于阻止由侧面挡板和支撑单元施加的夹紧力引起的夹紧变形传递到阵列复材管内部，本实施例中，辅助夹紧装置安装于待测复材管单元以内的内圈复材管单元。所述位移测量装置用于测量侧面挡板移动过程中阵列复材管边界沿移动方向的位移量，本实施例中，所述的位移测量装置为十六个，以4×4的形式均布在四面，同一面的四个位移测量装置可以覆盖该面阵列复材管边界的位移，所述管径变化测量装置用于测量侧面挡板移动过程中待测量的阵列复材管单元管径的变化量，本实施例中，所述的管径变化测量装置为二十个，以4×5的形式均布在四面。所述的底板四周分别设置有龙门横梁，所述的位移测量装置带有与龙门横梁相连的底座，所述的位移测量装置测量精度不低于0.01mm，本实施例中，所述的位移测量装置为线激光测量仪。横梁上设置柔性支撑杆4，用于夹持管径变化测量装置，其测量精度不低于0.01mm，同时柔性支撑杆允许管径变化测量装置测量多个阵列复材管单元。所述的管径变化测量装置为异形折弯测头千分表，所述的管径变化测量装置带有与柔性支撑杆相连的底座。

如图8所示的所述真空吸头表面设有薄膜压力传感器，其用于监测支撑单元与阵列复材管非连续侧面的接触状态。所述控制系统与所述位移测量装置、管径变化测量装置、环形压力传感器、真空吸头表面的薄膜压力传感器以及侧面挡板的移动装置相连，所述环形传感器用于监测阵列复材管边界夹紧过程中支撑单元提供的压力大小，通过对复材管变形量的监测，控制以预设预紧力对复材管的装夹。如图10所示，所述的控制系统共有6个模块，分别为常用功能模块、电机运动控制模块、测量装置控制模块、变形量计算模块、状态显示模块、急停模块，联接了所述的电机、压力传感器、测量装置，电机运动控制模块可以同时控制单个或多个电机进行启停动作。

所述底板表面设置有导轨，用以与侧面挡板连接，且配合后水平方向存在间隙，允许侧边挡板在一定范围内绕Z轴摆动。

所述侧面挡板的移动装置5包括电机、齿轮传动机构和螺旋机构，每个侧面挡板前均设置有两个螺旋机构，一个电机通过齿轮传动机构同时带动两个螺旋机构，用以推动侧面挡板左右两边同时进行夹紧运动。本实施例中，所述的电机为四个，螺旋机构为八个。

支撑杆是与环形压力传感器和真空吸头三者组成了非连续侧面的支撑单元。所述的真空吸头表面为弧面，以更好的与复材管侧面接触。所述的支撑杆有不同的长度规格，以用于不同位置的非连续侧面支撑单元。本实施例中，所述的支撑杆规格四种。本实施例中，支撑杆上有法兰盘和螺纹，环形压力传感器中间为通孔，靠在法兰盘上，真空吸头与支撑杆通过螺纹联接将环形压力传感器锁在支撑杆上。支撑单元通过螺纹与侧面挡板联接。

所述的侧面挡板与底板的连接面粗糙度不高于Ra 3.2，侧面挡板的高度小于加工后阵列复材管夹层构件的最小剩余高度，其面型与工件侧面面型相配合，防止挡板过高干涉了刀具的加工过程。

所述的辅助夹紧装置与阵列复材管夹层构件单元尺寸大小相同，高度小于加工后阵列复材管夹层构件的最小剩余高度，且其具有浮动功能，夹紧后不会对工件造成装夹应力。

如图1所示，本发明还公开了上述具有变形反馈的阵列复材管侧向夹紧方法，具体包括如下步骤：

步骤1、按加工定位要求，将阵列复材管毛坯安装在底板上，按阵列复材管非连续边界位置，将支撑单元安装于侧面挡板上；

步骤2、在与边界复材管相邻的阵列内部的复材管内放置辅助夹紧装置，并完成辅助夹紧操作，具体地，所述辅助夹紧装置用于辅助夹紧，同时抵消侧面挡板的预紧力，隔绝由于预紧力而产生的装夹变形从工件边界向中心传递；

步骤3、根据工件夹紧需求，设置变形量阈值，通过控制系统控制电机推动侧面挡板运动，当真空吸头表面薄膜压力传感器输出信号时，侧面挡板上的支撑单元与工件侧面恰好接触，此时控制位移测量装置和管径变化测量装置开始工作，对复材管变形量进行计算，继续推动侧面挡板，当位移测量装置和管径变化测量装置其中至少一个所测数值达到阈值时，控制系统控制电机停止运行，停止装夹；

具体地，位移测量装置与管径变化测量装置两者一起对阵列复材管边界的夹紧过程中的物理量进行测量。位移测量装置测量边界在挡板位移方向的位移量，管径变化测量装置测量某些单个复材管受挤压变形产生的管径变化量，通过这两个测得的量可以监控在夹紧过程中整个毛坯工件和单个复材管单元的变化情况。在设定变形量阈值时，可以对两个值都设定，两者达到其一就可以停止装夹。

步骤4、余下三面通过同样的方式进行夹紧，但侧面挡板夹紧后存在相互影响，进而导致装夹变形量发生变化，此时通过控制系统对四侧面挡板进行微调，使得四面的测量装置输出均值达到阈值，完成阵列复材管的装夹。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，其特征在于，包括底板、侧面挡板、支撑单元、辅助夹紧装置、位移测量装置、管径变化测量装置和控制系统，阵列复材管毛坯安装在底板上，所述侧面挡板可移动地连接在所述底板表面，所述侧面挡板为若干个，分别设置在底板的外围，各侧面挡板在接收到控制系统的控制信号后靠近或远离相邻的阵列复材管，所述支撑单元为若干个，用于对非连续侧面进行支撑，所述辅助夹紧装置的底部安装在所述底板上，辅助夹紧装置安装于与待测复材管相邻的完整复材管内壁中，其用于对与待测复材管相邻的完整复材管进行内壁胀紧，所述位移测量装置用于测量侧面挡板移动过程中阵列复材管边界沿移动方向的位移量，所述管径变化测量装置用于测量侧面挡板移动过程中待测量的阵列复材管单元管径的变化量，所述支撑单元上设有薄膜压力传感器，其用于监测支撑单元与阵列复材管的接触状态，所述支撑单元上还设有环形压力传感器，其用于监测阵列复材管边界夹紧过程中支撑单元提供的压力大小，所述控制系统与所述位移测量装置、管径变化测量装置、环形压力传感器、薄膜压力传感器以及侧面挡板的移动装置相连，通过对复材管变形量的监测，控制以预设预紧力对复材管的装夹。

2.根据权利要求1所述的具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，其特征在于，所述底板表面设置有导轨，用以与侧面挡板连接，且配合后水平方向存在间隙，允许侧边挡板在一定范围内绕Z轴摆动。

3.根据权利要求1所述的具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，其特征在于，所述侧面挡板上开有槽，支撑单元可在槽内移动，所述支撑单元由支撑杆、环形压力传感器和真空吸头组成，所述支撑单元安装在所述侧面挡板上；所述的真空吸头表面为弧面；所述的支撑杆有不同的长度规格，以用于不同位置的非连续侧面支撑单元。

4.根据权利要求1所述的具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，其特征在于，所述侧面挡板的移动装置包括电机、齿轮传动机构和螺旋机构，每个侧面挡板前均设置有两个螺旋机构，一个电机通过齿轮传动机构同时带动两个螺旋机构，用以推动侧面挡板左右两边同时进行夹紧运动。

5.根据权利要求1所述的具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，其特征在于，所述的底板四周分别设置有龙门横梁，横梁框内用于安装位移测量装置，横梁上设置柔性支撑杆，用于夹持管径变化测量装置，同时柔性支撑杆允许管径变化测量装置测量多个阵列复材管单元。

6.根据权利要求5所述的具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，其特征在于，所述的位移测量装置为线激光测量仪，其测量精度不低于0.01mm。

7.根据权利要求5所述的具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，其特征在于，所述的管径变化测量装置为异形折弯测头千分表，其测量精度不低于0.01mm。

8.根据权利要求1所述的具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具，其特征在于，所述的侧面挡板与底板的连接面粗糙度不高于Ra 3.2，侧面挡板的高度小于加工后阵列复材管夹层构件的最小剩余高度，其面型与工件侧面面型相配合；

所述的辅助夹紧装置与阵列复材管单元尺寸大小相同，高度小于加工后阵列复材管夹层构件的最小剩余高度，且其具有浮动功能，夹紧后不会对工件造成装夹应力。

9.一种权利要求1～8任一项所述的具有变形反馈的阵列复材管侧向夹具的夹紧方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、按加工定位要求，将阵列复材管毛坯安装在底板上，按阵列复材管非连续边界位置，将支撑单元安装于侧面挡板上；

步骤2、在与边界复材管相邻的阵列内部的复材管内放置辅助夹紧装置，并完成辅助夹紧操作；

步骤3、根据工件夹紧需求，设置变形量阈值，通过控制系统控制电机推动侧面挡板运动，当真空吸头表面薄膜压力传感器输出信号时，侧面挡板上的支撑单元与工件侧面恰好接触，此时控制位移测量装置和管径变化测量装置开始工作，对复材管变形量进行计算，继续推动侧面挡板，当位移测量装置和管径变化测量装置其中至少一个所测数值达到阈值时，控制系统控制电机停止运行；

步骤4：重复步骤3对其余面进行夹紧。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，通过控制系统对各侧面挡板进行微调，使得相对应的位移测量装置输出均值达到阈值，完成阵列复材管的装夹。