CN115972095A - 一种嵌入式数控机床力控磨抛装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式数控机床力控磨抛装置，该装置包括旋转运动组件和主动力控组件。旋转运动组件将机床主轴旋转动力传递至刀具末端磨抛工具，其与机床主轴连接部分采用可灵活更换的标准刀柄结构，能够实现与不同类型主轴结构的自适应配合；主动力控组件采用内置电池作为电源，通过无线模块与外部控制器通讯，避免了外接动力的线缆冗余问题，保证了自动快速换刀的便利性，同时通过嵌入式系统实时采集磨抛装置力传感器的动态力信息，并输出音圈电机的电流控制指令，进而实现磨抛过程中接触力的精确控制。本发明采用标准刀柄结构及嵌入式系统控制，实现了复杂曲面零件数控磨抛加工过程中的柔顺接触，保证了工件磨抛表面质量的一致性。

Description

一种嵌入式数控机床力控磨抛装置

技术领域

本发明属于隔振设计及振动控制领域，涉及一种嵌入式数控机床力控磨抛装置。

背景技术

大型复杂曲面零件广泛应用于航空航天、能源动力等领域，其性加工后表面质量对零件性能有直接的影响，磨抛加工往往作为加工的最后一步显得尤为重要。在大型复杂曲面零件磨抛过程中，磨抛工具与工件之间保持恒定的接触力是保证工件表面磨抛质量的一个首要前提。专利“一种多向浮动打磨方法与装置，CN115431139A”采用多向浮动弹簧实现了复杂形状磨抛加工；专利“一种抛光刀具，CN216542699U”采用柔性抛光工具实现了构件表面的抛光加工。上述方法均采用的是被动方式，因而难以实现磨抛过程中接触力的主动控制。带有主动力控功能的磨抛装置往往需要采用独立的伺服电机或气动马达作为磨抛动力，具体如：专利“一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，CN111843766B”通过装置末端气动马达提供动力，而专利“一种带有主动抑制的机器人力控抛磨末端执行器，CN213197093U”则通过伺服电机来提供动力。同时，现有力控磨抛装置大都安装在机器人末端，需采用额外的磨抛动力驱动机构，会加大磨抛装置的整体结构尺寸，在复杂曲面加工时会引起加工干涉等问题。采用数控机床进行磨抛加工，可借助数控机床主轴的旋转功能简化力控磨抛装置的结构，但该类力控磨抛装置还不多见。目前，现有的主动力控装置均需要布置额外的动力线缆，针对复杂曲面的高质量数控磨抛需求，采用嵌入式系统实现接触力控制的尺寸小巧、易于实现自动快速换刀的数控机床力控磨抛装置尚未见报道。

发明内容

针对现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种用于嵌入式数控机床力控磨抛装置，其目的在于精准控制磨抛过程中的接触力。与现有磨抛装置不同，本发明中采用嵌入式系统控制及可灵活更换的标准安装刀柄，不仅可以在不同类型主轴结构的数控加工系统中实现自动快速换刀，而且嵌入式系统可实时采集处理接触力信息，通过调整音圈电机对磨抛工具的轴向压力，实现了大型复杂曲面磨抛加工接触力的稳定控制。

本发明的技术方案如下：

一种嵌入式数控机床力控磨抛装置，包括旋转传动组件和主动力控组件。旋转传动组件包括刀柄结构、刀柄安装法兰、外圈套筒、滚珠花键套筒、滚珠花键、花键轴、抛磨工具；所述的刀柄结构下端与刀柄安装法兰相连，刀柄安装法兰的下端连接有外圈套筒，外圈套筒的下端与滚珠花键套筒相连，实现封闭，滚珠花键套筒下端依次与滚珠花键、花键轴和抛磨工具相连；

主动力控组件包括音圈电机定子、音圈电机动子、音圈电机动子连接法兰、力传感器、控制模块、传感器安装法兰、花键轴安装法兰；所述主动力控组件上端连接外圈套筒，下端连接花键轴。

所述刀柄结构用于将该刀具与机床主轴连接及固定并接受主轴输出的扭矩作为刀具的磨抛动力；所述旋转传动组件，上端刀柄结构承受主轴扭矩，下端磨抛工具输出磨抛旋转动力；所述旋转传动组件用于将机床主轴旋转动力传递至刀具末端抛磨工具，进而进行磨抛加工。

所述音圈电机定子安装于外圈套筒上，并依次与滚珠花键套筒、滚珠花键同轴心连接；音圈电机动子安装于音圈电机动子连接法兰上，并依次与力传感器、传感器安装法兰、花键轴安装法兰、花键轴同轴心连接，机构的中心对称结构在高速旋转时应具有良好的动平衡性能，而花键轴与滚珠花键在传递扭矩的同时，可承受主动力控组件重力和离心力带来的倾覆力矩，从而有效避免音圈电机定子与音圈电机动子之间的摩擦；所述的力传感器位于音圈电机动子连接法兰与传感器安装法兰之间，控制模块位于力传感器的两侧。

所述磨抛工具与主动力控组件位于滚珠花键的两侧，从而使得磨抛加工所需扭矩通过所述旋转传动组件传递过程中，对主动力控组件不施加扭矩，力传感器只接受磨抛工具受到的轴向下压力。

所述控制模块作为力控磨抛刀具的嵌入式系统包括电池、控制电路、无线模块。其中电池组作为电源为控制模块、音圈电机动子、力传感器提供动力电流及激励电流，无线模块以无线信号形式发出实时力值信号至外部控制器并接受外部控制器发出的控制信号与倾角信号，控制电路通过采集力传感器的力值数据及无线模块接受的倾角信号，经过重力补偿运算控制音圈电机动子中的电流，进而控制主动力控组件的轴向推力，以实现磨抛加工过程中的接触力控制。

进一步地，所述旋转传动组件与主动力控组件的中心轴线均保证在同一直线上，且质量分布均匀，以保证装置在旋转运动中具有良好的动平衡特性。

进一步地，所述刀柄结构采用可灵活更换的标准刀柄形式，可适用于不同类型主轴结构的数控加工系统，以实现自动快速换刀。

进一步地，所述主动力控组件以内置电池作为电源，避免外接动力的线缆冗余问题，以保证自动快速换刀的便利性。

进一步地，所述磨抛装置为可拆卸结构，以适应不同磨抛加工要求。

进一步地，所述控制模块具有电磁屏蔽结构，以避免音圈电机产生的强磁环境对控制电路产生扰动。

进一步地，所述力传感器采用单轴双向力传感器，精确音圈电机动子产生的推力与机构重力之间的合力。

总体而言，本发明的技术方案主要具备以下的技术优点：

1.本发明嵌入式数控机床力控磨抛装置采用内置电池作为电源，避免了外接动力的线缆冗余问题，保证了自动快速换刀的便利性，以嵌入式系统精确控制磨抛接触力，提高了主动力控系统的响应速度，进而保证了磨抛加工表面质量的一致性。

2.本发明嵌入式数控机床力控磨抛装置采用可灵活更换的标准刀柄结构，可适用于不同类型主轴结构的数控加工系统，实现了自动快速换刀，并以机床主轴旋转扭矩作为磨抛动力，对于不同的数控机床均具有良好的适应性。同时，磨抛装置能够拆卸更换，可满足不同的磨抛加工要求。

3本发明嵌入式数控力控磨抛装置采用同轴心结构，在高速旋转过程中具有良好的动平衡特性，同时采用滚珠花键分离磨抛扭矩和接触压力的传递形式，使力传感器能够精准测量接触力，提高了数控磨抛接触力的控制精度。

附图说明

图1是本发明一实施方式中嵌入式数控机床力控磨抛装置的总体结构剖面示意图；

图2是本发明一实施方式中嵌入式数控机床力控磨抛装置的外形示意图；

图3是本发明一实施方式中嵌入式数控机床力控磨抛装置的主动力控组件示意图；

图4是本发明另一实施方式中采用BT40标准刀柄结构的嵌入式数控机床力控磨抛装置外形示意图；

图5是本发明一实施方式中嵌入式数控机床力控磨抛装置的工作原理图；

图中：1-刀柄结构；2-刀柄安装法兰；3-外圈套筒；4-滚珠花键套筒；5-滚珠花键；6-花键轴；7-抛光盘；8-花键轴安装法兰；9-传感器安装法兰；10-控制模块；11-力传感器；12-音圈电机动子连接法兰；13-音圈电机动子；14-音圈电机定子。

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做进一步描述。

为进一步解释清楚本发明的目的、技术方案和优点，以下结合实施例与附图，对本发明做进一步详细描述。需要指出的是，所述实施例旨在便于对发明的理解，而对其不起任何限定作用。此外，本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此未构成冲突就可以相互结合。

在实例中，一种嵌入式数控机床力控磨抛装置包括旋转传动组件和主动力控组件两部分，装置整体结构如图1所示。

如图2所示，旋转传动组件包括安装刀柄1、刀柄安装法兰2、外圈套筒3、滚珠花键套筒4、滚珠花键5、花键轴6、抛磨工具7。

如图3所示，主动力控组件包括音圈电机定子14、音圈电机动子13、音圈电机动子连接法兰12、力传感器11、控制模块10、传感器安装法兰9、花键轴安装法兰8。

如图1所示，刀柄结构1采用HSK-63A标准刀柄结构用于将该装置与机床主轴连接及固定并接受主轴输出的磨抛动力，并实现在磨抛加工前后的自动快速换刀；所述旋转传动组件，上端刀柄结构1承受主轴扭矩，下端磨抛工具7输出磨抛旋转动力，所述旋转传动组件用于将机床主轴旋转动力传递至刀具末端抛磨工具，进而进行磨抛加工。

音圈电机定子14安装于外圈套筒3上，并依次与滚珠花键套筒4、滚珠花键5同轴心连接,音圈电机动子13安装于音圈电机动子连接法兰12上，并依次与力传感器11、传感器安装法兰9、花键轴安装法兰8、花键轴6同轴心连接，机构的中心对称结构在高速旋转时具有良好的动平衡性能，而花键轴6与滚珠花键5在传递扭矩的同时可以承受主动力控组件重力和离心力带来的倾覆力矩，从而有效避免了音圈电机定子14与音圈电机动子13之间的摩擦，使机构在高速旋转过程中仍具有轴向运动的流畅性。

磨抛工具7与主动力控组件位于滚珠花键5的不同两侧，使得磨抛加工所需扭矩通过所述旋转运动传动组件传递过程中，对主动力控组件不施加扭矩，力传感器11只接受磨抛工具7受到的轴向接触力，从而测量出准确的轴向接触力。

控制模块包括电池、控制电路、无线模块。其中电池作为电源为控制模块、音圈电机动子、力传感器提供动力电流及激励电流，避免了外接动力的线缆冗余问题，保证了自动快速换刀的便利性；无线模块以无线信号形式发出实时力值信号至外部控制器并接受外部控制器发出的控制信号与倾角信号，控制电路通过采集力传感器的力值数据及无线模块接受的倾角信号，经过重力补偿运算控制音圈电机动子中的动力电流进而控制主动力控组件的轴向推力，以实现磨抛加工过程中的接触力控制。

如图4所示，在另一实例中，刀柄结构采用BT40标准刀柄结构，以实现在使用BT40结构刀具的机床主轴上实现自动快速换刀和力控磨抛加工。

本发明所设计的抛磨装置的基本工作流程为：加工前将装置置于数控机床刀库中，由快换系统完成自动快速换刀后，装置接受主轴高速旋转作为磨抛动力，控制模块通过给定音圈电机初始电流使磨抛工具具有初始轴向运动趋势；在加工过程中，控制模块通过接受力传感器力值与外部倾角信号，解算出达到目标接触力所需的音圈电机电流，控制音圈电机对末端磨抛工具施加轴向推力，进而实现磨抛工具与工件之间接触力的精确控制，保证了大型复杂曲面工件抛磨表面质量的一致性。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种嵌入式数控机床力控磨抛装置，其特征在于，该嵌入式数控机床力控磨抛装置包括旋转运动组件和主动力控组件；

所述旋转组件包括刀柄结构(1)、刀柄安装法兰(2)、外圈套筒(3)、滚珠花键套筒(4)、滚珠花键(5)、花键轴(6)和抛磨工具(7)；

所述的刀柄结构(1)下端与刀柄安装法兰(2)相连，刀柄安装法兰(2)的下端连接有外圈套筒(3)，外圈套筒(3)的下端与滚珠花键套筒(4)相连，实现封闭，滚珠花键套筒(4)下端依次与滚珠花键(5)、花键轴(6)和抛磨工具(7)相连；

所述主动力控组件包括音圈电机定子(14)、音圈电机动子(13)、音圈电机动子连接法兰(12)、力传感器(11)、控制模块(10)、传感器安装法兰(9)、花键轴安装法兰(8)，所述主动力控组件上端连接外圈套筒(3)，下端连接花键轴(6)；

所述音圈电机定子(14)与安装于外圈套筒(3)上，并依次与滚珠花键套筒(4)、滚珠花键(5)同轴心连接,音圈电机动子(13)安装于音圈电机动子连接法兰(12)上，并依次与力传感器(11)、传感器安装法兰(9)、花键轴安装法兰(8)、花键轴(6)同轴心连接，机构的中心对称结构在高速旋转时具有较好的动平衡性能，所述的力传感器(11)位于音圈电机动子连接法兰(12)与传感器安装法兰(9)之间，控制模块(10)位于力传感器(11)的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式数控机床力控磨抛装置，其特征在于，所述磨抛工具(7)与主动力控组件位于滚珠花键(5)的不同两侧，从而使得磨抛加工所需扭矩通过所述旋转运动组件传递过程中，对主动力控组件不施加扭矩，力传感器(11)只接受磨抛工具(7)受到的轴向下压力。

3.根据权利要求1或2所述的一种嵌入式数控机床力控磨抛装置，其特征在于，所述所述旋转传动组件与主动力控组件的中心轴线均保证在同一直线上，且质量分布均匀，以保证装置在旋转运动中具有良好的动平衡特性。

4.根据权利要求1或2所述的力控抛磨装置，其特征在于，所述控制模块(10)作为嵌入式系统控制磨抛接触力，包括电池、控制电路、无线模块；其中电池作为电源为控制模块(10)、音圈电机动子(13)、力传感器(11)提供动力电流及激励电流，无线模块以无线信号形式发出实时力值信号至外部控制器并接受外部控制器发出的控制信号与倾角信号，控制电路通过采集力传感器(11)的力值数据及无线模块接受的倾角信号，经过重力补偿运算控制音圈电机动子(13)中的动力电流进而控制主动力控组件的轴向推力，以实现磨抛加工过程中的接触力控制。

5.根据权利要求3所述的力控抛磨装置，其特征在于，所述控制模块(10)作为嵌入式系统控制磨抛接触力，包括电池、控制电路、无线模块；其中电池作为电源为控制模块(10)、音圈电机动子(13)、力传感器(11)提供动力电流及激励电流，无线模块以无线信号形式发出实时力值信号至外部控制器并接受外部控制器发出的控制信号与倾角信号，控制电路通过采集力传感器(11)的力值数据及无线模块接受的倾角信号，经过重力补偿运算控制音圈电机动子(13)中的动力电流进而控制主动力控组件的轴向推力，以实现磨抛加工过程中的接触力控制。

6.根据权利要求1或2或5所述的力控抛磨装置，其特征在于，所述力传感器(11)采用单轴双向力传感器，精确音圈电机动子产生的推力与机构重力之间的合力。

7.根据权利要求3所述的力控抛磨装置，其特征在于，所述力传感器(11)采用单轴双向力传感器，精确音圈电机动子产生的推力与机构重力之间的合力。

8.根据权利要求4所述的力控抛磨装置，其特征在于，所述力传感器(11)采用单轴双向力传感器，精确音圈电机动子产生的推力与机构重力之间的合力。

9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的力控抛磨装置，其特征在于：所述旋上端刀柄结构(1)承受主轴扭矩，下端磨抛工具(7)输出磨抛旋转动力，所述旋转运动组件用于将主轴旋转动力传递至装置末端抛磨工具，进而进行磨抛加工，所述刀柄结构(1)采用可灵活更换的标准刀柄结构，可以实现对不同类型主轴结构的自适应配合。

10.根据权利要求3所述的力控抛磨装置，其特征在于，所述旋上端刀柄结构(1)承受主轴扭矩，下端磨抛工具(7)输出磨抛旋转动力，所述旋转运动组件用于将主轴旋转动力传递至装置末端抛磨工具，进而进行磨抛加工，所述刀柄结构(1)采用可灵活更换的标准刀柄结构，可以实现对不同类型主轴结构的自适应配合。

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