CN116766413A - 一种适用于陶瓷及复合材料部段的自动制孔机构及制孔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适应于陶瓷基改性C/C复合材料部段自动制孔机构及制孔方法,属于复合材料自动化加工装备设计技术领域。本发明提出的自动制孔动力头与机器人结合,可实现部段表面法向连接孔制备,对于变曲率异形面上的法向连接孔,具有较强的柔性制备能力,可实现不同曲率变化部段表面的连接孔制备。本发明通过螺旋铣削的动力头设计,可实现陶瓷基类高硬度难加工材料的自动精准加工。本发明提出的动力头上集成了双目视觉相机,通过拍照可提取轮廓表面的曲率变化,进而便于寻找不同曲率变化下的型面法向,实现变曲率型面的法向孔加工。经实际运用验证表明,应用本发明对陶瓷基复合材料异形部段表面法向孔进行加工,完全满足复杂表面的自适应加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于陶瓷基改性C/C复合材料部段的自动制孔机构及制孔方法,属于复合材料自动化加工装备设计技术领域,具体公开了一种适用于陶瓷及复合材料部段的自动制孔机构,该机构安装于机械臂,可实现陶瓷基高硬度复合材料部段的自动制孔。
背景技术
陶瓷基改性C/C复合材料部段由骨架和蒙皮装配而成,蒙皮粘接铺覆在骨架结构上,胶液固化后,配加工蒙皮和骨架连接孔。由于陶瓷基改性C/C复合材料硬度极高,采用传统的机械臂协同钻削模式,切削力过大,机械臂刚性不足影响制孔孔位精度。除此之外,陶瓷基改性C/C复合材料部段为骨架-蒙皮弱刚性结构,装配后型面变形误差较大,加之该材料采用编织工艺制成,表面纤维纵横交错,变曲率部段的实际产品法向与理论法向偏差较大。
陶瓷基改性C/C复合材料为高硬度材料,为了适应其较高的钻孔切削力,采用五轴数控机床制孔。然而,由于蒙皮-骨架结构装配后易发生变形,采用五轴数控机床制孔,无法适应型面变化,导致制孔法向方向存在偏差。为了实现变曲率异形部段外形面精确制孔,对于金属材料部段,采用机械臂挂接钻孔末端执行器来执行制孔,然而,对于高硬度复合材料,钻孔的切削力较大,机械臂的自身刚度难以满足切削力需求。因此,针对陶瓷基复合材料高硬度特性,尚缺少具有变曲率法向适应性制孔的加工设备和加工方法。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有自动制孔机构采用钻削加工带来的切削震动明显,以及无法适应编制复合材料弱刚性易变性结构精确制孔需求的不足,提出一种适用于陶瓷基改性C/C复合材料蒙皮-骨架结构部段的自动制孔机构和制孔方法,提升了制孔精度。
本发明的技术解决方案是:一种适用于陶瓷基复合材料变曲率异形部段自适应制孔装置,包括动力头、动力头电机、刀具库、寻法相机、承载框架、第一~第五导轨基座、第一~第五伺服电机;
承载框架作为末端执行器,固定在机器人上;固定多个刀架的刀具库固定在所述承载框架一内侧,由第二伺服电机驱动刀具库沿自身主轴转动,用于将空刀架或待换刀具移动至最外侧,由第一伺服电机带动刀具库旋转,使得最外侧的空刀架或待换刀具与动力头上的刀具位置对正,由动力头完成取刀/换刀;
第一导轨基座固定在承载框架内底面,导轨方向记为x轴方向;第二导轨基座悬浮在第一导轨基座上方,导轨方向记为z轴方向,第三导轨基座悬浮在第二导轨基座上方,导轨方向记为y轴方向,第四导轨基座悬浮在第三导轨基座一侧,动力头固连在第四导轨基座上,动力头伺服电机固定在动力头尾部;第五导轨基座悬浮在动力头一侧,导轨方向为z轴方向,寻法相机安装在所述第五导轨基座上;由第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机实现动力头沿x、y、z轴方向平移,由第六伺服电机实现使寻法相机相对动力头沿z轴方向平移。
优选的,所述寻法相机对被加工部段表面进行拍照,分析被制孔区域的曲率,确定表面的正确法向,将正确法向作为反馈信息发送至机器人控制器,由机器人控制器控制末端执行器协同第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机分别控制第二导轨基座、第三导轨基座、第四导轨基座运动,最终使动力头移动至打孔位置。
优选的,所述动力头采用螺旋铣削动力头。
优选的,所述刀具库为气动式自动换刀结构;包括由气动源控制的刀具座;刀具座尾部接气动源;通过通气使得刀具座伸张涨开,可取出刀具;断气,刀具座收紧,夹紧刀具。
优选的,动力头电机驱动动力头旋转并向孔深方向进给,采用螺旋铣削方式实现指定孔位处的特定孔径孔深加工。
一种利用自适应制孔装置进行制孔的方法,包括:
(1)寻法相机在第六伺服电机的带动下,相对动力头沿z轴正方向伸出,对被加工部段表面进行拍照,分析被制孔区域的曲率,确定表面的正确法向;
(2)以寻找的正确法向作为反馈信号,控制机器人沿x轴、y轴、z轴、绕x轴、绕y轴、绕z轴进行移动,同时协同第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机分别控制第二导轨基座、第三导轨基座、第四导轨基座运动,最终使动力头移动至打孔位置;
(3)动力头电机驱动动力头旋转并向孔深方向进给,实现指定孔位处的特定孔径孔深加工;
(4)当制孔孔径变化时,更换刀具;
(5)重复(1)-(3)完成其余孔制备。
优选的,所述更换刀具步骤如下:
第二伺服电机驱动刀具库主轴旋转,使空刀座移至最外侧;
第一伺服电机驱动刀具库绕y轴旋转,使空刀座与动力头上的刀具对正,第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀头移动,刀具进入空刀具座,空刀具座断气,刀具座收紧刀具,动力头刀座通气涨开,第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀尾移动,拔出刀具;
第二伺服电机驱动刀具库主轴旋转,使待安装刀具与动力头刀座对正,第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀头移动,刀具进入动力头刀座,动力头刀座断气,刀座收紧刀具,刀具库刀具座通气涨开,第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀尾移动,刀具与刀具库刀座分离;
第一伺服电机驱动刀具库绕y轴旋转,刀具库归位,至此,刀具更换完毕。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明实现了螺旋磨削代替钻削的制孔方式,有效地降低了切削力,减少了动力头切削过程的震动,显著提升了制孔精确度,对陶瓷基改性C/C高硬度材料效果尤为明显;
(2)本发明提出将视觉相机集成在末端执行器上,通过其准确寻找变曲率部段法向,确保制孔方向准确,尤其针对编制成型的复合材料,部段变形与表面凸起叠加,理论法向与实际法向偏离严重,本发明提出的寻法方案可显著提升制孔方向准确性;
(3)本发明提出将刀具库集成在末端执行器上,可一次性完成同轴台阶孔的制备,可有效避免远距离换刀带来的效率低和重复定位精度差的问题。
附图说明
图1为自动制孔机构前面结构示意图;
图2为自动制孔机构背面左侧结构示意图;
图3为自动制孔机构背面右侧结构示意图;
具体实施方式
本发明提出的自动制孔动力头与机器人结合,可实现部段表面法向连接孔制备,对于变曲率异形面上的法向连接孔,具有较强的柔性制备能力,可实现不同曲率变化部段表面的连接孔制备。本发明通过螺旋铣削的动力头设计,可实现陶瓷基类高硬度难加工材料的自动精准加工。本发明提出的动力头上集成了双目视觉相机,通过拍照可提取轮廓表面的曲率变化,进而便于寻找不同曲率变化下的型面法向,实现变曲率型面的法向孔加工。经实际运用验证表明,应用本发明对陶瓷基复合材料异形部段表面法向孔进行加工,完全满足复杂表面的自适应加工。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
如图1、图2和图3所示,一种适用于陶瓷基复合材料变曲率异形部段自适应制孔装置,制孔装置包括刀具库1、刀座2、第三导轨基座3、第四导轨基座4、第五导轨基座5、承载框架6、寻法相机7、动力头8、第二导轨基座9、第一导轨基座10、第一伺服电机11、第四伺服电机12、动力头伺服电机13、第五伺服电机14、第三伺服电机15、第六伺服电机16、第二伺服电机17;
承载框架6作为末端执行器,固定在机器人上;
刀具库1与承载框架6连接并具备可移动可旋转自由度,刀具库1上固定六个刀座2,通过第二伺服电机17带动刀具库1绕轴线旋转,使待换刀座2移动至最外侧。通过第一伺服电机11带动刀具库1沿y轴转动,使待换刀座2正对动力头,以便动力头8执行换刀动作;
第一导轨基座10固定在承载框架6上;
第二导轨基座9悬浮在第一导轨基座10上方,在第三伺服电机15的带动下可使动力头沿x方向平移;
第三导轨基座3悬浮在第二导轨基座9上方,在第四伺服电机12的带动下可使动力头沿z方向平移;
第四导轨基座4悬浮在第三导轨基座4右侧,在第五伺服电机14的带动下可使动力头沿y方向平移;
动力头8与第四导轨基座4固连在一起;
动力头伺服电机13固定在动力头8尾部;
第五导轨基座5悬浮在动力头8左侧,在第六伺服电机16的带头下可使寻法相机7相对动力头8沿z方向平移;
一种利用自适应制孔装置进行制孔的方法,其特征在于该方法的步骤包括:
(1)寻法相机7在第六伺服电机16的带动下,相对动力头8沿z轴正方向伸出,对被加工部段表面进行拍照,分析被制孔区域的曲率,确定表面的正确法向;
(2)以寻找的法向作为反馈信号,控制机器人沿x轴、y轴、z轴、绕x轴、绕y轴、绕z轴进行移动,同时协同第三伺服电机15、第四伺服电机12、第五伺服电机14分别控制第二导轨基座9、第三导轨基座3、第四导轨基座4运动,最终使动力头移动至打孔位置;
(3)动力头伺服电机13驱动动力头8旋转并向孔深方向进给,实现指定孔位处的特定孔径孔深加工;
(4)当制孔孔径变化时,需要更换刀具。此时,第二伺服电机17驱动刀具库1主轴旋转,使空刀座移至最外侧;第一伺服电机11驱动刀具库1绕y轴旋转,使空刀座2与动力头8上的刀具对正,拔出刀具;第二伺服电机17驱动刀具库1主轴旋转,使待更换刀具转至动力头刀柄夹持处并将刀具卡紧固定在动力头8上,至此完成换刀动作;
(5)重复(1)-(3)完成其余孔制备。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (7)
1.一种适用于陶瓷基复合材料变曲率异形部段自适应制孔装置,其特征在于:包括动力头、动力头电机、刀具库、寻法相机、承载框架、第一~第五导轨基座、第一~第五伺服电机;
承载框架作为末端执行器,固定在机器人上;固定多个刀架的刀具库固定在所述承载框架一内侧,由第二伺服电机驱动刀具库沿自身主轴转动,用于将空刀架或待换刀具移动至最外侧,由第一伺服电机带动刀具库旋转,使得最外侧的空刀架或待换刀具与动力头上的刀具位置对正,由动力头完成取刀/换刀;
第一导轨基座固定在承载框架内底面,导轨方向记为x轴方向;第二导轨基座悬浮在第一导轨基座上方,导轨方向记为z轴方向,第三导轨基座悬浮在第二导轨基座上方,导轨方向记为y轴方向,第四导轨基座悬浮在第三导轨基座一侧,动力头固连在第四导轨基座上,动力头伺服电机固定在动力头尾部;第五导轨基座悬浮在动力头一侧,导轨方向为z轴方向,寻法相机安装在所述第五导轨基座上;由第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机实现动力头沿x、y、z轴方向平移,由第六伺服电机实现使寻法相机相对动力头沿z轴方向平移。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述寻法相机对被加工部段表面进行拍照,分析被制孔区域的曲率,确定表面的正确法向,将正确法向作为反馈信息发送至机器人控制器,由机器人控制器控制末端执行器协同第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机分别控制第二导轨基座、第三导轨基座、第四导轨基座运动,最终使动力头移动至打孔位置。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述动力头采用螺旋铣削动力头。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述刀具库为气动式自动换刀结构;包括由气动源控制的刀具座;刀具座尾部接气动源;通过通气使得刀具座伸张涨开,可取出刀具;断气,刀具座收紧,夹紧刀具。
5.一种利用自适应制孔装置进行制孔的方法,其特征在于包括:
(1)寻法相机在第六伺服电机的带动下,相对动力头沿z轴正方向伸出,对被加工部段表面进行拍照,分析被制孔区域的曲率,确定表面的正确法向;
(2)以寻找的正确法向作为反馈信号,控制机器人沿x轴、y轴、z轴、绕x轴、绕y轴、绕z轴进行移动,同时协同第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机分别控制第二导轨基座、第三导轨基座、第四导轨基座运动,最终使动力头移动至打孔位置;
(3)动力头电机驱动动力头旋转并向孔深方向进给,实现指定孔位处的特定孔径孔深加工;
(4)当制孔孔径变化时,更换刀具;
(5)重复(1)-(3)完成其余孔制备。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:所述更换刀具步骤如下:
第二伺服电机驱动刀具库主轴旋转,使空刀座移至最外侧;
第一伺服电机驱动刀具库绕y轴旋转,使空刀座与动力头上的刀具对正,第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀头移动,刀具进入空刀具座,空刀具座断气,刀具座收紧刀具,动力头刀座通气涨开,第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀尾移动,拔出刀具;
第二伺服电机驱动刀具库主轴旋转,使待安装刀具与动力头刀座对正,第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀头移动,刀具进入动力头刀座,动力头刀座断气,刀座收紧刀具,刀具库刀具座通气涨开,第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀尾移动,刀具与刀具库刀座分离;
第一伺服电机驱动刀具库绕y轴旋转,刀具库归位,至此,刀具更换完毕。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:动力头电机驱动动力头旋转并向孔深方向进给,采用螺旋铣削方式实现指定孔位处的特定孔径孔深加工。
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