CN210677767U - 一种自适应工装及智能加工中心 - Google Patents

Abstract

一种自适应工装，包括本体及其控制装置，所述本体包括用于可释放地保持工件的工件保持部，所述工件保持部固定设置在一工件安装架上，所述工件安装架可动地设置在一安装底座上，所述安装底座适于固定设置在一数控机床的工作台上，所述工件安装架包括可切换的工件锁紧状态和工件可调状态，所述控制装置用于控制所述工件安装架的状态切换以及控制所述工件安装架相对于所述安装底座的运动。以及一种包含这种自适应工装的智能加工中心。自适应工装能够方便地对待加工工件的位姿进行调节，将待加工工件上的任意一个待加工区域调整到基准位姿，从而使得数控机床能够方便地对每个待加工区域进行加工，扩大数控机床的加工范围，并不受工件随机误差的影响。

Description

一种自适应工装及智能加工中心

技术领域

本实用新型涉及自动化机加工领域，尤其是智能化数控机床的工件保持技术。

背景技术

目前，例如货运火车转向架上的摇枕、侧架等大型工件，在铸造出坯体之后，需要针对坯体的表面进行加工处理，例如喷丸清砂、切割浇注系统、切除浇冒口、浇冒口余量打磨去掉凸出的浇注口，才能够得到可使用的成品工件。

为了完成从铸坯到成品工件的上述表面加工，现有技术多采用人工处理的方法，具体地，(1)将通过砂型铸造的工件开箱取出，然后进行抛丸清砂；(2)人工采用火焰切割气对浇注系统进行切割；(3)人工采用碳弧气刨将铸造工件上的浇冒口进行切除，并再次进行抛丸清砂；(4) 人工采用角磨机对切割后的浇冒口余量进行打磨去除，实现加工区域和未加工区域的平滑过渡等。

现有技术中采用数控机床对这种大型铸造工件进行表面加工处理的效果也不理想。原因是，由于大型铸造件在铸造时将产生较大的尺寸误差，可以说，每一个铸坯均具有各不相同的特征尺寸。也就是说，铸坯的形状和尺寸与标准铸型的形状和尺寸总有较大偏差，而且此偏差随机出现，不同铸坯在不同部位产生的偏差不总相同。

因此，当采用数控机床批量加工这类工件时，无论以工件的哪个部位作为加工数据基准点，待加工区域的精确位置和待加工量都是各不相同的，如果按照数控机床中预设的加工数据进行加工，势必产生较大的加工误差，无法得到合格的成品工件。

因此，目前为止，尚无采用数控机床代替前述人工处理的成功应用，行业内普遍认为这种大型铸造件无法采用现有数控机床进行全程自动化机加工，存在着批量待加工铸造件之间有一定的尺寸误差异致使普通数控机床不能或者不方便加工的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术中存在的上述批量待加工铸造件之间有一定的尺寸误差异致使普通数控机床不能或者不方便加工的技术问题，本实用新型提供了一种应用于数控机床的自适应工装，并且能够适应批量待加工工件的尺寸误差，使工件的位姿能够进行灵活调节，达到足够的加工精度。

(二)技术方案

为了达到上述的目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：

一种自适应工装，包括本体及其控制装置，所述本体包括用于可释放地保持工件的工件保持部，其特征在于，

所述工件保持部固定设置在一工件安装架上，所述工件安装架可动地设置在一安装底座上，所述安装底座适于固定设置在一数控机床的工作台上，

所述工件安装架包括可切换的工件锁紧状态和工件可调状态，

在所述工件锁紧状态下，所述工件安装架相对于所述安装底座固定；在所述工件可调状态下，所述工件安装架相对于所述安装底座运动以调整工件的位姿；

所述控制装置用于控制所述工件安装架的状态切换以及控制所述工件安装架相对于所述安装底座的运动。

优选地，所述工件安装架相对于所述安装底座的运动包括，围绕所述第一方向的旋转运动，以及包括在垂直于所述第一方向的第二方向上的俯仰运动。

优选地，所述数控机床为立式数控机床，所述第一方向为机床坐标系的X方向；所述第二方向为机床坐标系的Z方向。

优选地，所述安装底座包括左固定座和右固定座，所述左固定座与所述工件安装架左端接合，所述右固定座与所述工件安装架右端接合。

优选地，所述工件安装架围绕所述第一方向的旋转运动借助于一由左固定座旋转支撑的旋转驱动轴驱动旋转，所述旋转驱动轴由一动力源驱动。

优选地，所述工件安装架沿所述第二方向的俯仰运动借助于一设置在右固定座与所述工件安装架之间的自锁式直线运动组件实现。

优选地，所述自锁式直线运动组件包括丝杠和螺母，所述丝杠沿所述第二方向设置在所述右固定座上并由一动力源驱动，所述螺母可旋转地支撑所述工件安装架的右端。

优选地，所述动力源均与所述控制装置连接。

一种智能加工中心，包括一工作台，所述工作台上固定设置前述任一种自适应工装，用于保持一待加工工件，

以及包括一位姿测量系统，所述位姿测量系统用于检测所述待加工工件上待加工区域的位姿，

所述自适应工装的控制装置用于根据所述位姿测量系统的反馈数据，控制所述自适应工装调整待加工工件的位姿，使其上的待加工区域调整到基准位姿。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果是：

自适应工装能够方便地对待加工工件的位姿进行调节，将待加工工件上的任意一个待加工区域调整到理想位姿，从而使得数控机床能够方便地对每个待加工区域进行加工，保证加工精度，不受数控机床自由度的限制和/或批量工件尺寸误差的影响。

附图说明

图1为安装有本实用新型的自适应工装的智能加工中心的结构示意图；

图2为根据本实用新型的自适应工装保持一待加工工件的工作状态立体示意图；

图3为根据本实用新型的自适应工装保持一待加工工件的工作状态主视示意图；

图4为图3中剖面I的放大图；

图5为图3中剖面IV的放大图；

图6为图3中剖面II的放大图。

具体实施例

为了更好地解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施例，对本实用新型作详细描述。

本实用新型的自适应工装适用于大型工件的装夹，特别是诸如货车转向架的摇枕和侧架等尺寸大、重量大的铸钢件。

如图1所示，智能加工中心包括立式数控机床3(在其他实施例中也可以是其他类型的机床)、位姿测量系统4和本实用新型的自适应工装5，其中所述自适应工装5用来保持待加工工件W。当任意一个待加工工件 W保持在自适应工装5上时，位姿测量系统4首先工作，检测待加工工件W上任意一个待加工区域的位姿数据，并与标准加工数据进行比对。标准加工数据包括理想尺寸工件上每个待加工区域在数控机床坐标系下的位置和姿态。

自适应工装5包括一个控制装置，其根据位姿测量系统4的反馈数据调整待加工工件W的位姿，使待加工工件调整到基准位姿。当自适应工装5调整工件位姿时，能够依次将每个待加工区域的位置和姿态调整到与理论模型上对应待加工区域的位置和姿态一致。

这样，数控机床3即可按照标准加工数据对待加工区域进行加工，实现加工的智能化，满足大误差批量工件的自动化加工。

下面借助于图2和图3对自适应工装5的结构进行描述。

图2所示的待加工工件W为货车转向架摇枕的铸坯，包括例如13个凸出于工件表面的浇冒口R。这种摇枕铸坯由于体型庞大，受铸造工艺精度限制，同一模具生产出的多个铸坯之间的尺寸差异也相当大，工件各特征部位浇冒口R的尺寸和位置的误差比较大，而且批量工件存在的尺寸和位置的误差各不相同，下文称为带有随机尺寸误差的工件。这一特征带来的问题是，实际工件上待加工区域和数控机床中理论工件数模中对应待加工区域是不匹配的，如果直接调用数控机床中理论工件数模的加工轨迹，必然带来较大的加工误差，这将导致数控机床无法对其上的待加工区域( 浇冒口特征)直接批量加工去除。为了能够精确地对针对带有随机尺寸误差的工件上的待加工区域进行加工，本实用新型采用了可调整工件位姿的自适应工装，在数控机床加工之前先针对工件进行位姿调节，以将工件位姿调整到基准位姿。在这种基准位姿下，数控机床能够基于理论工件数模的加工轨迹对待加工区域进行精确加工。并且，通过自适应工装与测量系统的配合，使工件的位姿调整基于测量系统的测量结果进行，实现位姿调整的自动化。

下文将结合这种工件描述本实用新型自适应工装的结构和工作方式进行描述。当然，本实用新型的自适应工装所适用的装夹对象并不仅限于此。对于一般工件的加工，例如复杂曲面的加工，如果本身需要多轴自由度机床或加工中心完成，也可以采用更少轴数的机床或加工中心配合本实用新型的自适应工装完成。

另外，需要指出的是，大型工件在采用自适应工装装夹之前，需要提前装配一个装夹工装C。如图1可见，装夹工装C包括装配在图示的摇枕铸坯W下方的本体50，本体50的形状与工件的底部适配。图中可以看到一个位于装夹工装C侧面下部的安装配合部CL，该安装配合部用于与工件搬运系统中的零点定位器(气动卡盘)可释放地连接，例如与工业机器人手臂相连。类似地，位于装夹工装C底面也具有一安装配合部(未示出) ，该配合部适于与本实用新型的自适应工装上的工件保持部51可释放地连接。当工业机器人搬运待加工工件W至自适应工装5时，底面气动卡盘锁紧，侧面气动卡盘释放。

装夹工装C与大型工件装配的部位根据工件上待加工区域的分布而定，以不覆盖待加工区域、不干涉待加工区域的加工为基本原则。图中工件W 的装夹工装C覆盖工件的底部和侧面下部，待加工的浇冒口分布在工件的顶部和侧面上部。

本实用新型的自适应工装的零点定位器51(气动卡盘)设置在一工件安装架52的上表面上，所述工件安装架52包括可切换的工件锁紧状态和工件可调状态。

在工件锁紧状态下，工件安装架52相对于数控机床的工作台固定，从而使工件相对于数控机床的工作台固定。这样，自适应工装实现对工件的固定和装夹，可承受机床加工时的切削力、工件的自身重力和偏心力矩，并保持稳定，不因内外因素的干扰而滑动或偏转。

在工件可调状态下，工件安装架52相对于数控机床的工作台在两个自由度上进行调节：X轴方向的旋转；Z轴方向的俯仰。所述X轴和Z轴与图示立式机床坐标系的X轴和Z轴保持一致。这样，自适应工装能够根据系统扫描匹配的结果带动工件进行位置和姿态的调整。

以上X轴方向的旋转运动和Z轴方向的俯仰运动借助于电机实现，当电机按照测量数据将工件的位姿调整到基准位姿后，电机即停止工作并处于自锁状态。这就是本实用新型实施例中工件安装架52从工件可调状态切换切换至工件锁紧状态所采用的切换方式。当然，也可以采用独立的锁紧和解锁装置来实现对状态的切换，同样也在本实用新型的范围之内。

工件安装架52的左右两侧设置有右固定座54和左固定座55。所述右固定座54和左固定座55均设置在同一个安装底座56上，所述安装底座56包括两个由框架结构连接的平台，右平台56a用于承载右固定座54，左平台56b用于承载左固定座55。

所述安装底座56固定设置于数控机床的工作台上，在工作台沿X轴方向移动时，安装底座56带动工件安装架，继而带动工件W在X轴方向上移动调整位置。

所述工件安装架52绕X轴方向的旋转和沿Z轴方向的俯仰主要通过工件安装架52与左右固定座之间的连接关系实现。

绕X轴方向的旋转

工件安装架52的左端由一旋转驱动轴551驱动旋转。具体地，一动力源513设置在工件安装架52的左侧，所述动力源513优选为伺服电机 513，其输出端与减速装置512连接，减速装置512的输出端通过十字万向联轴节511与旋转驱动轴551的输入端连接，旋转驱动轴551的输出端与工件安装架52的左端固定连接。

当旋转驱动轴551被一动力源513驱动旋转时，工件安装架52跟随绕X轴做旋转转动。当伺服电机513停止工作，旋转驱动轴551停止旋转，实现工件安装架52的旋转锁定。

沿Z轴方向的俯仰

工件安装架52的右端借助于一个沿Z轴方向设置的自锁式直线运动组件53实现俯仰。具体地，自锁式直线运动组件53包括设置在工件安装架52右侧的右固定座54上的丝杠531，以及设置在工件安装架52的右端、与所述丝杠531配合的螺母532。所述丝杠531沿Z轴方向延伸设置并由一动力源534驱动旋转。优选地，由伺服电机534驱动旋转，旋转方向可正反切换。

当伺服电机534驱动丝杠531旋转，螺母532相对于丝杠531沿Z 轴方向向上或向下移动，则工件安装架52的右端升高或降低，实现工件安装架52的俯仰运动。当伺服电机534停止工作，螺母532相对于丝杠 531的位置被自锁锁定，实现工件安装架52的俯仰锁定。

旋转运动和俯仰运动的适配

由于在俯仰的过程中，需要保证工件安装架52两端的旋转支撑，并且保证工件安装架52的右端始终保持沿Z轴运动，因此需要对工件安装架52、左固定座以及右固定座三者之间的连接关系进行特殊的适配设计。

结合图3和图5可见，左固定座55上包括一个沿X轴方向贯通设置的开孔550。所述旋转驱动轴551穿过所述开孔550。所述开孔内设有套设在旋转驱动轴551外部的轴套552，轴套552和旋转驱动轴551之间设置有球轴承553，用于旋转支撑所述旋转驱动轴551，并允许所述旋转驱动轴551的轴线偏离轴套552的中心线(即偏离X轴方向)。

所述左固定座55上沿Z方向设置一个通孔556，该通孔556与X方向的所述开孔550正交。所述轴套552的顶部和/或底部设置有轴调节杆 554，所述轴调节杆554限定在所述通孔556中仅能够沿Z轴方向移动。优选地，所述轴套552和轴调节杆554一体地形成。

轴调节杆554外部套设有弹性复位件555。所述弹性复位件抵顶在所述开孔550的顶部和底部，从而当旋转驱动轴551沿Z轴移动或偏离X 轴方向时，一侧弹簧压缩的更紧，另一侧弹簧稍微释放，对旋转驱动轴 551起到柔性缓冲作用。

此外，由图3可见，工件安装架52的右端设置一万向节533，优选为十字万向联轴节。所述万向节的输入端与所述工件安装架52的右端固定连接，所述万向节的输出端沿X轴插入一轴座535中，并由所述轴座 535可绕X轴旋转地支撑，例如借助于轴承536支承。所述螺母532和所述轴座535固定连接，优选地，二者一体地形成。

所述右固定座54与所述右平台56a之间还设置有水平直线导轨510，用以允许右固定座54在所述右平台56a上沿X轴方向进行微量的位置调节，从而弥补俯仰运动时造成的右固定座54相对于左固定座55的距离变动。在图6所示的放大图中，可以看到，所述水平直线导轨510包括固定设置在右固定座54底面的滑块510a和对应地固定设置在右平台56a上的滑轨510b。例如可以设置两根平行的滑轨，每条滑轨上设置两个与之配合的滑块.在工作中，当螺母532在丝杠531上向上或向下移动，使工件安装架52左右端之间在X轴方向上的投影尺寸变短，则右固定座54受到螺母532的拉力而沿水平直线导轨510向左移动(随动)。

以上对上下左右方位描述，仅是基于附图1中所示的视角进行的示例性描述，实践中可根据具体需要进行相对方向的互换，并不影响本实用新型的实施，因此权利要求所提及的方位，亦应理解为对包含相对方向的互换。

需要指出的是，本实用新型的典型应用在于实施例中针对大型铸造件的浇冒口切割和铣削加工场合，但是可以理解的是，本实用新型的应用不仅在于此，对于不带有随机误差的一般工件的复杂曲面加工，可以将多轴加工中心(例如五轴龙门加工中心)替换成搭配使用本实用新型的自适应工装的更少轴数的加工中心(例如三轴加工中心)，同时能达到调整姿态并加工工件的目的并能有效降低加工中心的成本投入。

针对不同的零件、不同的待加工区域分布、所用的不同类型的机床，自适应工装的功能和结构可以进行适当的调整，而不局限于提供绕X轴的旋转和沿Y轴的俯仰。自适应工装所提供的功能应趋于通过调整工件位姿，使待加工区域调整到便于机床工作头加工处理的方位，更优选地，调整到与基准位姿一致的方位。借助于自适应工装，能够有效地扩展数控机床的加工范围，使功能相对简单的数控机床也能够适应更为复杂的加工场景；相对地，另一方面，降低了工件加工对数控机床的复杂度要求，同样复杂的零件加工，借助于自适应工装相对于不借助自适应工装，能够使用结构和控制更为简单的数控机床进行加工。

在不冲突的情况下，上述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要理解的是，以上对本实用新型的具体实施例进行的描述只是为了说明本实用新型的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，但本实用新型并不限于上述特定实施例。凡是在本实用新型权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种自适应工装，包括本体及其控制装置，所述本体包括用于可释放地保持工件的工件保持部，其特征在于，

所述工件保持部固定设置在一工件安装架上，所述工件安装架可动地设置在一安装底座上，所述安装底座适于固定设置在一数控机床的工作台上，

所述工件安装架包括可切换的工件锁紧状态和工件可调状态，在所述工件锁紧状态下，所述工件安装架相对于所述安装底座固定；在所述工件可调状态下，所述工件安装架相对于所述安装底座运动以调整工件的位姿；

所述控制装置用于控制所述工件安装架的状态切换以及控制所述工件安装架相对于所述安装底座的运动。

2.根据权利要求1所述的自适应工装，其特征在于，

所述工件安装架相对于所述安装底座的运动包括，

围绕第一方向的旋转运动，以及包括在垂直于所述第一方向的第二方向上的俯仰运动。

3.根据权利要求2所述的自适应工装，其特征在于，所述数控机床为立式数控机床，所述第一方向为机床坐标系的X方向；所述第二方向为机床坐标系的Z方向。

4.根据权利要求2所述的自适应工装，其特征在于，所述安装底座包括左固定座和右固定座，所述左固定座与所述工件安装架左端接合，所述右固定座与所述工件安装架右端接合。

5.根据权利要求2所述的自适应工装，其特征在于，所述工件安装架围绕所述第一方向的旋转运动借助于一由左固定座旋转支撑的旋转驱动轴驱动旋转，所述旋转驱动轴由一动力源驱动。

6.根据权利要求4所述的自适应工装，其特征在于，所述工件安装架沿所述第二方向的俯仰运动借助于一设置在右固定座与所述工件安装架之间的自锁式直线运动组件实现。

7.根据权利要求6所述的自适应工装，其特征在于，所述自锁式直线运动组件包括丝杠和螺母，所述丝杠沿所述第二方向设置在所述右固定座上并由一动力源驱动，所述螺母可旋转地支撑所述工件安装架的右端。

8.根据权利要求5或7所述的自适应工装，其特征在于，所述动力源均与所述控制装置连接。

9.一种智能加工中心，包括一工作台，其特征在于，所述工作台上固定设置前述权利要求1-8中任一项所述的自适应工装，用于保持一待加工工件，

以及包括一位姿测量系统，所述位姿测量系统用于检测所述待加工工件上待加工区域的位姿，

所述自适应工装的控制装置用于根据所述位姿测量系统的反馈数据，控制所述自适应工装调整待加工工件的位姿，使其上的待加工区域调整到基准位姿。

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