薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工智能夾具的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工智能夾具的設(shè)計(jì)方法，其特征是：（一）、XY向平動結(jié)構(gòu)包括X向進(jìn)給結(jié)構(gòu)與Y向進(jìn)給結(jié)構(gòu)，（二）、支承單元結(jié)構(gòu)包括Z向支持結(jié)構(gòu)和其接觸單元結(jié)構(gòu)，（三）、夾具總體結(jié)構(gòu)包括夾具基座，（四）、智能夾具系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)獲取走刀路徑并存儲分析和工件下方的位移傳感器獲取工件加工前的初始位置并記錄。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用固定支承為輔，可移動的浮動支承為主的支承方式，固定支承位于工件四周，待加工完成后因固定裝夾而變形的部分可以去除，不影響零件的精度。初始裝夾時，由固定和浮動的兩種支承共同作用，使工件受力均勻，防止產(chǎn)生不必要的初始?xì)堄鄳?yīng)力，從而減少夾緊誤差，提高加工精度。
【專利說明】
[0001] 薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控鐵削加工智能夾具的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種設(shè)及航空航天的薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工 智能夾具的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工一種新型智能夾具系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)設(shè)計(jì)。該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了 本發(fā)明可W實(shí)現(xiàn)用W移動的支承所提供的支持力來抵消刀具帶來的厚度方向上的切削力， 從而大大減小工件因切削力產(chǎn)生的變形，提高加工精度，此外，支承單元內(nèi)的隔振設(shè)計(jì)也能 減少切削顫振，減少工件表面誤差。移動的支承設(shè)計(jì)W及各模塊的可拆裝設(shè)計(jì)最大程度上 兼容了各類薄壁結(jié)構(gòu)件的加工，同時便于組裝和拆解。傳統(tǒng)裝夾方式下加工的薄壁結(jié)構(gòu)件 存在著產(chǎn)品質(zhì)量低，廢品率高的缺點(diǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，20%~60%的加工誤差來源于裝夾的變形和加 工過程中裝夾的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的裝夾方案獲取方法，往往是根據(jù)工程師的直觀判斷或者是 長期加工經(jīng)驗(yàn)積累，或者是對工件剛度較低部位進(jìn)行針對性加固。運(yùn)樣的方式并不能適應(yīng) 各種加工要求。
[0004] 目前、國外大量采用了自動化程度較高的專用夾具，如采用液壓可調(diào)整工裝，在加 工零件外輪廓中當(dāng)切削刀具接近壓緊點(diǎn)時壓板自動讓開，刀具切削后壓板立即返回原位壓 緊零件。還有一些公司采用與被加工零件相同的材料制造夾具、壓板，裝夾時與零件形成一 體，切削過程中不必考慮避讓夾具壓板，加工效率明顯提高。國內(nèi)對合金航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加 工中的工裝夾具缺少較為深入的研究和開發(fā)，更多的是采用簡單機(jī)械裝夾方式。簡單機(jī)械 裝夾方式受人為因素影響，夾緊力不容易控制。還有一些平面型單面結(jié)構(gòu)、厚度較小結(jié)構(gòu)件 的夾緊采用真空吸附方式，而真空吸附方式對于厚度較大、雙面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件吸附效果較 差D

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)減小工件加工時的變形W及由于系統(tǒng)顫振所 帶來的表面誤差，解決了傳統(tǒng)裝夾下加工薄壁件所帶來的生產(chǎn)周期長，降低廢品率的薄壁 結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工智能夾具的設(shè)計(jì)方法。
[0006] 本發(fā)明是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的，其特征是： (一） 、XY向平動結(jié)構(gòu)包括X向進(jìn)給結(jié)構(gòu)與Y向進(jìn)給結(jié)構(gòu)，X向進(jìn)給結(jié)構(gòu)和Y向進(jìn)給結(jié)構(gòu)分 別由底座結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌，絲杠，電動機(jī)組成，將Y向進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)置于X向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌上利用絲杠 傳動，支承單元置于Y向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌上利用絲杠傳動即完成二軸聯(lián)動，支承單元結(jié)構(gòu)在XY方 向上完成運(yùn)動； (二） 、支承單元結(jié)構(gòu)包括Z向支持結(jié)構(gòu)和其接觸單元結(jié)構(gòu)， Z向支持結(jié)構(gòu)采用電動機(jī)驅(qū)動絲杠，在導(dǎo)軌上帶動接觸單元傳動，由底座結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌，絲 杠，電動機(jī)，接觸結(jié)構(gòu)組成，將接觸結(jié)構(gòu)設(shè)置于導(dǎo)軌上利用絲杠傳動完成Z向支持，使接觸結(jié) 構(gòu)能夠在Z方向上運(yùn)動;接觸單元結(jié)構(gòu):接觸單元的隔振設(shè)計(jì)隔振器由無質(zhì)量的線性彈黃和 無質(zhì)量的粘性阻尼器組成； (=)、夾具總體結(jié)構(gòu)包括夾具基座，平動結(jié)構(gòu)，支承單元=部分，其中將將支承單元固 定在平動結(jié)構(gòu)上構(gòu)成一個支承模塊，每一個支承模塊W自由拆卸的方式安裝在夾具基座的 中屯、部位，夾具基座的四周提供固定工件的固定支承，固定支承方式可任意拆裝； (四）、智能夾具系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)獲取走刀路徑并存儲分析和工件下方的位移傳感器獲 取工件加工前的初始位置并記錄，計(jì)算機(jī)根據(jù)刀具路徑驅(qū)動兩軸傳動裝置，使支承單元一 直處于刀具正下方并與刀具一同運(yùn)動，傳感器監(jiān)測工件位置，計(jì)算機(jī)控制Z向支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行 補(bǔ)償。
[0007] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用固定支承為輔，可移動的浮動支承為主的支承方式，固定支 承位于工件四周，待加工完成后因固定裝夾而變形的部分可W去除，不影響零件的精度。初 始裝夾時，由固定和浮動的兩種支承共同作用，使工件受力均勻，防止產(chǎn)生不必要的初始?xì)?余應(yīng)力，從而減少夾緊誤差，提高加工精度。于此同時，在浮動支承內(nèi)部設(shè)計(jì)隔振用W減少 切削顫振。夾具裝置機(jī)構(gòu)模塊化，裝置由若干模塊構(gòu)成，各個模塊可W組裝和拆解?？刹鹧b 的模塊化設(shè)計(jì)使得裝置便于運(yùn)輸和維護(hù)保養(yǎng)。
【附圖說明】
[0008] W下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明： 圖1是薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工時"欠切"現(xiàn)象的示意圖； 圖2是是薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工時有移動支承的示意圖； 圖3是二軸聯(lián)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是支承單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是接觸單元內(nèi)部隔振的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是接觸部分模式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是夾具總體結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖8是智能夾具系統(tǒng)流程圖的示意圖； 圖9是薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工智能夾具所示的正視圖； 圖10是薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工智能夾具所示的俯視圖； 圖11是薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工智能夾具所示的左視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 步驟 1: 如圖1-8所示，該薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工智能夾具包括基座1、固定支承2、X向傳動裝 置3、Y向傳動裝置4和支承單元結(jié)構(gòu)5,其設(shè)計(jì)步驟1:(一）、XY向平動結(jié)構(gòu)包括X向進(jìn)給結(jié)構(gòu) 與Y向進(jìn)給結(jié)構(gòu)，X向進(jìn)給結(jié)構(gòu)和Y向進(jìn)給結(jié)構(gòu)分別由底座結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌，絲杠，電動機(jī)組成，將Y 向進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)置于X向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌上利用絲杠傳動，支承單元置于Y向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌上利用絲 杠傳動即完成二軸聯(lián)動，支承單元結(jié)構(gòu)在XY方向上完成運(yùn)動;XY向平動結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)支承單 元"跟隨"刀具一同進(jìn)給的部分。對于此部分而言，只需要跟上刀具并克服一定的摩擦阻力 即可，并非需要達(dá)到機(jī)床一樣的大力矩或高精度。因此，此部分選用雙電動機(jī)驅(qū)動絲杠在導(dǎo) 軌上傳動所組成的兩軸聯(lián)動裝置。
[0010] (二）、支承單元結(jié)構(gòu)包括Z向支持結(jié)構(gòu)和其接觸單元結(jié)構(gòu)，Z向支持結(jié)構(gòu)采用電動 機(jī)驅(qū)動絲杠，在導(dǎo)軌上帶動接觸單元傳動，由底座結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌，絲杠，電動機(jī)，接觸結(jié)構(gòu)組成， 將接觸結(jié)構(gòu)設(shè)置于導(dǎo)軌上利用絲杠傳動完成Z向支持，使接觸結(jié)構(gòu)能夠在Z方向上運(yùn)動;接 觸單元結(jié)構(gòu)：接觸單元的隔振設(shè)計(jì)隔振器由無質(zhì)量的線性彈黃和無質(zhì)量的粘性阻尼器組 成；：Z向支持結(jié)構(gòu)即是提供Z向向上支持力W抵消刀具在Z方向上壓力的裝置。與上文兩軸 聯(lián)動裝置類似，為保留結(jié)構(gòu)簡單且易于操作的優(yōu)點(diǎn)，同樣采用電動機(jī)驅(qū)動絲杠，在導(dǎo)軌上帶 動接觸單元傳動W達(dá)到調(diào)整高度，支持工件的目的。
[0011] ( = )、夾具總體結(jié)構(gòu)包括夾具基座，平動結(jié)構(gòu)，支承單元=部分，其中將將支承單 元固定在平動結(jié)構(gòu)上構(gòu)成一個支承模塊，每一個支承模塊W自由拆卸的方式安裝在夾具基 座的中屯、部位，夾具基座的四周提供固定工件的固定支承，固定支承方式可任意拆裝； (四）、智能夾具系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)獲取走刀路徑并存儲分析和工件下方的位移傳感器獲 取工件加工前的初始位置并記錄，計(jì)算機(jī)根據(jù)刀具路徑驅(qū)動兩軸傳動裝置，使支承單元一 直處于刀具正下方并與刀具一同運(yùn)動，傳感器監(jiān)測工件位置，計(jì)算機(jī)控制Z向支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行 補(bǔ)償。（建議結(jié)合圖8智能夾具系統(tǒng)流程圖做進(jìn)一步祥細(xì)的描述） 步驟2:對各部件進(jìn)行詳細(xì)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了電動機(jī)、導(dǎo)軌、絲杠、底座與基座和 隔振器的型號選擇和參數(shù)計(jì)算。
[0012] 電動機(jī)的選型依據(jù):為滿足W上設(shè)計(jì)性能要求，傳動量要求精確且易于控制，故電 動機(jī)選用57系列兩相步進(jìn)電：絕緣電阻IOOM Q Min 500VDC，耐壓500V AC Iminute，徑 向跳動最大〇.〇2mm(450g負(fù)載），軸向跳動最大0.08mm(450g負(fù)載）dXY向平動結(jié)構(gòu)所用電 機(jī)需要轉(zhuǎn)矩稍大，故選用BS57皿76-03:步矩角1.8°，電機(jī)長度76 mm，保持轉(zhuǎn)矩1.35 N.m，額 定電流3.0 A/Phase，相電阻1.00,相電感1.6 mH轉(zhuǎn)子慣量480,電機(jī)重量1.0kg。
[0013] Z向支持結(jié)構(gòu)所用電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩稍小，故選用BS57皿51-03:步矩角1.8°，電機(jī)長度 51mm，保持轉(zhuǎn)矩0.72N.m，額定電流3.0A/Phase，相電阻1.65Q，相電感0.9mH轉(zhuǎn)子慣量 275,電機(jī)重量0.65kg。
[0014] 導(dǎo)軌的選型依據(jù):要求導(dǎo)軌承載能力強(qiáng)且要降低其重量，故選擇強(qiáng)度較高且密度 又低的侶合金5000系列作為導(dǎo)軌的基本材料。導(dǎo)軌類型選用=角形導(dǎo)軌導(dǎo)軌磨合后能自 動補(bǔ)償，故導(dǎo)向精度高，導(dǎo)向性能與頂角有關(guān)，頂角越小導(dǎo)向性越好，頂角越大導(dǎo)軌面當(dāng)量 摩擦系數(shù)加大;承載能力增加，故取頂角為60°。
[0015] 絲杠的選型依據(jù):依據(jù)裝置所要求的電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，裝置負(fù)載，摩擦系數(shù)，機(jī)械效 率綜合計(jì)算考慮。絲杠統(tǒng)一選用SFU1605-3:公稱直徑16mm，導(dǎo)程5mm，珠徑3.175mm，動載 780kg，靜載 1750kgf。
[0016] 底座與基座的選型依據(jù):所選取的XY向平動結(jié)構(gòu)W及支承單元結(jié)構(gòu)的底座材料為 5052侶合金材料，是應(yīng)用最廣的一種防誘侶，運(yùn)種合金的強(qiáng)度高，特別是具有抗疲勞強(qiáng)度： 塑性與耐腐蝕性高;夾具整體的基座的材料選用c45e鋼材，是一種廣泛用于機(jī)械制造的鋼 材，運(yùn)種鋼的機(jī)械性能很好。
[0017] 減速阻尼器的選型依據(jù):對于隔振，我們可將問題簡化為單自由度隔振系統(tǒng)。則隔 振系數(shù)n可寫為：
式中n為隔振系避
，為激勵頻率，為隔振系統(tǒng)固有頻率;C為粘性阻尼系 數(shù)，C。為臨界阻尼系數(shù)。只有當(dāng)頻率比A〉VI時，才有隔振效果，且隨著A增加，隔振效果也 逐漸增大，實(shí)用中取A=2.55。隔振器由無質(zhì)量的線性彈黃和無質(zhì)量的粘性阻尼器組成，如 圖。此后，根據(jù)不同機(jī)床系統(tǒng)可調(diào)整參數(shù)。 步驟3:運(yùn)用CATIA軟件對彈射裝置進(jìn)行了 S維實(shí)體建模，展示了裝置各部件的連接與 裝配關(guān)系，直觀而形象地說明了裝置的結(jié)構(gòu)特征。
[0018] 如圖9-11所示，該薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銳削加工智能夾具包括基座1、固定支承2、X向 傳動裝置3、Y向傳動裝置4和支承單元結(jié)構(gòu)5,圖9示出了夾具基座1位于最下方，其上方為固 定支承2，X向傳動裝置3，Y向傳動裝置4,支承單元結(jié)構(gòu)5。其中固定支承2位于夾具結(jié)構(gòu)的最 兩側(cè);夾具基座1上方平均放置=個X向傳動結(jié)構(gòu)3;每個X向傳動結(jié)構(gòu)3上有一個Y向傳動結(jié) 構(gòu)4;每個Y向傳動結(jié)構(gòu)4上放置一個支承單元結(jié)構(gòu)5。
[0019] 圖9，10示出了每個支承單元結(jié)構(gòu)W通過每個Y向傳動結(jié)構(gòu)的絲杠的方式置于其導(dǎo) 軌上，使結(jié)構(gòu)5可WY方向運(yùn)動;每個Y向傳動結(jié)構(gòu)4同樣W通過X向傳動結(jié)構(gòu)3的絲杠的方式 置于其導(dǎo)軌上，使結(jié)構(gòu)5(通過結(jié)構(gòu)4并與結(jié)構(gòu)4)可W進(jìn)行X方向的運(yùn)動； 圖9，11示出固定支承結(jié)構(gòu)2，X向傳動結(jié)構(gòu)3與其上結(jié)構(gòu)(Y向傳動結(jié)構(gòu)4，支承單元結(jié)構(gòu) 5) W嵌入方式置于夾具基座1中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工智能夾具的設(shè)計(jì)方法，其特征是： (一） 、XY向平動結(jié)構(gòu)包括X向進(jìn)給結(jié)構(gòu)與Y向進(jìn)給結(jié)構(gòu)，X向進(jìn)給結(jié)構(gòu)和Y向進(jìn)給結(jié)構(gòu)分 別由底座結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌，絲杠，電動機(jī)組成，將Y向進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)置于X向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌上利用絲杠 傳動，支承單元置于Y向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌上利用絲杠傳動即完成二軸聯(lián)動，支承單元結(jié)構(gòu)在XY方 向上完成運(yùn)動； (二） 、支承單元結(jié)構(gòu)包括Z向支持結(jié)構(gòu)和其接觸單元結(jié)構(gòu)， Z向支持結(jié)構(gòu)采用電動機(jī)驅(qū)動絲杠，在導(dǎo)軌上帶動接觸單元傳動，由底座結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌，絲 杠，電動機(jī)，接觸結(jié)構(gòu)組成，將接觸結(jié)構(gòu)設(shè)置于導(dǎo)軌上利用絲杠傳動完成Z向支持，使接觸結(jié) 構(gòu)能夠在Z方向上運(yùn)動;接觸單元結(jié)構(gòu):接觸單元的隔振設(shè)計(jì)隔振器由無質(zhì)量的線性彈簧和 無質(zhì)量的粘性阻尼器組成； (三） 、夾具總體結(jié)構(gòu)包括夾具基座，平動結(jié)構(gòu)，支承單元三部分，其中將將支承單元固 定在平動結(jié)構(gòu)上構(gòu)成一個支承模塊，每一個支承模塊以自由拆卸的方式安裝在夾具基座的 中心部位，夾具基座的四周提供固定工件的固定支承，固定支承方式可任意拆裝； (四） 、智能夾具系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)獲取走刀路徑并存儲分析和工件下方的位移傳感器獲 取工件加工前的初始位置并記錄，計(jì)算機(jī)根據(jù)刀具路徑驅(qū)動兩軸傳動裝置，使支承單元一 直處于刀具正下方并與刀具一同運(yùn)動，傳感器監(jiān)測工件位置，計(jì)算機(jī)控制Z向支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行 補(bǔ)償。2. 根椐權(quán)利要求1所述的薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工智能夾具的設(shè)計(jì)方法，其特征是:薄 壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工智能夾具包括夾具基座、固定支承、X向傳動裝置、Y向傳動裝置和支 承單元結(jié)構(gòu)，夾具基座的上方設(shè)置有固定支承，X向傳動裝置，Y向傳動裝置，支承單元結(jié)構(gòu)， 其中固定支承位于夾具結(jié)構(gòu)的最兩側(cè);夾具基座的上方平均放置三個X向傳動結(jié)構(gòu);每個X 向傳動結(jié)構(gòu)上有一個Y向傳動結(jié)構(gòu)，每個Y向傳動結(jié)構(gòu)上放置一個支承單元結(jié)構(gòu)。3. 根椐權(quán)利要求1和2所述的薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工智能夾具的設(shè)計(jì)方法，其特征 是:每個支承單元結(jié)構(gòu)以通過每個Y向傳動結(jié)構(gòu)的絲杠的方式置于其導(dǎo)軌上，使結(jié)構(gòu)可以Y 方向運(yùn)動;每個Y向傳動結(jié)構(gòu)同樣以通過X向傳動結(jié)構(gòu)的絲杠的方式置于導(dǎo)軌上，使支承單 元結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行X方向的運(yùn)動。4. 根椐權(quán)利要求1和2所述的薄壁結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工智能夾具的設(shè)計(jì)方法，其特征 是：固定支承結(jié)構(gòu)，X向傳動結(jié)構(gòu)與其上的Y向傳動結(jié)構(gòu)，支承單元結(jié)構(gòu)以嵌入方式置于夾具 基座中。
【文檔編號】B23Q5/40GK105904271SQ201610346138
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】楊靖宇, 張智捷
【申請人】沈陽航空航天大學(xué)