CN104625785B - 浮动装夹自适应加工方法与工艺装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮动装夹自适应加工方法与工艺装备，该方法是根据零件去除一定材料后残余应力释放引起的变形，自动调整零件装夹的状态，加工中零件能够充分释放变形，零件卸载后变形量小。为实现此加工方法，发明了一种自适应装夹与监测装备，该装备保证一定夹紧力的前提下，根据零件变形自适应调整装夹点的空间位置，同时通过力传感器和位移传感器监测装夹点的受力和位移值。本发明保证了卸除装夹后，零件变形小，解决了加工后零件变形而引起的超差和报废，同时实现了装夹的自动化与智能化。
Description
技术领域
本发明涉及一种浮动装夹自适应加工方法与工艺装备，具体地说是一种在加工过程中释放残余应力以减小零件变形的浮动装夹自适应加工方法及工艺装备。
背景技术
对于大型航空零件，如飞机结构件中的框梁肋类零件，由于其结构复杂、尺寸大且材料去除率高，在加工过程中，零件的殘余应力不断的释放，而此时零件是固定的不动的，按此种状态加工的零件在加工完成拆除装夹后，会产生很大的变形，变形后还需重新修基准，重新装夹加工等工序，使得零件的加工费时、费力且加工精度不高，甚至造成零件超差报废，严重影响了飞机制造的周期。
减少零件变形程度，对于提高零件质量，延长零件使用寿命具有重要意义。目前针对零件加工初始残余应力释放引起变形的解决办法主要在于预测零件的变形，根据预测结果调整加工策略、装夹位置及夹紧力大小以减小变形量，但是由于同一批材料残余应力有着较大的差异性及同一块材料残余应力分布的不均匀性，预测结果与实际情况仍有较大的差距，致使零件加工精度仍然很难直接满足要求。
发明内容
本发明的目的是针对目前由于零件残余应力释放引起零件加工变形，导致零件加工精度低、寿命降低以及由此产生的生产效率低、处理工艺繁琐的问题，发明了一种能够根据零件变形情况自适应调整以释放残余应力，减小变形量的浮动装夹自适应加工方法与工艺装备。
本发明的技术方案之一是：
一种浮动装夹自适应加工方法，其特征是采用移动装夹点来固定零件，移动装夹点能由至少一个固定装夹点来替换；根据零件模型确定装夹点的位置，安装零件后，自适应装夹与监测装备对零件施加一定的夹紧力，当材料去除时零件释放残余应力，自适应装夹与监测装备和零件间的接触力会发生变化，通过自适应装夹与监测装备上的力传感器测量接触力的变化量，通过自适应装夹与监测装备调整装夹点的空间位置，使零件能够充分释放变形；相对于零件变形，自适应装夹与监测装备处于浮动状态，相对于切削力，自适应装夹与监测装备处于固定状态；最后，对零件加工基准及外形进行加工。
所述的浮动装夹自适应加工方法包括以下步骤：
步骤一、根据零件的形状，设计固定装夹点，选取零件中间边缘位置或变形小的位置，如全部采用移动装夹点，可以不设计固定装夹点；
步骤二、根据固定装加点位置及零件形状，设计移动装夹点的数量及位置；
步骤三、根据装夹点的位置，确定自适应装夹与监测装备的布局及初始状态；
步骤四、夹紧毛坯，记录各个力传感器初始数值，此时力传感器记录的力主要为夹紧力；
步骤五、在加工过程中或当刀具处于不加工状态时，判断各个力传感器的数值是否到达调整阈值，若达到则通过自适应装夹与监测装备调整装夹点的空间位置，使力传感器数值恢复初始值，以释放初始残余应力；
步骤六、监测装夹点位移量，判断零件变形量是否超过最大允许值，如果超过，停止自适应调整，使其成为固定装夹；如果没有超过，根据各点的变形量，调整加工原点，然后继续步骤五，直至加工结束；
步骤七、使用最新的加工原点，停止装备的自适应调整，对零件加工基准及外形进行加工，消除加工过程中变形对零件最终状态的影响。
本发明的技术方案之二是：
一种浮动装夹自适应加工方法用自适应装夹与监测装备，其特征是它包括安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器；安装基座通过螺钉或压板与机床连接；运动机构根据零件变形自适应调整装夹点空间位置；零件连接装置用于连接零件与自适应装夹与监测装备，并提供夹紧力；力传感器用于监测由于零件变形引起的装夹点受力变化值，位移传感器监测装夹点空间位移值,为浮动装夹自适应加工方法提供数据反馈。
所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个自适应夹紧平台，所述的自适应夹紧平台包括夹紧平台安装基座1.A、夹紧平台运动机构1.B、夹紧平台零件连接装置1.C、夹紧平台力传感器1.D和夹紧平台位移传感器1.E，夹紧平台安装基座1.A通过螺钉与工作台连接；夹紧平台运动机构1.B用于调节装夹点空间位置并调节夹紧力，它包括平台底座1.2、导轨支撑块1.3、U型导轨1.4、螺栓1.5、拉杆1.6、限位片1.7、传感器压块1.8、连接柱1.11、支撑件1.12、支撑柱1.13、固定法兰盘1.14、螺纹孔1.15、通气/液孔11.16、腔体11.17、缸体1.18、通气/液孔21.19、腔体21.20、长槽1.21、通气/液孔31.22、通气/液孔41.23、连接螺钉1.24、升降柱1.26、端盖1.27、密封圈11.28、活塞杆1.29、导向环1.30、腔体31.31、密封圈21.32、腔体41.33、密封圈31.34、密封圈41.35)；夹紧平台零件连接装置1.C包括：连接柱1.11；力传感器包括：力传感器1.1；位移传感器包括：X方向位移传感器1.10、Y方向位移传感器1.9、Z向位移传感器1.25；支撑件1.12和导轨支撑块1.3与平台底座1.2之间使用螺钉连接；U型导轨1.4安装在导轨支撑块1.3和连接柱1.11上，并与导轨支撑块1.3之间使用螺钉连接；力传感器1.1和传感器压块1.8放在支撑件1.12两侧的凹槽中，且传感器压块上表面有限位片1.7限制位置；限位片1.7通过螺钉支撑件1.12连接；XY方向位移传感器1.10，1.9分别固定在支撑件1.12和传感器压块1.8中；连接柱1.11安装在U型导轨1.4中且与导轨之间有间隙，加工时，一定的内应力使连接柱1.11在U型导轨1.4槽内克服摩擦力发生微小位移，即实现装夹点在XY平面的调整；零件装夹点Z向的调整通过气/液装置调整，当气/液孔11.16作为进气/液孔，气/液孔41.23作为出气/液孔时，升降柱1.26上升，可以实现装夹点Z轴位移量的增加；当气/液孔41.23作为进气/液孔，气/液孔11.16作为出气/液孔时，升降柱1.26下降，可以实现装夹点Z轴位移量的减少；夹紧零件时，通气/液孔31.22作为进气/液孔，向腔体41.33通入高压气/液体，通过腔体41.33和腔体21.20产生的压力差对活塞杆1.29产生拉力，通过U型导轨1.4对零件产生夹紧力。
所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个电机平台，所述的电机平台包括电机平台安装基座2.A、电机平台运动机构2.B、电机平台零件连接装置2.C、电机平台力传感器2.D和电机平台位移传感器2.E；电机平台安装基座2.A包括底座2.1、上座2.2，电机平台运动机构2.B包括：电动推杆电机2.3、导柱导套2.4、滑动平台底座2.5、X向电机2.6、螺帽2.8、X向滑动平台2.11、Y向电机2.12、Y向滑动平台2.13、电动推杆2.16；电机平台零件连接装置2.C包括：螺纹柱2.9；电机平台力传感器2.D包括：三向力传感器2.10；电机平台位移传感器2.E包括：X向位移传感器2.7、Y向位移传感器2.14和Z向位移传感器2.15；底座2.1用于固定电动推杆2.16及将装置固定于工作台面，三向力传感器2.10及螺纹柱2.9通过螺纹连接，零件工艺台通过螺母与螺纹柱2.9连接。电动推杆2.16用于控制平台的整体Z向移动，导柱、导套2.4起导向及平衡作用，X向电机2.6控制X向滑动平台2.11移动，同时X向位移传感器2.7测量平台的位移量，Y向移动同X向移动相同，即通过电动推杆2.16及XY向电机2.62.12实现滑动平台的XYZ向位移的调整；
所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个并联平台，所述的并联平台包括并联平台安装基座3.A、并联平台运动机构3.B、并联平台零件连接装置3.C和并联平台力传感器3.D；并联平台安装基座3.A包括：底座3.1，并联平台运动机构3.B包括：旋转杆13.2、传动机构I3.3、电机I3.4、伸缩杆I3.5、移动平台3.6、滑动柱3.7、伸缩杆II3.10、旋转杆II3.11、传动机构II3.12、电机II3.13、伸缩杆III3.14、传动机构III3.15、旋转杆III3.16、旋转柱3.17、电机III3.18；并联平台零件连接装置包括：螺纹柱3.9；并联平台力传感器包括：三向力传感器3.8；底座3.1通过螺钉与工作台连接，三向力传感器通过螺孔3.19固定于移动平台，零件工艺台通过螺母与螺纹柱3.9连接，传动机构通过螺孔3.22与底座3.1连接；所述的并联平台能实现移动平台3.6的XYZ三自由度移动，旋转杆III3.16固定于旋转柱3.17，之间无相对滑动及转动，电机III3.18通过传动机构III3.15控制旋转柱3.17的旋转角度，伸缩杆III3.14的直杆部分3.21能在旋转杆III3.16的滑槽内滑动，导套部分3.20能在滑动柱3.7上滑动；读取到加工点的压力数值后，根据压力状态通过电机分别控制三个旋转杆的角度即能控制移动平台3.6三个方向的平移，从而调整装夹点的空间位置以释放零件的变形。
所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个机器手臂夹持平台；所述的机器手臂夹持平台装置包括：机器手安装基座4.A、机器手运动机构4.B、机器手零件连接装置4.C和机器手力传感器4.D，机器手运动机构4.B包括：机器手臂4.2；机器手零件连接装置包括：机械爪4.4；机器手力传感器包括：力传感器4.3，机器手安装基座4.A通过螺钉与工作台连接，6自由度机器手臂能满足装夹点空间位置的调整，力传感器4.3固定于机械爪4.4中，机械爪提供夹紧力夹紧零件。
所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个气弹簧平台；所述的气弹簧平台包括：气弹簧安装基座5.A、气弹簧运动机构5.B、气弹簧零件连接装置5.C、气弹簧力传感器5.D和气弹簧位移传感器5.E；气弹簧安装基座5.A包括：底座5.1、固定板5.2和通线孔5.10；气弹簧运动机构5.B包括：气弹簧5.3、固定平台5.4、移动平台5.5、螺钉5.8、推杆电机5.11、电机连接螺纹5.12、推杆5.13、气弹簧锁紧顶针5.14、固定螺母5.15、气弹簧活塞杆5.16和连接螺母5.17；气弹簧零件连接装置5.C包括：螺纹柱5.6；气弹簧力传感器5.D包括：三向力传感器5.7；气弹簧位移传感器5.E包括：Z向位移传感器5.9；底座5.1通过螺钉与工作台连接；固定板5.2通过螺钉与底座5.1连接，利用固定螺母5.15固定气弹簧活塞杆5.16使气弹簧在运动时，活塞杆5.16静止；连接螺母5.17通过活塞杆5.16螺纹与电机连接螺纹5.12将两者连接，使推杆5.13接触气弹簧锁紧顶针5.14，推杆电机5.11工作时，推杆5.13推动气弹簧锁紧顶针5.14，此时气弹簧解除锁紧；气弹簧另一端固定于固定平台5.4，螺钉5.8连接固定平台5.4与移动平台5.5，螺钉头与移动平板5.5、固定平板5.4间有的间隙，使移动平板在一定范围内自由调节零件装夹点在XY平面的位置；零件工艺台通过螺母与螺纹柱5.6连接，螺纹柱5.6与三向力传感器5.7通过螺纹连接，三向力传感器5.7通过螺钉与移动平板5.5连接；Z向位移传感器固定于固定板5.2上；当需要调整装加点位置时，推杆电机5.11工作使气弹簧5.3解除锁紧，气弹簧5.3根据受力情况自动的调整零件装夹点的Z向位移量。
本发明的技术方案之三是：
一种自适应装夹与监测装备用控制系统，由总体控制模块和单个控制模块组成，其特征是总体控制模块可同时向不同数量的单个控制模块发送命令，单个控制模块可根据力传感器和位移传感器的测量值实时调整装夹点的空间位置，以实现实时释放零件加工过程中的因材料去除而产生的应力，并且在零件变形超过厚度要求而停止调节后，如果力传感器测量值超过最大调节范围时发出报警信号。
本发明的技术方案之四是：
一种自适应装夹与监测装备控制方法，其特征是它包括以下步骤：
步骤一，总体控制模块设定装备的初始状态，单个控制模块接收到命令后将装夹点调整至指定位置，然后完成零件装夹；
步骤二，装夹完成后，读取力传感器初始测量值F0。判断加工是否开始，若加工开始，则总体控制模块向单个自适应装夹与监测装备控制模块发送进入自动调节状态命令；否则，进入待命状态；
步骤三，单个控制模块进入自动调节状态后，读取力传感器实时测量值F，并进行处理和运算；
步骤四，计算力传感器实时测量值F与初始测量值F0差值ΔF，即，判断差值的绝对值是否超过单个自适应装夹与监测装备对应力传感器测量值变化阈值。若超过，则单个自适应装夹与监测装备控制模块发出位移调节命令，调整装夹点位移量；否则继续读取力传感器测量值并且判断；
步骤五，重复步骤四直至零件加工完成；
步骤六，判断位移量是否超过最大允许位移量hmax，若超过发出报警信号并停止加工；判断差值ΔF是否超过最大允许变化范围[Fmin，Fmax]，如果超过最大允许变化范围,发出报警信号并停止加工；
步骤七，加工结束，记录每个装夹点的位移量。
所述的力传感器初始测量值F0指零件装夹完成后机床加工之前力传感器测量值。
所述的最大允许位移量hmax等于毛坯的厚度减去零件粗加工完成后的理论剩余厚度，可表示为hmax＝h毛坯-h粗加工。
本发明的有益效果是：
1、该加工方法，加工过程中允许零件变形，加工后的零件变形小、应力低，延长了零件的使用寿命；
2、装夹与监测装备可以自适应控制装夹点的位移量，便于进行自动化加工；
3、可以根据零件的实时变形情况对加工工艺进行合理的优化，降低零件报废率；
4、加工后卸载装夹力后，产生的变形量小，加工精度高，零件不需要矫形加工效率高。
附图说明
图1为本发明加工方法示意图。
图中包括：固定装夹Ⅰ、零件变形情况Ⅱ、移动约束点Ⅲ、零件变形情况Ⅳ、零件Ⅴ、毛坯Ⅵ、零件要求外形Ⅶ、零件加工基准Ⅷ、零件最终形状Ⅸ。
图2为自适应装夹与监测装备图。
图中包括：①自适应夹紧平台、②电动平台、③并联平台、④机器手臂夹持平台、⑤气弹簧平台
图3为自适应夹紧平台细节图。
图中包括：力传感器1.1、平台底座1.2、导轨支撑块1.3、U型导轨1.4、螺栓1.5、拉杆1.6、限位片1.7、传感器压块1.8、Y方向位移传感器1.9、X方向位移传感器1.10、连接柱1.11、支撑件1.12、支撑柱1.13
图4为自适应夹紧平台细节图。
图中包括：固定法兰盘1.14、螺纹孔1.15、通气/液孔11.16、腔体11.17、缸体1.18、通气/液孔21.19、腔体21.20、长槽1.21、通气/液孔31.22、通气/液孔41.23、连接螺钉1.24、Z方向位移传感器1.25、升降柱1.26、端盖1.27、密封圈11.28、活塞杆1.29、导向环1.30、腔体31.31、密封圈21.32、腔体41.33、密封圈31.34、密封圈41.35)。
图5为电动平台图。
图中包括：包括底座2.1、上座2.2、电动推杆电机2.3、导柱导套2.4、滑动平台底座2.5、X向电机2.6、X向位移传感器2.7、螺帽2.8、螺纹柱2.9、三向力传感器2.10、X向滑动平台2.11、Y向电机2.12、Y向滑动平台2.13、Y向位移传感器2.14、Z向位移传感器2.15、电动推杆2.16。
图6为并联平台装置。
图中包括：底座3.1、旋转杆13.2、传动机构13.3、电机13.4、伸缩杆13.5、移动平台3.6、滑动柱3.7、三向力传感器3.8、螺纹柱3.9、伸缩杆23.10、旋转杆23.11、传动机构23.12、电机23.13、伸缩杆33.14、传动机构33.15、旋转杆33.16、旋转柱3.17、电机33.18。
图7为并联平台细节图。
图中包括：螺孔3.19、螺孔3.22伸缩杆导套部分3.20、伸缩杆直杆部分3.21。
图8为机器手臂夹持平台示意图。
图中包括：基座4.1、机器手臂4.2、力传感器4.3、机械爪4.4。
图9为气弹簧平台装置示意图。
图中包括：底座5.1、固定板5.2、气弹簧5.3、固定平台5.4、移动平台5.5、螺纹柱5.6、三向力传感器5.7、螺钉5.8、Z向位移传感器5.9、通线孔5.10、推杆电机5.11、电机连接螺纹5.12、推杆5.13、气弹簧锁紧顶针5.14、固定螺母5.15、气弹簧活塞杆5.16、连接螺母5.17。
图10为自适应夹紧平台装夹零件效果图。
图中包括：工作台ⅰ、零件ⅱ、自适应装夹平台ⅲ、固定装夹ⅳ。
图11为电动平台装夹零件效果图。
图中包括：工作台ⅰ、零件ⅱ、电动平台ⅲ、固定装夹ⅳ。
图12为并联平台装夹零件效果图。
图中包括：工作台ⅰ、零件ⅱ、并联平台ⅲ、固定装夹ⅳ。
图13为机器手臂平台装夹零件效果图。
图中包括：工作台ⅰ、零件ⅱ、机器手臂平台ⅲ、固定装夹ⅳ。
图14为气弹簧平台装夹零件效果图。
图中包括：工作台ⅰ、零件ⅱ、气弹簧平台ⅲ、固定装夹ⅳ。
图15为明自适应装夹与监测装备控制系统流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实例来说明本发明的具体实施方法，本发明不限于该实施例。
实施例一。
如图1所示。
一种浮动装夹自适应加工方法，它包括以下步骤：
步骤一，根据零件形状，如图1所示零件Ⅴ，为固定加工坐标系不变，合理布局固定装夹点的位置，一般选取零件中心位置边缘或变形量较小的位置；如图1所示零件Ⅴ，选取中心位置为固定装夹点，如图1Ⅰ所示；
步骤二，设计零件的移动装夹点位置，加工工艺台，如图1所示，零件变形两边变形较大，所以选取两边为移动装夹点如图1Ⅲ所示；
步骤三，根据工艺台的高度，选择合适的安装基座，固定安装基座于工作台上，并安装自适应装夹与监测装备；
步骤四，夹紧毛坯，记录力传感器数值；
步骤五，加工零件，采集力传感器数据，在加工过程中或当刀具处于抬刀等不加工状态时，比对数据，判断力传感器采集数值是否超过阈值，若超过则调节运动机构使移动装夹点自由变形，直至力传感器恢复原始数值；
步骤六，加工完成后，变形情况如附图1Ⅱ、Ⅳ所示，零件发生微翘曲，对零件加工基准如图1中Ⅷ及外形如图1中Ⅶ进行加工，消除加工过程中变形的对零件最终状态的影响。
本发明的自适应装夹与监测装备可以通过至少以下五种方式中的任一种加以实现，但本发明的保护并不仅仅在所列举的五种形式中，本领域技术人员根据以下五种实现方式的通用原理做适应的改进，但这种改进仍然在本发明的保护之中，
实施例二。
以下结合五种具体的装备，说明自适应装夹与监测装备的实施方式：
一、自适应夹紧平台。
如图2、3、4、10所示，自适应夹紧平台的实施方式为：
零件中间边缘位置为固定装夹位置，两边各固定5个自适应夹紧平台，自适应夹紧平台通过安装基座1.C与工作台连接，采用螺钉连接；安装基座1.C通过螺钉与运动机构连接；安装完毕自适应夹紧平台后，通过气/液装置调整升降柱1.26位置，使工艺台与装置接触，夹紧零件时，通气/液孔1.22作为进气/液孔，向腔体41.33通入高压气/液体，通过腔体41.33和腔体21.20产生的压力差对活塞杆1.29产生拉力，通过U型导轨1.4对零件产生夹紧力。全部夹紧后，记录各个力传感器初始数值。在加工过程中因为连接柱1.11安装在U型导轨1.4中且与导轨之间有间隙，所以一定的内应力使连接柱1.11在U型导轨1.4槽内克服摩擦力发生微小位移，即实现装夹点在XY平面的调整。零件加工时，产生内应力和切削力，通过工艺台作用于连接柱1.11，零件加工时应力作用于传感器压块1.8，当刀具处于抬刀等不加工状态时，比对数据，判断力传感器采集数值是否超过阈值，若超过则通过气/液装置调整零件装夹点Z向的位移量，当气/液孔11.16作为进气/液孔，气/液孔41.23作为出气/液孔时，升降柱1.26上升，可以实现装夹点Z轴位移量的增加；当气/液孔41.23作为进气/液孔，气/液孔11.16作为出气/液孔时，升降柱31.26下降，可以实现装夹点Z轴位移量的减少。连接柱1.11自适应调整位移时，位移传感器1.91.101.25将测得的位移值实时反馈给自适应系统，以进行工艺策略的调整。
二、电机平台。
如图2、5、11所示，自适应夹紧平台的实施方式为：
如图零件中间边缘位置固定装夹位置，两边各固定5个电机平台，电机平台通过安装基座2.1固定于工作台，采用螺孔连接。电动推杆2.16固定于安装基座2.1，采用螺孔连接。安装完毕电机平台后，微调各个电机平台，使力传感器工作面接触零件工艺台，然后使用螺母夹紧零件。全部夹紧后，记录各个力传感器初始数值。在加工过程中或当刀具处于抬刀等不加工状态时，比对数据，判断力传感器采集数值是否超过阈值，若超过则调节相应的电机，调整过程为：电动推杆2.16用于控制平台的整体Z向移动，导柱、导套2.4起导向及平衡作用，X向电机2.6控制X向滑动平台2.11移动，同时X向位移传感器2.7测量平台的位移量，Y向移动同X向移动相同，即通过电动推杆2.16及XY向电机2.62.12实现滑动平台的XYZ向位移的调整，通过平台移动以调节装夹点的空间位置，适应零件的变形。调整的同时，位移传感器2.72.142.15位移传感器将测得XYZ方向的位移值实时反馈给自适应系统，以进行工艺策略的调整。
三、并联平台。
如图2、6、7、12所示，自适应夹紧平台的实施方式为：
如图零件中间边缘位置为固定装夹位置，两边各固定5个并联平台，并联平台通过安装基座3.1固定于工作台，采用螺孔连接。安装完毕并联平台后，通过三个电机3.43.133.18调节对应旋转杆3.23.113.16的角度值，使力传感器工作面接触零件工艺台，然后使用螺母夹紧零件。全部夹紧后，记录各个力传感器初始数值。在加工过程中或当刀具处于抬刀等不加工状态时，比对数据，判断力传感器采集数值是否超过阈值，若超过则调节电机，调节装夹点的空间位置，适应零件的变形。例如当需要调Y向位移时，电机3.18不工作，电机3.43.13工作，使对应的旋转杆3.23.11转过相应的角度，伸缩杆33.14与旋转杆33.16无相对滑动，仅是其导套部分3.20在对应的滑动柱3.7上滑动，此时装夹点在Y轴上产生相应的位移量。零件装夹点的位移量可以通过计算获得，判断位移量是否超过最大允许位移量hmax，若超过发出报警信号并停止加工。
四、机器手臂平台。
如图2、8、13所示，自适应夹紧平台的实施方式为：
如图零件中间边缘位置为固定装夹位置，两边各固定5个并联平台，并联平台通过基座4.1固定于工作台，采用螺钉连接。安装完毕各个机器手臂平台后，调节机器手臂接触零件工艺台，然后通过机械爪4.4夹紧零件工艺台，记录此时的力传感器的数值。在加工过程中或当刀具处于抬刀等不加工状态时，比对数据，判断力传感器采集数值是否超过阈值，若超过则调节机器手臂，调节机械爪的空间位置，释放零件的变形。6自由度的机器手臂可以满足装夹点在加工过程中需要调整的位移量，充分释放变形。零件装夹点的位移量可以通过机器手臂内的各个传感器的数值计算获得，根据位移值判断位移量是否超过最大允许位移量，若超过发出报警信号并停止加工。
五、气弹簧平台。
如图2、9、14所示，自适应夹紧平台的实施方式为：
如图零件中间边缘位置为固定装夹位置，两边各固定5个并联平台，气弹簧通过底座5.1固定于工作台，采用螺钉连接。安装完毕气弹簧平台后，将气弹簧解锁，将零件安放于气弹簧平台上，通过螺母夹紧零件，然后锁紧气弹簧。记录此时力传感器数值。在加工过程中，因为螺钉5.8的螺钉头与移动平板5.5、固定平板5.4间有一定的间隙，使移动平板可在加工过程中自由调节零件装夹点在XY平面的位置。当刀具处于抬刀等不加工状态时，比对数据，判断力传感器采集数值是否超过阈值，若超过则通过推杆电机5.11推动推杆使气弹簧解锁，让气弹簧根据应力情况自适应的调整零件装夹点的Z向位移量，以充分释放变形，然后通过推杆电机5.11拉动推杆使气弹簧锁紧，继续加工过程。调整的同时，位移传感器5.9将测得Z方向的位移值实时反馈给自适应系统，以进行工艺策略的调整。
实施例三。
本发明的浮动装夹自适应加工方法控制系统框架及流程图如图15所示，它包括以下步骤：
步骤一，总体控制模块设定装夹点的工作位置H0，以保证零件装夹完成后，装夹点在各个方向均有可移动的余量。如装夹点运动的最大高度位移为Hm，则H0通常设定为Hm/2，也可根据经验确定。单个控制模块接收到命令后将装夹点调整至指定位置，然后完成零件装夹；
步骤二，装夹完成后，读取力传感器初始测量值F0。判断机床主轴是否开始转动，若主轴转动，则总体控制模块向单个控制模块发送进入调节状态命令；否则，进入待命状态；
步骤三，单个自适应装夹与监测装备控制模块自动调节状态后，读取力传感器实时测量值F，对实时读取的力进行信号处理和运算；
步骤四，计算力传感器实时测量值F与初始测量值F0差值ΔF，即ΔF＝F-F0，判断差值的绝对值|ΔF|是否超过单个装夹点对应力传感器测量值变化阈值Ft。如果|ΔF|＞Ft，则单个控制模块发出调节位移命令，调整装夹点位移量；否则继续读取力传感器测量值并且判断。调节方向由力传感器实时测量值F与初始测量值F0差值ΔF＝F-F0的符号确定；
步骤五、重复步骤四直至零件加工完成；
步骤六，判断位移量是否超过最大允许位移量hmax，若超过发出报警信号并停止加工；判断差值ΔF是否超过最大允许变化范围[Fmin，Fmax]，如果超过最大允许变化范围,发出报警信号并停止加工；
步骤七，加工结束，记录每个自适应工艺装备装夹点的偏移量。所述的力传感器初始测量值F0指零件装夹完成后机床加工之前力传感器测量值；所述的最大允许位移量hmax等于毛坯的厚度减去零件粗加工完成后的理论剩余厚度，可表示为hmax＝h毛坯-h粗加工。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种浮动装夹自适应加工方法，其特征是采用移动装夹点来固定零件，移动装夹点能由至少一个固定装夹点来替换；根据零件模型确定装夹点的位置，安装零件后，自适应装夹与监测装备对零件施加一定的夹紧力，当材料去除时零件释放残余应力，自适应装夹与监测装备和零件间的接触力会发生变化，通过自适应装夹与监测装备上的力传感器测量接触力的变化量，通过自适应装夹与监测装备调整装夹点的空间位置，使零件能够充分释放变形；相对于零件变形，自适应装夹与监测装备处于浮动状态，相对于切削力，自适应装夹与监测装备处于固定状态；最后，对零件加工基准及外形进行加工；具体包括以下步骤：
步骤一、根据零件的形状，设计固定装夹点，选取零件中间边缘位置或变形小的位置；
步骤二、根据固定装加点位置及零件形状，设计移动装夹点的数量及位置；
步骤三、根据装夹点的位置，确定自适应装夹与监测装备的布局及初始状态；
步骤四、夹紧毛坯，记录各个力传感器初始数值，此时力传感器记录的力主要为夹紧力；
步骤五、在加工过程中或当刀具处于不加工状态时，判断各个力传感器的数值是否到达调整阈值，若达到则通过自适应装夹与监测装备调整装夹点的空间位置，使力传感器数值恢复初始值，以释放初始残余应力；
步骤六、监测装夹点位移量，判断零件变形量是否超过最大允许值，如果超过，停止自适应调整，使其成为固定装夹；如果没有超过，根据各点的变形量，调整加工原点，然后继续步骤五，直至加工结束；
步骤七、使用最新的加工原点，停止装备的自适应调整，对零件加工基准及外形进行加工，消除加工过程中变形对零件最终状态的影响。
2.一种权利要求1所述的浮动装夹自适应加工方法用自适应装夹与监测装备，其特征是它包括安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器；安装基座通过螺钉或压板与机床连接；运动机构根据零件变形自适应调整装夹点空间位置；零件连接装置用于连接零件与自适应装夹与监测装备，并提供夹紧力；力传感器用于监测由于零件变形引起的装夹点受力变化值，位移传感器监测装夹点空间位移值,为浮动装夹自适应加工方法提供数据反馈。
3.根据权利要求2所述的自适应装夹与监测装备，其特征是所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个自适应夹紧平台，所述的自适应夹紧平台包括夹紧平台安装基座(1.A)、夹紧平台运动机构(1.B)、夹紧平台零件连接装置(1.C)、夹紧平台力传感器(1.D)和夹紧平台位移传感器(1.E)，夹紧平台安装基座(1.A)通过螺钉与工作台连接；夹紧平台运动机构(1.B)用于调节装夹点空间位置并调节夹紧力，它包括平台底座(1.2)、导轨支撑块(1.3)、U型导轨(1.4)、螺栓(1.5)、拉杆(1.6)、限位片(1.7)、传感器压块(1.8)、连接柱(1.11)、支撑件(1.12)、支撑柱(1.13)、固定法兰盘(1.14)、螺纹孔(1.15)、通气/液孔1(1.16)、腔体1(1.17)、缸体(1.18)、通气/液孔2(1.19)、腔体2(1.20)、长槽(1.21)、通气/液孔3(1.22)、通气/液孔4(1.23)、连接螺钉(1.24)、升降柱(1.26)、端盖(1.27)、密封圈1(1.28)、活塞杆(1.29)、导向环(1.30)、腔体3(1.31)、密封圈2(1.32)、腔体4(1.33)、密封圈3(1.34)、密封圈4(1.35)；夹紧平台零件连接装置(1.C)包括：连接柱(1.11)；力传感器包括：力传感器(1.1)；位移传感器包括：X方向位移传感器(1.10)、Y方向位移传感器(1.9)、Z向位移传感器(1.25)；支撑件(1.12)和导轨支撑块(1.3)与平台底座(1.2)之间使用螺钉连接；U型导轨(1.4)安装在导轨支撑块(1.3)和连接柱(1.11)上，并与导轨支撑块(1.3)之间使用螺钉连接；力传感器(1.1)和传感器压块(1.8)放在支撑件(1.12)两侧的凹槽中，且传感器压块上表面有限位片(1.7)限制位置；限位片(1.7)通过螺钉支撑件(1.12)连接；XY方向位移传感器(1.10，1.9)分别固定在支撑件(1.12)和传感器压块(1.8)中；连接柱(1.11)安装在U型导轨(1.4)中且与U型导轨(1.4)之间有间隙，加工时，一定的内应力使连接柱(1.11)在U型导轨(1.4)槽内克服摩擦力发生微小位移，即实现装夹点在XY平面的调整；零件装夹点Z向的调整通过气/液装置调整，当气/液孔1(1.16)作为进气/液孔，气/液孔4(1.23)作为出气/液孔时，升降柱(1.26)上升，可以实现装夹点Z轴位移量的增加；当气/液孔4(1.23)作为进气/液孔，气/液孔1(1.16)作为出气/液孔时，升降柱(1.26)下降，可以实现装夹点Z轴位移量的减少；夹紧零件时，通气/液孔3(1.22)作为进气/液孔，向腔体4(1.33)通入高压气/液体，通过腔体4(1.33)和腔体2(1.20)产生的压力差对活塞杆(1.29)产生拉力，通过U型导轨(1.4)对零件产生夹紧力。
4.根据权利要求2所述的自适应装夹与监测装备，其特征是所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个电机平台，所述的电机平台包括电机平台安装基座(2.A)、电机平台运动机构(2.B)、电机平台零件连接装置(2.C)、电机平台力传感器(2.D)和电机平台位移传感器(2.E)；电机平台安装基座(2.A)包括底座(2.1)、上座(2.2)，电机平台运动机构(2.B)包括：电动推杆电机(2.3)、导柱导套(2.4)、滑动平台底座(2.5)、X向电机(2.6)、螺帽(2.8)、X向滑动平台(2.11)、Y向电机(2.12)、Y向滑动平台(2.13)、电动推杆(2.16)；电机平台零件连接装置(2.C)包括：螺纹柱(2.9)；电机平台力传感器(2.D)包括：三向力传感器(2.10)；电机平台位移传感器(2.E)包括：X向位移传感器(2.7)、Y向位移传感器(2.14)和Z向位移传感器(2.15)；底座(2.1)用于固定电动推杆(2.16)及将装置固定于工作台面，三向力传感器(2.10)及螺纹柱(2.9)通过螺纹连接，零件工艺台通过螺母与螺纹柱(2.9)连接，电动推杆(2.16)用于控制平台的整体Z向移动，导柱、导套(2.4)起导向及平衡作用，X向电机(2.6)控制X向滑动平台(2.11)移动，同时X向位移传感器(2.7)测量平台的位移量，Y向移动同X向移动相同，即通过电动推杆(2.16)及XY向电机(2.6)(2.12)实现滑动平台的XYZ向位移的调整。
5.根据权利要求2所述的自适应装夹与监测装备，其特征是所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个并联平台，所述的并联平台包括并联平台安装基座(3.A)、并联平台运动机构(3.B)、并联平台零件连接装置(3.C)和并联平台力传感器(3.D)；并联平台安装基座(3.A)包括：底座(3.1)，并联平台运动机构(3.B)包括：旋转杆1(3.2)、传动机构I(3.3)、电机I(3.4)、伸缩杆I(3.5)、移动平台(3.6)、滑动柱(3.7)、伸缩杆II(3.10)、旋转杆II(3.11)、传动机构II(3.12)、电机II(3.13)、伸缩杆III(3.14)、传动机构III(3.15)、旋转杆III(3.16)、旋转柱(3.17)、电机III(3.18)；并联平台零件连接装置包括：螺纹柱(3.9)；并联平台力传感器包括：三向力传感器(3.8)；底座(3.1)通过螺钉与工作台连接，三向力传感器通过螺孔(3.19)固定于移动平台，零件工艺台通过螺母与螺纹柱(3.9)连接，传动机构通过螺孔(3.22)与底座(3.1)连接；所述的并联平台能实现移动平台(3.6)的XYZ三自由度移动，旋转杆III(3.16)固定于旋转柱(3.17)，之间无相对滑动及转动，电机III(3.18)通过传动机构III(3.15)控制旋转柱(3.17)的旋转角度，伸缩杆III(3.14)的直杆部分(3.21)能在旋转杆III(3.16)的滑槽内滑动，导套部分(3.20)能在滑动柱(3.7)上滑动；读取到加工点的压力数值后，根据压力状态通过电机分别控制三个旋转杆的角度即能控制移动平台(3.6)三个方向的平移，从而调整装夹点的空间位置以释放零件的变形。
6.根据权利要求2所述的自适应装夹与监测装备，其特征是所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个机器手臂夹持平台；所述的机器手臂夹持平台装置包括：机器手安装基座(4.A)、机器手运动机构(4.B)、机器手零件连接装置(4.C)和机器手力传感器(4.D)，机器手运动机构(4.B)包括：机器手臂(4.2)；机器手零件连接装置包括：机械爪(4.4)；机器手力传感器包括：力传感器(4.3)，机器手安装基座(4.A)通过螺钉与工作台连接，6自由度机器手臂能满足装夹点空间位置的调整，力传感器(4.3)固定于机械爪(4.4)中，机械爪提供夹紧力夹紧零件。
7.根据权利要求2所述的自适应装夹与监测装备，其特征是所述的安装基座、运动机构、零件连接装置、力传感器和位移传感器构成一个气弹簧平台；所述的气弹簧平台包括：气弹簧安装基座(5.A)、气弹簧运动机构(5.B)、气弹簧零件连接装置(5.C)、气弹簧力传感器(5.D)和气弹簧位移传感器(5.E)；气弹簧安装基座(5.A)包括：底座(5.1)、固定板(5.2)和通线孔(5.10)；气弹簧运动机构(5.B)包括：气弹簧(5.3)、固定平台(5.4)、移动平台(5.5)、螺钉(5.8)、推杆电机(5.11)、电机连接螺纹(5.12)、推杆(5.13)、气弹簧锁紧顶针(5.14)、固定螺母(5.15)、气弹簧活塞杆(5.16)和连接螺母(5.17)；气弹簧零件连接装置(5.C)包括：螺纹柱(5.6)；气弹簧力传感器(5.D)包括：三向力传感器(5.7)；气弹簧位移传感器(5.E)包括：Z向位移传感器(5.9)；底座(5.1)通过螺钉与工作台连接；固定板(5.2)通过螺钉与底座(5.1)连接，利用固定螺母(5.15)固定气弹簧活塞杆(5.16)使气弹簧在运动时，活塞杆(5.16)静止；连接螺母(5.17)通过活塞杆(5.16)螺纹与电机连接螺纹(5.12)将两者连接，使推杆(5.13)接触气弹簧锁紧顶针(5.14)，推杆电机(5.11)工作时，推杆(5.13)推动气弹簧锁紧顶针(5.14)，此时气弹簧解除锁紧；气弹簧另一端固定于固定平台(5.4)，螺钉(5.8)连接固定平台(5.4)与移动平台(5.5)，螺钉头与移动平板(5.5)、固定平板(5.4)间有的间隙，使移动平板在一定范围内自由调节零件装夹点在XY平面的位置；零件工艺台通过螺母与螺纹柱(5.6)连接，螺纹柱(5.6)与三向力传感器(5.7)通过螺纹连接，三向力传感器(5.7)通过螺钉与移动平板(5.5)连接；Z向位移传感器固定于固定板(5.2)上；当需要调整装加点位置时，推杆电机(5.11)工作使气弹簧(5.3)解除锁紧，气弹簧(5.3)根据受力情况自动的调整零件装夹点的Z向位移量。
8.一种权利要求2所述的自适应装夹与监测装备用控制系统，它由总体控制模块和单个控制模块组成，总体控制模块同时向不同数量的单个控制模块发送命令，单个控制模块根据力传感器和位移传感器的测量值实时调整装夹点的空间位置，以实现实时释放零件加工过程中的因材料去除而产生的应力，并且在零件变形超过厚度要求而停止调节后，如果力传感器测量值超过最大调节范围时发出报警信号。
9.一种权利要求8所述的控制系统的控制方法，其特征是它包括以下步骤：
步骤一，总体控制模块设定装备的初始状态，单个控制模块接收到命令后将装夹点调整至指定位置，然后完成零件装夹；
步骤二，装夹完成后，读取力传感器初始测量值F0；判断加工是否开始，若加工开始，则总体控制模块向单个自适应装夹与监测装备控制模块发送进入自动调节状态命令；否则，进入待命状态；
步骤三，单个控制模块进入自动调节状态后，读取力传感器实时测量值F，并进行处理和运算；
步骤四，计算力传感器实时测量值F与初始测量值F0差值ΔF，即，判断差值的绝对值是否超过单个自适应装夹与监测装备对应力传感器测量值变化阈值，若超过，则单个自适应装夹与监测装备控制模块发出位移调节命令，调整装夹点位移量；否则继续读取力传感器测量值并且判断；
步骤五，重复步骤四直至零件加工完成；
步骤六，判断位移量是否超过最大允许位移量hmax，若超过发出报警信号并停止加工；判断差值ΔF是否超过最大允许变化范围[Fmin，Fmax]，如果超过最大允许变化范围,发出报警信号并停止加工；
步骤七，加工结束，记录每个装夹点的位移量；
所述的力传感器初始测量值F0指零件装夹完成后机床加工之前力传感器测量值；
所述的最大允许位移量hmax等于毛坯的厚度减去零件粗加工完成后的理论剩余厚度，可表示为hmax＝h毛坯-h粗加工。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |