CN111590367B - 一种回转类零件检测与找正一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种回转类零件检测与找正一体化装置及方法，属于机械超精密加工领域。包括固定单元、检测单元、控制单元、调整单元和辅助单元。利用真空吸气装置将薄壁回转类零件吸在夹具上，圆跳动测量仪获得薄壁回转类零件一周的圆跳动数据点，重构分析数据得到零件回转中心与主轴回转中心的偏移距离和相位差，进而得到X轴、Y轴应该调整的方向和距离并存储在主控制器中，主控制器生成指令，微纳米执行器收到指令后推动零件法兰盘，检测系统继续执行圆跳动检测工作，重复上述过程，直至零件回转中心与主轴回转中心偏移距离满足许用误差要求，停止工作。本发明能够解决回转类表面作为加工其他表面的定位基准或者二次装夹时回转中心不重合导致零件壁厚不均匀的问题，易于实现自动化。

Description

一种回转类零件检测与找正一体化装置及方法

技术领域

本发明属于机械超精密加工领域，涉及一种回转类零件检测与找正一体化装置及方法。

背景技术

随着仪器精密化和轻量化的发展趋势，对零件加工提出了越来越高的要求。为了满足航空航天、医学、光学等领域零件使用的特殊要求，很多回转类零件要求轮廓精度、壁厚误差要达到微米/亚微米级别，这对于难加工、尺寸大的薄壁零件来说是一个巨大的挑战。薄壁回转类零件作为一种典型的轻量化、薄壁化零件，刚性很差，其加工质量与定位装夹的精度密切相关。在加工过程中，如果零件回转中心不能与主轴回转中心很好的重合，会直接导致加工出的零件轮廓精度达不到要求；对于需要双面加工保持壁厚的零件，如果不能使翻面前后回转中心重合，也会使最后加工出的零件壁厚误差较大，从而影响零件的使用性能甚至造成废件。

目前对于薄壁回转类零件回转中心的找正多采用千分表检测、人工敲打的方式，而随着加工要求的提高，将定位误差控制在微/亚微米级别已经严重超出人工的控制范围，而且人工敲打会受到各种人为因素的影响导致成功率不高、耗时长，因此，需要发明一种新的精确的简洁高效的回转类零件检测与找正一体化装置及方法。专利公布号CN105058110A公开了一种薄壁筒形零件的定位装置，原理是将筒形零件安装在固定的定位体和定位套中间的装配间隙进行拉紧从而实现定位；专利公布号CN108393713A公开了一种圆环类零件的定位装置，原理是利用内外圆盘上的滑块推杆装置将圆环零件进行定位夹紧。但是上述两个专利的回转中心定位精度极度依赖于定位体或者圆盘滑块的形位精度，装夹定位过程中摩擦力引起的磨损也会影响其定位精度。此外，需要工人进行手动装夹定位，精度会受到工人技术水平的影响，不易于实现自动化。

发明内容

针对现有定位装置对回转类零件定位精度不高，比较依赖工人技术水平的问题，本发明提出一种回转类零件检测与找正一体化装置及方法，可以有效解决回转类表面作为加工其他表面的定位基准或者二次装夹时回转中心不重合导致零件壁厚不均匀的问题，且易于实现自动化。

本发明利用真空吸力将薄壁回转类零件10吸在夹具上，圆跳动测量仪获得薄壁回转类零件10上一周的圆跳动数据点，数据处理器将数据分析重构得到零件回转中心与主轴回转中心的偏移距离和相位差，通过构造的函数算法分别得到X轴、Y轴上应该调整的方向和距离(基准坐标系是由互相垂直的两对微纳米执行器所在直线作为X、Y轴组成的，原点为主轴回转中心投影在零件定位面上的点，微纳米执行器对应编号为a、b、c、d如图5所示)并存储在主控制器中，主控制器将数字信号转换成调整单元可以识别的动作指令，微纳米执行器收到指令后推动薄壁回转类零件法兰盘11，然后检测单元继续执行圆跳动检测工作，重复上述过程，形成一个闭环的工作系统，直至检测单元检测到零件回转中心与主轴回转中心的偏移距离L满足许用误差L₁要求(L≤L₁)，停止工作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种回转类零件检测与找正一体化装置，包括固定单元、检测单元、控制单元、调整单元和辅助单元。

所述固定单元包括主轴座2、主轴1、燕尾槽3、固定夹具体15、限位滑槽18、连接板14和可换夹具体12。所述的主轴座2与主轴1配合连接，主轴座2右端顶部中间位置开一个燕尾槽3，起导向限位作用。所述的主轴1与固定夹具体15底部通过螺栓固接，主轴1中心处开有空气流通通道。所述的固定夹具体15为一端封闭的圆筒形结构，固定夹具体15的封闭端中心处开有与主轴空气流通通道大小相同的空气流通通道16，空气流通通道16与吸气装置连通，固定夹具体15的开放端外侧设有四个限位滑槽18，且限位滑槽18位于固定夹具体15圆筒的四等分点处，限位滑槽18后端设有方槽，限位滑槽18的方向与固定夹具体15的轴线平行。所述的连接板14为环形结构，绕圆周方向等间隔开4个方槽，连接板14一端与固定夹具体15通过沉头螺栓固定连接，通过方槽与支撑板17配合，作用是为调整单元提供限位作用。所述的可换夹具体12为环形结构，与连接板14通过沉头螺栓固接，作为定位基准使用。所述的薄壁回转类零件10贴合在可换夹具体12的端面上，吸气装置在固定夹具体15和薄壁回转类零件10之间产生真空吸力将薄壁回转类零件10吸附在可换夹具体12的端面上。

所述检测单元包括滑块5、定位销4、支撑杆6、连接柱7、夹头8、圆跳动测量仪传感器9和信号采集卡A。所述的滑块5底部为燕尾形，上半部为长方体，顶端开两个沉头孔，滑块5与主轴座2顶端上的燕尾槽3配合，与圆柱体的定位销4通过沉头孔连接，作用是为支撑杆6提供支撑。所述的支撑杆6为长方体，一端与连接柱7通过螺栓在头部连接，另一端通过定位销4与滑块5连接。所述的连接柱7为圆柱体，底部与夹头8通过螺栓连接。所述的夹头8为长方体，中间开孔，与圆跳动测量仪传感器9通过螺栓连接。所述的信号采集卡A与圆跳动测量仪传感器9连通，信号采集卡A接收圆跳动测量仪传感器9信号，并对信号进行处理，处理后的数据传递给数据处理器B。

所述控制单元包括数据处理器B和主控制器C。所述的数据处理器B与信号采集卡A连通，数据处理器B接收信号采集卡A的数据进行处理计算，得到薄壁回转类零件10的回转中心与主轴回转中心的偏移距离数据，并将偏移距离数据传输到主控制器C。所述的主控制器C的功能是存储数据并将检测单元传输来的偏移距离数据处理后，转化为微纳米执行器135所能识别的动作指令传输给调整单元。

所述调整单元包括四个重复单元13，每个小单元包括粗调装置、支撑板17、一维微位移平台134、微纳米执行器135和接收器D，粗调装置包括滑轨131、滑动块132、锁紧手柄133。所述的滑轨131底部与支撑板17通过方槽配合连接，上部为滑槽，滑轨131与滑动块132配合。所述的锁紧手柄133与滑动块132连接。所述支撑板17为长方体，置于限位滑槽18内，两端分别嵌入限位滑槽18后端面和连接板14后端面的方槽内。所述的一维微位移平台134底部与滑动块132通过螺栓连接，顶部通过螺栓与微纳米执行器135连接，并通过接合面配合，微纳米执行器135的位移方向与固定夹具体15的轴线垂直。

所述辅助单元为吸气装置与真空保压装置，吸气装置通过主轴1中心处的空气流通通道产生真空吸力将薄壁回转类零件10吸附在可换夹具体12上；真空保压装置与主轴1连接，用于防止突然断电、断气时零件由于没有吸力而掉落损坏。

一种回转类零件检测与找正方法，包括以下步骤：

步骤一：安装固定单元、检测单元和控制器，接线并调试，将可换夹具体12安装面进行加工作为零件定位面；

步骤二：开启吸气装置将薄壁回转类零件10稳定的吸在可换夹具体12的端面上，采用传统方式粗调薄壁回转类零件10使其外圆跳动在10-30μm内；

步骤三：圆跳动测量仪传感器9开启，启动机床，信号采集卡A采集主轴1旋转一周薄壁回转类零件10外圆跳动信号，经数据处理器B将信号重构分析得到薄壁回转类零件10的回转中心与主轴回转中心的偏移距离L与相位差θ，构造三角函数算法x＝Lcosθ、y＝Lsinθ，经系统计算得到薄壁回转类零件10的在X轴、Y轴方向的偏移距离，存储在主控制器C中；

步骤四：主控制器C对接收到的轴线偏移距离L进行校验，如果轴线偏移距离L满足许用误差L₁要求(L≤L₁)则直接加工薄壁回转类零件10，加工完成后进行步骤七；如果轴线偏移距离L不满足许用误差L₁要求(L＞L₁)，则主控制器C生成微纳米执行器135可以执行的动作指令(对应位置微纳米执行器135应该执行的工作距离)，通过接收器D传输给微纳米执行器135；

步骤五：锁紧手柄133拧松，将滑动块132移动至微纳米执行器135与零件法兰盘11的距离处于一维微位移平台134量程内，锁紧手柄133拧紧，完成粗调；一维微位移平台134工作，将对应微纳米执行器135与零件法兰盘11距离调整到微纳米执行器135工作量程的10％～15％，微纳米执行器135执行接收器D传送来的动作指令推动零件法兰盘11，使工件回转中心靠近主轴1回转中心；

步骤六：重复执行步骤三，直至薄壁回转类零件10的回转中心与主轴1回转中心的偏移距离L满足许用误差L₁要求(L≤L₁)；

步骤七：关闭吸气装置，将薄壁回转类零件10取下，翻转薄壁回转类零件10，执行步骤二，若翻转薄壁回转类零件10全部加工完毕则停止操作。

本发明的效果和益处：

本发明采用系统识别，不仅减少了人力劳动强度，而且精度有很大的保证。针对夹具体安装存在误差、零件安装面需要根据端面垂直度进行修整的情况，增加可换夹具体，可以降低更换的成本。采用4个微纳米执行器对称分布，结构、算法简单，可以快速高效的将零件回转中心找正。采用闭环系统，通过不断的反馈调节能够实现很高的定位精度。本发明避免了圆跳动测量仪与微纳米执行器产生干涉，操作简单方便。

附图说明

图1是本发明的整体装置示意图；

图2是本发明局部结构示意图；

图3是本发明固定单元连接部分剖视图；

图4是本发明调整单元中重复单元示意图；

图5是本发明的系统流程图；

图6是本发明的原理图；

图中：1主轴；2主轴座；3燕尾槽；4定位销；5滑块；6支撑杆；7连接柱；8夹头；9圆跳动测量仪传感器；10薄壁回转类零件；11零件法兰盘；12可换夹具体；13重复单元；131滑轨；132滑动块；133锁紧手柄；134一维微位移平台；135微纳米执行器；14连接板；15固定夹具体；16空气流通通道；17支撑板；18限位滑槽

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2、3、4所示的一种回转类零件检测与找正一体化装置，包括固定单元、检测单元、控制单元、调整单元和辅助单元。

所述固定单元包括主轴座2、主轴1、燕尾槽3、固定夹具体15、限位滑槽18、连接板14和可换夹具体12。所述的主轴座2与主轴1连接，主轴座2右端顶部中间位置开一个燕尾槽3。所述的主轴1与固定夹具体15底部用螺栓固接，主轴1中心处开有空气流通通道。所述的固定夹具体15为一端封闭的圆筒形结构，固定夹具体15的封闭端中心处开有空气流通通道16(与主轴空气流通通道大小相同)，空气流通通道16与吸气装置连通，固定夹具体15的开放端外侧设有四个限位滑槽18。所述的限位滑槽18位于固定夹具体15圆筒的四等分点处，限位滑槽18后端开方槽，限位滑槽18的方向与固定夹具体15的轴线平行。所述的连接板14为环形，绕圆周等间隔开4个方槽，一端与固定夹具体15通过沉头螺栓固定连接，通过方槽与支撑板17配合。所述的可换夹具体12为环形，与连接板14通过沉头螺栓固接。所述的薄壁工件10贴合在可换夹具体12的端面上，吸气装置在固定夹具体15和薄壁回转类零件10之间产生真空将薄壁回转类零件10吸附在可换夹具体12的端面上。

所述检测单元包括滑块5、定位销4、支撑杆6、连接柱7、夹头8、圆跳动测量仪传感器9和信号采集卡A。所述的滑块5底部为燕尾形，上半部为长方体，顶端开两个沉头孔，滑块5与主轴座2上的燕尾槽3配合，与定位销4通过沉头孔连接。所述的定位销4为圆柱体。所述的支撑杆6为长方体，一端与连接柱7通过螺栓在头部连接，另一端通过定位销4与滑块5连接。所述的连接柱7为圆柱体，底部与夹头8通过螺栓连接。所述的夹头8为长方体，中间开孔，与圆跳动测量仪传感器9通过螺栓连接。所述的信号采集卡A与圆跳动测量仪传感器9连通。所述的圆跳动测量仪传感器9为激光传感器。

所述控制单元包括数据处理器B和主控制器C。所述的数据处理器B与信号采集卡A连通。

所述调整单元包括四个重复单元13，每个小单元包括粗调装置、支撑板17、一维微位移平台134、微纳米执行器135和接收器D。所述的粗调装置包括滑轨131、滑动块132、锁紧手柄133。所述的滑轨底部1/6处开长方形通槽，与支撑板17通过方槽配合连接，上部为滑槽，行程约占滑轨高度的3/5。所述的滑动块132与滑轨131配合。所述的锁紧手柄133与滑动块132连接。所述支撑板17为长方体，置于限位滑槽18的1/2深度处，两端分别嵌入限位滑槽18后端面和连接板14后端面的方槽内。所述的一维微位移平台134底部与滑动块132通过螺栓连接，顶部通过螺栓与微纳米执行器135连接，并通过接合面配合，微纳米执行器135的位移方向与固定夹具体15的轴线垂直。

所述辅助单元为吸气装置与真空保压装置；真空保压装置与主轴连接。

如图5所示的一种回转类零件检测与找正方法，包括以下步骤：

步骤一：安装固定单元、检测单元和控制器，接线并调试，将可换夹具体12安装面进行加工作为零件定位面；

步骤二：，开启吸气装置将薄壁回转类零件10稳定的吸在可换夹具体12的端面上，采用传统方式粗调薄壁回转类零件10使其外圆跳动为15μm；

步骤三：圆跳动测量仪传感器9开启，启动机床，信号采集卡A采集主轴1旋转一周薄壁回转类零件10外圆跳动信号，经数据处理器B将激光信号重构分析得到薄壁回转类零件10的回转中心与主轴1回转中心的偏移距离L与相位差θ，构造三角函数算法x＝Lcosθ、y＝Lsinθ，经系统计算得到薄壁回转类零件10的在X轴、Y轴方向的偏移距离，存储在主控制器C中；

步骤四：主控制器C对接收到的轴线偏移距离L进行校验，如果轴线偏移距离L满足许用误差L₁要求(L≤L₁)则直接加工薄壁回转类零件10，加工完成后进行步骤七；如果偏移距离L不满足许用误差L₁要求(L＞L₁)，则主控制器C生成微纳米执行器135可以执行的动作指令(对应位置微纳米执行器135应该执行的工作距离)，通过接收器D传输给微纳米执行器135；

步骤五：锁紧手柄133拧松，将滑动块132移动至微纳米执行器135与零件法兰盘11的距离处于一维微位移平台134量程内，锁紧手柄133拧紧，完成粗调；一维微位移平台134工作，将对应微纳米执行器135与零件法兰盘11距离调整到微纳米执行器135工作量程的12％，微纳米执行器135执行接收器D传送来的动作指令推动零件法兰盘11，使工件回转中心靠近主轴1回转中心；

步骤六：重复执行步骤三，直至薄壁回转类零件10的回转中心与主轴1回转中心的偏移距离L满足许用误差L₁要求(L≤L₁)；

步骤七：关闭吸气装置，将薄壁回转类零件10取下，翻转薄壁回转类零件10，执行步骤二，若翻转薄壁回转类零件10全部加工完毕则停止操作。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种回转类零件检测与找正一体化装置，其特征在于，所述的检测与找正一体化装置包括固定单元、检测单元、控制单元、调整单元和辅助单元；

所述固定单元包括主轴座(2)、主轴(1)、燕尾槽(3)、固定夹具体(15)、限位滑槽(18)、连接板(14)和可换夹具体(12)；所述的主轴座(2)与主轴(1)配合连接，连接夹具端顶部中间位置开一个燕尾槽(3)，起导向限位作用；所述的主轴(1)与固定夹具体(15)底部固接，主轴(1)中心处开有空气流通通道；所述的固定夹具体(15)为一端封闭的圆筒形结构，固定夹具体(15)的封闭端中心处开有与主轴空气流通通道大小相同的空气流通通道(16)，空气流通通道(16)与吸气装置连通，固定夹具体(15)的开放端外侧设有四个限位滑槽(18)，且限位滑槽(18)位于固定夹具体(15)圆筒的四等分点处，限位滑槽(18)后端设有方槽，限位滑槽(18)的方向与固定夹具体(15)的轴线平行；所述的连接板(14)为环形结构，绕圆周方向等间隔开四个方槽，连接板(14)一端与固定夹具体(15)固定连接，通过方槽与支撑板(17)配合，用于为调整单元提供限位作用；所述的可换夹具体(12)为环形结构，与连接板(14)另一端通过螺栓固接，作为定位基准使用；

所述检测单元包括滑块(5)、定位销(4)、支撑杆(6)、连接柱(7)、夹头(8)、圆跳动测量仪传感器(9)和信号采集卡A；所述的滑块(5)底部为燕尾形，上半部为长方体，顶端开沉头孔，滑块(5)与主轴座(2)顶端上的燕尾槽(3)配合，与定位销(4)连接，为支撑杆(6)提供支撑；所述的支撑杆(6)为长方体，一端与连接柱(7)顶部连接，另一端通过定位销与滑块(5)连接；所述的连接柱(7)为圆柱体，底部与夹头(8)连接；所述的夹头(8)为长方体，中间开孔，与圆跳动测量仪传感器(9)连接；所述的信号采集卡A与圆跳动测量仪传感器(9)连通，信号采集卡A接收圆跳动测量仪传感器(9)信号，并对信号进行处理，处理后的数据传递给数据处理器B；

所述控制单元包括数据处理器B和主控制器C；所述的数据处理器B接收信号采集卡A的数据进行处理，得到薄壁回转类零件(10)的回转中心与主轴(1)回转中心的偏移距离数据，并将偏移距离数据传输到主控制器C；所述的主控制器C对偏移距离数据处理后，转化为微纳米执行器(135)所能识别的动作指令传输给调整单元；

所述调整单元包括四个重复单元(13)，每个小单元包括粗调装置、支撑板(17)、一维微位移平台(134)、微纳米执行器(135)和接收器D，粗调装置包括滑轨(131)、滑动块(132)、锁紧手柄(133)；所述的滑轨(131)底部与支撑板(17)通过方槽配合连接，上部为滑槽，滑轨(131)与滑动块(132)配合；所述的锁紧手柄(133)与滑动块(132)连接；所述支撑板(17)为长方体，置于限位滑槽(18)内，两端分别嵌入限位滑槽(18)后端面和连接板(14)后端面的方槽内；所述的一维微位移平台(134)底部与滑动块(132)连接，顶部与微纳米执行器(135)连接，并通过接合面配合，微纳米执行器(135)的位移方向与固定夹具体(15)的轴线垂直；

所述辅助单元为吸气装置，吸气装置通过主轴(1)中心处的空气流通通道产生真空吸力将薄壁回转类零件(10)吸附在可换夹具体(12)端面上。

2.根据权利要求1所述的一种回转类零件检测与找正一体化装置，其特征在于，所述的辅助单元还包括真空保压装置，真空保压装置与主轴(1)连接，用于防止突然断电、断气时零件由于没有吸力而掉落损坏。

3.一种基于权利要求1或2所述的装置实现的回转类零件检测与找正一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：安装固定单元、检测单元和控制器，接线并调试，将可换夹具体(12)安装面进行加工作为零件定位面；

步骤二：开启吸气装置将薄壁回转类零件(10)稳定的吸在可换夹具体(12)的端面上，采用传统方式粗调薄壁回转类零件(10)使其外圆跳动在10-30μm内；

步骤三：圆跳动测量仪传感器(9)开启，启动机床，信号采集卡A采集主轴(1)旋转一周薄壁回转类零件(10)外圆跳动信号，经数据处理器B将信号重构分析得到薄壁回转类零件(10)的回转中心与主轴回转中心的偏移距离L与相位差θ，构造三角函数算法x＝L cosθ、y＝L sinθ，经系统计算得到薄壁回转类零件(10)的在X轴、Y轴方向的偏移距离，存储在主控制器C中；

步骤四：主控制器C对接收到的轴线偏移距离L进行校验，如果轴线偏移距离L满足许用误差L₁要求即L≤L₁，则直接加工薄壁回转类零件(10)，加工完成后进行步骤七；如果轴线偏移距离L不满足许用误差L₁要求即L＞L₁，则主控制器C生成微纳米执行器(135)可以执行的动作指令即对应位置微纳米执行器(135)应该执行的工作距离，通过接收器D传输给微纳米执行器(135)；

步骤五：锁紧手柄(133)拧松，将滑动块(132)移动至微纳米执行器(135)与零件法兰盘(11)的距离处于一维微位移平台(134)量程内，锁紧手柄(133)拧紧，完成粗调；一维微位移平台(134)工作，将对应微纳米执行器(135)与零件法兰盘(11)距离调整到微纳米执行器(135)工作量程的10％～15％，微纳米执行器(135)执行接收器D传送来的动作指令推动零件法兰盘(11)，使工件回转中心靠近主轴(1)回转中心；

步骤六：重复执行步骤三，直至薄壁回转类零件(10)的回转中心与主轴(1)回转中心的偏移距离L满足许用误差L₁要求，即L≤L₁；

步骤七：关闭吸气装置，将薄壁回转类零件(10)取下，翻转薄壁回转类零件(10)，执行步骤二，若翻转薄壁回转类零件(10)全部加工完毕则停止操作。

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