CN113478066B - 一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具及随动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具及随动控制方法,其特征是它包括上压紧装置、下压紧装置、轴承、电机、齿轮、底板、压板、信息处理器等。加工之前，首先将阀板定位在底板上，然后将轴承安装在底板的安装圆环上，随后将上压紧装置和下压紧装置固定在一起并安装在轴承外圈上，同时使下压紧装置中的齿轮和电机相连的齿轮配合在一起，随后用压板将上、下压紧装置压紧。加工时，信息处理器通过搅拌头的运动轨迹自动计算出与之相适应的上、下压紧装置的转动速度，并通过电机驱动上、下压紧装置运动，不断为搅拌头的运动提供运动空间。本发明易于实现，便于控制，可进行整个阀板表面的搅拌摩擦加工。

Description

一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具及随动控制 方法

技术领域

本发明属于专用夹具领域，尤其是一种搅拌摩擦焊接夹具，具体地说是一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具及随动控制方法。

背景技术

阀板是闸阀中的关键零件，在长期的使用过程中易发生腐蚀、磨损等破坏，当阀板产生腐蚀、磨损等破坏后会直接影响闸阀的使用寿命。采用搅拌摩擦加工技术对阀板表面进行改性加工可有效提高阀板表面的耐腐蚀、耐磨等性能，从而延长阀板的使用寿命。由于对阀板表面进行搅拌摩擦加工时搅拌头需连续运动至阀板表面的不同位置，而现有搅拌摩擦设备中的通用夹具无法实现对阀板整个表面连续加工的要求，因此有必要设计一种可用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具，并提出一种有效的控制方法使随动夹具的运动和搅拌头的运动能够同步进行。

发明内容

本发明的目的是针对搅拌摩擦加工设备中的通用夹具无法对阀板整个表面连续加工的问题，提供了一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具及随动控制方法。

本发明的技术方案之一是：

一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具，主要包括上压紧装置、下压紧装置、轴承、电机、第一齿轮、安装圆环、固定V型块、可伸缩式短圆柱销、活动V型块、压板、信息处理器等。

所述上压紧装置为圆环形结构，其上设计有上连接孔、压紧凹槽和顶出凹槽，所述上连接孔用于与下压紧装置连接，所述压紧凹槽用于压板压紧时定位，所述顶出凹槽用于将上压紧装置顶出时定位。

所述下压紧装置中设计有第二齿轮、下连接孔、活动孔、平面轴承和安装内孔，所述第二齿轮用于与电机相连的第一齿轮配合进行传动，所述下连接孔用于与上压紧装置相连，所述活动孔用于为搅拌头提供运动空间，所述活动孔的宽度大于搅拌头的直径，所述活动孔的整体长度大于阀板的半径，所述平面轴承位于下压紧装置的底面，使上压紧装置在被压紧的情况下仍能在阀板上表面进行转动，所述安装内孔用于与轴承外圈配合。

所述电机与所述第一齿轮相连，所述第一齿轮与下压紧装置中的第二齿轮相配合，所述电机用于驱动下压紧装置进行转动。

所述可伸缩式短圆柱销包括销柱基座、安装孔和短圆柱销，所述安装孔用于将可伸缩式短圆柱销固定在夹具底板上，所述短圆柱销可伸出或收缩至销柱基座中。

所述压板中设计有连接孔、防滑花纹和平面轴承，用于将上压紧装置和下压紧装置压紧在阀板表面上，所述连接孔用于与自动夹紧机构17相连，所述自动夹紧机构可上下运动，向下可压紧阀板，向上可进行阀板的拆卸，所述防滑花纹用于将上下压紧装置向上顶出时防滑，并作用在上压紧装置的顶出凹槽中，所述平面轴承用于将上下压紧装置压紧在阀板上时仍可使上下压紧装置转动，并作用在上压紧装置的压紧凹槽中。

所述信息处理器用于从搅拌摩擦加工设备系统中收集搅拌头的运动轨迹数据并自动计算与搅拌头运动相适应的下压紧装置的转动速度，并通过电机和第一齿轮驱动下压紧装置转动，所述信息处理器可将搅拌头的运动轨迹实时反馈给电机，使搅拌头的运动和下压紧装置的转动同步进行，实现夹具随动装置的精准控制。

本发明的技术方案之二是：

一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动控制方法，其特征在于：首先将轴承内圈安装到底板的安装圆环上，将上压紧装置和下压紧装置通过螺栓组固定在一起，然后对阀板进行定位，即先将阀板放到夹具底板上并与固定V型块11接触，随后将可伸缩式短圆柱销12的圆柱销部分伸出插入到阀板中的径向孔中，然后推动活动V型块13与阀板外圆面接触，随后将固定后的上压紧装置和下压紧装置套入轴承外圈并使下压紧装置中的第二齿轮和与电机相连的第一齿轮相啮合，随后用压板压紧上压紧装置的压紧凹槽，最后将搅拌头定位至阀板中心处；正式加工时，信息处理器通过不断获取搅拌头进行圆周运动的进给速度F、x和y坐标自动计算与之相匹配的电机转速，并同步输送给电机，通过电机驱动下压紧装置转动，为搅拌头的运动提供加工空间，实现夹具的随动自动控制。

搅拌头在阀板表面运动时信息处理器可获知搅拌头进行圆周运动的前进速度F和在水平面上运动的坐标x和y，坐标原点设在阀板圆心处，则搅拌头进行运动时满足下式：

（1）

其中：

为搅拌头在阀板表面作圆周运动时的角速度。

可得：

（2）

要保证搅拌头在下压紧装置的活动孔中有足够的运动空间，在搅拌头做圆周运动的同时下压紧装置应以相同的角速度进行同步转动，即

，则下压紧装置中的第二齿轮在其分度圆处的圆周速度v₁可表示为：

（3）

其中：

为下压紧装置的转动角速度，R为下压紧装置中第二齿轮的分度圆半径。

若要保证下压紧装置中第二齿轮的圆周速度为v₁,则与电机相连第一齿轮的转动角速度

可表示为：

（4）

其中：r为与电机相连第一齿轮的分度圆半径。

电机的转速n与

之间的关系为：

（5）

可得：

（6）

由此可知，信息处理器在获取搅拌头进行圆周运动的前进速度F和在阀板平面上运动的坐标x和y后，就可通过公式（6）计算出使下压紧装置与搅拌头同步运动时的电机转速n，并将该数值传输给电机，使电机驱动下压紧装置转动，信息处理器不断获取搅拌头运动的F、x、y然后进行处理后反馈给电机，实现下压紧装置与搅拌头的同步运动。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用夹具压紧装置随搅拌头运动轨迹自动转动的原理不断为搅拌头的搅拌摩擦加工提供运动空间，压紧装置可在压紧阀板的同时进行转动，可实现对闸阀阀板完整表面进行搅拌摩擦加工的要求。

2.本发明的夹具随动控制方法简单，控制过程采用第一齿轮传动，传动过程稳定，易于实现，根据搅拌头的运动可以完成压紧装置的同步控制。

3.在搅拌摩擦设备原有通用工作台的基础之上加以改进就可实现本发明的功能，并且阀板的安装和拆卸简单，加工过程操作简单。

附图说明

图1是本发明专利一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具及随动控制方法的整体爆炸图。

图2是上压紧装置的顶面示意图。

图3是上压紧装置的底面示意图。

图4是下压紧装置的顶面示意图。

图5是下压紧装置的底面示意图。

图6是可伸缩式短圆柱销示意图。

图7是压板的顶面示意图。

图8是压板的底面示意图。

图9是本发明专利一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具及随动控制方法的整体装配效果图。

图10是实施例走刀路线及随动控制计算示意图。

图中标号：1主轴、2搅拌头、3上压紧装置、31上连接孔、32压紧顶出凹槽、4下压紧装置、41第二齿轮、42下连接孔、43活动孔、44第一平面轴承、45安装内孔、5轴承、6阀板、7电机、8第一齿轮、9底板、10安装圆环、11固定V型块、12可伸缩式短圆柱销、121销柱基座、122安装孔、123短圆柱销、13活动V型块、14压板、141连接孔、142防滑花纹、143第二平面轴承、15信息处理器、A圆周运动轨迹、B直线运动轨迹、C圆周运动轨迹、D直线运动轨迹、E圆周运动轨迹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加直观明了，下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-10所示。

一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具，它包括上压紧装置3、下压紧装置4、轴承5、电机7、第一齿轮8、安装圆环10、固定V型块11、可伸缩式短圆柱销12、活动V型块13、压板14和信息处理器15，如图1所示，所述上压紧装置3和下压紧装置4通过螺栓连接在一起，并安装在轴承5的外圈上，所述轴承5的内圈安装在安装圆环10上，所述压板14安装在自动夹紧机构17上并能在其带动下上下移动以实现对上压紧装置3的压紧和松开，自动夹紧机构17安装在安装基座16上，自动夹紧机构17可采用升降气缸或液压缸加以实现，压紧时，带动压板14下降，加工结束后，自动夹紧机构17带动压板14上升，实现下压紧装置4与阀板6的松开以方便取出阀板；与上压紧装置3相连的下压紧装置4通过其上的第一平面轴承44压紧在阀板6上，上压紧装置3和下压紧装置4既将阀板6压紧又能作与阀板6的相对运动，阀板6固定在底板9上；搅拌头2由主轴1带动移动，搅拌头2穿过上压紧装置3的通孔和下压紧装置4的活动孔43作用在阀板6；所述第一齿轮8由电机7驱动，电机7和主轴1均受控于信息处理器15，第一齿轮8与下压紧装置4中的第二齿轮41相配合，如图1所示，装配结构如图9所示。

具体实施时，所述的上压紧装置3中有上连接孔31、压紧顶出凹槽32，如图2、3所示。所述下压紧装置4中有用于与第一齿轮8配合传动的第二齿轮41、用于与上压紧装置3装配的下连接孔42、用于搅拌头加工运动的活动孔43，如图4所示，还设有用于下压紧装置4在阀板6上表面转动的第一平面轴承44和用于与轴承5外圈装配的安装内孔45，如图5所示；活动孔43从下压紧装置4的中心沿径向分布，其长度大于阀板的半径，其宽度大于搅拌头的直径；第一平面轴承44绕活动孔43周边布置。第二齿轮41与第一齿轮8相啮合，电机7与第一齿轮8相连，并驱动第一齿轮8转动，电机7通过支架安装在安装基座16上。阀板6通过固定V形块11、活动V型块13和可伸缩式短圆柱销12定位在底板9上并位于安装圆环10中，固定V形块11和可伸缩式短圆柱销12固定在底板9上，活动V型块13也安装在底板9上，可采用螺杆螺母推动活动V型块13作径向移动，所述可伸缩式短圆柱销12的结构如图6所示，它包括销柱基座121、安装孔122和短圆柱销123，所述安装孔122用于将销柱基座121固定在底板9上，所述短圆柱销123可伸出或收缩至销柱基座121（采用常见的弹簧销结构）中。压板14结构如图7、8所示，它设计有连接孔141、防滑花纹142和第二平面轴承143，所述连接孔141用于与自动夹紧机构17相连，所述防滑花纹142用于将上压紧装置3向上顶出时防滑，所述第二平面轴承143用于将上压紧装置3压紧在阀板6上时仍可使其转动，所述防滑花纹142工作时作用在压紧顶出凹槽32的上顶面上，所述第二平面轴承143工作时作用在压紧顶出凹槽32的下底面上。所述信息处理器15（相当于PLC控制器或计算机控制器，软件可采用常规技术编制）用于从搅拌摩擦加工设备系统中收集搅拌头2的运动轨迹数据并自动计算与搅拌头2运动相适应的下压紧装置4的转动速度，并通过电机7和第一齿轮8驱动下压紧装置4转动，使下压紧装置4中的活动孔43能够随着搅拌头2的运动与转动，同时根据搅拌头2新的运动位置进行反馈更新，以确定下压紧装置4的实时转动速度，从而确保搅拌头2的运动与下压紧装置4的转动同步，使搅拌头2可以在阀板6的不同位置上进行连续加工。

本发明的随动控制方法是：

对阀板6的表面进行搅拌摩擦加工时，首先将轴承5的内圈安装在安装圆环10上，随后使用螺栓组将上压紧装置3和下压紧装置4通过上连接孔31和下连接孔42紧固在一起；然后将阀板6定位在底板9上，具体定位过程为先将阀板6平放在夹具底板9上并使阀板6左边外圆面与固定V型块11接触，随后将可伸缩式短圆柱销12的短圆柱销123伸出插入到阀板6中间的径向孔中，最后推动活动V型块13使之与阀板6右侧的外圆柱面接触完成定位；紧接着将紧固在一起的上压紧装置3和下压紧装置4通过下压紧装置4底面的安装内孔45装入轴承5的外圈中，同时使下压紧装置4中的第二齿轮41和第一齿轮8相配合；随后用压板14底部的第二平面轴承143压紧上压紧装置3中的压紧顶出凹槽32，实现随动夹具的夹紧。随动夹具装配后的整体效果图如图9所示。

详述如下：

根据本发明提供的一个实施例，所述上压紧装置3为圆环形结构，其上设计有上连接孔31、压紧顶出凹槽32，所述连接孔31沿上压紧装置3的圆周方向均匀分布，所述压紧顶出凹槽32的宽度略大于压板14底面的第二平面轴承143的直径，所述压紧顶出凹槽32不仅可用于压板14压紧时定位，也可以用于通过压板14将上压紧装置3顶出时定位。

根据本发明提供的一个实施例，所述下压紧装置4中设计有第二齿轮41、下连接孔42、活动孔43、第一平面轴承44和安装内孔45，所述第二齿轮41与第一齿轮8相配合，所述第一齿轮8由电机7驱动，所述第二齿轮41的分度圆半径为R，所述第一齿轮8的分度圆半径为r，所述下连接孔42用于与上压紧装置3相连，所述活动孔43用于为搅拌头2的加工提供空间，随动过程中活动孔43的位置会随着搅拌头2的运动而转动，所述活动孔43的宽度大于搅拌头2的直径，所述活动孔43的整体长度大于阀板6的半径，所述第一平面轴承44用于压紧上压紧装置3的压紧顶出凹槽32，使上压紧装置3在被压紧的同时能够转动，所述安装内孔45用于安装在轴承5的外圈上。

根据本发明提供的一个实施例，所述可伸缩式短圆柱销12包括销柱基座121、安装孔122和短圆柱销123，所述安装孔122用于将可伸缩式短圆柱销12固定在夹具底板9上，所述短圆柱销123可伸出或收缩至销柱基座121中。

根据本发明提供的一个实施例，所述压板中设计有连接孔141、防滑花纹142和第二平面轴承143，所述连接孔141用于与自动夹紧机构相连，所述自动夹紧机构17可上下运动，向下可压紧阀板6，向上可进行阀板6的拆卸，所述防滑花纹142用于将上压紧装置3和下压紧装置4向上顶出时防滑，并作用在上压紧装置3的压紧顶出凹槽32的顶边上，所述第二平面轴承143用于将上压紧装置3和下压紧装置4压紧在阀板6上时仍可使上压紧装置3和下压紧装置4转动，并作用在上压紧装置3的压紧顶出凹槽32中。

根据本发明提供的一个实施例，所述信息处理器15用于收集搅拌摩擦加工设备系统中搅拌头2的运动轨迹数据并自动计算与搅拌头2运动相适应的下压紧装置4的转动速度，并通过电机7和第一齿轮8的驱动使下压紧装置4转动，所述信息处理器15可不断更新搅拌头2的运动轨迹并实时反馈给电机7，使搅拌头2的运动和下压紧装置4的转动同步进行，实现夹具随动装置的精准控制，下面将结合具体加工过程和加工参数给出控制过程。

搅拌头2对阀板6的表面进行改性加工时，走刀路线可采用圆周运动往外偏置的方式进行，如图10所示，走刀路线为：A（圆周运动轨迹-B（直线运动轨迹）-C（圆周运动轨迹）-D（直线运动轨迹）-E（圆周运动轨迹）…。

当搅拌头2以进给速度F=200 mm/min进行圆周运动时，若搅拌头2的位置坐标为（50 mm,50 mm）,坐标原点O位于阀板6的圆心处，则根据公式（2）可求出搅拌头2作圆周运动的角速度

为：

若要使下压紧装置4中的活动孔43与搅拌头2同步运动，则下压紧装置4的转动角速度

应与

相同，若下压紧装置4中的第二齿轮41的分度圆半径R=200 mm，则第二齿轮41分度圆处的线速度

可表示为：

若第一齿轮8的分度圆半径r=50 mm，则第一齿轮8的角速度

可表示为：

电机7的转速n与

之间的关系为：

可得：

因此，当信息处理器15将电机7的转速调为

时就可实现下压紧装置4与搅拌头2进行同步转动。当搅拌头2运动的位置坐标（x,y）改变时，按照上述相同的步骤可计算出相应的电机7的转速，并由信息处理器15进行实时更新驱动电机7转动。

当搅拌头2进行直线轨迹运动时，电机7停止转动，下压紧装置4静止，此时搅拌头2沿着下压紧装置4中活动孔43的长度方向运动。当搅拌头2完成所有的走刀轨迹后就可完成阀板6表面的搅拌摩擦加工。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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 (6)

1.一种用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具，其特征在于：它包括上压紧装置（3）、下压紧装置（4）、轴承（5）、电机（7）、第一齿轮（8）、安装圆环（10）、固定V型块（11）、可伸缩式短圆柱销（12）、活动V型块（13）、压板（14）和信息处理器（15），所述上压紧装置（3）和下压紧装置（4）通过螺栓连接在一起，并安装在轴承（5）的外圈上，所述轴承（5）的内圈安装在安装圆环（10）上，所述压板（14）安装在自动夹紧机构（17）上并能在其带动下上下移动以实现对上压紧装置（3）的压紧和松开，自动夹紧机构（17）安装在安装基座（16）上；与上压紧装置（3）相连的下压紧装置（4）通过其上的第一平面轴承（44）压紧在阀板（6）上，上压紧装置（3）和下压紧装置（4）既将阀板（6）压紧又能作与阀板（6）的相对运动，阀板(6)通过固定V形块（11）、活动V型块（13）和可伸缩式短圆柱销（12）定位在底板（9）上并位于安装圆环（10）中，固定V形块（11）和可伸缩式短圆柱销（12）固定在底板（9）上，活动V型块（13）也安装在底板（9）上；搅拌头（2）由主轴（1）带动移动，搅拌头（2）穿过上压紧装置（3）的通孔和下压紧装置（4）的活动孔（43）作用在阀板（6）；所述第一齿轮（8）由电机（7）驱动，电机（7）和主轴（1）均受控于信息处理器（15），第一齿轮（8）与下压紧装置（4）中的第二齿轮（41）相配合；上压紧装置（3）为圆环形结构，其上设有上连接孔（31），所述上连接孔（31）沿上压紧装置（3）的底面圆周方向均匀分布，上压紧装置（3）的外圆上设有压紧顶出凹槽（32）；所述下压紧装置（4）中有用于与第一齿轮（8）配合传动的第二齿轮（41）、用于与上压紧装置（3）装配的下连接孔（42）、用于搅拌头加工运动的活动孔（43）、用于下压紧装置（4）在阀板（6）上表面转动的第一平面轴承（44）和用于与轴承（5）外圈装配的安装内孔（45）；活动孔（43）从下压紧装置（4）的中心沿径向分布，其长度大于阀板的半径，其宽度大于搅拌头的直径；第一平面轴承（44）绕活动孔（43）周边布置；螺栓穿过上压紧装置（3）和下压紧装置（4）上对应的上连接孔（31）下连接孔（42）将两者相连。

2.根据权利要求1所述的用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具，其特征在于：所述电机（7）与第一齿轮（8）相连，并驱动第一齿轮（8）转动，电机（7）通过支架安装在安装基座（16）上。

3.根据权利要求1所述的用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具，其特征在于：所述可伸缩式短圆柱销（12）中有销柱基座（121）、安装孔（122）和短圆柱销（123），所述安装孔（122）用于将可伸缩式短圆柱销（12）固定在底板（9）上，所述短圆柱销（123）可伸出或收缩至销柱基座（121）中。

4.根据权利要求1所述的用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具，其特征在于：所述压板（14）中设计有连接孔（141）、防滑花纹（142）和第二平面轴承（143），所述连接孔（141）用于与自动夹紧机构（17）相连，所述防滑花纹（142）用于将上压紧装置（3）向上顶出时防滑，所述第二平面轴承（143）用于将上压紧装置（3）压紧在阀板（6）上时仍可使其转动，所述防滑花纹（142）工作时作用在压紧顶出凹槽（32）的上边上，所述第二平面轴承（143）工作时作用在压紧顶出凹槽（32）的下边上。

5.根据权利要求1所述的用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具，其特征在于：所述信息处理器（15）用于从搅拌摩擦加工设备系统中收集搅拌头（2）的运动轨迹数据并自动计算与搅拌头（2）运动相适应的下压紧装置（4）的转动速度，并通过电机（7）和第一齿轮（8）驱动下压紧装置（4）转动，使下压紧装置（4）中的活动孔（43）能够随着搅拌头（2）的运动与转动，同时根据搅拌头（2）新的运动位置进行反馈更新，以确定下压紧装置（4）的实时转动速度，从而确保搅拌头（2）的运动与下压紧装置（4）的转动同步，使搅拌头（2）可以在阀板（6）的不同位置上进行连续加工。

6.一种基于权利要求1所述的用于闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动夹具的闸阀阀板表面搅拌摩擦加工的随动控制方法，其特征在于：首先将轴承内圈安装到底板的安装圆环上，将上压紧装置和下压紧装置通过螺栓组固定在一起，然后对阀板进行定位，即先将阀板放到夹具底板上并与固定V型块（11）接触，随后将可伸缩式短圆柱销（12）的圆柱销部分伸出插入到阀板中的径向孔中，然后推动活动V型块（13）与阀板外圆面接触，随后将固定后的上压紧装置和下压紧装置套入轴承外圈并使下压紧装置中的第二齿轮和与电机相连的第一齿轮相啮合，随后用压板压紧上压紧装置的压紧顶出凹槽，最后将搅拌头定位至阀板中心处；正式加工时，信息处理器通过不断获取搅拌头进行圆周运动的进给速度F、x和y坐标自动计算与之相匹配的电机转速，并同步输送给电机，通过电机驱动下压紧装置转动，为搅拌头的运动提供加工空间，实现夹具的随动自动控制。

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