一种自适应补偿工件加工变形的浮动装夹装置

1.本发明涉及一种工装夹具，尤其是一种用于释放工件加工变形的低阻力自适应浮动装夹工艺装备，具体地说是一种运动部件间阻力小，能够平衡运动部件重力及z向运动部件摩擦力的自适应浮动装夹装置。

背景技术：

2.大型结构件构成了飞机骨架，是影响飞机综合性能的关键零件。由于尺寸大、壁薄、材料去除率高，大型结构件加工后易变形，其制造精度可靠保障面临严峻挑战。浮动装夹系统加工过程中根据工件状态，自适应释放工件的不平衡残余应力，能够有效控制工件的加工变形。工件加工变形形式复杂，装夹装置需根据工件的加工变形自适应调整位姿。
3.申请人曾提出了一种任意姿态抱紧的自适应浮动装夹方法及装置（授权号：cn 110421383 b），该方法通过任意姿态浮动，实现工件加工变形释放。但该装置不同运动部件间通过滑块连接，运动部件间摩擦力大阻碍了加工变形的释放；装置底部集成弹簧补偿运动部件重力、z向运动机构间摩擦力，弹簧难以提供指定的支撑力，不能自适应补偿工件的加工变形。

技术实现要素：

4.本发明针对现有浮动装夹装置运动部件间摩擦力大、不能自适应补偿工件加工变形的问题，发明了一种自适应补偿工件加工变形的浮动装夹装置。它具有效率高、可靠性好及成本低的优点，浮动状态下根据工件的加工变形自适应调整装夹装置位姿，通过气缸施加指定支撑力平衡运动部件重力和z向运动部件间摩擦力，自适应补偿工件的加工变形，达到释放工件加工变形的目的。
5.本发明的技术方案是：一种自适应补偿工件加工变形的浮动装夹装置，其特征是：浮动状态下，通过平直滚珠导轨沿x、y轴方向自由移动，利用弧形滚珠导轨绕x、y轴方向自由转动，经由导向套实现依z轴方向浮动；浮动状态下气缸施加支撑力平衡运动部件的重力及z向运动部件间的摩擦力，实现对工件加工变形的自适应补偿；通过机械机构抱紧运动部件从而锁紧浮动装夹装置，保证加工系统的稳定性。
6.利用气缸提供支撑力平衡运动部件的重力及z向运动部件的摩擦力，补偿工件的加工变形；浮动装夹装置开始运动瞬间z向运动部件间存在静摩擦力，气缸需提供较大的支撑力f1使运动机构开启运动模式，浮动过程中气缸提供与运动部件重力及z向运动部件间动摩擦力等大的力f2。
7.气缸不同阶段提供的支撑力f1及f2，将浮动装夹装置固定于机床工作台，装夹装置处于浮动状态且气缸不提供支撑力，拉力计上端连接机床主轴下端连接浮动装夹装置，机床主轴沿z轴方向移动，装夹装置浮动瞬间拉力计示数为f1，浮动过程中拉力计示数为f2。
8.不同方向布置机械机构，抱紧运动部件实现装夹装置任意姿态的锁紧，为工件提
供有效约束保证加工系统的稳定性。
9.具体而言，所述的平直滚珠导轨包括y向平直滚珠导轨7和x向平直滚珠导轨13，x向平直滚珠导轨13安装在y向滑块14上，y向平直滚珠导轨7安装在升降块15上，升降块15安装在气缸11上，气缸11固定安装在底座12上；所述的x向平直滚珠导轨13上安装有x向转动下滑块17，x向转动下滑块17上设有x向转动弧形滚珠导轨4，x向转动上滑块18安装在x向转动弧形滚珠导轨4上，x向转动上滑块18的下部连接有抱紧块20，抱紧块20插入第一机械锁紧机构5中，第一机械锁紧机构5固定在x向转动下滑块17上；x向转动上滑块18上部设有y向转动弧形滚珠导轨3，y向转动滑块19安装在y向转动弧形滚珠导轨3上；y向转动滑块19上安装有用于装夹工件的夹具1。
10.所述的底座12上安装有导向套9，导向套9中安装有导向管16，导向管16的一端插入导向套9中，另一端与所述升降块15相抵，导向管16受控于第二机械锁紧机构10及气缸11，所述的导向套9、导向管16、第二机械锁紧机构10和气缸11构成z向浮动模块8。
11.所述的x向转动下滑块17、x向转动上滑块18、y向转动滑块19、x向转动弧形滚珠导轨4和y向转动弧形滚珠导轨3组成绕x、y轴转动模块2。
12.所述的第一机械锁紧机构5或第二机械锁紧机构10同为气动锁紧机构，它由第一移动块24、抱紧块21和导向槽22组成，第一移动块24安装在导向槽22中，抱紧块21安装在第一移动块24两侧并位于安装槽槽壁上，安装槽槽壁上设有进气口23和出气口25，抱紧块21受气缸驱动移向或移离第一移动块24以实现对第一移动块24的抱紧或松开。
13.所述的第一机械锁紧机构5或第二机械锁紧机构10同为机械式锁紧机构，它由定位螺栓31，弹簧32，抱紧块33，第二移动块34，定位销35，压力仓36和液压油通路37组成，定位螺栓31一端固定在壳体上，另一端插入抱紧块33中与弹簧32相抵，定位销35的下端位于压力仓36，其上端与抱紧块33相连，压力仓36受控于液压油通路37，抱紧块33的一侧与第二移动块34相接触，抱紧移动块移动或松开移动块，移动块复位。
14.本发明的有益效果是：1、五个自由度优选滚珠导轨，能够根据工件的加工变形自适应调整装夹装置位姿，释放工件的加工变形；2、移动模块沿x、y轴方向移动，转动模块绕x、y轴方向转动防止运动部件卡死；3、通过气缸提供支撑力，自适应补偿工件的加工变形；4、本装夹装置结构简单、易于制造、成本低。
附图说明
15.图1为本发明浮动装夹装置的结构示意图。
16.图中包括：1为夹具（零点定位器），2为绕x、y轴转动模块，3为y向转动弧形滚珠导轨，4为x向转动弧形滚珠导轨，5为第一机械锁紧机构，6为沿x、y轴移动模块，7为平直滚珠导轨，8为z向浮动模块，9为导向套，10第二机械锁紧机构，11为气缸，12为底座。
17.图2为钳制器结构示意图。
18.图中：21-抱紧块，22-导向槽，23-进气口，24-第一移动块，25-出气口。
19.图3为液压驱动机械锁紧机构的结构示意图。
20.图中包括：3-1定位螺栓，32-弹簧，33-抱紧块，34-第二移动块，35-定位销，36-压
力仓， 37-液压油通路。
具体实施方式
21.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。
22.一种自适应补偿工件加工变形的浮动装夹装置，浮动状态下，基于图1所示的平直滚珠导轨沿x、y轴方向自由移动，通过弧形滚珠导轨绕x、y轴方向自由转动，利用导向套依z轴方向浮动。装夹装置的浮动、锁紧状态通过气压或液压等开关信号控制机械机构进行切换。浮动状态下气缸施加支撑力平衡运动部件重力及z向运动机构间摩擦力，实现对工件加工变形的自适应补偿。具体而言，就是在释放工件加工变形时浮动装夹装置由锁紧状态切换为浮动状态，并根据工件的加工变形自适应调整装置位姿。调整完成后机械机构将在当前位姿下抱紧，装夹装置从而切换为锁紧状态。装夹装置采用机械抱紧方法，保证加工系统的稳定性，机械机构释放/抱紧状态转换采用气压或液压等开关信号动力法，快速实现装夹装置浮动/锁紧状态的切换。
23.如图1所示，平直滚珠导轨包括y向平直滚珠导轨7和x向平直滚珠导轨13，x向平直滚珠导轨13安装在y向滑块14上，y向平直滚珠导轨7安装在升降块15上，升降块15安装在气缸11上，气缸11固定安装在底座12上；所述的x向平直滚珠导轨13上安装有x向转动下滑块17，x向转动下滑块17上设有x向转动弧形滚珠导轨4，x向转动上滑块18安装在x向转动弧形滚珠导轨4上，x向转动上滑块18的下部连接有抱紧块20，抱紧块20插入第一机械锁紧机构5中，第一机械锁紧机构5固定在x向转动下滑块17上；x向转动上滑块18上部设有y向转动弧形滚珠导轨3，y向转动滑块19安装在y向转动弧形滚珠导轨3上；y向转动滑块19上安装有用于装夹工件的夹具1。所述的底座12上安装有导向套9，导向套9中安装有导向管16，导向管16的一端插入导向套9中并与其中安装的升降弹簧相抵，另一端与所述升降块15相抵，导向管9受控于第二机械锁紧机构10，所述的导向套9、导向管16、第二机械锁紧机构10和气缸11构成z向浮动模块8。所述的x向转动下滑块17、x向转动上滑块18、y向转动滑块19、x向转动弧形滚珠导轨4和y向转动弧形滚珠导轨3组成绕x、y轴转动模块2。
24.根据加工材料和装夹力的不同，所述的第一机械锁紧机构5或第二机械锁紧机构10可以采用图2所示的气动锁紧机构，它由第一移动块24、抱紧块21和导向槽22组成，第一移动块24安装在导向槽22中，抱紧块21安装在第一移动块24两侧并位于安装槽槽壁上，安装槽槽壁上设有进气口23和出气口25，抱紧块21受气缸驱动移向或移离第一移动块24以实现对第一移动块24的抱紧或松开。对本发明而言，第一移动块24相当于本发明的抱紧块20或导向管16。
25.同样地，根据加工材料和装夹力的不同，所述的第一机械锁紧机构5或第二机械锁紧机构10也可以采用图3所示的机械式锁紧机构，它由定位螺栓31，弹簧32，抱紧块33，第二移动块34，定位销35，压力仓36和液压油通路37组成，定位螺栓31一端固定在壳体上，另一端插入抱紧块33中与弹簧32相抵，定位销35的下端位于压力仓36，其上端与抱紧块33相连，压力仓36受控于液压油通路37，抱紧块33的一侧与第二移动块34相接触，抱紧移动块移动或松开移动块，移动块复位。对本发明而言，第二移动块34相当于本发明的抱紧块20或导向管16。
26.详述如下：本发明在浮动状态下，通过平直滚珠导轨沿x、y轴方向自由移动，利用
弧形滚珠导轨绕x、y轴方向自由转动，经由导向套依z轴方向浮动。z向浮动模块集成支撑气缸，通过支撑气缸提供支撑力补偿运动部件的重力及z向运动机构间摩擦力，该装置能够充分释放工件的加工变形。不同运动方向集成机械机构抱紧运动部件，装夹装置浮动、锁紧状态的切换通过气压或液压等开关信号控制机械机构实现。本发明所研制的浮动装夹装置运动机构间摩擦力小、稳定性好、结构简单、成本低，能够在任意姿态下锁紧装夹装置。
27.运动部件的布局方式能够防止浮动过程中装夹装置卡死。
28.滚珠导轨使得负载平台能沿着滑轨做高精度运动，其摩擦系数可降至传统滑动导轨的1/50，使之能轻易地达到μm级的定位精度。
29.夹具切换为浮动状态瞬间z向运动机构间存在静摩擦力，气缸施加支撑力平衡运动部件重力及z向运动机构间的静摩擦力；夹具浮动过程中，z向运动机构间为动摩擦，此过程中气缸施加支撑力平衡运动部件重力及z向运动机构间的动摩擦力。
30.经计算运动部件重力及z向运动机构间摩擦力，得到气缸在装夹装置开始浮动瞬间、浮动过程中施加的支撑力分别为、。
31.本发明的机械锁紧机构优选钳制器或机械锁紧机构，钳制器结构简单、成本低，机械锁紧机构抱紧力大，两种锁紧方法适用于不同的场景。
32.当加工铝合金工件时切削力较小选用钳制器，装夹装置接通气体后抱紧块约束移动块，装夹装置为锁紧状态为工件提供固定支撑；当关闭气体通路后抱紧块脱离移动块，装夹装置为浮动状态，此时装夹装置根据工件的加工变形自适应调整位姿。
33.当加工钛合金、高温合金等材料的工件时切削力较大选用机械锁紧机构，装夹装置接通油路后抱紧块脱离移动块，装夹装置为浮动状态，此时装夹装置根据工件的加工变形自适应调整位姿；当关闭油路后抱紧块约束移动块，装夹装置为锁紧状态为工件提供固定支撑。
34.为了保证加工系统的稳定性、重复定位精度及装夹效率，本发明在浮动装夹装置顶部安装零点定位器用于装夹工件。
35.浮动装夹装置的顶部安装零点定位器，零点定位器包括虎钳、零点定位抱紧系统。
36.本发明的工作过程为：将浮动装夹装置调整为适应工件形态的位姿，不同自由度处的机械机构和零点定位器处于通气状态抱紧块、虎钳释放，定位系统到达工件抱紧钉的位置，调整好装夹装置的位姿后零点定位器断气虎钳抱紧工件的抱紧钉。
37.如图2所示，当钳制器接通气源时，高压气体从进气口23进入钳制器，并驱动抱紧块21限制移动块24，装夹装置处于锁紧状态。装夹装置完成位姿调整和工件抱紧钉固定后，钳制器气路关闭气体从出气口25排出，抱紧块21释放移动块24，装夹装置切换为浮动状态。
38.如图3所示，机械锁紧机构的移动块34两侧相同的部件动作一致，本专利以移动块34右侧部件为例展示机械锁紧机构工作过程。当机械锁紧机构接通油路后，压力仓36注入液压油，抱紧块33在定位销35的压迫下释放移动块34，装夹装置处于浮动状态。完成装夹装置位姿调整和工件抱紧钉固定后，机械锁紧机构关闭油路，压力仓36排出液压油，抱紧块33在弹簧32的作用下限制移动块34，装夹装置切换为锁紧状态。
39.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。

技术特征：

1.一种自适应补偿工件加工变形的浮动装夹装置，其特征是：浮动状态下，通过平直滚珠导轨沿x、y轴方向自由移动，利用弧形滚珠导轨绕x、y轴方向自由转动，经由导向套实现依z轴方向浮动；浮动状态下气缸施加支撑力平衡运动部件的重力及z向运动部件间的摩擦力，实现对工件加工变形的自适应补偿；通过机械机构抱紧运动部件从而锁紧浮动装夹装置，保证加工系统的稳定性。2.根据权利要求1所述的浮动装夹装置，其特征是：利用气缸提供支撑力平衡运动部件的重力、z向运动部件的摩擦力，补偿工件的加工变形；浮动装夹装置开始运动瞬间z向运动部件间存在静摩擦力，气缸需提供较大的支撑力f1使运动机构开启运动模式，浮动过程中气缸提供与运动部件重力及z向运动部件间动摩擦力等大的力f2。3.根据权利要求2所述的浮动装夹装置，其特征是：气缸不同阶段提供的支撑力f1及f2，将浮动装夹装置固定于机床工作台，装夹装置处于浮动状态且气缸不提供支撑力，拉力计上端连接机床主轴下端连接浮动装夹装置，机床主轴沿z轴方向移动，装夹装置浮动瞬间拉力计示数为f1，浮动过程中拉力计示数为f2。4.根据权利要求1所述的浮动装夹装置，其特征是：不同方向布置机械机构，抱紧运动部件实现装夹装置任意姿态的锁紧，为工件提供有效约束保证加工系统的稳定性。5.根据权利要求1所述的浮动装夹装置，其特征是：所述的平直滚珠导轨包括y向平直滚珠导轨（7）和x向平直滚珠导轨（13），x向平直滚珠导轨（13）安装在y向滑块（14）上，y向平直滚珠导轨（7）安装在升降块（15）上，升降块（15）安装在气缸（11）上，气缸（11）固定安装在底座（12）上；所述的x向平直滚珠导轨（13）上安装有x向转动下滑块（17），x向转动下滑块（17）上设有x向转动弧形滚珠导轨（4），x向转动上滑块（18）安装在x向转动弧形滚珠导轨（4）上，x向转动上滑块（18）的下部连接有抱紧块（20），抱紧块（20）插入第一机械锁紧机构（5）中，第一机械锁紧机构（5）固定在x向转动下滑块（17）上；x向转动上滑块（18）上部设有y向转动弧形滚珠导轨（3），y向转动滑块（19）安装在y向转动弧形滚珠导轨（3）上；y向转动滑块（19）上安装有用于装夹工件的夹具（1）。6.根据权利要求5所述的浮动装夹装置，其特征是：所述的底座（12）上安装有导向套（9），导向套（9）中安装有导向管（16），导向管（16）的一端插入导向套（9）中，另一端与所述升降块（15）相抵，导向管（16）受控于第二机械锁紧机构（10）及气缸（11），所述的导向套（9）、导向管（16）、第二机械锁紧机构（10）和气缸（11）构成z向浮动模块（8）。7.根据权利要求5所述的浮动装夹装置，其特征是：所述的x向转动下滑块（17）、x向转动上滑块（18）、y向转动滑块（19）、x向转动弧形滚珠导轨（4）和y向转动弧形滚珠导轨（3）组成绕x、y轴转动模块（2）。8.根据权利要求5或6所述的浮动装夹装置，其特征是：所述的第一机械锁紧机构（5）或第二机械锁紧机构（10）同为气动锁紧机构，它由第一移动块（24）、抱紧块（21）和导向槽（22）组成，第一移动块（24）安装在导向槽（22）中，抱紧块（21）安装在第一移动块（24）两侧并位于安装槽槽壁上，安装槽槽壁上设有进气口（23）和出气口（25），抱紧块（21）受气缸驱动移向或移离第一移动块（24）以实现对第一移动块（24）的抱紧或松开。9.根据权利要求5或6所述的浮动装夹装置，其特征是：所述的第一机械锁紧机构（5）或第二机械锁紧机构（10）同为机械式锁紧机构，它由定位螺栓（31），弹簧（32），抱紧块（33），第二移动块（34），定位销（35），压力仓（36）和液压油通路（37）组成，定位螺栓（31）一端固定
在壳体上，另一端插入抱紧块（33）中与弹簧（32）相抵，定位销（35）的下端位于压力仓（36），其上端与抱紧块（33）相连，压力仓（36）受控于液压油通路（37），抱紧块（33）的一侧与第二移动块（34）相接触，抱紧移动块移动或松开移动块，移动块复位。

技术总结

一种自适应补偿工件加工变形的浮动装夹装置，浮动状态下利用滚珠导轨沿X、Y轴方向自由移动以及绕X、Y轴方向自由转动，通过导向套实现依Z轴方向浮动。装夹装置浮动瞬间Z向运动部件间存在静摩擦力，气缸需提供较大的支撑力，浮动过程中气缸提供与运动部件重力及Z向运动部件间的动摩擦力等大的支撑力，实现对工件加工变形的自适应补偿。该装置能够灵敏的对工件加工变形做出反应实现位姿调整，充分释放工件的加工变形。此外，该装置通过机械机构实现任意姿态的锁紧，锁紧状态下能够充分限制运动部件，为工件提供有效约束保证加工系统的稳定性。本发明具有较好的经济性和适用性，能够精确的控制工件加工变形，保证加工质量和效率。率。率。