CN112936032A - 一种柔性精密磨削操作平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性精密磨削操作平台，包括用以装卡工件的XY轴滑台和位于XY轴滑台的上方、沿Z轴方向运动的磨头机构；磨头机构包括第一伺服电机、丝杠、沿Z轴方向伸缩的弹性体和安装于弹性体底部的磨削头；第一伺服电机驱动丝杠上下移动；丝杠的底端抵贴于弹性体的上端。该柔性精密磨削操作平台中，磨削头相对于工件而言可以实现柔性接触和恒压浮动，能够有效减少振动，保障工件的加工表面质量和磨削头的使用寿命。因磨削头向工件施加的压力取决于丝杠的位移量和弹性体的弹性模量，因此，该柔性精密磨削操作平台可通过控制和获取第一伺服电机向外输出的转角精确获取磨削头向工件施加的压力，方便技术人员分析工件及其材料的磨抛机理。

Description

一种柔性精密磨削操作平台

技术领域

本发明涉及机加工领域，尤其涉及一种柔性精密磨削操作平台。

背景技术

砂带磨削作为一种能实现柔性光顺与精密质量控制的理想兼容的磨削抛光加工方法，可以获得良好的加工表面质量、并提升磨削加工效率与产品合格率，已逐步成功应用于航空发动机叶片、整体叶盘等高性能构件的精密磨削加工领域。

然而，针对国防尖端领域所采用的单晶高温合金、钛合金、复合材料等难加工材料的磨抛机理研究而言，目前所使用的数控砂带磨削机床仅适用于生产加工，并不适用于上述磨抛机理的研究和分析。

为此，如何提供一种既能够满足砂带磨削特有的弹性磨削特性，又能够用于研究材料表面成形机制的磨削设备，成为本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性精密磨削操作平台，在满足磨削头和工件之间的柔性加工需求的基础上，能够精确控制磨削头向工件施加的压力，便于工作人员获取相关加工参数，从而用于工件及其材料的磨抛机理研究。

为实现上述目的，本发明提供一种柔性精密磨削操作平台，包括用以装卡工件的XY轴滑台和位于所述XY轴滑台的上方、沿Z轴方向运动的磨头机构；所述磨头机构包括第一伺服电机、丝杠、沿Z轴方向伸缩的弹性体和安装于所述弹性体底部的磨削头；所述第一伺服电机驱动所述丝杠上下移动；所述丝杠的底端抵贴于所述弹性体的上端。

优选地，还包括Z轴滑台；所述磨头机构还包括连接板、丝杠螺母座和第一套筒；所述连接板固定于所述Z轴滑台的安装座；所述第一伺服电机和所述第一套筒均固定于所述连接板；所述丝杠螺母座通过所述第一套筒枢装于所述连接板的第一位置；所述第一伺服电机驱动所述丝杠螺母座定轴旋转。

优选地，所述第一伺服电机通过同步带机构驱动所述丝杠螺母座转动。

优选地，所述磨头机构还包括滑槽板和挡棍；所述滑槽板设有水平贯通设置的滑槽；所述挡棍的一端固定连接于所述丝杠、另一端嵌入所述滑槽以实现上下滑动。

优选地，所述磨削头具体为砂带轮；所述弹性体包括第一弹簧；所述磨头机构还包括设于所述第一弹簧和所述砂带轮之间的驱动组件。

优选地，所述驱动组件包括第二伺服电机、驱动轮和砂带；所述驱动轮固定于所述第二伺服电机的输出轴，所述砂带张紧于所述驱动轮和所述砂带轮二者之间。

优选地，所述磨头机构还包括驱动连接板；

所述驱动连接板的顶端固定连接于所述第一弹簧；

所述驱动连接板的中部与所述第二伺服电机固定连接；

所述驱动连接板的底端与所述砂带轮定轴铰接。

优选地，还包括紧邻所述砂带设置、用以调整所述砂带的张紧程度的张紧机构；所述张紧机构包括张紧轮、中心轴和连接于所述张紧轮和所述中心轴之间的张紧连接杆；所述张紧轮的轮周贴合于所述砂带的内圈；所述中心轴旋转时驱动所述张紧连接杆在所述砂带所在平面内摆动。

优选地，所述磨削头具体为单颗磨粒组件；所述弹性体包括第一弹簧；所述单颗磨粒组件的磨粒尖朝下。

优选地，所述第一弹簧的下端和所述磨削头之间还设有驱动连接板、第二套筒、第二弹簧和磨削头连接板；

所述第二弹簧设于所述第二套筒内且与所述第一弹簧同轴；所述磨削头定位于所述磨削头连接板；所述第二弹簧的顶端连接于所述驱动连接板，所述第二弹簧的底端连接于所述磨削头连接板。

相对于上述背景技术，本发明所提供的柔性精密磨削操作平台包括用以装卡工件的XY轴滑台和位于所述XY轴滑台的上方、沿Z轴方向运动的磨头机构。

该柔性精密磨削操作平台中，磨头机构包括第一伺服电机、丝杠、沿Z轴方向伸缩的弹性体和安装于弹性体底部的磨削头；其中，第一伺服电机驱动丝杠上下移动；丝杠的底端抵贴于弹性体的上端。

可见，对于该柔性精密磨削操作平台而言，磨削头向工件施加的压力取决于丝杠沿上下方向的位移量和弹性体的弹性模量。因此，技术人员能够通过第一伺服电机精确控制磨削头向工件施加的磨削压力，实现恒压浮动，既满足磨削头和工件的柔性接触和恒压浮动，有效减少了磨削过程的振动，保障工件的加工表面质量和磨削头的使用寿命，还便于通过获取第一伺服电机向外输出的转角获取磨削头向工件施加的压力，方便技术人员结合工件的具体加工效果分析工件及其材料的磨抛机理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的磨头机构台的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的磨头机构的剖视图。

其中，6-砂带、7-连接板、8-同步带、9-第一伺服电机、10-第一套筒、11-滑槽板、12-挡棍、13-丝杠、14-丝杠螺母座、15-第一弹簧、16-第二伺服电机、17-驱动轮、18-弹簧卡位轴、19-驱动连接板、21-第二套筒、22-第二弹簧、23-支撑轴、24-磨削头连接板、25-支承叉、26-砂带轮、27-调节螺栓、28-张紧轮、29-张紧轮安装座、30-张紧连接杆、31-中心轴、32-调节轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本发明实施例所提供的磨头机构台的结构示意图；图2为本发明实施例所提供的磨头机构的剖视图。

本发明提供一种柔性精密磨削操作平台，包括XY轴滑台和磨头机构；其中，XY轴滑台用于装卡工件并带动工件实现沿X轴方向和沿Y轴方向的移动；磨头机构位于XY轴滑台的上方，沿Z轴方向运动，用于对装卡于XY轴滑台的工件进行磨削作业。

该柔性精密磨削操作平台中，磨头机构包括第一伺服电机9、丝杠13、弹性体和磨削头。第一伺服电机9与丝杠13连接，用于驱动丝杠13沿Z轴方向即上下方向移动；丝杠13的底端贴合于弹性体的上端，丝杠13在上下移动时带动弹性体沿沿Z轴方向即上下方向伸缩；磨削头设于弹性体的底部，磨削头接触装卡于XY轴滑台的工件时，第一伺服电机9开启并控制丝杠13上下移动距离，从而通过弹性体向磨削头施加向下的作用力，结合工件随XY轴滑台的运动，实现磨削头对工件的磨削加工。

可见，上述柔性精密磨削操作平台可通过控制第一伺服电机9的旋转角度令丝杠13以确定的位移量实现向上移动和向下移动，从而经由弹性体向磨削头施加特定的压力，最终令磨削头向工件施以恒定压力并完整对工件的磨削加工。因磨削头向工件施加的压力取决于丝杠13的位移量和弹性体的弹性模量，因此，该柔性精密磨削操作平台可以通过控制和获取第一伺服电机9向外输出的转角获取磨削头向工件施加的压力，方便技术人员结合工件的具体加工效果分析工件及其材料的磨抛机理。

此外，该柔性精密磨削操作平台中，磨头机构的尺寸较小、惯性矩小，可与工件实现柔性接触；能够通过丝杠13精确控制磨削头沿Z轴方向的位移量，进而精确控制磨削头向工件施加的磨削压力，实现恒压浮动，有效减少了磨削过程的振动，保障工件的加工表面质量和磨削头的使用寿命。

下面结合附图和实施方式，对本发明所提供的柔性精密磨削操作平台做更进一步的说明。

本发明所采用的柔性精密磨削操作平台还包括Z轴滑台，Z轴滑台可设置于XY轴滑台的一侧；该柔性精密磨削操作平台所采用的磨头机构还包括连接板7、丝杠螺母座14和第一套筒10；其中，连接板7固定于Z轴滑台的安装座，用于作为磨头机构中其余机构的安装基础。

此外，XY轴滑台除了水平分布且相互垂直的X轴滑台和Y轴滑台以外，还可包括与Y轴滑台同向滑动的P轴滑动。无论是上述X轴滑台、Y轴滑台、Z轴滑台，还是P轴滑台，任意一个滑台可单独进行轴向移动，且每个滑台设有两个方向的限位卡进行限位保护。

针对上述磨头机构而言，第一伺服电机9和第一套筒10均固定于连接板7；丝杠螺母座14通过第一套筒10枢装于连接板7的第一位置，换言之，第一套筒10约束丝杠螺母座14的移动自由度，令丝杠螺母座14仅具有旋转自由度，结合丝杠螺母座14与丝杠13的运动关系而言，该丝杠螺母座14仅具有绕Z轴的旋转自由度。

上述磨头机构中，第一伺服电机9驱动丝杠螺母座14定轴旋转，因丝杠螺母座14无移动自由度，因此，与该丝杠螺母座14匹配的丝杠13实现沿Z轴方向的移动。显然，若第一伺服电机9正转时，丝杠螺母座14驱动丝杠13向上移动，则第一伺服电机9反转时，丝杠螺母座14驱动丝杠13向下移动。

至于第一伺服电机9驱动丝杠螺母座14转动的方式，包括且不限于采用齿轮传动机构或者带轮传动机构。

示例性的，第一伺服电机9和丝杠螺母座14二者采用带轮机构实现传动。该示例中，第一伺服电机9的输出轴设有第一带轮，丝杠螺母座14同轴固定有第二带轮，第一伺服电机9通过前述第一带轮、前述第二带轮以及张紧于两个带轮之间的同步带8驱动丝杠螺母座14定轴旋转。

其中，第二带轮可同轴固定于丝杠螺母座14的上端，且第二带轮的中心设有可供丝杠13穿过的中心孔。

为了实现更好的技术效果，磨头机构还包括设于丝杠13一侧的滑槽板11和挡棍12。其中，滑槽板11内设有水平贯通的滑槽，该滑槽沿Z轴方向延伸；挡棍12的一端固定于丝杠13、另一端嵌入滑槽内。第一伺服电机9驱动丝杠13上下移动时，因丝杠13与挡棍12相对固定，且挡棍12的其中一端嵌入滑槽内，因此，丝杠13能够带动挡棍12在滑槽内沿Z轴滑动，而滑槽则通过约束挡棍12的滑动方向实现约束丝杠13沿XY轴方向的移动自由度。简而言之，滑槽板11及其滑槽能够用于约束丝杠13的转动和约束丝杠向X轴、Y轴方向的移动，起到实现丝杠13对中的作用。

其中，滑槽板11可通过连接板7固定安装。

在上述实施例中，因挡棍12沿滑槽上下滑动，因此，操作人员还可通过测量挡棍12在滑槽内的高度来获取丝杠13沿Z轴的位移量，便于实现反馈调节。

至于磨头机构所采用的磨削头，其可设置为砂带轮26。此外，弹性体具体可采用第一弹簧15。由于砂带轮26需要在旋转的状态下结合砂带6实现磨削作业，因此，该磨头机构还包括设于第一弹簧15的下端和砂带轮26之间、用于驱动砂带轮26转动的驱动组件。

该驱动组件可包括第二伺服电机16、驱动轮17和砂带6；驱动轮17固定于第二伺服电机16的输出轴，砂带6张紧于驱动轮17和砂带轮26之间。第二伺服电机16带动驱动轮17旋转时，驱动轮17带动砂带6和砂带轮26旋转。其中，砂带6用于接触并磨削装卡于XY轴滑台的工件。

上述第二伺服电机16可以与连接板7相对固定，也可以随磨削头同步移动。

示例性的，该驱动组件还包括驱动连接板19；其中，驱动连接板19的顶端固定连接于第一弹簧15，驱动连接板19的底端与砂带轮26连接，具体指砂带轮26定轴铰接于驱动连接板19；驱动连接板19的中部设有可供第二伺服电机16的输出轴穿过的安装槽，且驱动连接板19的中部与第二伺服电机16固定连接。

上述示例中，第一弹簧15的底端可通过弹簧卡位轴18固定连接驱动连接板19，避免第一弹簧15左右滑动。

该驱动组件还可包括张紧机构，其紧邻砂带6设置，用于调节砂带6的松紧程度。

针对上述张紧机构，可包括张紧轮28、中心轴31和连接于张紧轮28和中心轴31之间的张紧连接杆30。

中心轴31通过连接板7实现枢装，也就是说，中心轴31相对于连接板7而言，始终在连接板7内的同一安装孔内转动。

张紧连接杆30的两端分别连接中心轴31和张紧轮28，且张紧连接杆30的轴向相较于中心轴31的轴向，因此，中心轴31旋转时带动张紧连接杆30绕中心轴31旋转，进而带动张紧轮28绕中心轴31旋转。

在此基础上，张紧轮28可通过张紧轮安装座29铰接于张紧连接杆30的端部，张紧轮28的轮周贴合于砂带6的内圈，张紧轮28在中心轴31旋转时以张紧连接杆30为摆臂实现摆动，摆动过程可以通过牵拉砂带6以调节砂带6的松紧。

进一步地，中心轴31可通过固定套筒和设于该固定套筒内的深沟球轴承及其隔套进行枢装。上述固定套筒固定于连接板7，中心轴31通过前述深沟球轴承及其隔套插入并转动连接于固定套筒的内部。中心轴31可连接扭簧和调节轴32，用于驱动中心轴31旋转，进而带动张紧轮28摆动。

为了实现更好的技术效果，上述实施例中，砂带轮26、驱动轮17和张紧轮28三者的中心面均位于同一竖直平面内，起到防止砂带6跑偏的作用。

除了采用砂带轮26作为本发明的磨削头以外，磨削头还可设置为单颗磨粒组件。相较于砂带轮26而言，单颗磨粒组件的磨粒尖朝下，当第一伺服电机9驱动丝杠13和作为弹性体的第一弹簧15上下移动时，单颗磨粒组件在第一弹簧15的作用下向下挤压工件的表面，结合工件随XY轴滑台的移动实现磨粒尖在工件的表面划刻磨削，因此，对于单颗磨粒组件而言，无需另外设置驱动组件。

无论是采用砂带轮26的磨削头，还是采用单颗磨粒组件的磨削头，该磨头机构均可在第一弹簧15的下端和砂带轮26之间设置驱动连接板19、第二套筒21、第二弹簧22和磨削头连接板24。

其中，第二弹簧22设于第二套筒21内且与第一弹簧15同轴；磨削头定位于磨削头连接板24；第二弹簧22的顶端连接于驱动连接板19，第二弹簧22的底端可通过穿设于第二套筒21内的支撑轴25连接磨削头连接板24。因此，针对该磨头机构而言，第一伺服电机9驱动丝杠13上下移动，丝杠13向下移动时，丝杠13下压第一弹簧15、驱动连接板19、第二弹簧22和磨削头连接板24，进而实现磨削头向下挤压工件的表面。第二弹簧22的两端还可设置抱箍20。

磨削头设置为砂带轮26时，磨削头连接板24可通过调节螺栓27连接支承叉25，砂带轮26则定轴铰接于支承叉25。因此，针对前述结构而言，通过调整调节螺栓27的位置可以调节支承叉25的安装高度，从而用于对砂带6进行预紧安装。

该柔性精密磨削操作平台由第一伺服电机9驱动丝杠13、第一弹簧15和第二弹簧22向工件产生可调控的接触压力，同时实现加工过程中磨削头的浮动，能够用于完成各种航空航天用难加工材料例如单晶高温合金、钛合金、反应烧结碳化硅等的柔性刻划和磨削，以便研究柔性接触状态下材料的精密去除机制，弥补现有刚性刻划平台及数控装备难以直接、高效完成相关研究的不足。

使用该柔性精密磨削操作平台时，若需要增大砂带轮26及其砂带6对工件的接触压力，则正向开启第一伺服电机9，令第一伺服电机9正转一定角度，实现驱动丝杠13向下产生与前述角度对应的、精确的直线位移量，因第一弹簧15和第二弹簧22串联，二者可耦合成一个确定的弹性模量，结合前述直线位移量，实现向工件施加确定的压力。反之，若需要减小砂带轮26及其砂带6对工件的接触压力，则反向开启第二伺服电机16。因驱动轮17和砂带轮26二者沿Z轴方向的运动一致，因此，可维持套设于驱动轮17和砂带轮26二者的砂带6的张紧力不变。

此外，若需要进行单颗粒刻划实验，则可拆卸支承叉25、砂带轮26和砂带6并更换单颗磨粒组件。

以上对本发明所提供的柔性精密磨削操作平台进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性精密磨削操作平台，其特征在于，包括用以装卡工件的XY轴滑台和位于所述XY轴滑台的上方、沿Z轴方向运动的磨头机构；所述磨头机构包括第一伺服电机(9)、丝杠(13)、沿Z轴方向伸缩的弹性体和安装于所述弹性体底部的磨削头；所述第一伺服电机(9)驱动所述丝杠(13)上下移动；所述丝杠(13)的底端抵贴于所述弹性体的上端。

2.根据权利要求1所述的柔性精密磨削操作平台，其特征在于，还包括Z轴滑台；所述磨头机构还包括连接板(7)、丝杠螺母座(14)和第一套筒(10)；所述连接板(7)固定于所述Z轴滑台的安装座；所述第一伺服电机(9)和所述第一套筒(10)均固定于所述连接板(7)；所述丝杠螺母座(14)通过所述第一套筒(10)枢装于所述连接板(7)的第一位置；所述第一伺服电机(9)驱动所述丝杠螺母座(14)定轴旋转。

3.根据权利要求2所述的柔性精密磨削操作平台，其特征在于，所述第一伺服电机(9)通过同步带机构驱动所述丝杠螺母座(14)转动。

4.根据权利要求3所述的柔性精密磨削操作平台，其特征在于，所述磨头机构还包括滑槽板(11)和挡棍(12)；所述滑槽板(11)设有水平贯通设置的滑槽；所述挡棍(12)的一端固定连接于所述丝杠(13)、另一端嵌入所述滑槽以实现上下滑动。

5.根据权利要求1所述的柔性精密磨削操作平台，其特征在于，所述磨削头具体为砂带轮(26)；所述弹性体包括第一弹簧(15)；所述磨头机构还包括设于所述第一弹簧(15)和所述砂带轮(26)之间的驱动组件。

6.根据权利要求5所述的柔性精密磨削操作平台，其特征在于，所述驱动组件包括第二伺服电机(16)、驱动轮(17)和砂带(6)；所述驱动轮(17)固定于所述第二伺服电机(16)的输出轴，所述砂带(6)张紧于所述驱动轮(17)和所述砂带轮(26)之间。

7.根据权利要求6所述的柔性精密磨削操作平台，其特征在于，所述磨头机构还包括驱动连接板(19)；

所述驱动连接板(19)的顶端固定连接于所述第一弹簧(15)；

所述驱动连接板(19)的中部与所述第二伺服电机(16)固定连接；

所述驱动连接板(19)的底端与所述砂带轮(26)定轴铰接。

8.根据权利要求7所述的柔性精密磨削操作平台，其特征在于，还包括紧邻所述砂带(6)设置、用以调整所述砂带(6)的张紧程度的张紧机构；所述张紧机构包括张紧轮(28)、中心轴(31)和连接于所述张紧轮(28)和所述中心轴(31)之间的张紧连接杆(30)；所述张紧轮(28)的轮周贴合于所述砂带(6)的内圈；所述中心轴(31)旋转时驱动所述张紧连接杆(30)在所述砂带(6)所在平面内摆动。

9.根据权利要求1所述的柔性精密磨削操作平台，其特征在于，所述磨削头具体为单颗磨粒组件；所述弹性体包括第一弹簧(15)；所述单颗磨粒组件的磨粒尖朝下。

10.根据权利要求5至9任一项所述的柔性精密磨削操作平台，其特征在于，所述第一弹簧(15)的下端和所述磨削头之间还设有驱动连接板(19)、第二套筒(21)、第二弹簧(22)和磨削头连接板(24)；

所述第二弹簧(22)设于所述第二套筒(21)内且与所述第一弹簧(15)同轴；所述磨削头定位于所述磨削头连接板(24)；所述第二弹簧(22)的顶端连接于所述驱动连接板(19)，所述第二弹簧(22)的底端连接于所述磨削头连接板(24)。

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