CN101148021A - 具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床 - Google Patents

具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床，属于机械制造领域。底座与机架固定连接构成固定台；成水平垂直分布的纵向滑道与滑块副和横向滑道与滑块副提供两维移动；上平台与下平台通过三个分支相连，该上平台上安装实现叶片装夹和自动翻转的工件夹具；抛磨工具***包括砂带、工具板、安装在工具板上的两个涨紧轮、一个驱动轮和换轮机构。本发明采用三杆并联机构作为工作台，巧妙地利用和回避了并联机构在精度和刚性方面存在的不足。拓展了机床的工作空间，弥补了并联机构工作台工作空间的不足，使机床适应大型叶片的抛磨加工，提高了抛磨作业效率。

Description

具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床
技术领域
本发明属于机械制造领域。
背景技术
叶片作为特殊的自由曲面零件，是发电设备制造业的水轮机、汽轮机，船舶制造业的船用汽轮机，航空制造业的飞机发动机等透平机械的最核心部件之一，其型面的设计、制造水平和制造质量直接影响透平机械的性能、效率和可靠性。
近十几年来，随着计算机技术和现代控制理论等相关技术的发展，以五轴联动数控加工为代表的加工技术和设备日趋完善，已经可以实现透平叶片的自动化形状加工。瑞士威力铭-马科黛尔公司的TB系列五轴叶片加工中心、意大利C.B.Ferrari公司的五轴高速叶片铣床可以满足汽轮机叶片和航空发动机叶片的加工需求。东方汽轮机厂与北京机电院合作开发的XKH系列五轴联动叶片加工中心适合加工汽轮机、燃气轮机的各类叶片。
叶片形状加工后的表面仍需经过抛磨等光整加工工序，才能获得预期的表面质量。抛磨光整加工的目的是在对叶片表面形状精度进行修正的同时，去除形状加工在表面残留的刀痕，降低表面粗糙度，提高表面质量。叶片表面手工研抛加工不仅费时、费力、效率低下，且难以保证形状精度，加工质量不稳定。叶片抛磨光整加工自动化技术和装备的欠缺已成为生产、制造中的薄弱环节和制约行业发展的瓶颈。
国内西南科技大学开发了三维振动抛光装置用于航空涡轮发动机叶片的抛光，为了保证叶片上、下表面抛光的一致性，叶片抛光一段时间后需要翻转180°，继续抛光相同的时间。虽然该技术一定程度上提高了抛光效率，但是由于技术本身存在一定的随机性，叶片抛光质量不稳定，且难以实现表面的确定性去除。意大利C.B.Ferrari公司开发的五轴高速叶片磨床，没有脱离普遍采用的五轴联动叶片加工设备的串联构型，实质是在该公司五轴高速叶片铣床的基础上更换了工具***。国内廊坊智通机器人公司以ABB工业机器人为平台开发了叶片磨削***。对于中小型叶片采用工业机器人夹持叶片的加工方式，通过工业机器人完成叶片和固定磨削砂带之间的复杂空间运动实现叶片磨削；对于大型叶片，则采用工业机器人夹持磨削工具的加工方式，通过工业机器人带动工具进行叶片型面的磨削。智通公司依托于ABB工业机器人开发的叶片磨削***一定程度上受制于机器人的运动空间、运动精度、数据处理能力和硬件水平，技术上无法做到独立和自成体系，因此属于利用机器人的磨削***。
综上所述，一方面现有的叶片抛磨机床和机器人抛磨***没有摆脱传统构型；另一方面，叶片型面属于复杂的自由曲面，目前抛磨设备配备的工具***无法根据叶片曲面曲率的变化适时地更换工具，影响抛磨效率。
发明内容
本发明提供的一种具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床，以解决叶片特别是大型叶片抛磨光整加工中自动化程度不高的问题。本发明采取的技术方案：
包括底座、机架、成水平垂直分布的纵向滑道/滑块副和横向滑道/滑块副、下平台、上平台、连接上平台与下平台的分支、工件夹具、抛磨工具***。其特征在于底座、机架构成固定台；成水平垂直分布的纵向滑道/滑块副和横向滑道/滑块副提供两维移动；上平台与下平台通过三个分支相连，所说的三个分支两端分别通过三个成120°布置的铰链与上平台和下平台相连；所说的三个分支均可采用伸缩连杆构成单自由度运动副，伸缩连杆与下平台连接为转动副，与上平台连接为三自由度球铰链；所说的伸缩连杆的驱动方式可以采用电机和丝杠副驱动，也可以采用伺服油缸驱动；所说的上平台上安装工件夹具，工件夹具实现叶片的装夹和自动翻转，满足叶片双面抛磨的需要；抛磨工具***包括砂带、工具板、安装在工具板上的两个张紧轮、一个驱动轮和换轮机构；所说的换轮机构包括十字滑道、四个滑动杆和四个不同直径的接触轮；所说的十字滑道可绕其中心轴转动，在十字滑道内滑动的四个滑动杆的末端分别装有不同直径接触轮。
所说的成水平垂直分布的纵向滑道和横向滑道可安装在机架的上部，所说的下平台可固定在底座上，所说的抛磨工具***可通过横向滑块沿横向滑道移动，横向滑道可通过纵向滑块沿纵向滑道移动。
所说的纵向滑道可安装在底座上，所说的横向滑道可安装在机架上部，纵向滑道与横向滑道成水平垂直分布，所说的下平台可通过纵向滑块沿纵向滑道移动，所说的抛磨工具***可通过横向滑块沿横向滑道移动。
所说的成水平垂直分布的纵向滑道和横向滑道可叠加安装在底座上构成上、下两层滑道，所说的下平台可通过纵向滑块沿上层纵向滑道移动，上层纵向滑道可通过横向滑块沿下层横向滑道移动；所说的抛磨工具***可固定在机架的上部。
所说的换轮机构可以根据叶片曲率半径变化通过滑动杆将现有接触轮收回，十字滑道绕其中心轴转动到所需接触轮垂直向下的位置，滑动杆推动所需接触轮将砂带压向叶片表面。
所说的纵向滑块和横向滑块与上、下平台及其连接分支在运动控制上实行联动控制，实现对叶片的抛磨加工。
本发明提供一种全新的具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床。该机床可以提供三维移动和两维转动；采用砂带***作为抛磨工具，通过换轮机构实现根据叶片曲率半径的变化选择相应尺寸的接触轮，提高了抛磨效率；采用三杆并联机构作为工作台，适应了抛磨加工属于弹性加工的特点，巧妙地利用和回避了并联机构存在的精度和刚度方面的不足；工作台上安装可以实现叶片装夹和自动翻转的夹具，实现叶片的双面抛磨；通过配置纵向滑道实现机床沿叶片长度方向移动，拓展了机床的运动空间，弥补了并联机构工作台工作空间的不足。通过***的集成创新，该机床可以解决叶片特别是大型叶片抛磨光整加工自动化问题。
本发明优点在于：
(1)抛磨加工属于弹性加工，本发明采用三杆并联机构作为工作台，巧妙地利用和回避了并联机构在精度和刚性方面存在的不足。
(2)根据叶片的造型特点，本发明通过配置纵向滑道实现机床沿叶片长度方向移动，拓展了机床的工作空间，弥补了并联机构工作台工作空间的不足，使机床适应大型叶片的抛磨加工。
(3)本发明采用砂带作为抛磨工具，采用换轮机构根据叶片曲面曲率半径的变化提供不同尺寸的接触轮，提高了抛磨作业效率。
附图说明
图1是本发明实施例一的总体结构示意图。
图2是本发明抛磨工具***结构示意图。
图3是本发明实施例二的总体结构示意图。
图4是本发明实施例三的总体结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的三种实施例作进一步详述。
实施例一：
本实施例的总体结构如图1所示，底座1和机架11构成固定台，纵向滑道9和横向滑道8成水平垂直分布安装在机架11的上部，抛磨工具***5通过横向滑块6沿横向滑道8移动，横向滑道8通过纵向滑块7沿纵向滑道9移动。下平台13固定在底座1上，三支可伸缩连杆3两端分别通过三个成120°布置的铰链与上平台10和下平台13相连，其中连接上平台10的铰链为三自由度球铰链4，连接下平台13的铰链为转动副2，伸缩连杆3的驱动方式可以采用电机和丝杠副驱动，也可以采用伺服油缸驱动。上平台10上安装工件夹具12，工件夹具12实现叶片的装夹和翻转。抛磨工具***5的结构如图2所示，包括砂带504、工具板505、安装在工具板505上的两个张紧轮502，一个驱动轮506和换轮机构；换轮机构包括十字滑道503、在十字滑道503内滑动的与滑动杆508相同的四个滑动杆、四个滑动杆末端的不同直径的接触轮501。换轮机构可以根据叶片曲率半径变化通过滑动杆508将现有接触轮501收回，十字滑道503绕其中心轴507转动到所需接触轮垂直向下的位置，滑动杆推动所需接触轮将砂带504压向叶片表面。纵向滑块7和横向滑块6与上平台10、下平台13及其连接分支在运动控制上实行联动控制，实现对叶片的抛磨加工。
实施例二：
本实施例的总体结构如图3所示，底座1和机架11构成固定台，纵向滑道9安装在底座1上，横向滑道8安装在机架11上部，纵向滑道9与横向滑道8成水平垂直分布，下平台13通过纵向滑块7沿纵向滑道9移动，抛磨工具***5通过横向滑块6沿横向滑道8移动。三支可伸缩连杆3两端分别通过三个成120°布置的铰链与上平台10和下平台13相连，其中连接上平台10的铰链为三自由度球铰链4，连接下平台13的铰链为转动副2，伸缩连杆3的驱动方式可以采用电机和丝杠副驱动，也可以采用伺服油缸驱动。上平台10上安装工件夹具12，工件夹具12实现叶片的装夹和翻转。抛磨工具***5结构同实施例一。换轮机构可以根据叶片曲率半径变化通过滑动杆将现有接触轮收回，十字滑道绕其中心轴转动到所需接触轮垂直向下的位置，滑动杆推动所需接触轮将砂带压向叶片表面。纵向滑块7和横向滑块6与上平台10、下平台13及其连接分支在运动控制上实行联动控制，实现对叶片的抛磨加工。
实施例三：
本实施例的总体结构如图4所示，底座1和机架11构成固定台，成水平垂直分布的纵向滑道9和横向滑道8叠加安装在底座上1构成上、下两层滑道，下平台13通过纵向滑块7沿纵向滑道9移动，纵向滑道9通过横向滑块6沿横向滑道8移动，抛磨工具***5固定在机架11的上部。三支可伸缩连杆3两端分别通过三个成120°布置的铰链与上平台10和下平台13相连，其中连接上平台10的铰链为三自由度球铰链4，连接下平台13的铰链为转动副2，伸缩连杆3的驱动方式可以采用电机和丝杠副驱动，也可以采用伺服油缸驱动。上平台10上安装工件夹具12，工件夹具12实现叶片的装夹和翻转。抛磨工具***5结构同实施例一。换轮机构可以根据叶片曲率半径变化通过滑动杆将现有接触轮收回，十字滑道绕其中心轴转动到所需接触轮垂直向下的位置，滑动杆推动所需接触轮将砂带压向叶片表面。纵向滑块7和横向滑块6与上平台10、下平台13及其连接分支在运动控制上实行联动控制，实现对叶片的抛磨加工。

Claims (6)

1.一种具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床，其特征在于：底座与机架固定连接构成固定台；成水平垂直分布的纵向滑道与滑块副和横向滑道与滑块副提供两维移动；上平台与下平台通过三个分支相连，该三个分支两端分别通过三个成120°布置的铰链与上平台和下平台相连；该三个分支均可采用伸缩连杆构成单自由度运动副，伸缩连杆与下平台连接为转动副，与上平台连接为三自由度球铰链；该伸缩连杆采用电机和丝杠副驱动或采用伺服油缸驱动；该上平台上安装实现叶片装夹和自动翻转的工件夹具；抛磨工具***包括砂带、工具板、安装在工具板上的两个张紧轮、一个驱动轮和换轮机构；所说的换轮机构包括十字滑道、四个滑动杆和四个不同直径的接触轮；所说的十字滑道可绕其中心轴转动，在十字滑道内滑动的四个滑动杆的末端分别装有不同直径接触轮。
2.根据权利要求1所述的具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床，其特征在于：该成水平垂直分布的纵向滑道和横向滑道可安装在机架的上部，该下平台可固定在底座上，该抛磨工具***可通过横向滑块沿横向滑道移动，横向滑道可通过纵向滑块沿纵向滑道移动。
3.根据权利要求1所述的具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床，其特征在于：该纵向滑道可安装在底座上，该横向滑道可安装在机架上部，纵向滑道与横向滑道成水平垂直分布，所说的下平台可通过纵向滑块沿纵向滑道移动，所说的抛磨工具***可通过横向滑块沿横向滑道移动。
4.根据权利要求1所述的具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床，其特征在于：该成水平垂直分布的纵向滑道和横向滑道可叠加安装在底座上构成上、下两层滑道，该下平台可通过纵向滑块沿上层纵向滑道移动，上层纵向滑道可通过横向滑块沿下层横向滑道移动；所说的抛磨工具***可固定在机架的上部。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床，其特征在于：换轮机构可以根据叶片曲率半径变化通过滑动杆将现有接触轮收回，十字滑道绕其中心轴转动到所需接触轮垂直向下的位置，滑动杆推动所需接触轮将砂带压向叶片表面。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的具有曲面适应性的叶片抛磨光整加工机床，其特征在于：纵向滑块和横向滑块与上、下平台及其连接分支在运动控制上实行联动控制，实现对叶片的抛磨加工。
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