技术领域
[0001] 本发明涉及一种蒙皮夹层工件自动去支撑打磨方法，属于增材制造后处理领域。
相关背景技术
[0002] 蒙皮夹层工件在气流中利用偏转而产生平衡力和控制力来操纵飞行位姿。基于空气动力学等设计需求，蒙皮夹层工件结构为蒙皮+内部蜂窝/点阵/栅格结构。其中，蒙皮往往为自由曲面或不同斜面的组合，且厚度≤1mm；内腔结构对传统加工适应性差。因而，金属激光增材制造成为蒙皮夹层工件类产品加工制备的优势手段。
[0003] 然而，受到金属激光增材制造的工艺性限制，不可避免的要添加诸如肋板、点阵等维形结构，块状、轮廓、锥体、网络等实体/非实体支撑以及其他工艺性结构。出于维持蒙皮夹层工件设计需求尺寸形位精度，各类支撑维形结构具备一定强度和实体密度，往往给造成金属激光增材制造后处理去支撑打磨造成困难。专利CN113211263A公开了一种增材制造用打磨设备，涉及底座、限位装置、延伸装置以及往返装置，可以实现对材料全表面的打磨并提高打磨效率，然而其装夹工件形状受限，不能适应蒙皮夹层工件增才支撑方案；专利CN110000382B公开了一种增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，涉及高压气体清粉、全表面酸洗与支撑化学腐蚀以及磨粒流抛光，虽然在最后热处理过程中消除H元素的不良影响，但不能准确把控酸洗与支撑去除过程材料蚀除情况，进而不能保证产品交付时的力学性能与蒙皮壁厚要求；专利CN218430025U公开了一种去除增材制造成型件支撑的装置，涉及超快激光聚焦与支撑的激光切割，其去除效率及精度受到材料‑激光吸收率的限制以及振镜‑平台协同运动中的三维寻焦误差的限制。
具体实施方式
[0041] 本发明提出一种蒙皮夹层工件自动去支撑打磨方法，针对蒙皮夹层工件产品点阵、肋板及网格不同支撑结构分区，利用“3+4”机械手臂，随打磨路径行进工具库内对应不同工具的调取、更换及对应不同参数包进行去支撑打磨，并在打磨过程中在线监测表面状态，调控去支撑打磨参数。
[0042] 所述的“3+4”机械手臂，包含主机械手臂和末端循环打磨装置；主机械手臂，具备第一关节Z向转动、第二关节X向转动及第三关节Y向转动；末端循环打磨装置，包含主轴转动、进给和主轴X向、Y向移动，其中X向表示平行于工作台面的长程方向，Y向表示平行于工作台面的短程方向，Z向表示垂直于工作台面的竖直方向。
[0043] 所述的打磨路径，由线激光三维扫描获得的点云与产品理论毛坯进行对比获取待去除支撑区域，将待去除支撑区域划分为K个区域，每个当前作业的区域n，划分时依照“点阵—肋板—网格支撑”的顺序，规划路径包含“试刀”分路径、“区域n循环去支撑”分路径、“换刀”分路径及“快速定位”分路径，其中1≤n≤K‑1。
[0044] 所述的工具库，点阵使用钢丝刷去除，钢丝刷为圆柱形钢丝刷，直径为点阵区域水平投影长度的1/10‑1/5；肋板使用铣刀去除，铣刀为T形铣刀，有效切削半径为肋板与毛坯连接处厚度的1.2‑2倍；网格结构使用冲头去除，冲头为尖头冲头，尖角≤30°，杆径5‑15mm。
[0045] 所述的不同工具的调取、更换，当主轴完成区域n循环去支撑时，停止转动，快速定位至安全换刀点m，此时工具库将新工具送至安全换刀点m’，主轴与工具库松刀，由工具库加持机构换刀，主轴与工具库紧刀，紧刀完成主轴快速定位至区域n+1循环去支撑初始位置，开始主轴转动，工具库复位。
[0046] 所述的参数包，点阵扫刷去除，参数为电主轴转速1000‑5000rpm，进给量0.3‑0.8mm；肋板根部铣削去除，参数为切削速度80‑120mm/s，径向切宽0.4‑2mm，每齿进给量
0.3‑1mm/z；网格支撑冲击根部齿去除，参数为公称压力25‑100t，冲击频率30‑70次/min。
[0047] 所述的在线监测表面状态，利用线激光测量仪捕捉去支撑打磨后产品表面轮廓尺寸，与毛坯理论型面进行对比，判定该区域是完成去支撑打磨，打磨过度或欠打磨。
[0048] 所述的调控去支撑打磨参数，主轴安装在气动马达轴上，利用力学传感器实现恒力浮动打磨，并在判断为打磨过度时减小进给量，判断为欠打磨时增加一道次循环。
[0049] 所述的末端循环打磨装置包括：主轴3+1运动机构、线激光测量仪和雾化冷却装置，其中主轴3+1运动机构包括主轴、气动马达和力学传感器；具体的：
[0050] 主轴安装通过浮动单元安装在在气动马达末端，由气动马达驱动旋转；力学传感器位于浮动单元后方；主轴3+1运动机构实现打磨区域内移动并通过气动马达和力学传感器实现恒力浮动打磨，线激光测量仪安装与主轴后方，由数据线向主控计算机传递数据，雾化冷却装置安装于主轴旁侧，工具依靠快换刀柄装夹在主轴上。
[0051] 所述的“试刀”分路径，在路径规划后，主轴在距离毛坯整体外形轮廓垂直高度10‑30mm执行与正式路径参数相同、仅循环一次的路径，验证路径合理性。
[0052] 所述的“区域n循环去支撑”分路径，在某一类型的支撑区域内，执行循环去支撑打磨路径直至在线监测表面状态判定完成对应的空间路径。
[0053] 所述的“换刀”分路径，在完成区域n循环去支撑后，完成换刀所需要行进的空间路径；换刀时：由机械手臂移送主轴至定位至安全换刀点m，等待工具库执行完调取、更换工具后，由机械手臂移送主轴至定位至区域n+1循环去支撑起始点。
[0054] 所述的“区域n+1循环去支撑”分路径，完成“区域n循环去支撑”及“换刀”分路径后下一个执行去支撑打磨的区域。
[0055] 所述的“快速定位”分路径，主轴在完成一个路径后，主轴停止转动，升高至“试刀”分路径高度后，由机械手臂以最短直线距离移送至下一个区域所对应的空间路径。
[0056] 所述的安全换刀点m，在增材毛坯装夹后的水平投影区域以外，“试刀”分路径高度上，不与已有的装置发生干涉的空间内一点，在完成“区域n循环去支撑”后主轴由机械手臂移动至改点。
[0057] 所述的安全换刀点m’，在增材毛坯装夹后的水平投影区域以外，“试刀”分路径高度上，保证不与任何装置干涉，且与安全换刀点m的空间距离小于加持机构换刀作业距离的空间内一点，在完成“区域n循环去支撑”后工具库将新工具移送至该点。
[0058] 实施例：
[0059] 一种蒙皮夹层工件自动去支撑打磨方法，针对如附图2所示：1‑蒙皮夹层工件增材毛坯本体能够划分区域为点阵2、肋板3及不同网格支撑结构4，利用“3+4”机械手臂，随打磨路径行进工具库内对应不同工具的调取、更换及对应不同参数包进行去支撑打磨，并在打磨过程中在线监测表面状态，调控去支撑打磨参数。
[0060] 所述的“3+4”机械手臂，包含主机械手臂，具备第一关节Z向转动、第二关节X向转动及第三关节Y向转动；末端循环打磨装置，包含主轴转动、进给和主轴X向、Y向移动，其中X向表示平行于工作台面的长程方向，Y向表示平行于工作台面的短程方向，Z向表示垂直于工作台面的竖直方向。
[0061] 所述的打磨路径，由线激光三维扫描获得的点云与产品理论毛坯进行对比获取待去除支撑区域，依照“点阵—肋板—网格支撑”的顺序规划包含“试刀”分路径、“区域1循环去支撑”分路径、“换刀1”分路径、“区域2循环去支撑”分路径、“换刀2”分路径、“区域2循环去支撑”分路径及“快速定位”分路径。
[0062] 所述的工具库，区域1点阵使用钢丝刷去除，钢丝刷为圆柱形钢丝刷，直径为点阵区域水平投影长度的1/5，钢丝刷直径16mm；肋板使用铣刀去除，铣刀为T形铣刀，有效切削半径为肋板与毛坯连接处厚度的2倍，有效切削半径3mm；网格结构使用冲头去除，冲头为尖头冲头，尖角25°，杆径10mm。
[0063] 所述的不同工具的调取、更换，当主轴完成区域1循环去支撑时，停止转动，快速定位至安全换刀点1，此时工具库将T形铣刀送至安全换刀点1’，主轴松钢丝刷，工具库松T形铣刀，由工具库加持机构换刀，主轴紧T形铣刀，工具库紧钢丝刷，紧刀完成主轴快速定位至区域2循环去支撑初始位置，开始主轴转动，工具库复位；当主轴完成区域2循环去支撑时，停止转动，快速定位至安全换刀点2，此时工具库将冲头送至安全换刀点2’，主轴松T形铣刀，工具库松冲头，由工具库加持机构换刀，主轴紧T形铣刀，工具库紧冲头，紧刀完成主轴快速定位至区域3循环去支撑初始位置，开始主轴进给，工具库复位。
[0064] 所述的参数包，点阵扫刷去除，参数为电主轴转速3000rpm，进给量0.5mm；肋板根部铣削去除，参数为切削速度90mm/s，径向切宽0.5mm，每齿进给量1mm/z；网格支撑冲击根部齿去除，参数为公称压力25t，冲击频率50次/min。
[0065] 所述的在线监测表面状态，利用线激光测量仪捕捉去支撑打磨后产品表面轮廓尺寸，与毛坯理论型面进行对比，判定该区域是完成去支撑打磨，打磨过度或欠打磨。
[0066] 所述的调控去支撑打磨参数，主轴安装在气动马达轴上，利用力学传感器实现恒力浮动打磨，并在判断为打磨过度时减小进给量，判断为欠打磨时增加一道次循环。
[0067] 所述的循环打磨装置，主轴XY向运动机构实现打磨区域内移动并通过气动马达和力学传感器实现恒力浮动打磨，线激光测量仪安装与主轴后方，由数据线向主控计算机传递数据，雾化冷却装置安装于主轴旁侧，工具依靠快换刀柄装夹在主轴上。
[0068] 所述的“试刀”分路径，在路径规划后，主轴在距离毛坯整体外形轮廓垂直高度10mm进行与正式路径参数相同、循环路径支撑一次的路径完成行进，验证路径合理性。
[0069] 所述的“区域1循环去支撑”分路径，在点阵支撑区域内，执行循环去支撑打磨路径直至在线监测表面状态判定完成。
[0070] 所述的“换刀”分路径，在完成区域1循环去支撑后，由机械手臂移送主轴至定位至安全换刀点1，等待工具库执行完调取、更换工具后，由机械手臂移送主轴至定位至区域2循环去支撑起始点；在完成区域2循环去支撑后，由机械手臂移送主轴至定位至安全换刀点2，等待工具库执行完调取、更换工具后，由机械手臂移送主轴至定位至区域3循环去支撑起始点。
[0071] 所述的“区域2循环去支撑”分路径，完成“区域1循环去支撑”及“换刀”分路径后下一个执行去支撑打磨的区域。
[0072] 所述的“区域3循环去支撑”分路径，完成“区域2循环去支撑”及“换刀”分路径后下一个执行去支撑打磨的区域。
[0073] 所述的“快速定位”分路径，主轴在完成一个路径后，主轴停止转动，升高至“试刀”分路径高度后，由机械手臂以最短直线距离移送至下一个区域。
[0074] 所述的安全换刀点1，在增材毛坯装夹后的水平投影区域以外，“试刀”分路径高度上，不与任何装置干涉的空间内一点，在完成“区域1循环去支撑”后主轴由机械手臂移动至改点。
[0075] 所述的安全换刀点1’，在增材毛坯装夹后的水平投影区域以外，“试刀”分路径高度上，保证不与任何装置干涉，且与安全换刀点1的空间距离小于加持机构换刀作业距离的空间内一点，在完成“区域1循环去支撑”后工具库将新工具移送至该点。
[0076] 所述的安全换刀点2，在增材毛坯装夹后的水平投影区域以外，“试刀”分路径高度上，不与任何装置干涉的空间内一点，在完成“区域2循环去支撑”后主轴由机械手臂移动至改点。
[0077] 所述的安全换刀点2’，在增材毛坯装夹后的水平投影区域以外，“试刀”分路径高度上，保证不与任何装置干涉，且与安全换刀点2的空间距离小于加持机构换刀作业距离的空间内一点，在完成“区域2循环去支撑”后工具库将新工具移送至该点。
[0078] 本发明采用柔性浮动打磨技术将机器人的高柔性、高自动化等优点融入去支撑打磨领域，具有高生产率、高质量和高稳定性等优势，可缩短产品改型换代的周期，减少相应的投资设备，并减少工人操作环境的噪声、粉尘等职业病危害因素，是实现智能化、绿色化的有效手段。
[0079] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
