[发明专利]一种两级定位自由变域机械加工机及其两级定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种作业区域可变的变域机械加工机，特别涉及一种能够沿自由路径自动变更作业区域、在加工作业站点两级定位、操作机悬臂比刚度高的两级定位自由变域机械加工机，本发明还涉及该种变域机械加工机的两级定位方法。

背景技术

机械加工机，即直角坐标形式的数控机床和关节坐标形式的加工机器人等机械加工装备统称为机械加工机，一般固定安装在车间的某个位置(其机座相对大地坐标系的位置是固定的)、且最大加工范围(即作业区域)是一定的(作业区域的大小由机械加工机各个运动轴的运动行程确定)，这种机座位置固定、作业区域一定的机械加工机可称为定域机械加工机。

机座位置相对大地坐标系的位置是可变的机械加工机可称为变域机械加工机，一般变域机械加工机是采用机座沿导轨、轨道、传送带等硬件连续引导装置的路径运动来改变作业区域的方式进行变域，要改变路径必须重新配置硬件连续引导装置，这种不能随机地、自由地变更路径的变域机械加工机可称为非自由路径变域机械加工机。

大型零件(如大型油气罐、工程机械、列车、船舶、飞机等)的加工或装配往往有若干个部位需要进行铣、钻、扩、铰、螺纹等切削加工或铆、焊加工，在不同的加工部位进行加工可称为加工工位，每个加工工位需要加工的尺寸不大，但各个加工工位之间的距离可能很大，可达数米甚至数十米，因此加工机在每个加工工位所需的运动行程(可称为加工工作行程)并不大，但要完成各个加工工位的加工需要的总行程很大(从一个加工工位到另一个加工工位所需的行程可称为变域行程，总行程包括加工工作行程和变域行程)。特别是当加工工位之间的距离较大、工位的分布又是随机的(从一个工位到另一个工位的路径是自由路径)、或大型筒状零件的内腔需要多个部位进行加工时，采用定域机械加工机和非自由路径变域机械加工机都很难实现或无法实现。

另外在装配生产线上也往往需要在现场进行一些配作加工，如配作螺纹孔、配作定位销孔、拧螺丝等工作，不同的加工工位之间距离也较大。

最大作业领域可沿自由路径变更的机械加工机可称为自由路径变域机械加工机(可简称自由变域机械加工机)。自由变域机械加工机由导向控制装置、变域装置、加工作业装置(又称操作机)等组成。导向控制装置自动控制变域装置沿自由路径移动到各个作业站点(即完成变域功能)，由控制装置自动控制操作机完成加工作业(即完成加工功能)。

采用自由变域机械加工机完成上述任务具有突出的优势：1)先由变域装置移动到一个加工工位，由操作机进行加工，一个工位的加工完成后，再由变域装置移动到另一个加工工位，重复上述循环，直到全部加工任务完成，由于操作机只负责加工工位的加工，因此操作机各个运动轴的工作行程不需要很大，变域装置负责完成各个加工工位之间的运动，其变域行程可以很大，故总的行程可以很大，作业区域可以很大；2)因为不需设置硬件连续引导装置，变域装置可沿自由路径运动，故自由变域机械加工机可以方便地解决多个随机分布工位加工时的变域问题；3)因无硬件连续引导装置，方便解决大型零件(如大型油气罐)的内腔表面需要多个部位加工时的变域问题。

沿自由路径运动的变域装置可采用轮式行走装置，其变域行程可以非常大，沿自由路径变域方便，但轮式行走装置是依靠轮子行走(就像汽车相对地面运动)，定位精度比较低，一般定位精度在数毫米量级。自由变域机械加工机对加工作业定位精度要求比较高，期望在10-1毫米量级以下，而进行加工大型零件的多个部位时，需要轮式行走装置在不同加工部位之间移动，因此提高自由变域机械加工机的定位精度是关键。

现有的完全串联原理机械加工机，其主要优点是灵活性好，作业空间大；主要缺点是各轴的运动误差累加，悬臂结构的比刚度(刚度与质量之比)弱。现有的并联原理机构，其主要优点是运动件质量小，比刚度高，各分支运动误差不累加，精度高；主要缺点是回转运动范围小。将串联和并联原理结合起来兼具二者优点的混联原理机构是非常具有实用价值的新型原理机构，特别是当大型零件加工工位的高度差别大时(有的加工工位很高，有的较低)，每个加工工位需要加工的尺寸不大，需要操作机的机械臂很长，因此提高操作机长臂的悬臂刚度是关键；对自由变域机械加工机而言，负责加工任务的操作机乘坐在轮式行走装置上，操作机的自重是轮式行走装置的负载，因此减小操作机的自重对提高其比刚度也至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种两级定位自由变域机械加工机，能对大型零件多个内、外表面加工部位进行自由路径变域加工，具有加工作业站点定位精度高、操作机长臂的悬臂刚度高和操作机的悬臂比刚度高的特点。