一种自由曲面机器人打磨系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种自由曲面机器人打磨系统，该系统包括工作台、工业机器人、机器人控制柜、打磨工具、气动主轴、连接件、气动控制柜和系统控制柜。本发明自动化程度高、柔性强，特别适用于自由曲面的打磨，具体为，由固定在工业机器人末端的气动主轴夹持打磨工具，通过气动主轴的气动柔顺力控制功能使打磨工具始终压紧被加工表面，且压力大小保持恒定，同时工业机器人根据规划路径调整位姿，使打磨压力在被加工表面的法线方向上，通过气动主轴的气动马达使打磨工具高速转动，再由工业机器人带动打磨工具按照规划路径对零件进行打磨。
【专利说明】一种自由曲面机器人打磨系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业机器人【技术领域】，尤其涉及一种自由曲面机器人打磨系统。
【背景技术】
[0002]目前自由曲面的零件打磨抛光基本都是由人工手持作业工具靠经验来完成，这很难保证自由曲面零件的形位精度、表面微观物理属性，且制造成本较高，制约了成型模具加工技术的发展；尤其是目前的人工作业难以保证质量的一致性及加工效率，据统计精整加工占整个模具制造工时的37?42%左右，繁重的作业任务及低效率使得某些装备的研制周期受到严重的影响。因此，自由曲面的打磨加工是模具生产、制造中的薄弱环节，成为制约模具制造业发展的瓶颈。
【发明内容】
[0003]针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种自由曲面机器人打磨系统，本发明由固定在工业机器人末端的气动主轴夹持打磨工具，通过气动主轴的气动柔顺力控制功能使打磨工具始终压紧被加工表面，且压力大小保持恒定，同时工业机器人根据规划路径调整位姿，使打磨压力在被加工表面的法线方向上，通过气动主轴的气动马达使打磨工具高速转动，再由工业机器人带动打磨工具按照规划路径对零件进行打磨。本发明可以有效地保证自由曲面打磨的精度和质量一致性，并提高了生产效率，降低工人的劳动强度。
[0004]本发明提出的一种自由曲面机器人打磨系统包括:工作台、工业机器人、机器人控制柜、打磨工具、气动主轴、连接件、气动控制柜和系统控制柜，其中:
[0005]所述工作台用于固定待加工零件；
[0006]所述气动主轴通过连接件固定在工业机器人的末端法兰上；
[0007]所述打磨工具夹持在所述气动主轴的底部，用于随工业机器人一起按照控制指令执行指定运动轨迹，对固定在工作台上的待加工零件的表面进行打磨或抛光；
[0008]气动控制柜利用气动回路来对所述气动主轴进行控制；
[0009]所述系统控制柜用于进行机器人运动学与动力学的离线解算，同时实现气动回路控制，以及与机器人控制柜进行通讯；
[0010]所述机器人控制柜用于控制工业机器人的运动，使工业机器人末端的打磨工具按照规划轨迹运动。
[0011]本发明的有益效果包括:(I)气动主轴具备柔顺力控制功能，能保证打磨过程中打磨工具与被加工表面的压力大小始终保持恒定，同时可以起到砂轮磨损自动补偿作用，适用于复杂曲面的打磨抛光；(2)通过机器人位姿的实时调整使被加工表面压力始终保持在被加工表面的法线方向上；(3)可根据不同的工艺要求、材料属性选择相应的打磨工具；
(4)工业机器人根据路径生成软件生成的打磨路径，带动打磨工具对待加工零件的自由曲面进行打磨或抛光，生产效率和打磨精度明显高于机器人示教打磨；(5)由路径生成软件生成的打磨路径与数控加工路径相正交，有效提高打磨质量。【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为根据本发明一实施例的打磨系统结构示意图。
[0013]图2为根据本发明一实施例的连接件结构示意图。
[0014]图3为根据本发明一实施例的打磨工具结构示意图。
[0015]图4为根据本发明一实施例的气动主轴的内部结构图。
[0016]图5为根据本发明一实施例的气动回路示意图。
[0017]图6为根据本发明一实施例的打磨流程图。
【具体实施方式】
[0018]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0019]本发明提出了一种自由曲面机器人打磨系统，图1为根据本发明一实施例的打磨系统结构示意图，如图1所示，所述打磨系统包括工作台10、工业机器人3、机器人控制柜2、打磨工具6、气动主轴5、连接件4、气动控制柜7和系统控制柜1，其中:
[0020]所述工作台10用于固定待加工零件8，在本发明一实施例中，所述待加工零件8通过固定部件9固定在所述工作台10上。在本发明的另一实施例中，所述工作台10的底部安装有减振部件11，比如减振垫铁，具备减振功能；
[0021]所述气动主轴5通过连接件4固定在工业机器人3的末端法兰上，根据本发明一实施例的连接件4的结构示意图如图2所示；
[0022]所述打磨工具6夹持在所述气动主轴5的底部，比如由所述气动主轴5底部的三爪卡盘式夹头夹持，用于随工业机器人3 —起按照控制指令执行指定运动轨迹，对固定在工作台10上的待加工零件8的表面进行打磨或抛光。如图3所示，所述打磨工具6包括打磨介质6-2及配套的打磨夹具6-1，其中，所述打磨介质6-2可以是凹砂轮、蝶形砂轮、千叶轮或树脂砂轮等打磨介质，在实际应用中，可根据不同的工艺要求、材料属性进行打磨介质6-2和配套的打磨夹具6-1的选择；
[0023]所述打磨系统利用气动原理进行打磨，其打磨核心部件是气动主轴5，如图4所示，所述气动主轴5包括气动马达5-1和柔顺气缸5-2，其中，气动马达5-1固定在柔顺气缸5-2的滑台上，随滑台一起运动，用于带动气动主轴上的打磨工具6高速转动，实现打磨功能；柔顺气缸5-2具备气动柔顺力控制功能，用于控制打磨压力，使打磨过程中打磨工具与被加工零件表面的接触力大小始终保持恒定，同时可以起到砂轮磨损自动补偿作用；
[0024]气动控制柜7利用气动回路来对所述气动主轴5的气动马达5-1和柔顺气缸5-2进行控制；
[0025]所述系统控制柜I用于进行机器人运动学与动力学的离线解算(包括轨迹规划及运动补偿)，同时实现气动回路控制，以及与机器人控制柜2进行通讯，具体地，所述系统控制柜I安装有路径生成软件，用于生成打磨路径及进行奇异点检测，所述路径生成软件，设计工业机器人3打磨路径的规划及优化，数控加工路径数据生成与数控加工路径相正交的打磨路径，再对生成的路径点进行奇异点检测，并将生成的路径点转换为机器人可识别的控制代码，工业机器人根据路径点法向量调整姿态，使打磨压力的方向始终保持在被加工表面法向上，实现打磨质量的一致性；所述系统控制柜I中的控制电路根据接收到的控制指令控制气动回路中的气动元器件；所述系统控制柜I与机器人控制柜2通过Profibus进行通讯。
[0026]所述系统控制柜I发出指令控制气动回路中的电气比例阀7-6和二位五通阀7-7输出气压，使柔顺气缸5-2产生相应的推力，该推力通过气动马达5-1传递给打磨工具6，使打磨过程中打磨工具6与被加工零件8表面的接触力大小始终保持为控制系统预设的打磨压力值，该气动主轴5 —方面使打磨系统具备气动柔顺力控制功能，实现自由曲面打磨效果的均匀性，另一方面可以起到砂轮磨损自动补偿作用；气动马达5-1由控制系统发出的指令控制气动回路中二位二通阀7-5的通断来实现转动和停止，从而使夹持在气动主轴5上的打磨工具6实现打磨功能。
[0027]所述机器人控制柜2用于控制工业机器人3的运动，使工业机器人3末端的打磨工具6按照规划轨迹运动；
[0028]如图5所示,为气动控制柜7内部的气动回路示意图，该气动回路包括气源7-1、释放残压手动阀7-2、过滤减压阀7-3、油雾器7-4、气动马达5-1、电气比例阀7_6、柔顺气缸5-2、控制气动马达转动的二位二通阀7-5及控制气缸换向的二位五通阀7-7 ;压缩空气从气源7-1输入到释放残压手动阀7-2后进入过滤减压阀7-3和油雾器7-4，使压缩空气得到过滤和减压，并携带油雾对气动元器件进行润滑，然后分两路分别进入气动主轴5，一路经过二位二通阀7-5后进入气动马达5-1，另一路经过电气比例阀7-6和二位五通阀7-7后进入柔顺气缸5-2，；当二位二通阀7-5接收到来自控制系统的信号时，线圈得电，使压缩空气直接进入气动马达5-1，实现气动马达5-1高速转动；电气比例阀7-6根据接收到的控制系统模拟量输出相应的气压，当二位五通阀7-7接收到来自控制系统的信号时，线圈得电，使压缩空气进入柔顺气缸，产生打磨压力。
[0029]如图6所示，自由曲面机器人打磨系统的打磨过程包括以下步骤:
[0030]①安装待加工零件8及打磨工具6 ；
[0031]②启动电气及气动系统,调试气动压力；
[0032]③启动路径生成软件，导入待加工零件的CAD数据；
[0033]④设置工艺参数，生成打磨路径；
[0034]⑤奇异点检测及修正，生成机器人控制代码并传送给机器人控制柜2 ；
[0035]⑥工业机器人3带动打磨工具6按照生成路径运动并执行打磨任务；
[0036]⑦系统监控及实时柔顺力控制；
[0037]⑧打磨结束，进行表面粗糙度检测；
[0038]⑨对未达到表面粗糙度要求的表面重复打磨，直到表面粗糙度达到要求。
[0039]在所述自由曲面机器人打磨系统工作前，先将给定自由曲面的CAD数据导入所述系统控制柜，具体为其中的路径生成软件，根据打磨要求选择需要打磨的自由曲面，通过设置打磨工艺参数，生成符合加工工艺要求的打磨路径，再通过奇异点检测，修正工业机器人3不可到达的路径点，最后将生成的路径点转换为工业机器人3可识别的控制代码并输入机器人控制柜2，经过机器人控制柜2解算后，生成与路径点相应的工业机器人的位姿，使打磨工具与被加工表面保持正确的接触状态，即打磨压力的方向始终保持在被加工表面法线方向上，从而实现打磨质量的一致性；同时为了有效去除数控加工后留下的刀痕，获得较低的表面粗糙度和较高的形位精度，通过设置路径生成软件的相关工艺参数，使生成的打磨路径与数控加工路径相正交；打磨工作时，工业机器人3带动打磨工具6从预先设置的起始点开始，沿着路径点对待加工零件8的自由曲面进行打磨，打磨完成后工业机器人3复位,卸下打磨好的零件8，完成一个打磨周期。
[0040]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种自由曲面机器人打磨系统，其特征在于，该系统包括:工作台、工业机器人、机器人控制柜、打磨工具、气动主轴、连接件、气动控制柜和系统控制柜，其中: 所述工作台用于固定待加工零件； 所述气动主轴通过连接件固定在工业机器人的末端法兰上； 所述打磨工具夹持在所述气动主轴的底部，用于随工业机器人一起按照控制指令执行指定运动轨迹，对固定在工作台上的待加工零件的表面进行打磨或抛光； 气动控制柜利用气动回路来对所述气动主轴进行控制； 所述系统控制柜用于进行机器人运动学与动力学的离线解算，同时实现气动回路控制，以及与机器人控制柜进行通讯； 所述机器人控制柜用于控制工业机器人的运动，使工业机器人末端的打磨工具按照规划轨迹运动。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工作台的底部安装有减振部件。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待加工零件通过固定部件固定在所述工作台上。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述打磨工具包括打磨介质及配套的打磨夹具。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述打磨介质为凹砂轮、蝶形砂轮、千叶轮或树脂砂轮。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气动主轴包括气动马达和柔顺气缸，其中，气动马达固定在柔顺气缸的滑台上，随滑台一起运动，用于带动气动主轴上的打磨工具高速转动，实现打磨功能；柔顺气缸具备气动柔顺力控制功能，用于控制打磨压力，使打磨过程中打磨工具与被加工零件表面的接触力大小始终保持恒定。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气动回路包括气源、释放残压手动阀、过滤减压阀、油雾器、气动马达、电气比例阀、柔顺气缸、控制气动马达转动的二位二通阀及控制气缸换向的二位五通阀。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统控制柜根据打磨要求选择需要打磨的自由曲面，通过设置打磨工艺参数，生成符合加工工艺要求的打磨路径，再通过奇异点检测，修正工业机器人不可到达的路径点，最后将生成的路径点转换为工业机器人可识别的控制代码并输入机器人控制柜。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统控制柜通过设置相关工艺参数，使生成的打磨路径与数控加工路径相正交。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工业机器人根据路径点法向量调整姿态，使打磨压力的方向始终保持在被加工表面法向上。
【文档编号】B24B27/00GK103878666SQ201410123106
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】王健, 刘漫贤 申请人:中国科学院自动化研究所