一种叶片打磨机器人工作站及叶片打磨方法与流程

本发明涉及一种叶片打磨机器人工作站及叶片打磨方法。

背景技术：

叶片是发动机、汽轮机等装置的核心部件，由于其复杂的曲面结构，以及比较苛刻的应用环境，使得叶片成为最为典型的难加工结构件。在我国，一般的制造工艺都是先制造叶片模具然后再利用模具制造毛坯。但毛坯无论是模锻、还是铸造出，生产后都会留出一定的余量，需要进行打磨和抛光才能投入使用。而若利用铣削作为叶片轮廓的粗加工，刀具的纹路特别明显，所以也必须对叶片进行打磨和抛光才能投入使用。

目前工业生产中对叶片的打磨绝大多数还是对叶片毛坯利用普通磨床采用人工打磨方式。这种方式不仅需要耗费大量人力资源、浪费大量的打磨抛光耗材，而且打磨效率低、叶片成品率低、叶片型面一致性差，打磨产生的有毒气体和金属磨料粉尘会对人身造成危害。在科技日新月异的今天，自动化打磨设备替代传统手工打磨方式势在必行。

在机加方面，叶片的叶盆与叶背表面分别为内弧式曲面和外弧式曲面，没有适合的函数模型，不利于一般形式的机加加工。而叶片通常的机加方式多采用多轴联动数控机床，而多轴联动数控机床所采用的数控系统一般属于高端数控系统，价格较为昂贵。并且由于刚体刚性或者材料成本关系对机床的机械结构的要求是尽量紧凑的，如要实现加工叶片中额外的如测量反馈功能会对整机机械结构的要求更高。另外数控系统的坐标系一般使用直角坐标系统，操作及编程开发较为复杂，不利于加工叶片这种复杂曲面。而一些加工方式如铣削，若要达到一定良好的加工表面，加工效率往往很低，对于目前我国各厂通过模具制造叶片的工艺流程来说并不适用，也不利于对叶片的成批量生产。

相对于数控磨削机床成本高，缺乏柔性，设备使用范围窄，可拓展范围小等诸多缺点而言，机器人柔性磨削加工系统具有灵活性高、通用性强、易于扩展等优点，而且由于机器人柔性磨削加工系统基于通用设备，造价和开发成本大大低于机床。

近年来，通过人们不断地尝试和研究，工业机器人技术得到了飞速的发展，并朝着技术的标准化和设备的通用化方向迈进。机器人技术也逐渐形成一门独立的新兴学科，推动了工业机器人产业的迅速前进。由于欧美国家在机器人磨削领域研发力度的加大和关键技术的突破，美国、芬兰等国家相继推出了商用的机器人磨削系统。国际上最具有代表性的机器人砂带磨削加工系统有美国GE公司的汽轮机叶片磨削系统，芬兰ORAS公司的水暖管件(水龙头)机器人磨削系统。日本MOTOMAN机器人公司的水龙头机器人磨削系统使用MOTOMAN机器人，主要用于水龙头工件外表面的磨削和抛光加工，系统的特点是其拥有一套自编程系统，可以自动生成机器人加工程序。这些系统设计应用适用于一些材料易于加工、精度要求较低，表面光洁度较高的毛坯的打磨和抛光。

本发明目的在于设计制造整体的机器人叶片打磨站，通过实施打磨工艺，完成模具铸造出的中小型叶片的后续粗、中打磨。本发明可以替代工人手动磨削，降低工人的劳动强度，改善叶片打磨的环境。解决加工效率低、成品率低、叶型差、叶片型面一致性差的问题，并且本发明整体结构简单，基于通用设备的开发，操作简单，生产调试周期短，适用性强，成本较低。软件编制的功能丰富，便于生产加工。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种叶片打磨机器人工作站及叶片打磨方法，解决加工效率低、成品率低、叶型差、叶片型面一致性差的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种叶片打磨机器人工作站，包括工业关节机器人、叶盆叶背打磨砂带机、叶片叶根打磨机、叶片定位工装、高精度测量传感器、除尘器、主控柜及安全围栏；

所述工业关节机器人作为夹持设备，并且该工业关节机器人作为该设备的主体，并在工业关节机器人末端上安装叶片定位工装；

所述叶盆叶背打磨砂带机其砂带由柔性接触轮带动进行打磨，无需更换刀具即可完成叶片叶盆和叶背的磨削加工；

所述叶片叶根打磨机采用砂轮作为叶片叶根打磨刀具；

所述叶片定位工装安装待磨削工件，用于加工不同型号的工件；

所述高精度测量传感器用于叶片及夹具的测量及检测；

所述除尘器用于去除打磨过程中的有毒烟尘和金属、磨料粉尘。

本发明还提供了一种采用如权利要求1所述的叶片打磨机器人工作站进行叶片打磨的方法，包括定标步骤、建模步骤、曲面设计和刀具路径设计及仿真步骤、编制软件步骤及生产加工步骤；

所述定标步骤，通过光电设备确定各部件的坐标系；

所述建模步骤，运用3D软件建立准确的叶片模型；

所述曲面设计和刀具路径设计及仿真步骤，在CAM软件中根据需求设定参数，按照进刀量、进刀次数、进刀速度及剩余磨量由CAM软件生成叶片打磨的刀路，并联合机器人软件仿真；

所述编制软件步骤，将加工刀路路径程序转换为机器人的叶片加工轨迹程序，同时编制主程序实现测量、检测、报警、补偿功能；

所述生产加工步骤，执行整体设备打磨测量动作，即由机器人系统调用执行加工。

进一步的，所述叶片加工轨迹程序是基于CAM软件应用机器人离线编程技术生成。

进一步的，所述生产加工步骤具体包括：

步骤A，设置叶片参数，安装夹具及工件；

步骤B，高精度测量传感器定点进行夹具检测和工件检测；

步骤C，测量并计算出余量确定加工范围；

步骤D，机器人开始打磨；

步骤E，打磨后，高精度测量传感器进行二次工件余量测量，根据二次测量余量判断是否达到要求，如果达到要求则加工完成，如果未达到要求则将偏差补偿后继续磨削至设定尺寸从而完成加工。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明使用工业关节机器人作为工作站的主体，工业关节机器人多轴多自由度的特点有利于对复杂的曲面进行加工，而且机械结构基于通用设备，整体设计较为简单，开发周期短。

现有方式采用砂轮磨削方式温度高，易烧伤，浪费磨具材料。本发明中采用砂带磨削替代砂轮磨削方式。

现有方式用机器人示教方式生成加工轨迹程序，本发明中采用CAM离线编程技术生成加工轨迹程序替代。

现有方式只是对叶片叶盆叶背进行修型，没有对整体叶片进行打磨并利用传感器确定打磨范围、控制尺寸。

另外本发明还应用了高精度测量传感器。使用高精度测量传感器减少打磨的空刀，对工件的测量反馈补偿也保证了加工精度，提高了成品率。

使用了高效除尘设备，在磨削过程中高效除尘设备可将大部分的带有烟尘粉尘的空气吸收过滤，防止磨屑扩散，影响环境。

附图说明

图1：叶片打磨机器人工作站结构图；

图2：叶片打磨方法流程图；

图3：生产加工流程图；

①高精度测量传感器

②叶盆叶背打磨砂带机

③工业关节机器人

④叶片定位工装

⑤除尘器

⑥叶片叶根打磨机

⑦主控柜

⑧安全围栏

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。

实施例1

参见图1，图1为叶片打磨机器人工作站结构图，包括工业关节机器人、叶盆叶背打磨砂带机、叶片叶根打磨机、叶片定位工装、高精度测量传感器、除尘器、主控柜及安全围栏；

所述工业关节机器人作为夹持设备，并且该工业关节机器人作为该设备的主体，并在工业关节机器人末端上安装叶片定位工装；

所述叶盆叶背打磨砂带机其砂带由柔性接触轮带动进行打磨，无需更换刀具即可完成叶片叶盆和叶背的磨削加工；

所述叶片叶根打磨机采用砂轮作为叶片叶根打磨刀具；

所述叶片定位工装安装待磨削工件，用于加工不同型号的工件；

所述高精度测量传感器用于叶片及夹具的测量及检测；

所述除尘器用于去除打磨过程中的有毒烟尘和金属、磨料粉尘。

图2为叶片打磨方法流程图，包括定标步骤、建模步骤、曲面设计和刀具路径设计及仿真步骤、编制软件步骤及生产加工步骤；

所述定标步骤，通过光电设备确定各部件的坐标系；

所述建模步骤，运用3D软件建立准确的叶片模型；

所述曲面设计和刀具路径设计及仿真步骤，在CAM软件中根据需求设定参数，按照进刀量、进刀次数、进刀速度及剩余磨量由CAM软件生成叶片打磨的刀路，并联合机器人软件仿真；

所述编制软件步骤，将加工刀路路径程序转换为机器人的叶片加工轨迹程序，同时编制主程序实现测量、检测、报警、补偿功能；

所述生产加工步骤，执行整体设备打磨测量动作，即由机器人系统调用执行加工。

所述叶片加工轨迹程序是基于CAM软件应用机器人离线编程技术生成。

参考图3，图为生产加工流程图，步骤A，设置叶片参数，安装夹具及工件；

步骤B，高精度测量传感器定点进行夹具检测和工件检测；

步骤C，测量并计算出余量确定加工范围；

步骤D，机器人开始打磨；

步骤E，打磨后，高精度测量传感器进行二次工件余量测量，根据二次测量余量判断是否达到要求，如果达到要求则加工完成，如果未达到要求则将偏差补偿后继续磨削至设定尺寸从而完成加工。

实施例2

某厂委托我公司开发适用于通过模具铸造出的小型叶片的后续打磨工艺的整体叶片打磨工艺方法。我公司基于此方法为该厂设计多个快换夹具，并设计多种工件刀具路径程序，调试并打磨多种型号的叶片叶型。经厂内专业人员的检测验收，打磨后的叶片确定满足余量和表面工艺要求，叶型及型面的一致性都比手工打磨的叶片效果好。机器人磨削效率相比人工磨削提高50％。

本发明适应于叶片的磨削，目的在于设计制造整体的机器人叶片打磨站，通过实施打磨工艺，完成模具铸造出的中小型叶片的后续粗、中磨削。机器人末端安装有叶片定位工装，夹具的结构简单，易于针对不同型号的叶片进行快速更换。打磨砂带机只用一个接触轮带动砂带就可以磨削叶片型面。高精度测量传感器用于对磨削范围的确定以达到最快磨削效率。基于CAM加工软件进行了离线编程技术用于叶片曲面的设计和刀具路径仿真分析，更贴合叶片的轨迹规划。本设备中的软件功能丰富，便于操作者进行自动化生产和排除错误操作。搭配硬件的处理可以实现工件及夹具检测、确定工件余量便于高效加工以及补偿的功能，既提高了加工效率，又解决了叶形及叶形型面一致性差的问题。本发明整体机械结构简单，基于通用设备的开发便于推广，操作方便，一键式加工避免了过多的对于操作者的使用培训。生产调试开发周期短，适用性强，成本较低。本发明实现叶片打磨由机器人替代人工进行作业，大量减少了人力输出，极大改善了工人的劳动环境，减少的企业生产成本。

以上对本发明所提供的一种叶片打磨机器人工作站及叶片打磨方法，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。