螺旋桨打磨抛光工业机器人及打磨抛光方法与流程

本发明涉及一种螺旋桨打磨抛光工业机器人及打磨抛光方法，属于机械制造加工技术领域。

背景技术：

目前螺旋桨打磨抛光主要是人工模式，专利CN 102120307 B 提出了一种基于视觉信息的工业机器人磨削系统及方法。该系统利用视频摄像头采集工件图像，利用计算机识别定位工件，通过在线规划机械手爪从当前位置到抓取位置的运动轨迹点，控制机械手爪抓取工件，然后按照预先设定好的磨削操作步骤，控制砂带转速和转向，控制工业机器人把工件移动到指定的位置和姿态，打磨抛光工件。

这种模式的特征是采用零件运动来适合砂带的位置，只能用于平面简单的零件打磨与抛光，不能精确的对复杂零件，如螺旋桨类零件的曲面进行精细打磨抛光。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种螺旋桨打磨抛光工业机器人及打磨抛光方法，能够提高加工定位准确性，显著改善螺旋桨表面打磨抛光的精确性与一致性。

按照本发明提供的技术方案，所述螺旋桨打磨抛光工业机器人，其特征是：包括机器人主体、螺旋桨定位夹紧驱动机构和3D激光坐标定位装置；

所述螺旋桨定位夹紧驱动机构包括能够调整水平方向位置的回转工作台，回转工作台上设置用于固定螺旋桨的螺旋桨夹具，螺旋桨夹具与螺旋桨旋转驱动电机的动力输出端连接，在螺旋桨夹具的回转中心连接零点坐标定位球；

所述机器人主体包括底座，底座上设置转动件，在转动件上设置能够升降的下支承板和上支承板，转动件的动力输入端与驱动转动件转动的底座回转驱动装置的动力输出端连接，下支承板与驱动下支承板和上支承板升降的大臂升降驱动装置的动力输出端连接；

在所述上支承板上安装机器人臂和3D激光坐标定位装置；所述机器人臂包括能够上下回转的大臂、和安装在大臂上端能够上下回转以及旋转的小臂，在小臂的端部安装能够上下回转和旋转的打磨头，在打磨头上端设置电磁阀和压力传感器。

进一步的，所述回转工作台安装在工装定位调整板上，工装定位调整板设置在工装底板上，工装底板和工装定位调整板通过工装定位调整螺钉调节相对位置。

进一步的，所述螺旋桨夹具采用螺旋桨固定内涨芯轴，零点坐标定位球设置在螺旋桨固定内涨芯轴的回转中心。

进一步的，所述3D激光坐标定位装置包括向零点坐标定位球发射激光的3D激光发射装置和接收反射激光的3D激光接收装置。

进一步的，所述压力传感器的信号输入端接收打磨头的工作压力，压力传感器的信号输出端输出电压信号至电磁阀。

进一步的，所述螺旋桨旋转驱动电机、底座回转驱动装置和大臂升降驱动装置与机器人操控台的控制端连接。

所述工业机器人的螺旋桨打磨抛光方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）先将螺旋桨安装在螺旋桨夹具上，然后对螺旋桨夹具回转中心上的零点坐标定位球进行坐标定位；根据定位后的零点坐标获得螺旋桨的打磨抛光路线，打磨抛光过程中打磨头的空间移动由机器人的大臂和小臂实现，执行机构旋转驱动电机带动打磨头旋转；

（2）打磨抛光过程中，压力传感器将打磨头的工作压力转变成电压信号；当工作压力超范围时，压力传感器发出电压信号给电磁阀，电磁阀控制执行机构回转驱动电机驱动打磨头向上回转，避免产生异常碰撞，提供保护作用。

进一步的，所述坐标定位的过程为：3D激光发射装置向零点坐标定位球发射激光，激光到达零点坐标定位球后，向外反射的光到达3D激光接收装置，通过数据线将激光信息发送给上位计算机，得到零点坐标定位球的坐标数字。

进一步的，在打磨抛光过程中，由机器人操控台控制打磨头与回转工作台同步联动。

本发明具有以下优点：

1、本发明利用了一种3D激光扫描装置对加工零件的零点坐标进行扫描定位，其特征在于在机器人基座上设置有3D激光扫描仪，在螺旋桨夹具的回转中心上设置有零点坐标定位球。

2、本发明能够实现回转工作台与打磨抛光执行机构同步联动提高加工精确性。

3、本发明通过打磨抛光执行机构实现移动路线的控制，使移动路线与螺旋桨曲面相拟合，提高了加工一致性。

4、利用压力传感器将打磨抛光的工作压力转变成电压信号，通过电磁阀控制打磨头的工作与停止，同时通过控制执行机构驱动电机产生向上回转，避免产生异常碰撞，避免打磨抛光中产生的磨头破碎，或者对工件造成损坏等情况发生。

附图说明

图1为本发明所述螺旋桨打磨抛光工业机器人的正面示意图。

图2为本发明所述螺旋桨打磨抛光工业机器人的反面示意图。

图3为本发明所述螺旋桨打磨抛光工业机器人的轴测图。

图4为所述3D激光坐标定位装置的放大图。

图5为所述螺旋桨定位夹紧驱动机构的示意图。

图6为机器人底座旋转与升降驱动结构图。

图7为机器人控制系统原理图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1～图6所示：所述螺旋桨打磨抛光工业机器人包括小同步齿轮1、大同步齿轮2、回转工作台3、支承柱4、配电箱5、上支承板6、大臂关节7、大臂回转驱动电机8、大臂9、小臂回转驱动电机10、小臂回转变速箱11、小臂旋转变速箱12、小臂13、执行机构旋转驱动电机14、电磁阀15、压力传感器16、打磨头17、零点坐标定位球18、螺旋桨19、工装上支承板20、工装定位调整板21、工装底板22、工装定位调整螺钉23、螺旋桨旋转驱动电机24、螺旋桨旋转支承环25、输电线管26、机器人操控台27、执行机构回转驱动电机28、升降丝杠29、升降导向柱30、升降导向套31、螺旋桨固定内涨芯轴32、小臂旋转驱动电机33、第一3D激光发射装置34、3D激光接收装置35、第二3D激光发射装置36、底座回转驱动电机37、底座38、大臂升降驱动电机39、大臂回转变速箱40、3D激光发射装置支架41、下支承板42、螺纹孔43、外六方44。

如图1～图6所示，本发明所述螺旋桨打磨抛光工业机器人，包括机器人主体、螺旋桨定位夹紧驱动机构和3D激光坐标定位装置；

如图5所示，所述螺旋桨定位夹紧驱动机构包括工装底板22，在工装底板22上设置工装定位调整板21，工装底板22和工装定位调整板21通过工装定位调整螺钉23调节相对位置；在所述工装定位调整板21上安装回转工作台3，回转工作台3包括通过立柱安装在工装定位调整板21上的工装上支承板20，在上支承板20的下方设置螺旋桨旋转驱动电机24，在上支承板20上表面设置螺旋桨固定内涨芯轴32和螺旋桨旋转支承环25，螺旋桨旋转驱动电机24的输出轴连接螺旋桨固定内涨芯轴32，螺旋桨固定内涨芯轴32的顶端设置用于连接零点坐标定位球18的螺纹孔43，在螺旋桨固定内涨芯轴32的外圆周设置外六方44。

所述螺旋桨定位夹紧驱动机构的工作过程为：加工螺旋桨19时，将螺旋桨19的下端定位内孔套在螺旋桨固定内涨芯轴32上，使螺旋桨19下端面与螺旋桨旋转支承环25上端面贴合定位，用扳手拧动外六方44，螺旋桨固定内涨芯轴32将螺旋桨19定位并涨紧，完成装夹，螺旋桨旋转驱动电机24是由机器人操控台中的电脑编程操纵的；螺旋桨旋转驱动电机24是具有步进功能，也具有正、反转功能的驱动电机，它可以带动螺旋桨19与打磨头17进行同步联动，从而实现打磨头对螺旋桨19曲面进行打磨的目的。

如图6所示，所述机器人主体包括底座38，在底座38上设置大同步齿轮2和小同步齿轮1，大同步齿轮2和小同步齿轮1啮合，小同步齿轮1的动力输入轴与底座回转驱动电机37的动力输出轴连接；在所述大同步齿轮2上活动设置下支承板42，大同步齿轮2上固定升降导向柱30，下支承板42上固定升降导向套31，升降导向柱30套设在升降导向套31中；在所述下支承板42上通过支承柱4与上支承板6刚性连为一体；在所述底座38上竖直设置升降丝杠29，升降丝杠29上设置能够相对升降丝杠29上下移动的螺母座，螺母座与下支承板42固定，升降丝杠29的动力输入端与大臂升降驱动电机39的动力输出端连接；通过上述结构，下支承板42、上支承板6可以沿升降导向柱30实现上下移动。

在所述上支承板6上安装机器人臂，机器人臂包括大臂9和小臂13，大臂9的下端与大臂关节7铰接，大臂9下端的动力输入端与大臂回转驱动装置的动力输出端连接，大臂回转驱动装置能够带动大臂9上下回转，大臂回转驱动装置包括大臂回转驱动电机8和大臂回转变速箱40，大臂回转驱动电机8的动力输出端连接大臂回转变速箱40的动力输入端，大臂回转变速箱40的动力输出端连接大臂9下端的回转动力输入端；所述大臂9的上端与小臂关节铰接，小臂关节的动力输入端与小臂回转驱动装置的动力输出端连接，小臂回转驱动装置能够驱动小臂关节上下回转，小臂回转驱动装置包括小臂回转驱动电机10和小臂回转变速箱11，小臂回转驱动电机10的动力输出端连接小臂回转变速箱11，小臂回转变速箱11连接小臂关节的动力输出端；在所述小臂关节上安装小臂旋转驱动装置，小臂旋转驱动装置驱动小臂13进行旋转动作，小臂旋转驱动装置包括小臂旋转驱动电机33和小臂旋转变速箱12，小臂旋转驱动电机33的动力输出端连接小臂旋转变速箱12的动力输入端，小臂旋转变速箱12的动力输出端连接小臂13的一端，小臂13的另一端安装执行机构回转驱动电机28，执行机构回转驱动电机28的动力输出端连接执行机构旋转驱动电机14，由执行机构回转驱动电机28带动执行机构旋转驱动电机14上下回转；所述执行机构旋转驱动电机14的动力输出端安装打磨头17，由执行机构旋转驱动电机14带动打磨头17进行旋转动作；在所述打磨头17和执行机构旋转驱动电机14的动力输出端之间设置电磁阀15和压力传感器16。

所述机器人底座38的驱动过程：当机器人大臂9以上结构需要回转时，由机器人操作台发出编程指令，底座回转驱动电机37工作，带动小同步齿轮1转动，带动与之相连的大同步齿轮2转动，大同步齿轮2带动下支承板42、上承板6转动后带动安装在上支承板6上的机器人大臂9转动，进而带动机器人小臂13、执行机构（打磨头17）转动。当机器人大臂9以上的结构需要升降时，由机器人操作台发出编程指令，大臂升降驱动电机39开如工作，带动升降丝杠29旋转，升降丝杠29上的螺母座带动下支承板42、上支承板6沿着升降导向柱30上下移动，进而带动其上的机器人大臂9及其以上机构完成上下升降功能。

在所述底座38上安装配电箱5，配电箱5用于对各个电器件供电。另外，各个电器件通过输电线管26连接机器人操控台27，由机器人操控台27统一控制动作过程。

如图4所示，所述3D激光坐标定位装置安装在3D激光发射装置支架41上，3D激光发射装置支架41设置于上支承板6上；所述3D激光坐标定位装置包括第一3D激光发射装置34、3D激光接收装置35和第二3D激光发射装置36，具体可以采用：Solutionix Rexcan4蓝光三维扫描仪，定位精度可以达到0.05mm。所述3D激光坐标定位装置的数据线通过电缆与机器人操控台中的电脑相连，并由电脑操控激光信号数据的接收与处理。

本发明是一种螺旋桨打磨抛光工业机器人，航空、船用螺旋桨的打磨抛光是一道非常关键的工序，打磨抛光的精度决定了产品的动力、噪音、共震性能的好坏，特别是潜水艇类船用螺旋桨，不仅要动力好，还对噪音有特别高的要求，否则在水下很容易被侦探到。目前螺旋桨打磨抛光主要是人工模式。人工打磨抛光工作量大、效率较低，尺寸误差大；打磨、抛光产生的大量粉尘大大损害了人的健康。螺旋桨打磨抛光工业机器人主要用于航空、船用螺旋桨的打磨抛光工序，具有精度高、灵活性好的特点，特别适合对类似于螺旋桨曲面这种轨迹复杂、操作空间狭小的零件进行打磨抛光，大大减轻劳动强度，同时避免粉尘对人体的伤害，提高生产效率。

本发明具体的工作原理如下：

1、机器人底座旋转与升降驱动过程：

如图1～图6所示，当机器人大臂9以上结构需要回转时，由机器人操控台27发出编程指令，底座回转驱动电机37工作，带动小同步齿轮1转动，带动与之相连的大同步齿轮2转动，大同步齿轮2带动下支承板42、上支承板6转动后带动安装在上支承板6上的机器人大臂9转动，进而带动机器人小臂13、执行机构（打磨头17）转动。当机器人大臂9以上的结构需要升降时，由机器人操控台27发出编程指令，大臂升降驱动电机39开始工作，带动升降丝杠29旋转，升降丝杠29上的螺母带动下支承板42、上支承板6沿着升降导向柱30上下移动，进而带动其上的机器人大臂9及其以上机构完成上下升降功能。

2、机器人大臂、小臂、执行机构的驱动过程：

如图1～图3所示，大臂9的上下回转是由大臂回转驱动电机8驱动的。小臂13、执行机构的同步旋转是由小臂旋转驱动电机33及小臂旋转变速箱12驱动的。小臂13的上下回转是由小臂回转驱动装置（小臂回转驱动电机10和小臂回转变速箱11）驱动的。执行机构的自身旋转是由执行机构旋转驱动电机14驱动的。在执行机构部份，有一个电磁阀15，它的主要作用是当执行机构突然遇到异常外力时，提供保护作用，具体工作原理是：当压力传感器16感受到打磨头17突然传来的超范围外力时，它发出信号给电磁阀15，电磁阀15线圈通电后产生吸力将电路断开，起到保护作用；同时控制执行机构回转驱动电机28，带动执行机构向上回转，避免产生异常碰撞。

3、螺旋桨的定位、夹紧与驱动过程：

如图5所示，先将螺旋桨19安装在工装上支承板20的螺旋桨固定内涨芯轴32上，然后对螺旋桨固定内涨芯轴32上面的零点坐标定位球18进行坐标定位，方法是开启第一3D激光发射装置34、第二3D激光发射装置36向零点坐标定位球18发射激光，激光到达零点坐标定位球18后，向外反射的光到达3D激光接收装置35，通过数据线将激光信息发送给上位计算机，经上位计算机分析计算后得到零点坐标定位球18的坐标数字。有了零点坐标数字后，以此点为编程零点坐标，对螺旋桨19的打磨抛光路线编程，这个路线编程原理与加工中心编程是一样的，其中打磨头17的空间移动是由大臂回转驱动电机8、小臂回转驱动电机10、小臂旋转驱动电机33联动完成的，执行机构旋转驱动电机14带动打磨头17旋转，是打磨抛光的旋转动力。工装上支承板20上的螺旋桨旋转驱动电机24与机器人上的其它驱动电机是联动的、联动的方式是通过机器人操控台中的计算机编程实现的。

本发明的工作流程如下：

1、开启机器人电源；

2、将螺旋桨固定在螺旋桨定位夹紧驱动机构上；

3、将打磨头17安装在执行机构上；

4、将3D激光坐标定位装置打开，发射激光，确定零点坐标定位球的零点坐标；

5、根据零件的零点坐标，按程序试运行+在线检查打磨头运行轨迹是否有异常；

6、如果有异常，则进行修正；如果没有异常，接通工作开始电源；

7、切换到自动模式，打开开始按钮，直接运行程序，开始加工零件。

本发明主要由机器人主体、3D激光坐标定位装置、与执行机构同步联动的回转工作台、对零件进行安全保护的压力传感器控制的电磁阀、机器人操控台五部份组成。本发明能提高加工定位准确性，显著改善螺旋桨表面打磨抛光的精确性与一致性，减少粉尘、噪音对人体的伤害，降低成本，提高了螺旋桨打磨抛光时的安全性，避免打磨抛光中产生的磨头破碎，或者对工件造成损坏等情况发生。