一种基于力补偿的非圆零件去毛刺机器人的制作方法

本实用新型涉及一种自动去毛刺设备，尤其是一种基于力补偿的非圆零件去毛刺机器人，属于机械加工技术领域。

背景技术：

机械零件上的毛刺、凸起不仅导致形状误差、影响零件表面质量，而且给零件的后续加工、装配带来麻烦。所以及时去除毛刺是机械制造过程中的重要工序。

长期以来，摆线液压马达壳体的去毛刺工作由人工完成，先由工人从堆放摆线液压马达壳体的小推车上搬到操作台上，再用锉刀在摆线液压马达壳体的主法兰面和油口面的轮廓边缘轻挫去掉毛刺，然后再放回运输小推车上。迄今为止，人工去毛刺的效率与质量始终难以兼顾，并且劳作强度较大，效果不稳定。

为了改变这一落后状况，有些地方已采用机械自动去毛刺。对于具有两面非圆轮廓的摆线液压马达壳体而言，机械去毛刺需要刀具沿轮廓轨迹切削一周，可以采用X-Y数控平台，通过两轴位置插补运动完成。并且，摆线液压马达壳体为铸件毛坯，不同厂家提供的毛坯质量不尽相同，实践中由于毛坯制造误差，只是开环走轮廓轨迹并不能保证去毛刺的质量，难以实现均匀去毛刺的效果。

检索可知，已有去毛刺专利文献公开的技术方案基本是采用刀具旋转的方式去除轴类零件端面毛刺，或是采用线性进给方式去除板材棱边毛刺。例如，公开号为CN103084947A的中国专利文献记载了一种涉及轴类零件外圆去毛刺机床，可以同时去除多个被加工零件环槽、直槽及斜槽处的毛刺；又如，公开号为CN103029017A的中国专利文献公开一种机器人去毛刺机，包括上料滚道、去毛刺装置、机器人、机械手夹持装置、下料滚道、机体及支架和防护，可实现汽车发动机零件表面及内孔大批量柔性化去毛刺，这些技术方案没有切削力控制，均不适用于摆线液压马达壳体这种非圆零件均匀去毛刺及倒钝加工。

技术实现要素：

本实用新型的首要目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种基于力补偿的非圆零件去毛刺机器人，从而通过控制切削力实现自动控制均匀去毛刺，保证去毛刺质量。

本实用新型进一步的目的在于：提出一种可以连续去毛刺的基于力补偿的非圆零件去毛刺机器人，从而显著提高工作效率。

为了达到首要目的，本实用新型基于力补偿的非圆零件去毛刺机器人基本技术方案为：包括具有导向立柱的机架、安置在机架上的工件装夹工装以及控制电路，所述机架上安装Y轴伺服运动装置驱动的垂向移动安装板，所述导向立柱与垂向移动安装板构成垂向移动副，所述垂向移动安装板上安置X轴伺服运动装置驱动的水平移动安装板，所述控制电路的轨迹控制输出端分别接Y轴伺服运动装置和X轴伺服运动装置的受控端；其特征在于：所述水平移动安装板上安置通过滑动座板与之构成水平移动副的可伸缩磨头以及补偿轴运动装置，所述磨头的伸缩方向朝工件装夹工装方向且与所述水平移动安装板的移动方向垂直；所述补偿轴运动装置包括安置在水平移动安装板上的伺服电缸，所述伺服电缸的伸出端与通过安装座滑动支撑在滑动座板上的弹簧导杆同轴，所述安装座的两侧分别装有套在弹簧导杆上的前弹簧和后弹簧，所述前弹簧的前端装有预紧件，所述后弹簧通过拉压力传感器与伺服电缸的伸出端衔接；所述拉压力传感器的信号输出端通过控制电路接伺服电缸的受控端。

工作前，通过预紧件调节前弹簧与后弹簧的压缩量相互平衡，此后当电缸前推时后弹簧压缩量增大，拉压力传感器所受压力增大；回拉时前弹簧压缩量增大，拉压力传感器所受压力减小。工作时，Y轴伺服运动装置和X轴伺服运动装置受控驱使磨头做复合运动，按预定轮廓轨迹进行去毛刺切削。同时，对由于毛坯误差、安装误差等引起的加工偏差进行补偿，若磨头切削的棱边倒角比预设的倒角大，则拉压力传感器反馈到控制电路的轴向切削力将大于预定切削力，于是控制电路将控制电缸输出端缩回而将磨头相应回拉；反之，则将磨头相应推出，从而实现均匀去毛刺切削，保证去毛刺质量。并且补偿轴运动装置中的双弹簧结构还可缓解去毛刺过程中因未知环境发生的碰撞，避免传感器所测数据跳变而控制系统反映不及，起到缓冲保护作用。

为了达到进一步的目的，本实用新型的工件装夹工装由安置在垂向轴分度盘上的对称工装构成，所述对称工装包括与垂向轴垂直的水平心轴，所述心轴位于垂向轴的两侧分别具有对称的工件装夹位置。因此，当一个工件装夹位置上的工件在去毛刺时，另一工件装夹位置可以卸下已去毛刺的工件，换上未去毛刺的工件，之后转位180°，即可实现无装夹时间间隔的连续去毛刺加工，使工作效率明显提高。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的立体结构示意图。

图2是图1实施例的主视结构示意图。

图2（A）是图2的A处局部放大图。

图2（B）是图3的B处局部放大图。

图3是图1实施例的Y轴伺服运动装置结构示意图。

图4是图1实施例的X轴伺服运动装置结构示意图。

图5是图1实施例的补偿轴运动装置结构示意图。

图6是图1实施例R轴旋转装置和对称工装的立体结构示意图。

图7是图1实施例R轴旋转装置和对称工装的平面结构示意图。

图8是图1实施例的电控系统组成方框图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

本实用新型基于力补偿的非圆零件去毛刺机器人基本构成参见图1、图2，机架1中部的基板2上通过固定导向架4安装四根导向立柱，该机架1的基板2还装有位于固定导向架4一侧作为工件装夹工装的对称工装11，以及Y轴伺服运动装置5驱动的垂向移动安装板6，导向立柱穿过垂向移动安装板6，与之构成垂向移动副。垂向移动安装板6上安置X轴伺服运动装置7驱动的水平移动安装板8。水平移动安装板8上安置通过滑动座板5-7与之构成水平移动副的可伸缩磨头组件5-9以及补偿轴运动装置9，磨头组件5-9的伸缩方向朝工件装夹工装11方向且与水平移动安装板8的移动方向垂直。补偿轴运动装置9包括安置在水平移动安装板8上的伺服电缸5-3，该伺服电缸5-3的伸出端与通过安装座24滑动支撑在滑动座板5-7上的弹簧导杆20同轴，安装座24的两侧分别装有套在弹簧导杆20上的前弹簧19和后弹簧21，前弹簧19的前端装有螺母预紧件，后弹簧21通过拉压力传感器5-5与伺服电缸5-3的伸出端衔接（参见图5）。机架1下部安置控制电路，该控制电路的轨迹控制输出端分别接作为Y轴伺服运动装置5和X轴伺服运动装置7的Y轴伺服电缸和X轴伺服电缸的受控端，拉压力传感器5-5的信号输出端通过控制电路接伺服电缸的受控端。

具体而言，如图1、图2所示，本实施例的非圆零件去毛刺机器人包括：机架1、基板2、台面防尘罩3、固定导柱架4、Y轴伺服运动装置5、垂向移动安装板6、X轴伺服运动装置7、水平移动安装板8、补偿轴运动装置9、垂向轴分度盘（又称R轴旋转装置）10、对称工装11。其中，机架1顶部与基板2底部相连，基板2作为一个安装平台，其顶部与台面防尘罩3、固定导柱架4、R轴旋转装置10相连，其底部与Y轴伺服运动装置5相连，Y轴伺服运动装置5顶部与垂向移动安装板6相连，垂向移动安装板6顶部安装X轴伺服运动装置7，同时垂向移动安装板6与光轴导柱15构成移动副实现Y轴导向，X轴伺服运动装置7与水平移动安装板8相连，水平移动安装板8的顶部安装补偿轴运动装置9，而对称工装11的底部与R轴旋转装置10顶部相连。

机架1为焊接式结构，直接与基板2通过螺栓进行连接。整个机架上的运动装置均以基板2为平台进行安装，故只需对基板2进行机加工即可，减小了机架的加工难度。

台面防尘罩3的底部与基板2的顶部相连，主要由铝型材搭建，其两侧小拉门、顶部、后面均嵌入安装透明亚克力板，前面留空方便工人安装、拆卸被加工件，并在前面另行安装方便迅速开关的拉门，防止外部灰尘进入与内部加工飞屑，为工业吸尘器构成一个吸尘空间。

固定导柱架4与基板2相连，主要包括：立柱12、加固连杆13、导柱顶部连接板14、光轴导柱15、调整垫片16、锁紧螺母18。如图2（B）所示，其中立柱12通过方钢和钢板焊接后加工而成，与基板2通过螺钉直接相连，光轴导柱15是由40Cr热处理、精加工后的精制轴，通过基板2上精加工的孔定位，并在基板2底部用锁紧螺母18进行锁紧，精制轴的顶部同样通过导柱顶部连接板14和锁紧螺母18固定安装，并可通过微调调整垫片16保证四根精制轴安装的平行度。

如图3所示，Y轴伺服运动装置5包括：伺服电机3-1、电缸3-2、垫铁3-3、浮动接头3-4，该运动装置5通过垫铁3-3与基板2上的定位孔配合，由螺栓直接与基板2相连，并通过浮动接头3-4与垂向移动安装板6相连。浮动接头3-4可适应加工过程中的重心偏移，防止Y轴伺服运动装置5卡住。

如图4所示，垂向移动安装板6和X轴伺服运动装置7的具体结构为：垂向移动安装板6的底部与Y轴伺服运动装置5中的浮动接头3-4相连，其顶部安装的X轴伺服运动装置7采用丝杠螺母传动机构，主要包括伺服电机4-7、电机传动座4-8、弹性联轴器4-9、丝杠支撑座固定侧4-10、丝杠4-11、螺母4-12、螺母座4-13、丝杠支撑座支撑侧4-14。X轴运动采用双导轨滑块结构进行导向，导轨垫铁4-3与垂向移动安装板6的顶部相连，导轨4-4上的滑块4-5与螺母座4-13等高，同时和水平移动安装板相连。自润滑轴承4-2作为导向套，通过法兰方式与垂向移动安装板6相连，与光轴导柱形成移动副起导向作用。

如图5所示，水平移动安装板6和补偿轴运动装置9的具体结构为：水平移动安装板8的底部与X轴伺服运动装置7的螺母座、滑块相连，其顶部安装补偿轴运动装置9。补偿轴运动装置9采用电缸轴驱动，电缸座5-4的底部与水平移动安装板8的顶部相连，其上安装伺服电缸5-3，该电缸5-3的伸出端通过螺纹连接件与拉压力传感器5-5的一端相连，拉压力传感器5-5的另一端与弹簧装置5-6相连。弹簧装置5-6的构成如图2（A）所示，为对称安装的双弹簧结构，弹簧安装座24的底部与滑动座板5-7的顶部相连，弹簧安装座24与铜套23过盈配合，弹簧导杆20与伺服电缸5-3的伸出端同轴，且该导杆20中间为光轴，两端螺纹分与拉压力传感器5-5和锁紧螺母25相连，可通过锁紧螺母调整弹簧的预紧量，静止时前弹簧19与后弹簧21压缩量相同，伺服电缸5-3往前推时后弹簧21压缩量增大，拉压力传感器5-5所受压力增大，伺服电缸5-3往回拉时前弹簧19压缩量增大，拉压力传感器5-5所受压力减小。该双弹簧结构可缓解去毛刺过程中因未知环境发生的碰撞，保护传感器5-5，避免了其所测数据发生跳变而导致控制系统跟踪不及。磨头组件5-9的底部与滑动座板5-7的顶部相连，滑动座板5-7的底部与双导轨5-8上的滑块相连，磨头电机轴与伺服电缸5-3伸出端同轴，喇叭罩5-10由紧定螺钉安装与磨头组件5-9上，可防止飞屑，配重块5-11直接与水平移动安装板8通过螺纹连接固定，平衡补偿轴的重心分配，并在一定程度阻止飞屑进入X轴。

如图6、图7所示，R轴运动装置和对称工装11的具体结构为，R轴运动装置实质为可四等分的气动分度盘10，俯视图顺时针旋转。气动分度盘10与基板2固连，其顶面与过渡安装板6-2的底部相连，过渡安装板6-2的顶部与对称工装11相连，对称工装11的主体包括左侧板6-6、立板6-7、底板6-8、右侧板6-9，均采用螺纹连接，立板6-7上装配一根对称加工的心轴6-11、两根削边销6-10，两个摆线液压马达壳体件采用一面两销的安装方式对称装在工装上，端部用开口垫片和螺母锁紧。Z形隔板6-3通过螺钉紧固在立板6-7上，可防止飞屑伤害到操作工。加工过程中，气动分度盘10带动工装旋转一个90°，即可换一个面加工，以满足摆线液压马达壳体非圆轮廓的连续去毛刺加工。

如图8所示，电控系统的控制电路基于欧姆龙PLC搭建，可控终端触摸屏作为上位机，下位机主要包括PLC主体CPU以及数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块以及运动控制模块。其中显示屏实时显示XY跟踪的轨迹及切削力等，并在调试时给技术人员提供操作端口；X轴和Y轴由运动模块控制进行插补运动来跟踪被试件的轮廓轨迹；补偿轴由模拟量控制实现力闭环结构，R轴的控制由数字量输出模块控制气动电磁阀来实现，另有若干开关信号输入等。

本实施例的非圆零件去毛刺机器人在运行过程中，当将第一个摆线液压马达壳体装到对称工装后，R轴旋转装置旋转180°达到第一个摆线液压马达壳体的主法兰面加工位， X轴伺服运动装置、Y轴伺服运动装置联动进刀完毕后，补偿轴运动装置开始推动其磨头向法兰面理想加工位置运动，然后X轴、Y轴开始按照摆线液压马达壳体的理想轮廓轨迹进行去毛刺，同时补偿轴根据拉压力传感器反馈的轴向切削力信号进行PID力闭环控制，对摆线液压马达壳体的毛坯误差、机构的安装误差等引起的加工偏差进行补偿，若磨头切削的棱边倒角比预设的倒角要大，则此时拉压力传感器采集的轴向切削力比期望切削力要大，电缸将磨头相应拉回，若磨头切削的棱边倒角比预设的倒角要小甚至切削不到时，电缸将磨头相应推出，以此实现均匀去毛刺切削的目标。在加工第一个摆线液压马达壳体的主法兰面时可安装第二个摆线液压马达壳体，然后在第一个摆线液压马达壳体的主法兰面加工完毕后，补偿轴运动装置退回原点，R轴旋转90°，补偿轴、X轴、Y轴开始联动进刀并在力闭环控制下加工第一个摆线液压马达壳体的油口面，该面去毛刺完成后，补偿轴退回，R轴旋转90°，然后开始加工第二个摆线液压马达壳体的主法兰面，同时操作工可拆下第一个摆线液压马达壳体，并安装下一个摆线液压马达壳体，实现摆线液压马达主法兰面和油口面轮廓连续、均匀去毛刺加工。总之，在轮廓轨迹跟踪的基础上，采用力反馈，结合常规PID控制轴向切削力即可实现液压马达主法兰面和油口面轮廓连续、均匀去毛刺加工,操作工只需要上下工件，启停开关即可，加工效率显著提高，连续加工一个摆线液压马达壳体的法兰面和油口面只需约50秒。