一种打磨工具的制作方法

本发明涉及一种专用工具，尤其是一种机器人自动打磨大型零部件的打磨工具。

背景技术：

随着人们对生活物质水平和环境改善的要求不断提高，企业在打磨工序上操作逐步由人工操作向机械自动化甚至向智能化发展。对于大型零部件表面，如风电叶片表面、船舶表面、航空飞行器表面、汽车车体表面等，其特点是表面面积大，打磨工作量巨大，属于劳动密集型产业，但是目前国内对于这种自动化打磨设备的研发成本高，难度大，所以此类型专用打磨设备在国内还处于空白状态。

国内此类打磨设备的使用目前还处于半自动化的状态，目前使用较多的有气动偏心打磨工具和手持式电动打磨工具两种，两种打磨工具的特点是：可打磨面积小，砂纸更换频繁，效率低，除尘效果差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种打磨工具，能够解决大型曲面工件表面的磨抛效率、质量和粉尘处理问题，本发明采用的技术方案是：

一种打磨工具，包括：工具主头和打磨母头；

所述工具主头用于连接工业机器人；工具主头包括下端开口的密封罩和驱动机构；

打磨母头上配备有磨抛需要的磨料；打磨母头安装于密封罩内，通过密封罩下端开口对工件表面打磨；驱动机构连接并驱动打磨母头。

进一步地，密封罩上设有吸风接口。

更进一步地，吸风接口设置在密封罩前后侧的一侧面下部，位于打磨粉尘产生侧，方向朝向密封罩外侧斜上方。

进一步地，密封罩的左右两侧各连接一个位移传感器。

进一步地，密封罩下端开口四周连接有防粉尘逸出部件，所述防粉尘逸出部件具有弹性。

进一步地，密封罩包括：两块侧罩板，两块直角连接板，一块罩顶板，两块密封罩折弯板,，两块加强板，数个支撑筋；其中一块侧罩板兼用作电机安装板；罩顶板内表面设有快换结构主头；密封罩上还设有透明可视化窗口；

驱动机构包括：驱动电机、驱动轮、从动轮、传动带、驱动机构密封罩；

兼作电机安装板的侧罩板上紧固安装驱动电机；驱动轮和从动轮设置在兼作电机安装板的侧罩板外侧，驱动电机的转轴连接驱动轮，驱动轮通过传动带连从动轮；驱动机构密封罩固定在兼作电机安装板的侧罩板外侧面，并罩住所述驱动轮、从动轮和传动带；

兼作电机安装板的侧罩板和另一侧的侧罩板安装在罩顶板两侧；两块直角连接板分别连接两侧的侧罩板与罩顶板；加强板上侧连接罩顶板，左右两侧分别连接侧罩板，下侧连接密封罩折弯板；密封罩折弯板的下部向外侧扩张，密封罩折弯板的上侧连接加强板，左右两侧连接侧罩板；支撑筋连接在加强板和密封罩折弯板上；吸风接口安装在密封罩折弯板的下部竖立面上；

密封罩顶部安装有用于连接机器人的外连接部件。

更进一步地，用于连接机器人的外连接部件采用连接法兰，包括机器人侧安装法兰和工具侧安装法兰；外连接部件通过机器人侧安装法兰上的定位轴肩和圆柱销与机器人实现定位，通过螺钉与机器人连接；机器人安装侧法兰上外圈设置的通孔用于穿过与机器人连接的螺钉；机器人安装侧法兰上中间的定位孔用于和机器人定位；

机器人安装侧法兰与工具安装侧法兰通过圆柱销定位、螺钉紧固连接；机器人安装侧法兰内圈定位轴肩上设置的定位孔用于和工具安装侧法兰定位，机器人安装侧法兰内圈定位轴肩上设置的螺钉孔用于穿过螺钉连接工具安装侧法兰；工具安装侧法兰通过圆柱销与密封罩实现定位，通过螺钉与密封罩紧固连接，工具安装侧法兰上设置的定位孔用于和密封罩实现定位，工具安装侧法兰上设置的通孔用于穿过螺钉与密封罩连接。

进一步地，打磨母头包括主动啮合齿轮、被动啮合齿轮、齿轮侧支架、螺纹锁紧组件、螺旋滚筒打磨组件、旋转主轴、快换结构辅头、顶安装板、加强连接板、主轴连接支架；

顶安装板的两端分别与齿轮侧支架和主轴连接支架连接；齿轮侧支架和主轴连接支架与顶安装板两端还分别通过直角的加强连接板连接；旋转主轴的两端分别安装在齿轮侧支架和主轴连接支架上；相啮合的主动啮合齿轮和被动啮合齿轮均设置在齿轮侧支架外侧；主动啮合齿轮通过轴与驱动机构的从动轮连接；被动啮合齿轮与旋转主轴连接；螺纹锁紧组件和螺旋滚筒打磨组件安装在旋转主轴上；螺旋滚筒打磨组件一端与旋转主轴上的台肩相抵，另一端用螺纹锁紧组件锁紧；与密封罩上快换结构主头相配合的快换结构辅头设置在顶安装板上。

更进一步地，螺旋滚筒打磨组件包括两个圆形卡环、一个螺旋滚筒、两个半圆形锁紧卡环、纱条组件和剑麻组件；

两个圆形卡环分别安装在螺旋滚筒两侧，圆形卡环内侧设有轴肩与螺旋滚筒相接实现螺旋滚筒的径向定位；半圆形锁紧卡环与螺旋滚筒的另一侧圆形卡环通过可拆卸方式连接；螺旋滚筒的周面上设有安装凹槽，安装凹槽在螺旋滚筒轴向方向上呈螺旋形式，螺旋滚筒设置的安装凹槽用于安装纱条组件和剑麻组件，其中螺旋形的安装凹槽设置成内宽外窄结构。

更优地，一个或多个打磨母头存放在打磨母头支架上；在打磨母头的齿轮侧支架和主轴连接支架上各设有一个用于存放或抓取打磨母头时定位用的定位圆柱销。

本发明的优点在于：打磨工具配置一个工具主头和多个打磨母头，其中工具主头固定连接于工业机器人侧，打磨母头配备有磨抛需要的磨料，多个打磨母头用于循环更换，当磨料工作固定时间或磨损超过一定程度，打磨设备开启自动更换程序对磨料进行自动更换；所述打磨工具的工具主头侧配置有密封罩结构和有小型集尘系统的吸风接口，其中密封罩结构可形成用于粉尘吸附的负压，吸风接口设置在打磨粉尘产生侧，与打磨切线方向成45°，吸风接口风速大于20米/秒；打磨工具配置有位移传感器，通过测量打磨工具与工件表面的垂直距离，实时的对打磨工具进给进行调节，保证打磨工具在工件表面运动时下压量和压力始终保持在一个固定的参数要求范围内；所述打磨工具设置有快换工具标定的可视化窗口，保证打磨工具在标定调试过程中，肉眼可对调试结果进行初步的判定；所述打磨工具在机器人侧设置有机器人连接通用接口，通过更改机器人安装侧法兰即可适用于不同规格的机器人连接；所述打磨工具有效解决大型曲面零件表面磨抛的效率低、质量差和除尘效果差等问题，实现自动打磨、磨料自动更换、机器人可参与协同、集中除尘于一体的智能化设备。

附图说明

图1a为本发明的结构总体示意图。

图1b为本发明的工具主头立体示意图。

图1c为本发明的工具主头侧面示意图。

图1d为本发明的的机器人连接法兰示意图。

图2a为本发明的打磨母头立体示意图。

图2b为本发明的打磨母头仰视角度示意图。

图2c为本发明的打磨母头主视图。

图2d为本发明的螺旋滚筒打磨组件装配图。

图2e为本发明的螺旋滚筒示意图。

图2f为本发明的打磨母头快换支架示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出的打磨工具，包括：工具主头1和打磨母头2；

所述工具主头1用于连接工业机器人；工具主头1上设有下端开口的密封罩3和驱动机构4；打磨工具随机器人同步在零件表面的规划轨迹自动行走，在行走过程中打磨工具伴随着高速磨抛工作状态，能够自行对打磨母头2进行速度调节和下压量调节；打磨工具可配置一个工具主头1和多个可快速更换的打磨母头2；

打磨母头2上配备有磨抛需要的磨料；打磨母头2安装于密封罩3内，通过密封罩3下端开口对工件表面打磨；驱动机构4连接并驱动打磨母头2。

如图1a所示，密封罩3为单向开口罩子结构，用于包络打磨母头2；密封罩3上设有吸风接口5；当打磨工具贴向打磨工件时，打磨工具形成密闭的吸尘空间，将小型集尘系统的吸尘软管接到吸风接口5上，采用卡箍锁紧密闭；打磨工具的打磨母头2高速旋转时，打磨工件产生的高速粉尘绝大部分形成在打磨工具的密封罩3内，小型集尘系统末端软管的风速达到至少20米/秒，高风速和高负压在密闭的吸尘空间内形成良好的粉尘吸附效果；吸风接口5设置在密封罩3前后侧的一侧面下部，位于打磨粉尘产生侧，方向朝向密封罩3外侧斜上方，由于打磨母头2的下侧与打磨工件接触，因此在密封罩3内，粉尘扩散方向是由底部向外侧斜上方扩散；吸风接口5的方向由此与打磨产生粉尘扩散方向大致平行；

在密封罩3的左右两侧还各连接一个位移传感器6；打磨过程中，位移传感器6实时对工件表面距离进行测量，通过测量数据的处理，上位机软件自带算法反馈数据偏差，实时对加工路径进行补偿，保持打磨工具与工件表面的距离实时的保持在一定范围内，避免了因工件制造误差导致打磨过程中下压量过大或过小造成的打磨过量和不足现象，保证了工件表面打磨的一致性；

密封罩3下端开口四周连接有防粉尘逸出部件7，所述防粉尘逸出部件7具有弹性，能够很好适应打磨工具在贴合工件表面后的下压量调节；一种防粉尘逸出部件7为伸缩压条，伸缩压条的长度由密封罩3的四周长度决定，宽度由打磨工具的下压量来决定；伸缩压条磨损后可以直接更换；打磨过程中伸缩压条与打磨工件接触；伸缩压条可在较大程度上防止粉尘从密封罩3下端与工件之间的间隙逸出；另一种防粉尘逸出部件7为密集的弹性毛刷，弹性毛刷的防粉尘逸出效果略逊于伸缩压条；

如图1b所示，密封罩3包括：两块侧罩板301，两块直角连接板302，一块罩顶板303，两块密封罩折弯板304,，两块加强板305，数个支撑筋306；其中一块侧罩板301兼用作电机安装板；罩顶板303内表面设有快换结构主头307（见图1a）；快换结构主头307与打磨母头2上的快换结构辅头可以相配合，实现打磨母头的快速更换；密封罩3上还设有观察快换结构主头与辅头的透明可视化窗口308；

如图1a和图1c所示，驱动机构4包括驱动电机401、驱动轮402、从动轮403、传动带404、驱动机构密封罩405；其中驱动电机401采用伺服电机，驱动轮402和从动轮403为一对同步带轮组，传动带404采用同步带；

兼作电机安装板的侧罩板301上通过螺钉和防松螺母紧固安装驱动电机401；驱动轮402和从动轮403设置在兼作电机安装板的侧罩板301外侧，驱动电机401的转轴连接驱动轮402，驱动轮402通过传动带404连从动轮403；采用螺钉将驱动机构密封罩405固定在兼作电机安装板的侧罩板301外侧面，并罩住所述驱动轮402、从动轮403和传动带404；

兼作电机安装板的侧罩板301和另一侧的侧罩板301设有圆柱定位销孔，通过圆柱销和螺钉安装在罩顶板303两侧；两块直角连接板302分别连接两侧的侧罩板301与罩顶板303；加强板305上侧连接罩顶板303，左右两侧分别连接侧罩板301，下侧连接密封罩折弯板304；每个加强板305上设有两个透明可视化窗口308；直角连接板302和加强板305保证了两侧的侧罩板301和罩顶板303的连接稳定度和垂直度；快换结构主头307通过定位销和螺钉安装于罩顶板303内表面；密封罩折弯板304的下部向外侧扩张，密封罩折弯板304的上侧连接加强板305，左右两侧连接侧罩板301；支撑筋306连接在加强板305和密封罩折弯板304上，保证了密封罩折弯板的强度，增强了其防碰撞性能；

吸风接口5安装在密封罩折弯板304的下部竖立面上，吸风接口5的方向与罩顶板303平面呈45°角，避免了吸风接口5在打磨时与工件的硬性碰撞；其中加强板305和密封罩折弯板304相对于罩顶板303前后侧对称；吸风接口5只在密封罩上驱动电机安装一侧设置；整个密封罩3结构进行抗压能力计算和模态计算，避免电机转速设置与密封罩3结构固有模态成比例而产生共振，保证打磨工具的密封罩整体运行的稳定；

密封罩3顶部安装有外连接部件8；外连接部件8可以采用连接法兰或连接机械臂等，用于连接机器人；本实施例采用的连接法兰如图1d所示，包括机器人侧安装法兰801和工具侧安装法兰802；外连接部件8通过机器人侧安装法兰801上的定位轴肩8011和圆柱销与机器人实现定位，通过螺钉与机器人连接；图1d中机器人安装侧法兰801上外圈设置的通孔8012用于穿过与机器人连接的螺钉；机器人安装侧法兰801上中间的定位孔8013用于和机器人定位；机器人安装侧法兰801与工具安装侧法兰802通过两个圆柱销定位、螺钉紧固连接；图1d中机器人安装侧法兰内圈定位轴肩8011上设置的定位孔8014用于和工具安装侧法兰802定位，机器人安装侧法兰内圈定位轴肩8011上设置的螺钉孔8015用于穿过螺钉连接工具安装侧法兰802；工具安装侧法兰802通过两个圆柱销与密封罩3实现定位，通过螺钉与密封罩3紧固连接，图1d中工具安装侧法兰802上设置的定位孔8021用于和密封罩3实现定位，设置的通孔8022用于穿过螺钉与密封罩3连接。

如图2a、图2b、图2c所示，打磨母头2包括主动啮合齿轮200、被动啮合齿轮201、齿轮侧支架202、螺纹锁紧组件203、螺旋滚筒打磨组件204、旋转主轴205、快换结构辅头207、顶安装板208、加强连接板209、主轴连接支架210；

顶安装板208的两端分别与齿轮侧支架202和主轴连接支架210通过定位销和螺钉连接，保证齿轮侧支架202和主轴连接支架210之间安装的平行度和间距精度，保证了旋转主轴205安装后的同轴度和高速运转的稳定性；齿轮侧支架202和主轴连接支架210与顶安装板208两端还分别通过直角的加强连接板209连接，保证了顶安装板208与齿轮侧支架202和主轴连接支架210的垂直度和整体的强度；旋转主轴205的两端分别安装在齿轮侧支架202和主轴连接支架210上，旋转主轴205上设有轴承安装用轴肩、齿轮安装用轴肩和螺母安装用螺纹；

相啮合的主动啮合齿轮200和被动啮合齿轮201均设置在齿轮侧支架202外侧；主动啮合齿轮200通过轴与驱动机构4的从动轮403连接；被动啮合齿轮201与旋转主轴205连接，采用平键传动方式带动旋转主轴305旋转；齿轮限位板211通过螺钉连接在被动啮合齿轮201和旋转主轴205上，防止被动啮合齿轮和旋转主轴之间发生轴向位移；齿轮侧支架202和主轴连接支架210上均包括支撑板、回转深沟球轴承和挡圈等，用于支撑旋转主轴205；

螺纹锁紧组件203和螺旋滚筒打磨组件204安装在旋转主轴305上；螺旋滚筒打磨组件204一端与旋转主轴305上的台肩相抵，另一端用螺纹锁紧组件203锁紧；螺纹锁紧组件33包括两个自锁圆螺母和弹性垫圈，安装于旋转主轴205上，用于锁紧螺旋滚筒打磨组件204；

多个打磨母头2存放在图2f所示的打磨母头支架9上，需要使用时，通过机器人抓取，实现快速更换；在齿轮侧支架202和主轴连接支架210上各设有一个定位圆柱销206，用于在存放和抓取时，定位打磨母头3，定位精度达到±0.2mm；其中±0.2mm是应该满足机器人重复抓取过程中重复定位的柔性裕度，防止定位抓取失败造成的硬碰撞或损伤；

与密封罩3上快换结构主头307相配合的快换结构辅头207设置在顶安装板208上；快换结构主头307和快换结构辅头207通过两个圆柱销定位，气动控制实现自动压紧和松开，由上位机提供气动控制信号来执行压紧或是松开；快换结构主头307和快换结构辅头207之间对接后可实现弱电信号的传递，气路对接；打磨过程中是快换结构主头307和快换结构辅头207是压紧闭合状态，当需要更换打磨母头2时，快换标准件执行松动程序和自动更换程序；

螺旋滚筒打磨组件204如图2c和图2d所示，包括：两个圆形卡环2041、一个螺旋滚筒2042、两个半圆形锁紧卡环2043、纱条组件2044和剑麻组件2045；

两个圆形卡环2041分别安装在螺旋滚筒2042两侧，圆形卡环2041内侧设有轴肩与螺旋滚筒2042相接实现螺旋滚筒2042的径向定位；半圆形锁紧卡环2043与螺旋滚筒2042的另一侧圆形卡环2041通过螺钉连接；螺旋滚筒2042为塑料件，开模制作而成；螺旋滚筒2042的周面上设有安装凹槽，安装凹槽在螺旋滚筒2042轴向方向上呈螺旋形式，螺旋角为30°，螺旋角度根据打磨面积和打磨力需要进行调整，安装凹槽在周向方向上平均分布，个数根据需要设置，基准设置60～90个；螺旋滚筒2042设置的安装凹槽用于安装纱条组件2044和剑麻组件2045，其中螺旋凹槽设置成内宽外窄结构，防止螺旋滚筒2042在高速旋转过程中纱条组件2044和剑麻组件2045因离心力过大而脱落；当纱条组件2044和剑麻组件2045需要更换时，拆卸半圆形锁紧卡环2043上的紧固螺钉，从螺旋滚筒2042的一侧端部拔出纱条组件2044和剑麻组件2045，清理螺旋滚筒2042后直接更换纱条组件2044和剑麻组件2045即可再一次使用螺旋滚筒打磨组件204，而且在更换损耗件纱条组件2044和剑麻组件2045过程中，打磨母头3不需要进行大量的拆卸工作，只需要在原工位上进行更换损耗件即可。

本发明提出的打磨工具，设置有一个工具主头、多个打磨母头的形式，实现了机器自动更换耗材的功能，打磨母头上设置有便捷的更换磨料结构，提高了人工更换磨料的效率，并且人工更换耗材的过程与机器打磨互相不干扰，保证了打磨加工的连续性；

工具主头和打磨母头采用了快速更换机构和圆柱销定位，保证了更换的便捷和稳定；工具主头和打磨母头通过同步带轮传动和齿轮啮合传动，保证了打磨工具的控制精度和稳定性，能够实现随时启动和停止，当出现系统故障或其他生产故障时保证工件打磨时工件不受损伤；工具主头上设置了密封罩结构和有小型集尘系统的吸风接口，粉尘的产生和吸附衔接良好，大幅提升了打磨后扬尘的吸附效果；

打磨母头上设置了长距离的打磨滚筒（即螺旋滚筒打磨组件204），相比传统手工气动砂纸打磨效率明显提高；打磨母头上打磨滚筒采用螺旋式结构打磨，单位长度内打磨面积变大，相比直条式打磨滚筒效率提高；打磨母头上的纱条和支撑剑麻构成一个打磨单元，可根据打磨力的要求，调节剑麻的结构和密度，实现调节纱条与工件表面的接触刚度，保证了工件打磨表面的质量要求；多个打磨母头配置有快换打磨母头支架9，用于放置和定位多个打磨母头，实现打磨母头更换库管理；

工具主头两侧安装有位移传感器测量装置，通过测量打磨工具与工件表面的垂直距离，实时的控制调节打磨工具的转速和进给，实现下压量和压力始终保持在一个固定的参数要求范围内，工件表面的打磨一致性明显改善；工具主头贴近工件侧开口四周安装有伸缩压条，当打磨工具的下压量实时变化时，伸缩压条也实时被动的压缩，保证工具主头密封罩结构与工件始终保持一个密封的空间，防止因打磨产生的粉尘大量逸出；

另外，打磨工具可以集成在工业机器人上，打磨工具在机器人侧设置有机器人连接通用接口，通过更改机器人安装侧法兰即可适用于不同规格的机器人连接；打磨工具设置有快换工具人工标定的可视化窗口，保证打磨工具在标定调试过程中，肉眼可对调试结果进行初步的判定，提高了机器人自动抓取的可靠性和安全性；其中快换结构和位移传感器测量装置可以与工业机器人的控制系统集成在同一个上位机上，实现一体化控制。