一种曲面自动研抛设备的制作方法

本发明涉及精密机械制造技术领域，具体地说是一种对大型曲面零件进行自动研抛加工的曲面自动研抛设备。

背景技术：

大型复杂曲面零件的自动抛光是我国航空、航天、高铁等多个行业都面临的一个难题，以航空曲面模具为例，它是透明件成型的关键工艺装备，为了达到透明件的光学性能指标，既要保证型腔的形状精度，也要保证模具型腔的表面质量，其中模具型腔的尺寸为3.2×1.8×1.5m，其表面粗糙度要求达到ra0.02um，如此大尺寸的型腔如果依靠人工打磨，既难以保证形状精度，也难以达到如此高的表面粗糙度要求。因此，采用新的方法取代传统的人工打磨以提高成型模具的精度和生产效率，是进一步提高透明件生产质量的关键所在。而机器人具有很好的柔性，可以实现多种不同位姿的加工，加上研抛是一种少(或无)切削量的加工，接触力很小，这为开发以机器人为平台的自动研抛系统提供了可能性，另外，复杂曲面精加工技术是现代精加工技术和自动化制造技术的交叉学科前沿，符合国家的科研项目政策。

现有技术中的曲面零件的自动化高精度研抛加工装备存在如下几个问题：

(1)需要解决大型曲面零件自动研抛加工的尺寸、行程限制问题。以往的复杂曲面零件的研抛加工设备，对曲面的形状尺寸和加工行程均有限制。传动的自动研抛设备可分为机床类和多轴机器人类两大类，以往的小型机床类研抛设备，由于工作行程所限，无法对大型曲面零件进行连续加工，而在大型机床上加装研抛头，由于滑枕、主轴部分空间尺寸大，加工时可能涉及干涉，因而对研抛对象的曲率和形状有较多的要求；多轴工业机器人类研抛设备的末端手臂尺寸较为紧凑，但其工作范围是较为有限的类球体空间，这就限制了加工对象的最大尺寸。

(2)需要解决大型曲面零件自动研抛加工的连续加工问题。以往的机器人设备在工作时，连续加工区域完全依赖于机器人本体手臂的可达空间，因此即使加装了外部移动轴，在面对大型曲面零件时只 能进行分区域加工。

(3)需要解决研抛力学参数和加工表面质量的实时控制问题。传统的研抛设备使用的曲面研抛工具包括刚性研抛头和柔性研抛头：刚性研抛头可获得较稳定的加工力学参数，但是对于曲面工件，容易发生由于进给量计算错误而引起工件的过抛损伤或磕伤；相比之下柔性研抛头不易发生工件损伤事故，对进给量允差要求不高，但由于是被动适应曲面加工，所以研抛力学参数不稳定，研抛表面的质量不易控制。

(4)需要解决大型复杂曲面零件的自动化研抛设备的防护和安全设计问题。以往的多轴机器人类曲面零件抛光设备多为敞开式和半敞开式，研抛过程中产生的切屑粉末和切削液对车间环境环境造成污染，此外对操作人员的人身安全保障措施也显得配备不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种曲面自动研抛设备，能够实现自动连续研抛，并解决了自动研抛加工受加工零件尺寸形状及加工行程制约的问题、柔性自动研抛加工过程的主动控制问题以及大型曲面零件自动研抛过程中的安全保护问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种曲面自动研抛设备，包括两个桥架、横梁、机器人本体、工作台和防护间，其中两个桥架沿x向平行设置，横梁沿y向设置并且可移动地设置于两个桥架上，机器人本体倒挂并且可移动地设置于所述横梁下侧，在两个桥架之间，在所述机器人本体的下方设有工作台，所述两个桥架和工作台均设置于所述防护间内，在所述机器人本体上安装有柔性研抛工具，所述柔性研抛工具上设有弹性抛光轮和六维力传感器。

所述柔性研抛工具除所述弹性抛光轮和六维力传感器外还包括连接法兰、传感器固定座、气动马达和气动马达固定座，所述连接法兰与机器人本体相连，传感器固定座设置于所述连接法兰下侧，六维力传感器安装在所述传感器固定座上，气动马达固定座与所述六维力传感器相连，气动马达固定在所述气动马达固定座上，气动马达的动力输出端与弹性抛光轮相连。

所述弹性抛光轮的一侧设有铜管，所述铜管的前端设有阀门和流体喷嘴。

所述桥架包括基座、立柱、托板和托板驱动机构，立柱设置于基 座下方，基座上设有托板，基座上还设有托板驱动机构，所述托板通过所述托板驱动机构驱动移动，横梁的两端分别设置于两侧桥架的托板上。

所述托板驱动机构包括电机、减速机、联轴器、滚珠丝杠和直线导轨，所述电机与减速机相连，所述减速机通过联轴器与所述滚珠丝杠相连，托板安装在与所述滚珠丝杠相配合的丝杠螺母上，基座底面设有直线导轨，所述托板上设有和所述直线导轨相配合的滑块。

每个立柱底端均设有调整垫铁，基座靠近所述工作台的一侧安装有用于安装监控ccd的活动云台，所述托板上设有润滑器，在托板的两侧设有可伸缩的防尘罩，所述托板驱动机构设置于所述防尘罩内。

所述横梁下侧设有可移动的滑座和驱动所述滑座移动的滑座驱动机构，机器人本体倒挂安装在所述滑座上；所述滑座驱动机构包括电机、减速机、联轴器、滚珠丝杠、直线导轨和轴承组，所述电机与减速机相连，所述减速机通过联轴器与滚珠丝杠相连，所述滚珠丝杠远离所述减速机的一端通过所述轴承组支承，所述滑座固定在与所述滚珠丝杠配合的丝杠螺母上，所述横梁的两侧分别设有直线导轨，所述滑座上设有与所述直线导轨配合的滑块。

所述联轴器为梅花型联轴器，在横梁的一端设有油液缓冲器，在所述滑座的两侧设有可伸缩的防尘罩，所述滑座驱动机构设置于防尘罩内。

所述防护间包括顶部防护、外侧围板、底部防护、活动拉门和内侧围板，其中顶部防护下端与桥架的基座相连，外侧围板设置于桥架外侧，外侧围板下端与底部防护相连，内侧围板设置于桥架内侧，所述防护间两端分别设有可沿y向移动的活动拉门，工作台设置于由所述内侧围板、桥架的立柱以及活动拉门所围成的区域中。

所述外侧围板上设有急停按钮开关和观察窗，所述内侧围板与立柱及工作台的联接处加装有密封胶垫，所述内侧围板上设置有人孔、安全光幕和光电式传感器，在活动拉门上安装有压力开关。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明通过两个桥架和一个横梁构成龙门结构，机器人本体倒立安装在横梁上，机器人本体可以沿着x/y两向移动，其中x向为双驱同步移动，这有效扩展了机器人的可达空间并解决了大型曲面零件自动研抛加工的尺寸、行程限制问题，而且在上下料时，也可手动操作来迅速移动机器人，让出工件装夹平台，缩短了辅助加工时间。

2、本发明通过设计一种带有常力反馈功能的柔性研抛工具，解 决柔性加工过程中的实时主动实时控制问题。本发明采用弹性抛光轮，并且搭载有六维力传感器，能实时收集力学信息作为反馈值，可用于与设定好的工艺力学参数进行比对，并通过控制系统控制机器人对进给参数实时补偿，从而对实际加工参数进行了控制，这样便可以保证在连续长时间研抛过程中获得稳定理想的工艺参数，因此保证了在整个大型曲面上都能获得一致的表面研抛质量。

3、本发明通过加装安全光幕，解决大型复杂曲面零件的自动化研抛设备的防护和安全设计问题。本发明的防护间为四周全封闭型，防护间内依据机器人的工作空间，设置多组安全光幕，安全光幕可以限制机器人的工作在一指定范围内，防止机器人超程，也可防止无关人员进入加工区受到伤害，保证了设备和人员的安全。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为图1中桥架的结构示意图，

图3为图2中桥架的俯视图，

图4为图1中机器人本体安装在横梁上的结构示意图，

图5为图4中的机械人驱动机构的结构示意图，

图6为图4中的柔性研抛工具的结构示意图，

图7为图1中防护间的结构示意图。

其中，1为横梁，2为桥架a，3为机器人本体，4为工作台，5为桥架b，6为防护间，7为基座，8为活动云台，9为立柱，10为调整垫铁，11为托板，12为电机，13为减速机，14为联轴器，15为滚珠丝杠，16为润滑器，17为直线导轨，18为滑座，19为防尘罩，20为电机，21为减速机，22为联轴器，23为滚珠丝杠，24为固定压板，25为直线导轨，26为组轴承，27为油液缓冲器，28为连接法兰，29为传感器固定座，30为气动马达，31为气动马达固定座，32为六维力传感器，33为铜管，34为冷却流体喷嘴，35为联轴器，36为弹性抛光轮，37为顶部防护，38为外侧围板，39为底部防护，40为观察窗，41为急停按钮开关，42为活动拉门，43为内侧围板，44为维修孔，45为安全光幕，46为传感器，47为压力开关，48为安装板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括两个沿x向平行的桥架：桥架a2和桥架b5，横梁1沿y向设置于桥架a和桥架b上形成龙门结构，机器人本体3倒挂设置于横梁1下侧，在两个桥架之间，在所述机器人本 体3的下方设有工作台4，待加工的工件放置于所述工作台4上，所述桥架和工作台4均设置于防护间6内。

如图2～3所示，所述桥架包括基座7、立柱9、托板11和托板驱动机构，所述基座7由钢板焊接制成，基座7内有配筋以提高刚性，所述基座7通过设置于下面的三个立柱9支承，所述立柱9由钢板焊接而成，每个立柱9的上端均设有通过螺栓与基座7底面相连的法兰，每个立柱9底端均设有调整垫铁10，通过调整各调整垫铁10的高度来调整基座7的水平度，基座7靠近所述工作台4的一侧安装有三个用于安装监控ccd的活动云台8，在基座7上设有可移动的托板11，所述托板11通过托板驱动机构驱动移动，横梁1的两端分别设置于两侧桥架的托板11上。

所述托板驱动机构安装在基座7上，如图3所示，所述托板驱动机构包括电机12、减速机13、联轴器14、滚珠丝杠15和直线导轨17，所述电机12与减速机13相连，所述减速机13通过联轴器14与所述滚珠丝杠15相连，托板11安装在与所述滚珠丝杠15相配合的丝杠螺母上，且所述托板11与基座7底面通过滑块和直线导轨17实现滑动连接，本实施例中，所述电机12为伺服电机，所述减速机13为行星减速机。设备工作时，当控制系统发出驱动脉冲时，电机12通过所述减速机13和联轴器14传递扭矩，使滚珠丝杠15旋转并通过其上的丝杠螺母驱动托板11沿直线导轨17做直线运动。所述滚珠丝杠15和直线导轨17均有很高的精度，因此在所述电机12的驱动下，托板11可获得很高的定位精度。为减小磨损，整个驱动系统由润滑器16提供润滑剂，所述润滑器16安装在托板11上，当行至一定行程时,系统plc会自动接通润滑泵为所述润滑器16供油，所述润滑器16内的润滑油经各个管道均匀分配到各个润滑点上。所述润滑器16为本领域公知技术。在托板11的两侧设有可伸缩的防尘罩将托板驱动机构罩住。

如图4～5所示，所述横梁1下侧设有可移动的滑座18和驱动所述滑座18移动的滑座驱动机构，机器人本体3倒挂安装在所述滑座18下表面，由于机器人本体3的重量较重，而且承受频繁变化的动力载荷，为增加安全性，滑座18上安装有四个固定压板24，用于加固与机器人本体3底座的连接。所述滑座驱动机构包括电机20、减速机21、联轴器22、滚珠丝杠23、直线导轨25、轴承组26以及油液缓冲器27，所述电机20与减速机21相连，所述减速机21通过联轴器22与滚珠丝杠23相连，所述滚珠丝杠23远离所述减速机21的一端通过所述轴承组26支承，所述滑座18固定在与所述滚珠丝杠 23配合的丝杠螺母上，所述横梁1的两侧分别设有直线导轨25，所述滑座18上设有与所述直线导轨25配合的滑块，所述滑座18即通过所述滑块和直线导轨25实现与横梁1的滑动连接，直线导轨25布置在横梁1的侧面使其承载能力强，安装方便。所述电机20为伺服电机，所述减速机21为行星减速机，当控制系统发出运动指令后，电机20通过所述减速机21和联轴器22传递扭矩，使滚珠丝杠23旋转并通过其上的丝杠螺母驱动所述滑座18沿直线导轨25移动，所述联轴器22为梅花型联轴器，采用梅花形联轴器的好处是既消除了传动间隙，又吸收了不同轴度误差，使传动平稳，为防止滑座18超过指定行程，在横梁1一端设有油液缓冲器27，可以吸收意外撞击导致的冲击，保证滑座18行程安全，所述油液缓冲器27为本领域公知技术。在所述滑座18的两侧设有可伸缩的防尘罩19，所述滑座驱动机构设置于防尘罩19内。横梁1本身由钢板焊接制成，内部设计有筋板加强，具有足够的刚性保证传动系统的精度。

如图6所示，在机器人本体3的工作端安装有带常力反馈功能的柔性研抛工具，所述柔性研抛工具包括连接法兰28、传感器固定座29、气动马达30、气动马达固定座31、六维力传感器32、铜管33、冷却流体喷嘴34、联轴器35和弹性抛光轮36，所述连接法兰28与机器人本体3相连，连接法兰28具有快换功能，可与安装在机器人本体3手臂末端的法兰实现快速对接，并且连接法兰28上面装有定位棒，可准确可靠地在工装上放置定位。传感器固定座29设置于所述连接法兰28下侧，六维力传感器32安装在所述传感器固定座29上，气动马达固定座31与所述六维力传感器32相连，气动马达30固定在所述气动马达固定座31上，气动马达30的动力输出端通过联轴器35与弹性抛光轮36相连，所述连接法兰28、传感器固定座29、气动马达固定座31和联轴器35均由硬质铝合金制成，这么做一是为了减轻研抛工具重量，提高机器人的动态性能，二是由于在加工过程中存在污染和腐蚀，使用铝合金材料并作适当的表面处理可以明显提高研抛工具头的使用寿命。所述弹性抛光轮36表面由聚氨酯海绵制成，表面为弹性，只能被动的适应曲面零件的表面形貌，可以避免因曲率突然变化而引起的刚性接触，在进行研抛工作时，工艺阻力通过弹性抛光轮36，经气动马达固定座31传递给六维力传感器32，一方面，研抛加工的工艺阻力可分解为三个力矩和三个力矢量，这六个力学参数实时反应研抛加工中的弹性接触情况，所述六维力传感器32即用于实时收集这六个力学参数，控制系统参考预先设定好的工艺力 学参数，实时地进行监控和比较并维持稳定的工艺过程。另一方面，一旦因路径规划失败或其他程序错误而出现硬性接触的危险，弹性抛光轮36上的六维力参数将超过可补偿设定的值，这时研抛进给运动立即停止，从而保证了工件和研抛工具的安全，本实施例中，所述六维力传感器32采用美国ati公司生产的f/tmini40型六维力传感器。在弹性抛光轮36的一侧设有铜管33，可依据工艺要求传输研抛液或者冷却空气，所述铜管33的前端设有阀门，当加工开始时，铜管33前端的阀门被自动打开，研抛液或冷却空气通过铜管33自由端的流体喷嘴喷出，所述流体喷嘴的口径为0.8mm，采用黄铜制造，内孔经抛光，孔口设计有倒角，因此具有较高的使用寿命。

如图7所示，所述防护间6包括顶部防护37、外侧围板38、底部防护39、活动拉门42和内侧围板43，所有防护间6的组成部件均用2.5mm厚的碳钢板制成，表面进行静电喷涂处理。其中顶部防护37用焊接工艺制成，所述顶部防护37的下端通过螺栓与基座7联接在一起，将基座7的运动部分与外界环境隔离开来，避免相关人员与运动部件直接接触，所述外侧围板38由多块矩形围板拼接制成，围板间用螺栓联接，防护间6的每一侧外侧围板38上各开有两处观察窗40，窗上安装透明有机玻璃板，能抵御机械撞击，外侧围板38下端通过螺栓与底部防护39固定在一起，底部防护39将调整垫铁10遮盖住，这样做既能保护相关人员、防止垫铁绊到人，又增加了设备的整体美观性。防护间6的前后侧装有活动拉门42，每个活动拉门42都可沿下面的滑道沿y向滑动，工作台4即设置于由活动拉门42、防护间6内侧的内侧围板43和基座7下方的立柱9所述围成的区域中，防护间6从而将设备的加工区域包围起来，因为直接接触加工区域，各处的内侧围板43与立柱9及工作台4的联接处都加装了密封胶垫，并涂抹防水密封胶，避免加工时使用冷却液和产生的粉尘等污染物直接逸散到车间环境中去。整体防护间6内部开有人孔44，所述人孔44设置于内侧围板43上，当需要停机检修时可以打开。在所述防护间6的外侧围板38安装有多个急停按钮开关41，出现意外时操作人员可在第一时间按下开关强制停止设备运转。为避免因工艺程序编制错误或机器人失灵造成的撞机事故，以及防止人员意外进入机器人工作区，在防护间6的内侧围板43上设有多条安全光幕45，分别位于机器人工作空间的四个角点处，所述安全光幕45垂直于所述工作台4安装，其检测范围覆盖整个工作区的外缘。当机器人本体3 的手臂因意外超过行程时，安全光幕45发出的红外射线遭到遮挡，立即发出报警信号，运动控制系统立即停止机器人运作，保证安全。在活动拉门42上安装有压力开关47，能检测拉门是否关严，若前后拉门没有关严即存在污染物向外逸散的可能时，不能进入加工过程。在防护间6的内侧围板43的两端分别装有多个光电式传感器46，在加工过程中如果有人违反操作规程进入工作区，将触发开关，设备立即停止运行，并提示警告。

本发明的工作原理为：

(1)将活动拉门42打开至最大限，通过天车等吊运工具，将待研抛的工件及其工装吊至到工作台4上，简单找正，确定工件的大致朝向。

(2)将工件工装固定在工作台4上，并用激光跟踪仪测量工件参考点，得出工件的参考位置。

(3)打开上位机上的工艺系统软件，根据工件的类型编号，选择对应的加工工艺文件，并输入工件的实际参考点坐标。工艺系统软件自动生成曲面零件的三维模型、完成路径规划，处理完成后在软件窗口中显示出来。

(4)启动ccd监控窗口，确定各个ccd状态正常，开启自动记录模式。

(5)确定工作区内无人员逗留，工作台上除无其他物品搁置的情况下，关闭活动拉门42。

(6)在上位机的工艺系统软件确认一切就绪后，点击“开始加工”按钮，研抛设备开始工作，机器人本体3开始运作。工艺系统软件在加工过程中通过六维力传感器32监视工件研抛的力学参数，并实时地将运动补偿数据传递给运动控制系统，机器人本体3根据补偿数据实时修正运动路径。

(7)当加工结束时，系统出现提示，点击“加工结束”按钮，断开设备供电，对零件进行后续的清洁检查处理。