一种面向自由曲面的柔顺砂带打磨装置的制作方法

本发明涉及打磨装置，尤其涉及一种面向自由曲面的柔顺砂带打磨装置。

背景技术

自由曲面广泛存在于航发叶片、螺旋桨叶片等零件加工中，由于这些薄壁构件表面精度要求极高且易变形，自由曲面的打磨相比规整零件难度更大。而传统的手工打磨效率与精度无法得到有效保证，实现自由曲面自动化抛磨具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、性能优良的面向自由曲面的柔顺砂带打磨装置。解决现有技术中的砂带机加工效率低的问题，本发明适用于自由曲面零件高精度打磨场合。

且通过砂带机旋转底盘实现单台多工位加工。

本发明通过下述技术方案实现：

一种面向自由曲面的柔顺砂带打磨装置，包括基板1、底部转盘2；所述基板1竖立安装在底部转盘2上；

在基板1的左右两端板面，各对称安装有一个结构相同的力控机构；在位于基板1左端板面的力控机构的端部，安装有伸出左端板面的接触轮3；在位于基板1右端板面的力控机构的端部，安装有伸出右端板面的张紧轮4；

在基板1居中位置的上下两端板面，分别对称安装有一过渡轮5和一驱动轮6；

在基板1的左侧板面区域，上下各对称安装有一个结构相同的导轮7；

所述接触轮3、张紧轮4、过渡轮5、驱动轮6和导轮7通过砂带8围绕连接在一起；其中，接触轮3、张紧轮4、过渡轮5和驱动轮6分别与砂带8的内圈接触，上下两个导轮7分别与砂带8的外圈接触；

所述接触轮3、张紧轮4、过渡轮5、驱动轮6和导轮7通过砂带8连接在一起后，使砂带8的形状呈菱形结构；砂带8的运转由驱动轮6驱动。

所述力控机构包括：伸缩杆9、压块12、滑块13、重载导轨14、转接板10、力传感器15、双作用气缸16、电磁换向阀17、电气比例阀18；

所述双作用气缸16、电磁换向阀17、电气比例阀18均安装在一外壳19内，其中双作用气缸16通过垫块20固定在外壳19内；所述外壳19固定在基板1上；

所述双作用气缸16具有两根活塞杆21，这两根活塞杆21端部安装有一压板弹簧组件；该压板弹簧组件包括前后两块压板，在前后两块压板之间安装有四根导向柱22，其中，后压板24与活塞杆21端部固连，四根导向柱22与后压板24固连，而前压板23可沿四根导向柱22轴向方向滑动，在四根导向柱22上分别套设有四根相同结构的螺旋压缩弹簧25；

所述力传感器15固定在前压板23上；所述接触轮3安装在伸缩杆9的端部，伸缩杆9通过压块12卡在滑块13上，滑块13滑动连接在重载导轨14上，该滑块13可沿重载导轨14前后滑动；转接板10的一端固定在压块12上，转接板10的另一端具有一折弯面，折弯面与力传感器15相抵；

所述电气比例阀18的进口通过管路连接外部的气泵，出气口通过管路连接电磁换向阀17的其中一个气口，电磁换向阀17的另外两个气口分别通过管路连接双作用气缸16的进气口或者排气口；所述电气比例阀18和电磁换向阀17的控制端分别与控制器信号连接；所述电磁换向阀17采用两位四通电磁换向阀17。

所述双作用气缸16是指双轴气缸，有两根活塞杆21；气泵供给气源给电气比例阀18，经管路至电磁换向阀17，电磁换向阀17的方向由控制器控制，再到达双作用气缸16，推动活塞杆向左或者向右运动；管路中的气压大小由电气比例阀18反馈给控制器，再由控制器输出需要的电压大小以达到所需气压值；当活塞杆21向左运动时，螺旋压缩弹簧25的压缩量减小，力传感器15与转接板10的接触力减小；当活塞杆向右运动时，螺旋压缩弹簧25的压缩量增大，力传感器15与转接板10的接触力增大。

所述驱动轮6通过联轴器27与安装在基板1另一面基座29上的三相电机28连接，为砂带8的转动提供动力。

所述导轮7为纠偏砂带8的调偏轮，呈u型截面。

所述接触轮3的下方设有一粉末回收盒。

所述基板1的外部安装有一防护罩30。

所述压板弹簧组件的外部包覆有一防尘罩26。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

自由曲面打磨的接触力对加工精度的影响很大，传统的砂带打磨方式是通过机器人夹持工件与砂带机的接触轮接触进行打磨，这种打磨方式无法预估和控制打磨过程中接触力的大小。本装置利用带力反馈的砂带机，可以实时检测和调整打磨接触力，且通过砂带机旋转底盘实现单台多工位加工。

传统力控砂带机在实现力控的同时会改变接触力包角大小，维持接触力包角恒定是确保接触力转速不变的重要前提。

传统力控砂带机底座都是固定的，为避免机器人夹持工件加工时造成运动干涉，通常采用多工位砂带机作业，一个加工单元需要多台砂带机造成成本浪费。

传统的力控砂带机直接使用气缸控制气压进而控制输出力，这种方式由于非线性摩擦造成的爬行对于控制非常不利。本发明气泵供给气源给电气比例阀18，经管路至电磁换向阀17，电磁换向阀17的方向由控制器控制，再到达双作用气缸16，推动活塞杆向左或者向右运动；管路中的气压大小由电气比例阀18反馈给控制器，再由控制器输出需要的电压大小以达到所需气压值；当活塞杆21向左运动时，螺旋压缩弹簧25的压缩量减小，力传感器15与转接板10的接触力减小；当活塞杆向右运动时，螺旋压缩弹簧25的压缩量增大，力传感器15与转接板10的接触力增大。可见本发明使用两个独立力控机构实现力控，它与气缸控制的区别在于增加了力传感器与压板弹簧组件，弹簧的作用就是使双作用气缸活塞杆持续处于动态微动平衡过程中，避免活塞杆静止导致爬行。在实际打磨过程中，砂带随着打磨进行不断磨损，打磨效果逐渐变差，实现对打磨力的实时补偿非常重要，目前的纯气缸补偿只适用于低精度打磨场合。

本发明技术手段简便易行，大大节省了人力物力成本。

附图说明

图1为本发明整机结构示意图。

图2为本发明整机局部结构示意图。

图3为图2的俯视结构示意图。

图4为本发明力控机构的局部外观结构示意图。

图5为图4的内部结构示意图。

图6为本发明是接触轮、伸缩杆、压块等相关部件的连接示意图。

图7为本发明导轮结构示意图。

图8为本发明力控机构的电气连接方框示意图。

图9为本发明砂带机受力分析示意图。

图10为本发明力控机构控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

本发明公开了一种面向自由曲面的柔顺砂带打磨装置，包括基板1、底部转盘2；所述基板1竖立安装在底部转盘2上；

底部转盘2由电机(图中未示出)驱动其转动，转动角度约正负30°，目的是实现单台多工位加工。

在基板1的左右两端板面，各对称安装有一个结构相同的力控机构；在位于基板1左端板面的力控机构的端部，安装有伸出左端板面的接触轮3；在位于基板1右端板面的力控机构的端部，安装有伸出右端板面的张紧轮4；

在基板1居中位置的上下两端板面，分别对称安装有一过渡轮5和一驱动轮6；基板1的空余部位，可加工出长槽以减轻整机重量。接触轮3的外层为橡胶材质，轮毂为金属等硬质材质。

在基板1的左侧板面区域，上下各对称安装有一个结构相同的导轮7；

所述接触轮3、张紧轮4、过渡轮5、驱动轮6和导轮7通过砂带8围绕连接在一起；其中，接触轮3、张紧轮4、过渡轮5和驱动轮6分别与砂带8的内圈接触，上下两个导轮7分别与砂带8的外圈接触；

所述接触轮3、张紧轮4、过渡轮5、驱动轮6和导轮7通过砂带8连接在一起后，使砂带8的形状呈菱形结构；砂带8的运转由驱动轮6驱动。

所述力控机构包括：伸缩杆9、压块12、滑块13、重载导轨14、转接板10、力传感器15、双作用气缸16、电磁换向阀17、电气比例阀18；

所述双作用气缸16、电磁换向阀17、电气比例阀18均安装在一外壳19内，其中双作用气缸16通过垫块20固定在外壳19内；所述外壳19固定在基板1上；

所述双作用气缸16具有两根活塞杆21，这两根活塞杆21端部安装有一压板弹簧组件；该压板弹簧组件包括前后两块压板，在前后两块压板之间安装有四根导向柱22，其中，后压板24与活塞杆21端部固连，四根导向柱22与后压板24固连，而前压板23可沿四根导向柱22轴向方向滑动，在四根导向柱22上分别套设有四根相同结构的螺旋压缩弹簧25；

所述力传感器15固定在前压板23上；所述接触轮3安装在伸缩杆9的端部，伸缩杆9通过压块12卡在滑块13上，滑块13滑动连接在重载导轨14上，该滑块13可沿重载导轨14前后滑动；转接板10的一端固定在压块12上，转接板10的另一端具有一折弯面，折弯面与力传感器15相抵；初始状态下，由于砂带8张紧力的作用，这四根螺旋压缩弹簧25处于预压状态；

力传感器15实时检测与转接板10的接触压力大小，并发送给控制器。力传感器15的电压信号通过滤波算法去除振动干扰。由于力传感器15只受水平方向力，可选择一维拉压传感器，成本较三维力传感器低廉。检测范围为正负200n。本装置使用时要求轨迹点法向为水平方向实现法向力控制，切向力由于对材料去除深度影响较小而不考虑。

所述电气比例阀18的进口通过管路连接外部的气泵，出气口通过管路连接电磁换向阀17的其中一个气口，电磁换向阀17的另外两个气口分别通过管路连接双作用气缸16的进气口或者排气口；所述电气比例阀18和电磁换向阀17的控制端分别与控制器信号连接；所述电磁换向阀17采用两位四通电磁换向阀17。

双作用气缸16相比单轴气缸可以约束一个旋转自由度。电气比例阀18将电信号转换为气压用于控制双作用气缸16的压力。电磁换向阀17可以快速调整双作用气缸16的进气方向。

气泵供给气源给电气比例阀18，经管路至电磁换向阀(方向由控制器控制)，再到达双作用气缸16，如图8图示时刻可推动活塞杆向左运动(反之向右运动)，此时，气路中的气压大小由电气比例阀18反馈给控制器，再由控制器输出需要的电压大小以达到期望气压值。当活塞杆向左运动，弹簧压缩量减小，接触力减小；当活塞杆向右运动，螺旋压缩弹簧25的压缩量增大，接触力增大。

所述驱动轮6通过联轴器27与安装在基板1另一面基座29上的三相电机28连接，为砂带8的转动提供动力。

所述导轮7为纠偏砂带8的调偏轮，呈u型截面。调偏轮一方面可以实时纠偏砂带8，另一方面可以维持砂带8在接触轮3上的包角不变。

本发明使用了两个独立的力控机构，分别完成不同任务。张紧轮4通过与其连接的力控机构维持砂带8张紧力不变。接触轮3通过与其连接的力控机构维持工件打磨力的恒定。

本发明力控机构只需要控制水平压力即可，无需关注重力的影响。力控机构的信号线，可通过航空插头外连控制器，实现即插即用。

由于接触轮加速度很小，本发明无需考虑加速度对力控精度影响。力控输出范围为0-200n，打磨作业常用范围为20-50n。

所述双作用气缸16是指双轴气缸，有两根活塞杆21。气泵供给气源给电气比例阀18，经管路至电磁换向阀17，电磁换向阀17的方向由控制器控制，再到达双作用气缸16，推动活塞杆向左或者向右运动；管路中的气压大小由电气比例阀18反馈给控制器，再由控制器输出需要的电压大小以达到所需气压值；当活塞杆21向左运动时，螺旋压缩弹簧25的压缩量减小，力传感器15与转接板10的接触力减小；当活塞杆向右运动时，螺旋压缩弹簧25的压缩量增大，力传感器15与转接板10的接触力增大。

所述接触轮3的下方设有一粉末回收盒(图中未示出)。

所述基板1的外部安装有一防护罩30。

所述压板弹簧组件的外部包覆有一防尘罩26。

设砂带8实际张力为ft,系统控制的打磨力为f1，系统控制的张力f2,实际接触力为fc，左负载质量为m1,右负载为m2，导轨摩擦系数为μ，左右摩擦力为f1和f2,有如下关系成立：

m1a＝f1-2ftcoaα-f1-fc

m2a＝f2-2ftcosβ-f2

f1＝μm1g

f2＝μm2g

由于力控装置伸缩量较小，在位移过程中将α和β设为定值。加速度a通过电子加速度计(图中未示出)获取。通过调整控制变量f1和f2使得fc和ft满足加工要求。

控制器控制的参数有：打磨力、张紧力、砂带线速度、砂带机转角等。控制主要过程为：设置打磨力—控制器将电信号发送给电气比例阀—电气比例阀控制双作用气缸压力使活塞杆运动—实际打磨接触力发生改变—直到力传感器检测的力值与设置力值差值在一个很小范围内时调整成功。类似算法如模糊pid控制等，此外可通过线性位移传感器检测气缸行程，并通过微分获取速度检测装置的运动方向，进而判断摩擦力的方向。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。