一种打磨工作站及其模块化作业方法与流程

本发明涉及一种打磨加工解决方案，尤其涉及一种加工工具换装自动化程度高、节省人力和耗材浪费的新型打磨工作站及其模块化作业方法，属于机电应用技术领域。

背景技术：

随着机电技术的日新月异，工业自动化生产和加工行业飞速发展，也不断推进着行业的技术发展。工业生产包含各大分层次细分的内容，所涉及的设备大到生产车航设备的大型机具，小到生产各类微型零部件的加工机具，还包括各类规格的自动化装配工具等。

无论是注塑成型、金属压铸成型或是金属焊接加工等成型的产品，或多或少表面存在平整度、光滑程度、反光亮度未达到理想要求，或存在划痕、斑点、塌边等现象。为此需要借助此类设备进行深加工处理，以往这些处理大都是人力手动作业完成的，且由于劳动疲劳强度的差异性，很难确保批量处理品质的一致性。有鉴于此，现有不少技术人员经过研发、试验提出了各种解放人工，实现初步自动化的设备。通常情况下，此类设备所参与的加工内容主要为打磨抛光，因此除了对作业头空间定位灵活性和精度方面的要求外，根据工艺要求设备在运行处理过程中还需要周期性更换加工磨头等耗材工具，且几乎全部都需要停机作业后人力手动更换，在保障作业人员安全的前提下，影响了加工设备的自动化程度和生产作业的高效性。

更固步自封地，传统打磨工作站等设备仅能面向小部分规则形状的产品进行单一规格耗材的持续性加工处理，即使如先粗后细的复合打磨加工在输出动力也固定为独一工具，仅靠人工或自动更替所需耗材；在耗材规格发生变化后，工具的输出动力需要适应性调整，因此增加了作业人员程序编订的复杂程度和难度，无法满足各类复杂规则形状或异形状产品的加工要求。

由于打磨工作站所面向的加工对象种类繁多、形状各异，因此打磨工作站对应不同加工对象的工控程序相互之间差异巨大。对新上岗的作业人员而言，太过复杂的加工对象编程操作时常会发生无从下手的情况，一定程度上影响了生产加工企业的作业效率。而且，对于打磨工作站而言，根据生产计划调整进行不同加工对象的穿插作业也是普遍现象，为此打磨工作站的作业处理方式需要满足多变性的要求。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的旨在提出一种打磨工作站及其模块化作业方法，以解决打磨工作站面向形状各异的加工对象模块化灵活作业、便捷使用的问题。

本发明实现上述第一个目的的技术解决方案是，一种打磨工作站，设有位于半封闭式机箱内的机架及作业平台，其特征在于：基于所述机架，在作业平台上方设有三轴线性定位机构与两轴非线性定位机构组装构成的五轴载架，且五轴载架的末端装接有外接气源的气动夹头，气动夹头悬空于作业平台上方受控调节定位定向；在作业平台至少一旁侧设有工具库，工具库内包含成套的加工工具，每个加工工具独立定位且集成设有独有的气动马达和对应作业功能的磨头或刀头；在作业平台后向设有可编程的主控器，五轴载架的驱动端和气源相关阀门的控制端均总线接入主控器受控动作及锁定；作业平台表面设有带识别探头的夹具模组，识别探头信号接入主控器。

上述打磨工作站，进一步地，所述两轴非线性定位机构包括竖直轴向转动单元和水平轴向摆动单元，其中竖直轴向转动单元由自上而下顺次装接的驱动电机、定子和动子构成，水平轴向摆动单元由内设摆动电机的定轴部和传动相接于摆动电机输出轴的摆动部构成，定轴部与动子一体相接；所述气动夹头与摆动部相接成一体，并通过气管及阀门外接气源，且气动夹头设有与加工工具气动马达相对接通气的接口。

上述打磨工作站，进一步地，所述工具库中具有n个类型、规格各不相同且成套的加工工具，n为2以上的自然数，且工具库在作业平台两侧面分别设有含横向成排、纵向成列落位座的工具架，各加工工具独立定位于落位座中，且各落位座的内面设有强固定位部。

上述打磨工作站，进一步地，所述打磨工作站设有位于机箱外并线路接入主控器的操作面板，所述操作面板具有状态监视、操作演示的显示屏，手动编程或指令调用的操作键盘以及两种以上外联上位机或移动存储器的通信接口模组。

本发明实现上述第二个目的的技术解决方案是，一种模块化作业方法，基于前述打磨工作站实现，其特征在于包括：产前准备阶段，预编加工工具的接取、换装及面向各个加工对象作业成品的单套程序，对一个以上加工对象标号并在主控器中存储与标号对应匹配的单套程序；加工作业阶段，逐一将加工对象装入夹具模组并自动识别，主控器根据识别的标号自动调用所对应匹配的单套程序实施加工作业，并在加工工具耗材用尽更替前后向当前正运行的单套程序插入中断及恢复。

上述模块化作业方法，进一步地，产前准备阶段包括：s1、在作业平台上构建空间三维坐标系，保持全套的加工工具在损耗范围内相隔定位于工具库中，每个加工工具的独立定位数据存储至主控器内；s2、定义作业平台上空一个点位的坐标为气动夹头的初始定位数据，根据气动夹头和各个加工工具的空间定位距离，通过对主控器操作编程获得五轴载架受控驱动气动夹头分别换装所需加工工具的第一导航子程序集合；s3、根据加工对象的外形和加工需求分解一个以上子加工段，各个子加工段包括所需加工工具及加工作业区域的空间范围和朝向范围，通过对主控器操作编程获得五轴载架受控带动加工工具进行各个子加工段作业的第二导航子程序集合；s4、根据加工对象所分解的子加工段，将第一导航子程序集合按加工工具使用顺序分段插入第二导航子程序集合，织构组成与加工对象相匹配的单套程序；s5、对加工对象进行标号，并将完成的单套程序结合标号存储于主控器；重复步骤s3-s5，更新主控器中对应现有和新增加工对象存储的单套程序成库。

上述模块化作业方法，更进一步地，所述第一导航子程序集合包含气动夹头由定义点位移动至成套中任一加工工具独立定位点并控制气源相关阀门通断的n个第一导航子程序；第二导航子程序集合包含m个第二导航子程序，各第二导航子程序为气动夹头由加工工具换装定位点移动至加工作业区域遍历并返回定义点位的导航控制，m为所分解子加工段的数量。

上述模块化作业方法，进一步地，加工作业阶段包括：s6、将已完成预编单套程序的加工对象装入夹具模组，识别探头自动识别加工对象的标号并与主控器信号交互；s7、主控器调用与标号所对应匹配的单套程序，分别面向五轴载架的驱动端输出信号导航气动夹头移动，面向气源相关阀门的控制端输出信号控制通断；s8、气动夹头于定义点位空载复位，完成单套程序执行并从夹具模组上卸料所述加工对象。

上述模块化作业方法，进一步地，接取加工工具的过程包含：空载的气动夹头基于五轴载架导航移动至所需接取的加工工具定位处并虚接气动马达，而后受控接通气源、与加工工具一体自锁接合；换装加工工具的过程包含：非空载的气动夹头基于五轴载架导航移动至工具库的复位定位处并受控隔断气源，气动夹头与待停用的加工工具解锁分离，而后再基于五轴载架导航移动至所需换装的加工工具定位处并虚接气动马达，接着受控接通气源、与加工工具一体自锁接合。

上述模块化作业方法，进一步地，工具库中的每个加工工具的使用时间实时记录于主控器中，且主控器中设定有关联各个加工工具累积使用时间上限的耗材用尽控制信号及耗材更替子程序，所述耗材更替子程序包含：中断当前单套程序执行；非空载的气动夹头基于五轴载架自中断定位处导航移动至工具库的复位定位处并受控隔断气源，气动夹头与待更替的加工工具解锁分离，而后原位虚接更替后加工工具的气动马达，接着受控接通气源、与加工工具一体自锁接合，随后导航归位至中断定位处，恢复当前单套程序执行。

应用本发明的打磨工作站及其模块化作业方法，具备突出的实质性特点和显著的进步性：1）通过对全部所用加工工具独立集成气动马达并结合五轴载架在打磨工作站内区域模拟多轴机器人全方位、全朝向定位，突破了传统单一类型动力源和耗材夹具无法通用别种工具的局限，在加工程序编制时省略了更换不同种类加工工具所需输出参数的调试、设定，提高了加工工具面向待加工对象多样化形状定制复合加工程序的灵活性、效率、定位精度；

2）基于自助式编程操控的硬件配置，通过对不同加工工具换装和面向加工对象分解作业的子程序模块化编程和织构，实现了单套程序预编过程的简化，便于作业人员上手操作，且易于远程协助预编对应高难度加工对象的单套程序并转存至主控器，深度扩展了打磨工作站的协作性。

附图说明

图1是本发明打磨工作站整体箱式结构的简化结构示意图。

图2是本发明基于打磨工作站模块化的作业流程示意图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

本发明设计者针对小型机加工作业行业发展的深入市场考察，意识到传统工艺和现有半自动化设备的诸多局限或不足，由此仰赖于长期的产线经验进行了以技术攻克难题为目的的研发探索，致力于提升工业打磨复合作业的灵活性、加工效率并降低从事本行业作业的技术门槛，创新提出了一种打磨工作站及其模块化作业方法，广泛适用于对各类成型产品进行打磨、铣削、钻孔及其多种组合的二次加工生产应用领域。该方案能够快速适应新产品开发、投向市场的需求，高效满足各类新型的加工处理要求。

如图1所示，是本发明研发并提出的打磨工作站一优选实施例整体箱式结构的简化示意图。从图示可见，其设有位于半封闭式机箱9内的机架1及作业平台2，基于上述机架从技术概述来看，在作业平台2上方设有三轴线性定位机构31与两轴非线性定位机构32组装构成的五轴载架3，且五轴载架3的末端装接有通过相关阀门外接气源（未图示）的气动夹头4，该气动夹头4悬空于作业平台上方受控调节定位定向，即该气动夹头4的移动不与作业平台相接触也受控避障其夹具模组及待加工对象。在作业平台2至少一旁侧设有工具库5，工具库内包含成套的加工工具5i，i=1、2……n（n为工具库中种类或规格各异的加工工具总数），每个加工工具独立定位且集成设有独有的气动马达和对应作业功能的磨头或刀头。即每个加工工具在工具库中接取和复位的定位点唯一，任一加工工具自工具库何处取下即何处复位、错位情况下被禁止复位到工具库中。接通气源后受自身气动马达的动力输出进行相关作业，且对应的磨头、刀头为可离库替换的耗材工件。在作业平台2后向设有可编程的主控器6，五轴载架3的驱动端和气源相关阀门的控制端均总线接入主控器6受控动作及锁定。此外，出于加工对象自动识别的需要，该作业平台2表面还设有带识别探头的夹具模组7，识别探头信号接入主控器6。关于夹具模组自主识别的可实现方式，简单举例为二维码图形识别或其它触点接触识别等，由此当作业人员完成待加工对象装夹入位后即可自动识别协助主控器判断所需的加工作业全过程，并快速调用已完成预编的单套程序之一。

在上述打磨工作站的概述结构特征基础上，其中三轴线性定位机构31为传统立体正交轴的线性导航定位组件，已然广泛应用故省略详述其结构特征、导航方式及精度控制措施。惟新增结合的两轴非线性定位机构32包括相接成一体的竖直轴向转动单元32a和水平轴向摆动单元32b两部分，该竖直轴向转动单元由自上而下顺次装接的驱动电机321a、定子322a和动子323a构成，且图示实施例中通过转接支架与三轴线性定位机构中z轴滑块相接成一体。具体地，驱动电机321a、定子322a的一部分和气管面向气源的动力源接口（未图示）装接于转接支架的水平基板顶侧，定子另一部分装接于水平基板底侧并与上侧部分接合成一体，而动子323a穿接于定子322a中轴向定位、径向受控于驱动电机360°转动。图示中水平基板及定轴部321b所示圆孔为穿接气管所设，且气管省略图示。水平轴向摆动单元32b由内设摆动电机322b的定轴部321b和固接于摆动电机输出轴的摆动部323b构成，动子323a与定轴部321b一体相接，且摆动部323b受驱传动在180°以上的角度范围内摆动及锁定。而气动夹头4通过键接固定与摆动部323b的转轴上随动，并通过气管及阀门（未图示）外接气源。上述气动夹头4设有与加工工具气动马达相对接通气的接口，接口设有密封圈，便于对接气动马达后无泄漏地传导气源动力；而接口的周边旁侧还设有现有常用的气动自锁接头，面向加工工具外壳表面所设母接头座，能够实现虚接任意加工工具后通气自锁、断气解锁。例如工具快换本体brqc018-s-m及其锁紧器brmqc018或其它工具快换接口装置。

另一方面，上述工具库5中具有n个类型、规格各不相同且成套的加工工具，n为2以上的自然数，且工具库5在作业平台两侧面分别设有含横向成排、纵向成列落位座的工具架，各加工工具独立定位于落位座中。图示实施例中n=36，而工具架在作业平台两侧均为两排九列的阵列分布且两侧对称定位设置，这样便于气动夹头分方向接取加工工具。作为技术性优化，为提高各加工工具在落位座中的定位稳定性，在落位座的内面设有强固定位部。其一实现方式为：落位座的底面设有外联真空泵的吸附气孔。实际应用中加工工具闲置待用时吸附气孔提供负压，避免打磨作业过程中机身振动而使得加工工具产生晃动噪音，仅当特定加工工具与气动夹头相接自锁后，吸附气孔自动切换为失压状态，加工工具可自由移除。当然，其实现方式除吸附气孔外，还包括采用磁吸强固或弹性龙吐珠等亦可。

此外，该打磨工作站设有位于机箱9外并线路接入主控器的操作面板8，该操作面板8具有状态监视、操作演示的显示屏81，手动编程或指令调用的操作键盘82以及两种以上外联上位机或移动存储器的通信接口模组（未图示），以此提供作业人员便捷的操作界面。

不同于传统随加工对象来料随编程加工作业的耗时费工且入门难度大的落后方式，作为本发明重要性更胜于打磨工作站硬件的另一创新改良，在上述打磨工作站结构改良的基础上优化提出了一种全新的模块化作业方法，区别在于将加工作业过程分为产前准备和自动化加工作业两个阶段。具体地，在产前准备阶段，利用预编加工工具的接取、换装及面向各个加工对象作业成品的单套程序，对一个以上加工对象标号并在主控器中存储与标号对应匹配的单套程序；加工作业阶段，逐一将加工对象装入夹具模组并自动识别，主控器根据识别的标号自动调用所对应匹配的单套程序实施加工作业，并在加工工具耗材用尽更替前后向当前正运行的单套程序插入中断及恢复。所谓模块化包含以下两个层面的含义，其一是对应特定加工对象将作业全过程分解，并将接取、换装加工工具均模块化编程为各相对独立的子程序，且该些子程序可用于重复组合编制完整的程序；其二是以不同形状、不同规格、不同加工内容的加工对象为区分，采用模块化配对的预编单套程序，供自动识别后选择调用。

为更具体细化地理解，如图2所示的详细流程图可见，上述产前准备阶段包括：s1、在作业平台上构建空间三维坐标系，保持全套的加工工具在损耗范围内相隔定位于工具库中，每个加工工具的独立定位数据存储至主控器内。s2、定义作业平台上空一个点位的坐标为气动夹头的初始定位数据，根据气动夹头和各个加工工具的空间定位距离，通过对主控器操作编程获得五轴载架受控驱动气动夹头分别换装所需加工工具的第一导航子程序集合，本实施例中优选设定气动夹头位于定义点位，相对于任意离散的定位更便于子程序模块化。s3、在夹具模组中装夹任一加工对象，根据加工对象的外形和加工需求分解一个以上子加工段，各个子加工段包括所需加工工具及加工作业区域的空间范围和朝向范围，通过对主控器操作编程获得五轴载架受控带动加工工具进行各个子加工段作业的第二导航子程序集合。s4、根据加工对象所分解的子加工段，将第一导航子程序集合按加工工具使用顺序分段插入第二导航子程序集合，织构组成与加工对象相匹配的单套程序。s5、对加工对象进行标号，并将完成的单套程序逐个结合标号存储于主控器，形成单套程序数据库，便于作业人员管理、调用。重复步骤s3-s5，更新主控器中对应现有和新增加工对象存储的单套程序。而上述加工作业阶段包括：s6、将已完成预编单套程序的加工对象装入夹具模组，识别探头自动识别加工对象的标号并与主控器信号交互；s7、主控器调用与标号所对应匹配的单套程序，分别面向五轴载架的驱动端输出信号导航气动夹头移动，面向气源相关阀门的控制端输出信号控制通断；s8、气动夹头于定义点位空载复位，完成单套程序执行并从夹具模组上卸料所述加工对象。

进一步细化地，上述第一导航子程序集合包含气动夹头由定义点位移动至成套中任一加工工具独立定位点并控制气源相关阀门通断的n个第一导航子程序。由于定义点位的存在，使得气动夹具在接取和换装加工工具时的位移行程被固定，由此赋予关于气动夹头和加工工具模块化编程的可能；上述第二导航子程序集合包含m个第二导航子程序，各第二导航子程序为气动夹头由加工工具换装定位点移动至加工作业区域遍历并返回定义点位的导航控制，m为所分解子加工段的数量。其中每个第二导航子程序以特定一种加工工具及其加工作业范围为模块化依据，而且在气动夹头遍历加工作业区域的过程中，加工工具内设的气动马达接通气源并以预设定的输出参数进行加工作业。

上述接取加工工具的过程包含：空载的气动夹头基于五轴载架导航移动至所需接取的加工工具定位处并虚接气动马达，而后受控接通气源、与加工工具一体自锁接合；而换装加工工具的过程包含：非空载的气动夹头基于五轴载架导航移动至工具库的复位定位处并受控隔断气源，气动夹头与待停用的加工工具解锁分离，而后再基于五轴载架导航移动至所需换装的加工工具定位处并虚接气动马达，接着受控接通气源、与加工工具一体自锁接合。

除此之外，上述模块化作业方法，由于每个加工工具均在主控器中具有特定的定位数据，且气动夹头对应接取各加工工具实施作业也在主控器留有计时统计，因此工具库中的每个加工工具的使用时间均实时记录于主控器中，且主控器中设定有关联各个加工工具累积使用时间上限的耗材用尽控制信号及耗材更替子程序。

对于耗材用尽指示发生于作业过程中的实施情况，该耗材更替子程序包含：中断当前单套程序执行；非空载的气动夹头基于五轴载架自中断定位处导航移动至工具库的复位定位处并受控隔断气源，气动夹头与待更替的加工工具解锁分离，而后原位虚接更替后加工工具的气动马达，接着受控接通气源、与加工工具一体自锁接合，随后导航归位至中断定位处；恢复当前单套程序执行。

当然，对于耗材用尽指示发生于加工工具本身待用的实施情况下，则无需中断当前正在进行的作业过程，只需直接更替同类加工工具即可。

从产品销售和实际的市场应用来理解，该模块化作业方法的创新特性便更加显而易见，例如：此类加工生产型企业引进打磨工作站新设备后，需要培训操作人员对多种规格的待加工对象熟练掌握机器编程操作，且对于不同加工对象在编程后还需要调整、试机生产等繁琐的步骤，非但影响了生产效率，还使得人力成本居高不下，甚至出现闲置设备而无力生产施为的尴尬情况。针对该屡见不鲜的现状，本发明所提出的技术解决方案能够提供远成的编程、试机服务。在相同规格配置的打磨工作站基础上，生产企业（即客户）可以加待加工产品的样件及加工要求转发至设备生产方，由专业的团队根据设备规格、加工要求等编定类似于模块化的单套程序，而后反馈至生产企业并通过前述操作面板的通信接口模组存入主控器之中。该单套程序独立针对该规格设备运行并实现对应加工生产作业，具由可复制性和移植扩展性。由此对三台以上同规格的打磨工作站进行批量生产时的准备工作被显著降低难度，且能达到较高程度的一致性。特别地，对于生产企业而言，降低了生产操作人员的技术门槛，有利于大幅度节省人力成本，从而更多地投入生产规模的扩大中。

综上关于本发明工作站和模块化作业的方案介绍及实施例结合图示的详述可见，本方案较之于现有常规的中小型打磨加工设备具备突出的实质性特点和显著的进步性：分别从以下两方面总结理解。

首先、改进并提供功能齐全的成套工具库，对全部所用加工工具独立集成气动马达作为动力输出，能根据耗材用法自定义气动马达的参数设定，突破了传统单一类型动力源和耗材夹具无法通用别种工具的局限，在加工程序编制时省略了更换不同种类加工工具所需输出参数的反复调试、设定，节省了所消耗的编程时间；并且结合三轴线性与两轴非线性组合的五轴载架在打磨工作占内区域模拟多轴机器人全方位、全朝向定位，为气动夹具在各个定点位置接取加工工具、实施打磨作业提供了便利条件，可见基于硬件基础的改良综合提高了加工设备面向待加工对象多样化形状定制复合加工程序的灵活性、效率和定位精度。

其次，基于自助式编程操控的硬件配置，通过对不同加工工具换装和面向加工对象分解作业分别编制可重复利用的模块化子程序，并按不同外形加工对象及其加工要求进行子程序选用、织构组合，实现了单套程序预编过程的简化，从而便于不同经验的作业人员普及上手操作；同时易于远程协助预编对应高难度加工对象的单套程序，并通过网络、云端、移动存储设备转存至主控器，也适于多个打磨工作站主控器同步预载一部分单套程序进行批量规模化作业，深度扩展了打磨工作站的协作性。

上述结合图示的实施例详细说明是针对本发明可行性实施方式的具体描述，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员凡未脱离本发明技术核心、采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。