CN103118838A - 磨削物件表面的磨削设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种磨削物件表面的磨削设备，所述设备包括：多轴机械臂，其具有至少五个轴；磨削柱体，其安装在机械臂上并包括磨削装置和用于驱动芯部绕所述芯部的纵轴转动的装置，磨削装置包括诸如砂布的磨削片的磨削层，磨削层的前侧具有磨削特性，且磨削层从长形的所述芯部大致径向地延伸；以及控制装置，其用于控制机械臂的操作，从而控制例如磨削柱体在所述表面上的位置、磨削柱体压向所述表面的力、以及磨削柱体相对于所述表面的移动速度。

Description

磨削物件表面的磨削设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种包括机械臂的设备以及使用该设备的方法，该机械臂承载用于磨削物件表面的磨削装置。

背景技术

从例如WO2004/098831中可知，在本领域中众所周知借助于静止的磨削机器对适当尺寸的物件的表面进行磨削。然而，在不太可能为静止的磨削机器提供足够大的空间的情况下，借助于如US2002/0072297所述的承载磨削装置的机械臂来对较大物件的表面进行磨削，以用于飞行器面板的表面处理，同时，从西班牙公司EINA也得知该技术，该公司在2010年3月的风力系统（“Wind System”）杂志中公开了借助于8轴的机械处理装置——例如设置有多个磨削盘的砂磨头——对风轮机叶片进行表面磨削。

然而，为了消除表面上的不齐并且准备在表面上喷漆，需要对用于磨削较大物件的表面的装置进行改进，本发明的一个目的是实现这种改进。

发明内容。

本发明涉及一种一种磨削物件表面的磨削设备，所述设备包括：多轴机械臂，其具有至少五个轴；磨削柱体，其安装在机械臂上并包括磨削装置和用于驱动芯部绕所述芯部的纵轴转动的装置，磨削装置包括诸如砂布的磨削片的磨削层，磨削层的前侧具有磨削特性，且磨削层从长形的所述芯部（11）大致径向地延伸；以及控制装置，其用于控制机械臂的操作，从而控制例如磨削柱体在所述表面上的位置、磨削柱体压向所述表面的力、以及磨削柱体相对于所述表面的移动速度。

磨削柱体本身可从WO01/76824得知、部分地从上述的WO2004/098831得知、以及从许多带有多种实施例的其他文件得知。在本发明中优选的是在WO01/76824中公开的磨削柱体。

至于术语速度在本文中理解为矢量，即，运动的方向和速率。柱体转动从而使得磨削层的前侧移过待磨削的表面。层的前侧的由于柱体的转动而在待磨削表面上进行的切向运动定义了本文中的柱体的磨削方向。

至于术语机械臂在本文中理解为多轴机械臂，其具有至少五个自由度，即，能够使得磨削柱体移过物件的表面、移向所述表面和移离所述表面、磨削柱体能够在多个平面中倾斜、并且使得磨削柱体能够绕大致垂直于物件表面的轴转动从而使得柱体的磨削方向通过一180°的转动而被反转。机械臂是至少五轴的臂，六轴的臂更加优选，然而也可以采用带有更高自由度的机械臂。在机械臂具有五个、六个或者更高自由度的情况下，带有柱体的机械臂成为更加灵活的磨削工具，其能够更好地适应于待磨削物件的复杂的双曲表面并且能够更精细地处理边缘周围的区域。

采用所述的磨削柱体所获得的优点：与使用磨削盘的技术相比，磨削柱体能够获得更有效的表面磨削，并且磨削柱体自身灵活地适应于表面的形状且为了执行满意的表面磨削不需要完全地与表面对准。此外，还能够很容易地磨削诸如双曲表面的复杂形状的表面。磨削柱体的缺点在于：只有当表面和磨削柱体的相对移动使得表面沿与磨削层的由柱体的转动导致的移动方向相反的方向移动时才有效，因为物体的移动在此情况下增强了磨削层相对于表面的移动，然而表面与磨削层的由柱体的转动导致的移动方向相反的相对运动使得表面上的磨削效果被弱化。因此，磨削柱体一般用在上述的WO2004/098831中示出的机器中，其中物件相对于磨削柱体一致地相对运动。

此外，磨削柱体并不特别地适用在物件的边缘，因为在柱体的转动感轴没有大致垂直于边缘的情况下，如果柱体的磨削方向朝向物件的表面但是没有朝向物件的边缘，柱体的转动可能导致磨削层与物件的边缘碰撞。磨削层将与边缘碰撞，该碰撞将具有损坏磨削层和缩短磨削层使用寿命的效果，同时也会对物件的边缘造成不良影响。通过本发明磨削柱体与机械臂的结合可以避免该问题，该结合可实现对柱体操作位置的先行控制。根据本发明的优选实施例，控制装置适于使得磨削柱体移过所述表面以交替地进行如下的移动：

第一移动，其沿大致垂直于芯部的纵轴的方向、并沿与转动的柱体的磨削方向大致相同的方向，第一移动持续到抵达所述表面的边缘，

沿大致垂直于第一移动的方向平移柱体，

第二移动，其沿大致垂直于芯部的纵轴的方向、并沿与转动的柱体的磨削方向大致相反的方向，

柱体转动半圈，以用于反转柱体相对于所述表面的磨削方向，以及

第三移动，其沿大致垂直于芯部的纵轴的方向、并沿与转动的柱体的磨削方向大致相同的方向。

磨削设备的这种工作模式提供了时间节约的物件表面磨削，因为柱体在与柱体的磨削方向相同的方向上移动过最大面积的表面（即，在第一和第三移动中），并且同时能够接近或者靠近物件的边缘而不存在上述的损坏磨削层或者物件边缘的风险。第三移动原则上与第一移动类似并且优选地跟随以柱体的平移和与第二移动类似的移动等，直到物件的整个表面均被磨削。

在一个实施例中，柱体的平移是距离大致等于柱体的宽度的平移，从而相邻的行程或者移动之间的重叠是可忽略的或者较小，诸如1至3厘米。可选地，平移是大约柱体的一半宽度，从而表面的各个部分都被柱体磨削两次。

优选地，在柱体转动半圈之前，柱体提起而不再与所述表面接触，并且此后移向表面以继续进行表面磨削。

在优选的实施例中，控制装置适于借助于所述磨削柱体来将物件的表面磨削至接近所述表面的预定义的弯曲形状，特别是包括多个双曲区域的弯曲形状，诸如风轮机叶片。因此，该磨削设备可以用于生产形状高度一致的物件，否则对于诸如风轮机叶片的大物件来说很难达到这样的效果。

所述磨削设备优选地包括一支撑磨削层的背侧的、优选为支撑刷的弹性支撑元件，支撑元件具有与磨削层大致相同的长度。

本发明的一个优点在于：检测物件表面的实际形状，从而可以确定与物件表面的理想形状之间的误差和/或可以确定由于重力导致的物件的挠曲。因此，优选地，所述控制设备包括用于向控制装置提供输入信号的一组传感器，以使得控制装置能够确定物件的表面的实际形状。优选地，所述一组传感器中的至少一些设置在机械臂上。该组传感器优选地包括非接触式距离传感器，特别是光学传感器。

所述磨削设备包括如下的装置：该装置使得被确定的物件表面的实际形状与表示物件的成品表面的预定义的弯曲形状的数据相关联，从而识别出所述物件的理想表面形状和实际表面形状之间的误差。所述误差包括待磨削物件的角位移误差、待磨削物件的表面缺陷、和/或当叶片被设置成将由所述磨削设备磨削时所述待磨削叶片的挠曲度。

本发明还涉及一种使用本文所述的磨削设备来磨削风轮机叶片表面的方法。因此，能够生产一致的风轮机叶片，这是非常有利的，因为当风轮机的各个叶片的空气动力学特性大致相同时，风轮机的控制变得更加简单和可预测。

附图说明。

在附图中示出了本发明的实施例，其中：

图1是装配有磨削柱体的机械臂，

图2是位于防护壳体中的磨削柱体的示例，

图3是用于磨削长形物件表面的工作模式，

图4示出了磨削风轮机叶片的应用的第一视图，以及

图5示出了磨削风轮机叶片的应用的第二视图、

具体实施方式。

在图1中示出了本发明的用于磨削表面1的磨削设备，该磨削设备包括一6轴的铰接式机械臂2，在该机械臂2上安装有磨削头3，该磨削头3具有封装在防护壳体5中的磨削柱体4，防护壳体5设置有用于排出灰尘的吸风口（未示出）和用于驱动磨削柱体4转动的电机（未示出）。机械臂2的基部6在图1中安装在竖直立柱7上，该竖直立柱7装配有平行且竖直的轨道8，在该轨道8上，基部6可移动地沿竖直方向设置，从而可以在竖直方向上对表面1进行比机械臂2自身所能到达的范围更大范围的磨削。

在图2中示出的磨削柱体4具有磨削装置，该磨削装置包括诸如砂布等的磨削片的磨削层9，其前侧10具有磨削特性并且从柱体的长形芯部大致径向地延伸。该磨削层9在背侧9上由一弹性支撑元件支撑，该弹性支撑元件包括长度与层9基本相同的支撑刷12。柱体4在磨削设备的操作期间转动，从而磨削层9的前侧10移动通过待磨削的表面1，在图2中用弯箭头R表示转动方向。层9的前侧10的由于柱体4的转动而在待磨削表面1上进行的切向运动定义了柱体4的磨削方向，其由直箭头AD表示。在图2中示出的柱体4的芯部11装配有螺旋形或者螺线形的底切槽，该底切槽用于保持柔性砂条（该柔性砂条保持磨削层9以及刷12），但是该槽在本发明的其他实施例中可以是沿着芯部11纵向的直槽。

在本发明的特定实施例中，为了磨削长形物件13——其具有均大致沿长形物件13（诸如，风轮机叶片）的纵向延伸的第一边缘14和第二边缘15——的表面1，用于控制磨削设备的操作的控制装置被用于使磨削柱体按照图3所示的工作模式操作。第一边缘14和第二边缘15没有必要彼此平行，而是基本上如图3所示。本文所描述的工作模式的一部分在图3中起始于字母“S”处。磨削柱体4从第一边缘14处的位置开始与长形物件13的表面1磨削地接合，并且以第一速度移向第二边缘15，同时柱体4定向为使得磨削方向与如图3箭头M所示的磨削头3的移动方向相反。使得移动方向M与柱体4的磨削方向AD相反的原因是防止磨削层9与第一边缘14碰撞，其中该碰撞具有损坏磨削层9和缩短磨削层9使用寿命的效果，同时也能够对物件的边缘14造成不良影响。然而，当移动方向M与磨削方向AD相反时，表面1上的磨削作用比较低效，磨削头3的移动速度必须降低以获得满意的成品表面1，鉴于此，工作模式的这些部分的范围——在图3中总体上由字母“B”表示——已经被最小化。当磨削头3已经从第一边缘14移开时，磨削头3提起、离开物件13，使得柱体4与物件13的表面1脱离，并且磨削头3在图3中由字母“TU”表示的位置处转向，从而使得柱体4的磨削方向AD发生逆转。现在朝物件13降下磨削头3，直到柱体4以足够的力与表面1接合，同时继续磨削头3移过物件表面1并移向第二边缘15的运动。在工作模式的于图3中总体上以字母“A”表示的部分中，移动方向M与柱体4的磨削方向AD是同一个方向，并且因此磨削作用会更加有效，磨削头3的速度能明显高于工作模式的部分“B”的速度。当磨削头3到达第二边缘15时，该磨削头沿长形物件13的纵向大致平移柱体4的一个宽度，该平移方向在图3中总体上由以字母“TL”表示的箭头示出。然后重复工作模式，起始于第二边缘15并且移向长形物件13的第一边缘14，其中工作模式的移动方向M与磨削方向AD相反的部分“B”结束于磨削头的转向处TU，并继续以移动方向M与磨削方向AD相同的部分“A”。

为了清晰显示的缘故，工作模式的部分A、B显示为两者之间存在较小的距离。然而，部分A、B在本实施例中抵接、或者重叠例如1到3厘米，从而使得整个表面1都被柱体4磨削。在一可选实施例中，部分A、B沿物件13的纵向重叠大约柱体4的一半宽度，从而使得表面的各个区域都被柱体4磨削两次。边缘14、15周围的区域可能只是局部地被柱体4磨削，并且需要手动控制磨削以获得正确的成品。

在图4和图5中示出了一特定实施例及本发明的应用，其中分别承载有一磨削头3的两个机械臂2、2’被分别安装在竖直立柱7、7’上，竖直立柱7、7’由水平横杆16连接并且被支撑在轮上，从而能够在水平地放置在底板上的一组轨道17上沿着长形物件13移位。该设备特别地适合于磨削风轮机叶片13的表面，其中叶片13的前缘14和后缘15之间的两个侧面能够被由机械臂3、3’承载的磨削头3同时磨削。该设备沿着叶片在轨道17上移位，从而可磨削整个叶片表面。为了便于补偿叶片13沿着其纵轴18的扭曲，叶片13被支撑为使得其能够绕其轴线18转动，以使得叶片13在竖直柱7、7’的位置处大致水平地定位。

在图4和图5中示出的控制设备的操作的控制系统包括一组预定义的数据，其定义了成品叶片13的理想三维形状，并且该控制系统适于借助于机械臂2、2’控制磨削头3的位置、磨削头3压向叶片13表面1的力、以及磨削头3移过表面1的速度，从而将叶片13的表面1处理至大致接近叶片13的预定义的理想形状。一组传感器（未示出）——特别是使用用于向控制系统提供输入信号的激光或者超声装置的非接触式距离传感器——设置在机械臂2、2’和/或竖直立柱7、7’上，以使得控制系统可以确定叶片13的真实形状。

当例如风轮机叶片13在由磨削设备1磨削之前已经被制造为一状态时，非常可能地，其会偏离成品叶片的理想叶片形状/几何尺寸。这种误差例如可以源于相比于叶片理想角位移的叶片的角位移。优选的理想风轮机叶片轮廓包括理想的角位移以获得改善的空气动力学叶片轮廓。然而，叶片的制造过程可导致叶片偏离理想角位移。

此外，叶片的制造过程可能导致诸如叶片表面缺陷等的缺陷，其中该缺陷导致叶片偏离理想的叶片形状/几何尺寸。

类似地，可以多种方式来设置叶片以使之被磨削设备磨削。优选地，设置叶片包括：将叶片的跟端附接到适当的固定设备（没有在任一附图中示出），从而叶片在只有在其根部被支撑的状态下如图5所示大致水平地延伸以被磨削设备磨削。另一示例中，叶片可以被一个或一个以上的、沿叶片的纵向设置在叶片下方的支撑结构支撑。然而，当然可以理解，可以使用任意的设置叶片的适当方式以使得叶片能够被磨削设备磨削，此外，例如，将根端固定到适当的固定设备可以与在叶片下方沿着叶片的另一位置处支撑叶片相结合。

因此，当叶片13被设置在磨削设备中时，可能例如由于重力而导致叶片偏离其理想形状。例如，如图通过将根部附接到固定设备而将叶片设置在磨削设备中，那么叶片的顶端/自由端将向下挠曲。一般地，在其他因素中，叶片的挠曲度可取决于叶片的弹性、叶片的尺寸、叶片的定向（例如叶片前缘和叶片后缘的定向）以及其他的因素。同时，取决于叶片定向（例如，如图5所示当绕叶片的纵向转动叶片时），叶片13可以以不同的方式挠曲。

优选地，在磨削过程中，磨削设备有利地考虑到了角位移误差、由于叶片缺陷而引起的误差和/或叶片挠曲。也就是，叶片13优选地被磨削以降低或者甚至消除角位移误差和/或与理想叶片形状相比而言的叶片缺陷，而叶片的挠曲优选地在磨削过程中被补偿，从而使得叶片没有被错误地磨削。

因此，优选地，磨削设备包括误差处理设备，其用于自动地处理和/或补偿误差，诸如上述角位移误差、上述缺陷误差和由于待磨削叶片的设置而引起的挠曲等。

在图6中更加详细地说明了该误差处理设备。该误差处理设备从至少两个数据源21、23收集信息。

第一数据源21包括与成品物件（特别是上述的风轮机叶片）的预定义的理想三维表面形状相关的预定义数据。理想物件表面形状数据可以由诸三维CAD图的三维叶片图的数据、查阅表和/或任何其他的适当数据提供，该适当数据自身或者与其他数据接合可以确定理想叶片形状/几何尺寸。

第二数据源包括物件表面形状确定设备，其用于收集与待磨削物件的表面的实际形状/几何尺寸相关的测量数据。表面形状确定设备23优选地包括光学设备，例如设置在竖直立柱7上和/或横杆16上，并且光学设备可扫描叶片的表面以检测物件表面的实际形状/几何尺寸。然而，应当理解，所述的表面形状确定设备23可以被设置在磨削设备的任意适当位置处，并且可以包括任何适当数量的光学扫描器以及可能的附属扫描器控制器。

光学设备优选地包括一个或多个用于向待磨削的物件表面（例如风轮机叶片13）发射电磁辐射的发射器。该辐射可以从表面反射回来，并且一部分反射的辐射可以被光学设备检测到，并且将其转换为表示检测到的来自上述表面的反射辐射的电气信号，并且这些电气信号因此被表面形状确定设备处理以获得与待磨削物件表面的实际形状/几何尺寸相关的信息。

在优选的实施例中，物件表面形状确定设备23可通过获得表面的三维数据来建立实际表面形状的数据。

来自第一数据源21的理想表面形状数据和来自表面形状确定设备的表示检测到的表面的实际形状/几何形状的数据被获取/传递20、22到接收数据的数据处理装置19中并且被相互关联。数据处理装置19因此能够基于所述的相互关联产生用于磨削设备的控制装置的控制信号24。基于此控制信号，控制装置例如能够通过控制磨削柱体在物件表面上的位置、磨削柱体压向该表面的力、和/或磨削柱体相对于上述表面的移动速度来控制机械臂的操作，并且因此通过关联而降低/消除所识别出的例如所述的角位移误差和表面缺陷，从而接近成品物件的预定义的理想三维形状。

同时，控制信号优选地使得磨削设备考虑到待磨削物件的挠曲度，从而磨削设备能够在物件13表面的磨削期间补偿此挠曲度。

在本发明的一个方面中，误差处理设备可在物件表面的磨削期间连续地扫描表面以建立物件的正被磨削的表面区域的信息、和/或建立物件的接下来将被磨削的表面区域的信息。

在另一实施例中，通过在进行物件的磨削之前扫描表面，误差处理设备可以在开始表面磨削之前建立控制装置在磨削期间所要遵循的大体完整的磨削样模。

在另一实施例中，误差处理设备可以设置为使得：在竖直立柱7沿待磨削物件的同一移动期间，执行物件表面的扫描和物件的磨削。因此，来自光学设备的数据被连续地处理并与理想物件表面形状数据关联，从而在沿着待磨削物件的移动期间连续地产生用于控制装置的输出信号。

Claims (17)

1.一种磨削物件（13）的表面（1）的磨削设备，所述设备包括：

多轴机械臂（2，2’），其具有至少五个轴，

磨削柱体（4），其安装在所述机械臂上并包括磨削装置和用于驱动芯部绕所述芯部的纵轴转动的装置，所述磨削装置包括诸如砂布的磨削片的磨削层（9），所述磨削层的前侧具有磨削特性，且所述磨削层从长形的所述芯部（11）大致径向地延伸，以及

控制装置，其用于控制所述机械臂的操作，从而控制例如所述磨削柱体在所述表面上的位置、所述磨削柱体压向所述表面的力、以及所述磨削柱体相对于所述表面的移动速度。

2.根据权利要求1所述的磨削设备，其特征在于，所述控制装置适于使得所述磨削柱体移过所述表面以交替地进行如下的移动：

第一移动（A），其沿大致垂直于所述芯部的纵轴的方向、并沿与转动的柱体的磨削方向大致相同的方向，所述第一移动持续到抵达所述表面的边缘，

沿大致垂直于所述第一移动的方向平移（TL）所述柱体，

第二移动（B），其沿大致垂直于所述芯部的纵轴的方向、并沿与转动的柱体的磨削方向大致相反的方向，

所述柱体转动半圈（TU），以用于反转所述柱体相对于所述表面的磨削方向，以及

第三移动（A），其沿大致垂直于所述芯部的纵轴的方向、并沿与转动的柱体的磨削方向大致相同的方向。

3.根据权利要求2所述的磨削设备，其特征在于，所述柱体的平移（TL）距离大致等于所述柱体的一个宽度。

4.根据权利要求2或3所述的磨削设备，其特征在于，在所述柱体转动半圈（TU）之前，所述柱体提起而不再与所述表面接触。

5.根据前述权利要求中任一项所述的磨削设备，其特征在于，所述控制装置适于借助于所述磨削柱体来将物件的表面磨削至接近所述表面的预定义的弯曲形状。

6.根据权利要求5所述的磨削设备，其特征在于，所述预定义的弯曲形状包括多个双曲区域。

7.根据前述权利要求中任一项所述的磨削设备，其特征在于，所述磨削设备包括一支撑所述磨削层的背侧的、优选为支撑刷的弹性支撑元件，所述支撑元件具有与所述层大致相同的长度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的磨削设备，其特征在于，所述机械臂包括六个轴。

9.根据前述权利要求中任一项所述的磨削设备，其特征在于，所述物件是风轮机叶片。

10.根据前述权利要求中任一项所述的磨削设备，其特征在于包括用于向所述控制装置提供输入信号的一组传感器，以使得所述控制装置能够确定所述物件的表面的实际形状。

11.根据权利要求10所述的磨削设备，其特征在于，所述一组传感器中的至少一些设置在所述机械臂上。

12.根据权利要求10或11所述的磨削设备，其特征在于，所述一组传感器包括非接触式距离传感器，特别是光学传感器。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的磨削设备，其特征在于，所述磨削设备包括如下的装置：该装置使得被确定的物件表面的实际形状与表示物件的成品表面的预定义的弯曲形状的数据相关联，从而识别出所述物件的理想表面形状和实际表面形状之间的误差。

14.根据权利要求13所述的磨削设备，其特征在于，所述误差包括待磨削物件的角位移误差。

15.根据权利要求13或14所述的磨削设备，其特征在于，所述误差包括待磨削物件的表面缺陷。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的磨削设备，其特征在于，所述误差包括当物件被设置成将由所述磨削设备磨削时所述待磨削物件的挠曲度。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的磨削设备的用于磨削风轮机叶片表面的应用。

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