CN105598808A - 一种自动化抛光系统及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种自动化抛光系统及抛光方法，包括机器人、打磨头和抛光控制系统，打磨头位于机械臂前端上，打磨头通过恒力控制装置可伸缩浮动地安装在机械臂前端，恒力控制装置包括基座、导向槽、滑块和弹性部件；打磨头与滑块固连为一体，由滑块带动其伸缩浮动。采用恒力控制装置将打磨头和机器人机械臂连接，使打磨头可以浮动，且通过恒力弹性部件来保持打磨头施加在工件上的打磨力为恒定值，使整个加工过程可以以恒力抛光模式进行，弥补机器人重复定位精度低导致的抛光面质量不一问题，降低对机器人重复定位精度的要求，确保工件表面抛光的一致性，从而提高加工质量，减小废品率，提高抛光效率。

Description

一种自动化抛光系统及抛光方法

技术领域

本发明涉及一种工业机器人自动化抛光系统及抛光方法，尤其涉及一种适合注塑模具复杂型腔表面抛磨作业的机器人抛光系统及抛光方法。

背景技术

随着光学、电子、通信、航空航天、医疗器械等高新产业的飞速发展，注塑产品表面质量的要求越来越高，这对注塑模具型腔表面抛光技术的要求越来越高。同时随着高光免喷涂技术的普及，高抛光要求的产品呈现爆发式的增长，对模具公司来说抛光工段的处理能力已成为影响模具工期的重要因素。近年来，随着现代控制技术和计算机技术的发展，加工自动化程度不断提高，注塑模具型腔曲面的铣削等前期加工已可实现自动化，但最后的抛光工序仍需手工完成。抛光者的经验直接影响了注塑模具型腔表面抛光的速度和质量，而且在很大程度上影响了产品的加工周期和质量的稳定性。

自动化抛光技术已成为现代注塑模具型腔表面抛光过程中的一项重要需求。目前，国内外对型腔几何形状复杂的注塑模具的抛光方式主要有普通磨床的人工抛光、专用抛光机床和数控抛光机床等。然而，采用普通磨床的人工抛光方式劳动强度大，浪费时间和资源，加工成品率低；采用专用抛光机床进行注塑模具型腔表面抛光的方式通用性较差，只适合单一产品的批量生产，无法满足产品的多样性；采用数控抛光机床进行注塑模具型腔表面抛光的方式成本较高，且由于模具型腔面角度各异，数控机床切削方向只能沿Z方向，仅能用于平面抛光，故与工业机器人相比缺乏柔性，适用性差。

目前，工业机器人已应用于诸多领域，但在模具型腔抛磨方面始终存在难点，主要由于工业机器人重复定位精度较低（往往±0.1mm-±0.3mm），导致机器人在动作过程中或更换抛磨工具后无法完全重复前序动作位置，也就无法保证磨具作用在模具型腔表面的力大小一致，进而导致抛光效果不一致，无法达到抛光质量要求。而目前重复定位精度高的工业机器人价格极高，影响了机器人在模具抛磨自动化上的普及。

发明内容

本发明提出一种自动化抛光系统及抛光方法，可以保证打磨头在工件上的作用力大小一致，进而保证待抛光部位抛光效果一致，提高抛光效率和抛光质量。

为了达到上述技术目的，本发明所提出的一种自动化抛光系统的技术方案是，一种自动化抛光系统，包括机器人、打磨头、打磨头打磨工具更换装置、工件定位料台和抛光控制系统，所述机器人具有机械臂，所述打磨头位于所述机械臂的前端上，所述抛光控制系统包括离线编程模块、在线校准模块和机器人控制器，所述打磨头通过恒力控制装置可伸缩浮动地安装在所述机械臂的前端，所述恒力控制装置包括基座、开设在基座上的导向槽、与导向槽滑动配合的滑块和设置在基座内驱动滑块沿导向槽滑动的恒力弹性部件；所述打磨头与所述滑块固连为一体，由所述滑块带动其伸缩浮动。

本发明还提出了一种基于上述自动化抛光系统的抛光方法，包括以下步骤：

1）离线作业，抛光系统安装完毕后，进行坐标标定和离线程序生成；

2）将待抛光工件安装在工件定位料台上；

3）利用机器人的点激光测距系统定位工件及其待抛光部位的位置；

4）根据测量得到的工件及其待抛光部位的位置，控制工件定位料台，适当调整加工位置，将工件待抛光部位置于机器人加工作业的范围内；

5）通过机器人的三维扫描测量定位系统，精确测量工件待抛光部位的位置；

6）通过抛光控制系统控制机器人对工件待抛光部位进行抛光，直到工件表面质量达到要求的工艺技术指标，抛光过程中通过恒力控制装置的恒力弹性部件驱动滑块沿导向槽滑动进而带动打磨头浮动来保证打磨头施加在工件待抛光部位上力的大小恒定；

7）重复步骤4）至步骤6），直到完成工件上全部待抛光部位的抛光加工；

8）将完成抛光加工的工件从工件定位料台上取下。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明采用恒力控制装置将打磨头和机器人的机械臂连接，使打磨头可以浮动，且通过恒力弹性部件来保持打磨头施加在工件上的打磨力为恒定值，使整个加工过程可以以恒力抛光模式进行，进而弥补工业机器人重复定位精度低导致的抛光面质量不一等问题，降低对工业机器人重复定位精度的要求，确保工件表面抛光的一致性，从而提高加工质量，减小废品率，提高抛光效率；

2、恒力控制装置结构简单可靠，部件均为常见普通部件，造价低，恒力控制装置近乎为纯机械装置，无需采用传感器等反馈调节装置，反应时间接近0，故反应时间极快，满足工业机器人夹持打磨头在工件上快速移动时对恒力的高要求，尤其适用于注塑模具复杂型腔表面的抛光加工；

3、根据不同抛光工序对恒力大小的要求，可预先将打磨头和具有与打磨头匹配恒力大小的恒力控制装置连接作为一个单元，便于工业机器人实现自动切换工具。

附图说明

图1为本发明自动化抛光系统的结构示意图（俯视图）；

图2为本发明自动化抛光系统的机器人机械臂、恒力控制装置及打磨头三者的连接结构示意图；

图3为本发明实施例一当应用于注塑模具复杂型腔表面抛光时自动化抛光系统的恒力控制装置的结构示意图；

图4为本发明实施例二当应用于大面积平面工件去数控加工刀痕时自动化抛光系统的恒力控制装置的结构示意图；

图5为本发明实施例二当应用于注塑模具复杂型腔表面抛光时自动化抛光系统的恒力控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

实施例一

参照图1，本实施例一种自动化抛光系统，包括机器人10、打磨头20和抛光控制系统，机器人10具有机械臂11，打磨头20位于机械臂11的前端上，且打磨头20通过恒力控制装置可伸缩浮动地安装在机械臂11的前端，除此之外，自动化抛光系统还可以带有安全锁和安全光栅，当有人误闯入时，整个单元停机报警。其中，恒力控制装置60的结构可参照图2和图3，其包括基座61、沿基座61轴向开设在基座61上的导向槽62、与导向槽62滑动配合的滑块63和驱动滑块63沿导向槽62滑动的恒力弹性部件64；打磨头20与滑块63固连为一体，由滑块63带动其伸缩浮动，即实现打磨头与机器人机械臂11的非刚性连接。

恒力弹性部件64可选择为恒力弹簧或恒力卷簧，其弹力在一定形变区间内不随形变量变化而改变，即在该一定形变区间内恒力弹性部件64的弹力保持恒力；而滑块63的滑动行程由恒力弹性部件64的形变量而定，则在恒力弹性部件64的恒力形变区间内，滑块63仅带动打磨头20处于浮动状态，而打磨头20作用在工件抛光表面上的作用力是恒定的，从而保证工件表面抛光质量均一；同时，现有常用工业机器人的定位误差一般在0.1-0.3mm范围内，而现有恒力弹性部件64的恒力形变区间通常宽于此范围，即则能够抵消工业机器人重复定位精度低导致抛光作用力大小不一的问题。

具体地，机器人10安装在机器人底座上，其个数可以为一个或两个，当工件体积较大时，两个机器人同时抛光一个工件，可进行同工序抛光（即同时用相同型号的砂纸抛光）或不同工序抛光（即采用不同目数的砂纸进行抛光），当工件体积较小时，两个机器人可各抛光一个工件；打磨头20可选用气动打磨头，采用气动主轴，与恒力控制装置相连，用于工件的抛光工作，气动主轴前段打磨工具可以选用砂纸，砂纸采用粘扣砂纸，便于更换不同目数的砂纸打磨，具有快换功能；工件可由工件定位料台40定位，工件定位料台40可选用现有磨床常用定位料台，由磁力工作台和定位装置组合而成，可通过调节定位装置位置来适用不同型号的工件（比如模具），并由磁力工作台将工件固定；抛光控制系统的离线编程模块用于根据带有工件坐标的三维CAD模型生成注塑模具型腔表面的抛光路径，在线校准模块根据三维扫描测量定位系统得到的注塑模具型腔表面坐标数据与标准坐标数据进行比较，得出实际注塑模具型腔表面的坐标数据与标准坐标数据之间的关系，从而进行加工路径的修正，机器人控制器用于控制机器人对注塑模具型腔表面的抛光动作，机器人控制器与在线校准模块可以实现信息通讯；采用离线编程模块，每个工件都有一套独立的控制程序，尤其适用于工业机器人用于复杂模具型腔的单件抛光，消除在线编程导致的设备利用率低等问题。

本实施例中恒力弹性部件64优选恒力卷簧64，便于安装设置，其个数至少为两个，均布在滑块63的外围，以使滑块63沿导向槽62运行平稳，通常，恒力卷簧个数为2-6个，本实施例中共采用4个恒力卷簧64。具体地，在基座61的前后左右四个面上分别设有用于容置恒力卷簧64的安装槽611，安装槽611与导向槽62连通，各恒力卷簧64的一端由一固定轴68固定在安装槽611内，另一端可通过螺钉固定等方式固连在滑块63上端。如此一来，四个恒力卷簧64均匀地位于滑块63的外围，从圆周方向均匀施力在滑块63上，使滑块63滑动平稳平衡，更有利于打磨头20作用在工件表面上的力的大小一致性。若要改变恒力大小可通过以下两途径实现：增减恒力卷簧数量或选用不同弹力系数的恒力卷簧，且恒力卷簧64在初始状态时，需保证其弹力处在其保持恒力形变量区间内。

进一步地，滑块63连接有可压缩式压力传感器65，用于监测恒力压力值，若恒力压力值因各种未知问题超出要求则停机报警。

为提高本实施例自动化抛光系统的自动化性能，自动化抛光系统还包括打磨头打磨工具更换装置30，打磨头打磨工具更换装置采用可自动更换砂纸的装置，其包括自动撕砂纸装置和砂纸收集槽，其具体结构可采用现有技术存在的各种自动撕砂纸装置。当打磨头未安装砂纸时，机器人自动到砂纸存放器内粘取砂纸，当打磨头上的砂纸接近报废时，机器人移动至自动撕砂纸工位将废砂纸撕下掉入收集槽内，再到砂纸存放器内粘取新砂纸继续工作；砂纸收集槽分为几个单独隔断，将不同目数的砂纸分类收集；若需要更换砂纸，但砂纸未报废时，可按照砂纸收集槽内不同隔断收集的不同目数砂纸类型进行人工回收没有报废的砂纸，从而进行再利用，以降低生产成本，节约资源。

本实施例还提出了一种采用上述自动化抛光系统的自动化抛光方法，在此以抛光工件为具有复杂型腔的注塑模具，对其复杂型腔的表面进行抛光加工为例，来详细阐述本实施例自动化抛光方法。对于注塑模具型腔表面抛光的工艺过程，通常选用由小到大目数的砂纸进行依次打磨抛光，现以400#砂纸、600#砂纸、800#砂纸、1000#砂纸、1500#砂纸的抛光顺序为例说明该抛光系统的具体加工过程。

一种自动化抛光方法，包括以下步骤：

1）离线作业，抛光系统安装完毕后，进行坐标标定和离线程序生成，即对需要抛光的注塑模具进行三维建模，通过离线编程系统生成模具型腔表面的抛光路径，然后通过机器人程序将此抛光路径生成机器人控制程序，其中坐标标定工作一套系统只需进行一次，而离线编程工作需对每一套注塑模具型腔表面进行一次；

2）将待抛光的注塑模具70安装在工件定位料台40上；

3）利用机器人10的点激光测距系统定位注塑模具及其待抛光部位的位置；

4）根据测量得到的注塑模具及其待抛光部位的位置，控制工件定位料台40，适当调整加工位置，将注塑模具待抛光部位置于机器人10加工作业的范围内；

5）通过机器人10的三维扫描测量定位系统，精确测量注塑模具待抛光部位的位置，以确保抛光过程的顺利进行及注塑模具型腔表面的抛光质量；

6）注塑模具70型腔表面抛光前，打磨头20未安装砂纸，机器人10根据抛光程序设定自动到打磨头打磨工具更换装置30处粘取400#砂纸进行打磨抛光，通过抛光控制系统控制机器人10对注塑模具待抛光部位进行抛光，直到注塑模具表面质量达到要求的工艺技术指标，抛光过程中通过卷簧642驱动滑块63沿导向槽62滑动进而带动打磨头20浮动来保证打磨头20施加在工件待抛光部位上力的大小恒定，如图3所示；在400#砂纸抛光过程中，若400#砂纸使用到接近报废时，机器人10将砂纸移动至自动撕砂纸装置，自动撕砂纸装置把400#砂纸撕下并置于废砂纸收集槽内，机器人10移动打磨头20重新拾取400#砂纸，继续进行抛光过程；400#砂纸的抛光过程完成后，机器人10将400#砂纸移动至自动撕砂纸装置，自动撕砂纸装置把400#砂纸撕下并置于废砂纸收集槽，机器人10移动打磨头20拾取600#砂纸，进行600#砂纸的抛光工序，在600#砂纸抛光过程中，若600#砂纸使用到接近报废时，机器人10将砂纸移动至自动撕砂纸装置将600#砂纸撕下并置于废砂纸收集槽，并自动换砂纸装置600#砂纸，继续进行抛光过程；

7）800#砂纸、1000#砂纸、1500#砂纸的抛光过程与过程6）相同；

8）重复步骤4）至步骤6），直到完成工件上全部待抛光部位的抛光加工；

9）将完成抛光加工的注塑模具从工件定位料台40上取下，以便进行下一注塑模具的抛光过程。

在整个抛光过程中，三维扫描精确定位系统对注塑模具型腔表面的三维坐标实时测量，并反馈回机器人的控制程序，动态调节抛光动作，提高注塑模具型腔表面的抛光质量。

实施例二

与上述实施例不同的是，本实施例中自动化抛光系统及抛光方法既可以应用在注塑模具型腔表面的抛光加工，也可应用在面积较大的平面工件上数控加工刀痕的抛光加工，扩大了自动化抛光系统的应用范围。由于应用在面积较大的平面工件上数控加工刀痕的抛光加工时，打磨头对该类工件表面施加的力应比较大，仅靠恒力卷簧642提供的力可能无法满足，则参照图4，本实施例中在导向槽62内安装有位于滑块63上方的空气弹簧66，空气弹簧66的轴向与滑块63的滑动方向一致，且滑块63抵靠在空气弹簧66上，具体来说是滑块63的上端抵靠在空气弹簧66的下端上，进而使空气弹簧66对滑块63产生压力，由空气弹簧66的压力通过滑块63作用在打磨头20上，将较大的力通过空气弹簧的压力来直接施加在待抛光部位上，且此力可用过打进或排除空气弹簧66内空气，即调整空气弹簧66内气体压强来调整，非常方便。

进一步地，在空气弹簧66内部设置有压力传感器67，可间接得知打磨头20施加在工件上力的大小，在每次更换砂纸时，需重新校准该力的大小。

若要本实施例自动化抛光系统及抛光方法仍能适用于注塑模具型腔表面的抛光，此时将空气弹簧66与滑块63分离设置，参照图5，仍由恒力卷簧642提供恒力，抛光过程及原理如实施例一所述，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动化抛光系统，包括机器人、打磨头和抛光控制系统，所述机器人具有机械臂，所述打磨头位于所述机械臂的前端上，其特征在于：所述打磨头通过恒力控制装置可伸缩浮动地安装在所述机械臂的前端，所述恒力控制装置包括基座、开设在基座上的导向槽、与导向槽滑动配合的滑块和设置在基座上驱动滑块沿导向槽滑动的恒力弹性部件；所述打磨头与所述滑块固连为一体，由所述滑块带动其伸缩浮动。

2.根据权利要求1所述的自动化抛光系统，其特征在于：所述恒力弹性部件为恒力卷簧，其个数至少为两个，均布在所述滑块外围，在所述基座上设有用于容置所述恒力卷簧的安装槽，所述安装槽与所述导向槽连通，各所述恒力卷簧的一端由一固定轴固定在所述安装槽内，另一端固连在所述滑块上端。

3.根据权利要求2所述的自动化抛光系统，其特征在于：所述滑块连接有可压缩式压力传感器。

4.根据权利要求2所述的自动化抛光系统，其特征在于：所述导向槽内安装有位于所述滑块上方的空气弹簧，所述空气弹簧的轴向与所述滑块的滑动方向一致，当待抛光部位为注塑模具型腔表面时，所述空气弹簧与所述滑块分离设置，当待抛光部位为大面积平面工件上的数控加工刀痕时，所述滑块抵靠在所述空气弹簧上。

5.根据权利要求4所述的自动化抛光系统，其特征在于：所述空气弹簧内部设置有压力传感器。

6.根据权利要求1所述的自动化抛光系统，其特征在于：所述自动化抛光系统还包括打磨头打磨工具更换装置，所述打磨头的打磨工具为砂纸，所述打磨头打磨工具更换装置包括自动撕砂纸装置和砂纸收集槽。

7.一种基于权利要求1所述自动化抛光系统的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）离线作业，抛光系统安装完毕后，进行坐标标定和离线程序生成；

2）将待抛光工件安装在工件定位料台上；

3）利用机器人的点激光测距系统定位工件及其待抛光部位的位置；

4）根据测量得到的工件及其待抛光部位的位置，控制工件定位料台，适当调整加工位置，将工件待抛光部位置于机器人加工作业的范围内；

5）通过机器人的三维扫描测量定位系统，精确测量工件待抛光部位的位置；

6）通过抛光控制系统控制机器人对工件待抛光部位进行抛光，直到工件表面质量达到要求的工艺技术指标，抛光过程中通过恒力控制装置的恒力弹性部件驱动滑块沿导向槽滑动进而带动打磨头浮动来保证打磨头施加在工件待抛光部位上力的大小恒定；

7）重复步骤4）至步骤6），直到完成工件上全部待抛光部位的抛光加工；

8）将完成抛光加工的工件从工件定位料台上取下。

8.根据权利要求7所述的抛光方法，其特征在于：所述打磨头的打磨工具为砂纸，所述打磨头打磨工具更换装置包括自动撕砂纸装置和砂纸收集槽，若打磨工具达到使用寿命或需更换目数不同的其他打磨工具时，则机器人在所述打磨头打磨工具更换装置处按照设定程序完成自动更换打磨工具。

9.根据权利要求7所述的抛光方法，其特征在于：所述工件为注塑模具，其待抛光部位为注塑模具型腔表面。

10.根据权利要求7所述的抛光方法，其特征在于：在基座的导向槽内安装有位于滑块上方的空气弹簧，空气弹簧的轴向与滑块的滑动方向一致，当待抛光部位为注塑模具型腔表面时，空气弹簧与滑块分离设置，当待抛光部位为大面积平面工件上的数控加工刀痕时，滑块抵靠在空气弹簧上，由空气弹簧的压力通过滑块作用在打磨头上，进而施加在待抛光部位上。