CN106881648B - 一种调距桨桨叶表面打磨装置和打磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调距桨桨叶表面打磨装置和打磨方法，包括机座、浆叶夹具组件、龙门打磨装置和计算机。浆叶夹具组件包括夹具组件和浆叶支撑组件；龙门打磨装置包括六自由度机械手、柔性气浮主轴、电流互感器、砂轮和摄像头。柔性气浮主轴包括气缸、主轴、电机、联轴器和空心轴承；主轴一端通过联轴器与电机连接，主轴另一端与砂轮连接；电流互感器与电机相连接。本发明自动化程度高，能自动对桨叶表面进行路径规划，能通过检测柔性气浮主轴的电流变化来检测磨削力的变化，并通过控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴沿Z向进给和通过柔性气浮主轴自身的浮动量两方面来实现磨削力的补偿，从而在节省打磨成本和打磨时间的同时，打磨精度高。

Description

一种调距桨桨叶表面打磨装置和打磨方法
技术领域
本发明涉及打磨技术领域的打磨装置及其打磨方法，特别是一种调距桨桨叶表面打磨装置和打磨方法。
背景技术
目前大型自由曲面打磨抛光基本都是由人工手持作业工具靠经验来完成，这使得打磨压力和打磨路径很难保持均匀一致，严重影响到产品的打磨质量，同时，对于体积较大的工件，人工打磨速度有限，使得加工效率较低，而且打磨抛光的环境恶劣，严重威胁到劳动者的身体健康。
而使用机械设备打磨抛光，目前的设备功能单一，只能对部分简单曲面实现打磨，对复杂曲面不能适应，精度不高。
目前我国调距桨生产企业基本是人工对桨叶表面进行打磨，人工打磨生产效率低、产品报废率高、工人工作强度大、工作环境有损工人健康。
中国CN201320870855.0号专利公开了一种新型螺旋桨打磨机，其包括底座、砂轮和安装在底座上的主架，所述主架上设有大臂和连接在大臂末端的小臂，所述小臂一端与大臂相连，另一端连接有连接座，所述砂轮通过连接座与所述小臂连接，所述连接座与所述小臂接触面之间设有若干弹性构件，所述弹性构件的两端面分别与所述连接座的端面及小臂端面连接。由于连接座与小臂接触面之间设有弹性构件，而弹性构件的两端面分别与所述连接座的端面及小臂端面连接，可避免砂轮磨削过程中由于震动而导致砂轮脱落。
上述打磨机自动化程度低，不能进行桨叶表面路径规划，每个打磨动作都需要人工操作来完成，打磨效率低，精度低且人工成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种调距桨桨叶表面打磨装置，该调距桨桨叶表面打磨装置自动化程度高，能自动对桨叶表面进行路径规划，能通过检测柔性气浮主轴的电流变化来检测磨削力的变化，并通过控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴沿Z向进给和通过柔性气浮主轴自身的浮动量两方面来实现磨削力的补偿，从而在节省打磨成本和打磨时间的同时，打磨精度高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种调距桨桨叶表面打磨装置，包括机座、浆叶夹具组件、龙门打磨装置和计算机。
浆叶夹具组件直接或间接设置在机座上，浆叶夹具组件包括夹具组件和浆叶支撑组件，其中，夹具组件用于桨叶底盘的夹紧固定，桨叶支撑组件用于支撑桨叶。
龙门打磨装置包括龙门腿柱、横梁组件、六自由度机械手、柔性气浮主轴、电流互感器、砂轮和摄像头。
龙门腿柱底部与机座滑动连接，横梁组件固定设置在龙门腿柱顶端，六自由度机械手的一端固定设置在横梁组件的中部，六自由度机械手的另一端与柔性气浮主轴固定连接。
横梁组件的中部还设置一根横杆，横杆底部设置所述摄像头。
柔性气浮主轴包括气缸、主轴、电机、联轴器和空心轴承。
主轴同轴设置在气缸中部，主轴的一端通过联轴器与电机连接，主轴的另一端从气缸中穿出并与砂轮固定连接，空心轴承套装在位于气缸内的主轴上，用于支撑主轴。
电流互感器与柔性气浮主轴中的电机相连接。
六自由度机械手、柔性气浮主轴中的电机、电流互感器和摄像头均与计算机相连接。
所述夹具组件包括V型架和压头，V型架直接或间接设置在机座上，用于放置桨叶底盘；压头同轴设置在V型架的正上方，压头高度能够升降。
所述桨叶支撑组件包括升降机构二和桨叶接触球头；升降机构二直接或间接设置在机座上，桨叶接触球头固定设置在升降机构二的顶端。
所述柔性气浮主轴中的主轴与联轴器之间还设置有传动架，传动架与主轴之间设有滚珠。
还包括重心测量装置，重心测量装置包括称重传感器和测量工作台；测量工作台通过升降机构一设置在机座的正上方，测量工作台的高度能够升降；称重传感器至少有三个，所有称重传感器均设置在位于测量工作台正下方的机座上；夹具组件固定设置在测量工作台上，浆叶支撑组件滑动设置在测量工作台上。
重心测量装置还包括桨叶空间姿态测量装置，桨叶空间姿态测量装置包括激光位移传感器测量装置和倾角测量装置。
激光位移传感器测量装置包括三维移动架和固定设置在三维移动架上的激光位移传感器；三维移动架能够带动激光位移传感器实现X、Y和Z三个方向的滑移；倾角测量装置包括倾角传感器，该倾角传感器能对浆叶的倾斜角度进行测量。
本发明还提供一种调距桨桨叶表面打磨方法，该调距桨桨叶表面打磨方法自动化程度高，能自动对桨叶表面进行路径规划，能通过检测柔性气浮主轴的电流变化来检测磨削力的变化，并通过控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴沿Z向进给和通过柔性气浮主轴自身的浮动量两方面来实现磨削力的补偿，从而在节省打磨成本和打磨时间的同时，打磨精度高。
一种调距桨桨叶表面打磨方法，包括如下步骤：
步骤1，建立桨叶打磨坐标系：在计算机中，以机座或测量工作台上表面为X1Y1平面，以底座上表面其中一条边的中点为坐标原点O1，该边所在方向为X1方向，垂直于该边方向为Y1方向；Z1方向则是以X1Y1平面的坐标原点为原点，并垂直于X1Y1平面。
步骤2，六自由度机械手打磨路径初步规划：将调距桨桨叶的三维模型导入步骤1建立的桨叶打磨坐标系中，计算机将自动识别桨叶轮廓和表面曲率，然后，计算机进行六自由度机械手打磨路径的初步规划，初步规划内容包括：根据桨叶轮廓坐标进行桨叶平面X1Y1方向的路径规划以及根据桨叶三维模型中的表面曲率进行打磨角度γ的路径规划，最终生成运动点的坐标(X1、Y1、γ)；其中，γ是指桨叶曲面与Z1方向所形成的夹角；最后，计算机将六自由度机械手打磨路径的初步规划传输至六自由度机械手，生成六自由度机械手沿X1Y1方向和γ角度的运动序列。
步骤3，设置打磨参数：设置磨削力值和柔性气浮主轴的转速；设置的磨削力值包括磨削力最大值Fmax和磨削力最小值Fmin。
步骤4，固定桨叶：通过浆叶夹具组件将桨叶夹紧固定。
步骤5，六自由度机械手在X1Y1方向的路径规划：龙门腿柱滑移，使摄像头位于桨叶的上方，摄像头对整个桨叶上表面进行平面轮廓拍摄，并将拍摄的结果传输至计算机内，计算机将自动计算桨叶外轮廓的坐标，并将计算的桨叶轮廓坐标与步骤2中的六自由度机械手打磨路径的初步规划进行匹配，从而确定桨叶的实际位置；计算机根据桨叶的实际位置，重新对拍摄得到的桨叶平面进行X1Y1方向的路径规划；最后，计算机将X1Y1方向的路径规划传输至六自由度机械手，生成六自由度机械手在X1Y1方向的运动序列。
步骤6，桨叶打磨：龙门腿柱滑移，使六自由度机械手移动至步骤5在X1Y1方向路径规划的起始位置，然后六自由度机械手带动砂轮沿Z1方向下降，砂轮边下降的同时边对磨削力F进行检测，当磨削力控制在步骤3设定的磨削力值之间时，砂轮停止下降，开始打磨，六自由度机械手按照步骤5生成的X1Y1方向运动序列进行移动并打磨；打磨过程中，仍需对磨削力进行实时检测；磨削力检测的具体方式为：通过电感互感器对柔性气浮主轴中电机的回路电流I进行实时监测，电机的回路电流I与砂轮的磨削力F呈线性关系，磨削力F大小的改变将引起回路电流I的变化。
步骤7，磨削力F补偿：当步骤6中检测到的磨削力高于设定值，也即高于磨削力最大值Fmax时，计算机控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴上升一个补偿量δ1；当步骤6中检测到的磨削力小于设定值，也即小于磨削力最小值Fmin时，计算机控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴下降一个补偿量δ2；在六自由度机械手下降的同时，柔性气浮主轴将依靠自身的浮动量先进行磨削力的柔性补偿，使磨削力始终能够控制在最大值Fmax和最小值Fmin之间；步骤8，当打磨至步骤5在X1Y1方向路径规划的终点位置时，桨叶一次打磨完成，六自由度机械手重新移动至步骤5在X1Y1方向路径规划的起始位置，按照步骤6至步骤7打磨方法，进行第二次打磨，依次循环，直到打磨完成。
本发明采用上述结构和方法后，具有如下有益效果：
1.龙门打磨装置前后移动，不仅稳定可靠，而且增加了可打磨区域；采用六自由度机械手倒装的方法，也增加了机械手可打磨区域。
2.使用柔性气浮主轴，使砂轮和桨叶表面柔性接触，即能够灵活补偿部分任意角度打磨时候的磨削量，还能保证打磨安全。
3.自动化程度高，整个打磨过程均由计算机控制完成，首先把复杂的曲面路径规划转变为简单的X1Y1平面和γ角度的路径规划，然后通过摄像头找到桨叶轮廓的坐标，将桨叶摆放的坐标与计算机路径规划的坐标进行匹配，从而确定实际桨叶的位置，然后根据事先规划好的简单路径进行打磨，节省了复杂曲面路径规划的时间。
4.本发明没有通过安装力传感器来检测磨削力而是通过检测控制柔性浮动主轴的电流变化来检测磨削力的变化，并通过控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴沿Z向进给和通过柔性气浮主轴自身的浮动量两方面来实现磨削力的补偿，不仅减少了成本，还保证了磨削量；所以，本发明不仅安全可靠，还大大节约了打磨成本和打磨时间。
附图说明
图1显示了本发明一种调距桨桨叶表面打磨装置的右侧视立体图。
图2显示了本发明一种调距桨桨叶表面打磨装置的主视图。
图3显示了本发明中柔性气浮主轴的结构示意图。
图4显示了导向组件纵剖面(也即图2中I区)的放大结构示意图。
图5显示了夹具组件的机构示意图。
图6显示了激光位移传感器测量装置的结构示意图。
图7显示了倾角测量装置的结构示意图。
图8显示了调距桨桨叶表面打磨方法的路程规划示意图。
图9显示了调距桨桨叶表面打磨方法的流程示意图。
其中有：
1、机座；
2、直线模组；2.1、模组滑块；
3、导向组件；3.1、导向轴；3.2、直线轴承；3.3、直线轴承安装套筒；
4、升降机构一；
5、称重组件；5.1、称重传感器安装座；5.2、称重传感器；
6、测量工作台；
7.夹具组件；7.1、V型架；7.2、限位块；7.3、夹具压板；7.4、手轮；7.5、梯形丝杠；7.6、丝杠螺母；7.7、丝杠螺母座；7.8、压头；
8、桨叶支撑组件；8.1、电动千斤顶；8.2、千斤顶底座；8.3、电磁吸盘；8.4、桨叶接触球头；
9.1、激光位移传感器测量装置；
9.11、Z向滑轨；9.12、Z向滑块；9.13、Y向滑块；9.14、X向导轨；9.15、激光位移传感器；9.16、Y向滑轨；9.17、磁栅尺；9.18、磁栅尺读头；9.19、X向滑块；
9.21、倾角测量传感器安装座；9.22、轴套；9.23、槽沟轴；9.24、定位轴；9.25、弹簧；9.26、倾角传感器；
10、龙门打磨装置；
10.1、龙门腿柱；10.2、横梁组件；10.3、六自由度机械手；
10.4、柔性气浮主轴；
10.4a.气缸；10.4b.主轴；10.4c.电机；10.4d.联轴器；10.4e.电感互感器；10.4f.传动架；10.4g.滚珠；10.4h.空心轴承；
10.5砂轮；10.6摄像头；
11.桨叶。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1、图2和图3所示，包括机座1、浆叶夹具组件、重心测量装置、龙门打磨装置10和计算机。
浆叶夹具组件直接或间接设置在机座上，本发明中，浆叶夹具组件优选固定在下述的测量工作台上，也即浆叶夹具组件间接设置在机座上。
浆叶夹具组件包括夹具组件7和浆叶支撑组件8，其中，夹具组件用于桨叶底盘的夹紧固定，桨叶支撑组件用于支撑桨叶。
夹具组件用于放置桨叶底盘，如图5所示，夹具组件7包括V型架7.1和压头7.8，V型架固定设置在测量工作台上，也即V型架间接固定在机座上，当然，也可直接固定在机座上；压头同轴设置在V型架的正上方，压头高度能够升降。
V型架7.1主要有钢板焊接而成近似V形状，两个V型面上加工有安装基准面和普通螺纹孔，通过螺钉来安装两块尼龙材料的限位块7.2，两块限位块之间形成限位槽，用于对桨叶底盘进行限位。
V型架7.1对桨叶11底盘不仅起到支撑作用，还大致能起到自动对心功能，另一方面还能适应不同直径的桨叶底盘，从而通用性强。
压头7.8优选为一圆头矩形，其圆头压紧桨叶11底部圆盘。
压头的高度升降为现有技术，本发明中优选采用丝杆升降驱动机构来驱动压头升降。丝杆升降驱动机构包括两块夹具压板7.3、手轮7.4、梯形丝杠7.5、丝杠螺母7.6和丝杠螺母座7.7等。夹具压板7.3为一焊接件，由三块薄钢板焊接成近似V型；丝杠螺母座7.7为一长方体状，内部有一通孔，用于安装丝杠螺母7.6。丝杠螺母座7.7通过螺钉安装在两块夹具压板7.3中间；手轮7.4设置在梯形丝杠7.5顶端，压头7.8安装在梯形丝杠7.5底端。
桨叶支撑组件8设置在位于夹具组件一侧的测量工作台上，用于支撑桨叶。也即桨叶支撑组件间接设置在机座上，作为替换，也可直接将桨叶支撑组件设置在机座上。
桨叶支撑组件优选有两个。两组桨叶支撑组件8配合夹具组件7协同工作，可将桨叶11调整到基本平衡状态。
如图2所示，每个桨叶支撑组件均包括升降机构二和桨叶接触球头8.4；升降机构二固定设置在测量工作台上，桨叶接触球头优选为铜质球头，固定设置在升降机构二的顶端。
升降机构二可以为电动千斤顶或电动螺旋升降机等。本发明中优选采用电动千斤顶8.1。
另外，上述升降机构二均优选能在测量工作台上进行滑移，从而能够适应不够类型的桨叶。
升降机构二的滑移优选设置方式为：电动千斤顶8.1的底部设置千斤顶底座8.2，千斤顶底座8.2为一长方体，中心加工有一盲圆孔和几个普通螺纹孔，盲孔内优选通过螺钉安装电磁吸盘8.3；桨叶接触球头8.4安装在电动千斤顶8.1上部。
桨叶支撑组件可以根据不同桨叶来调整支撑位置，在电磁吸盘断电的时候，桨叶支撑组件可以移动，电磁吸盘通电，桨叶支撑组件吸附在测量工作台上表面，不能移动。
龙门打磨装置包括龙门腿柱10.1、横梁组件10.2、六自由度机械手10.3、柔性气浮主轴10.4、电流互感器10.4e、砂轮10.5和摄像头10.6。
龙门腿柱底部优选通过直线模组2与机座滑动连接，横梁组件固定设置在龙门腿柱顶端，六自由度机械手的一端固定设置在横梁组件的中部，六自由度机械手的另一端与柔性气浮主轴固定连接。
横梁组件的中部还设置一根横杆，横杆底部设置所述摄像头。
如图3所示，柔性气浮主轴包括气缸10.4a、主轴10.4b、电机10.4c、联轴器10.4d和空心轴承10.4h。
主轴同轴设置在气缸中部，主轴的一端通过联轴器与电机连接，主轴的另一端从气缸中穿出并与砂轮固定连接，空心轴承套装在位于气缸内的主轴上，用于支撑主轴。
电流互感器与柔性气浮主轴中的电机相连接。
六自由度机械手、柔性气浮主轴中的电机、电流互感器和摄像头均与计算机相连接。
柔性气浮主轴中的主轴与联轴器之间还优选设置有传动架10.4f，传动架与主轴之间设有滚珠10.4g。
上述重心测量装置可以根据需要进行设置，重心测量装置包括称重组件、测量工作台和桨叶空间姿态测量装置。
测量工作台通过升降机构一设置在机座的正上方，测量工作台的高度能够升降。
升降机构一优选为电动千斤顶或电动螺旋升降机等。测量工作台、升降机构一和机座优选同轴设置。
上述升降机构一的设置，能带动测量工作台上下运动，且为一个动力源控制测量工作台的升降，因而能保证测量时，所有称重传感器5.2同时接触，均匀受力，对称重传感器起到了保护作用。
称重组件5至少有三个，本发明中优选设置为三个。三个称重组件5优选呈三角形布置在位于测量工作台正下方的机座上。
每个称重组件5均包括称重传感器安装座5.1和称重传感器5.2。
称重传感器安装座5.1为哑铃状，两端部均加工有普通螺纹孔，底端优选通过螺钉固定在机座1上，顶端安装称重传感器5.2。通过称重传感器5.2与测量工作台6接触，可以测得桨叶11的重量。桨叶重量测量时采用两次测量，通过去皮的方式得出桨叶重量，再利用力矩平衡公式及三点测重心原理可以计算出桨叶11在调距桨桨叶重心测量及修正复合平台坐标系中的重心位置。
导向组件优选有四个，分别设置在机座和测量工作台之间的四个边角处。
如图4所示，每个导向组件3均优选包括从内至外依次同轴设置的导向轴3.1、直线轴承3.2和直线轴承安装套筒3.3。
导向轴3.1优选为一根法兰轴，法兰端面通过螺钉固定在机座1上，导向轴3.1外部套有直线轴承3.2；直线轴承安装套筒3.3为一端面法兰套筒，内部为阶梯孔状，阶梯端面加工有四个普通螺纹孔，内孔安放直线轴承3.2，并通过螺钉将直线轴承3.2的法兰面固定在直线轴承安装套筒3.3的阶梯端面上；直线轴承安装套筒3.3的法兰端面通过螺钉固定在测量工作台6上。导向组件3不仅起导向作用，能始终保持测量工作台上下平稳，不会发生倾斜。同时还可以承受桨叶11安装时对测量工作台产生的侧向冲击力，对称重传感器5.2产生了保护作用。
桨叶空间姿态测量装置包括激光位移传感器测量装置9.1和倾角测量装置。
激光位移传感器测量装置设置在背离桨叶支撑组件一侧的测量工作台上。
激光位移传感器测量装置9.1包括三维移动架和固定设置在三维移动架上的激光位移传感器9.15。
三维移动架能够带动激光位移传感器实现X、Y和Z三个方向的滑移。
如图6所示，三维移动架优选包括X向导轨9.14、Y向滑轨9.16、Z向滑轨9.11、X向滑块9.19、Y向滑块9.13和Z向滑块9.12。
Z向滑轨底端与测量工作台固定连接，Z向滑块能沿Z向滑轨进行上下滑移；Z向滑轨的顶端和底端优选各设置有一个接近开关，用于检测Z向滑块的上下极限位置。
Y向滑轨固定在Z向滑块上，Y向滑块能沿Y向滑轨进行滑移；Y向滑轨的左端和右端优选各设置有一个接近开关，用于检测Y向滑块的左右极限位置。
X向导轨的一端固定在Y向滑块上，X向导轨的另一端指向放置于V型架上的桨叶底盘；X向滑块能沿X向导轨进行滑移，激光位移传感器固定设置在X向滑块上。
X向滑轨的前端和后端优选各设置有一个接近开关，用于检测X向滑块的前后极限位置。
X向滑块沿X向导轨的前后滑移，仅在安装调速时使用，激光位移传感器移动时，X向滑块位置保持固定。
Z向滑轨和Y向滑轨上均优选通过磁栅尺安装板安装有磁栅尺9.17，Z向滑块和Y向滑块上均设置有能读取对应磁栅尺数据的磁栅尺读头9.18。
磁栅尺读头9.18能够读出激光位移传感器9.15在对应移动方向上的位移量；通过激光检测桨叶底盘上四个不同位置的点，能够计算出桨叶11在空间姿态中对应的变量。
使用时，激光位移传感器9.15仅在YZ平面内进行上下或左右移动，先在YZ平面内寻找四个对应的待测位置点，激光位移传感器依次移动至这四个待测位置点，测试出四个待测位置点与桨叶底盘上四个不同位置的点的距离值，根据这四个距离值计算出桨叶11在空间姿态中对应的变量。
如图7所示，倾角测量装置包括横杆、定位轴9.24和倾角传感器9.26。
横杆的长度能够伸缩，横杆的两端各设置一根定位轴，每根定位轴均能与桨叶底盘上的底盘孔相配合，倾角传感器优选通过倾角传感器安装座9.21固定在横杆上。
上述横杆的长度伸缩为现有技术，本发明横杆优选包括轴套9.22、弹簧9.25和两根槽沟轴9.23。
弹簧内置在轴套中部，两根槽沟轴的一端均伸入轴套内并能沿轴套内壁面滑移，两根槽沟轴的另一端各设置一根所述定位轴；位于轴套内的每根槽沟轴上均设置有限位台肩，轴套上设置有与限位台肩相配合的限位螺钉或限位销。
测量时，倾角测量装置安装在桨叶底盘上，两个定位轴9.24分别穿入桨叶底盘孔内，倾角传感器安装座9.21的一个侧面紧贴桨叶底盘，通过弹簧9.25的弹力支撑将倾角测量装置固定在桨叶底盘上，实现桨叶11调整时的实时测量；通过倾角测量装置测量的结果与激光位移传感器测量装置9.1测量的结果相结合，能够得出桨叶11任意放置的空间姿态。然后，将桨叶11的空间姿态坐标和调距桨桨叶重心测量及修正复合平台之间的坐标相互转化，从而得出桨叶11在调距桨桨叶重心测量及修正复合平台坐标系中的空间姿态，再结合称重传感器5.2测得的桨叶11在调距桨桨叶重心测量及修正复合平台坐标中的重心位置，通过补偿算法计算，可以准确得出桨叶11空间坐标系中的重心位置。
称重传感器和桨叶空间姿态测量装置测量得出桨叶11在调距桨桨叶重心测量及修正复合平台坐标系中的具体位置后，计算机控制直线模组2带动龙门打磨装置10运动到设定位置，由龙门打磨装置10进行打磨修正重心位置。
采用本发明的打磨装置，通过补偿算法计算，准确得出桨叶11空间坐标系中的重心位置的具体操作方法如下所述。
步骤1，传感器坐标系建立。
上述三个称重传感器，其中一个布置在桨叶底盘的正下方，另外两个分别布置在桨叶叶片的下方；以三个称重传感器为基础建立XY面，且以布置在桨叶底盘正下方的称重传感器为坐标原点O，沿浆叶叶片的延伸方向为X轴正方向，垂直于XY面向外为Z轴正方向，XY面内垂直于X轴向右为Y轴正方向。
步骤2，传感器坐标系中桨叶重心测量：将桨叶放置到测量面上，采用三点测重心原理计算出重心位置(X，Y)。
采用三点测重心原理计算重心位置(X，Y)的方法如下：
G＝G1+G2+G3
G×X＝G2×X2+G3×X3
G×Y＝G2×Y2+G3×Y3
式中：G为本次测量总质量，G1为称重点A测量质量、G2为称重点C测量质量、G3为称重点B测量质量；X为桨叶重心在XY平面上与Y轴之间的距离、Y为桨叶重心在XY平面上与X轴之间的距离、X2为称重点C在XY平面上与Y轴之间的距离、X3为称重点B在XY平面上与Y轴之间的距离、Y2为称重点C在XY平面上与X轴之间的距离、Y3为称重点B在XY平面上与X轴之间的距离。
步骤3，激光距离传感器距离参数测量：具体包括步骤如下。
步骤31，寻找激光测量面边缘点：浆叶底盘包括激光测量面和同轴位于激光测量面外周的浆叶安装面，激光测量面比浆叶安装面高出一个设定值a，设定值a优选不小于20mm，进一步优选为40mm。
浆叶安装面沿圆周方向均匀布置有若干个浆叶安装孔。
激光距离传感器运动平面平行于YZ面，将激光距离传感器调整到桨叶底盘范围内，从左到右移动传感器并采集激光距离传感器到桨叶底盘表面的距离，同时对比相邻测量值，当存在两相邻值差值超出设定值a，也即超出20mm时，判定此处为激光测量面边缘点，记录下第一次测得的激光测量面边缘点为C1，则点C1坐标为(Y5,Z5)，从左至右第二次测得的激光测量面边缘点为C2，则点C2坐标为(Y6,Z6)；同理再次从上到下一次进行采样测量，记录下第一次测得的激光测量面边缘点为C3，则C3坐标为(Y7,Z7)，从上至下第二次为点C4坐标为(Y8,Z8)。
步骤32，寻找激光测量面的圆心坐标：取C1、C2、C3三点，在C1、C2之间做连线并做该连线的中垂线，在C2、C3之间做连线并做该连线的中垂线，两中垂线的交点即为激光测量面的圆心，同时可以计算出激光测量面的圆心P5坐标为(Yo,Zo)，其中：
Figure BDA0001254915320000101
Figure BDA0001254915320000102
步骤33，确定测量点位置：测量点包括位于激光测量面上的四个激光面测量点和位于激光传感器运动平面上的四个激光传感器移动测量点；四个激光面测量点和四个激光传感器移动测量点一一对应。
步骤331，寻找激光距离传感器运动平面上的点P5′：将步骤32寻找的激光测量面圆心P5沿X轴投影到激光距离传感器运动平面上，则投影点为P5′，点P5′的横向和纵向坐标也为(Yo,Zo)。
步骤332，计算激光测量面的半径：根据步骤32寻找的激光测量面圆心坐标和点C4坐标，计算出激光测量面的半径R。
步骤333，确定四个激光传感器移动测量点：在激光距离传感器运动平面上，以步骤331寻找的点P5′为中心点，绘制边长为0.8R的正方形，并使正方形的上边和下边均为水平方向，则正方形的四个角点即为四个激光传感器移动测量点，四个激光传感器移动测量点从左上角开始按顺时针方向分别记为点P1′、点P2′、点P3′和点P4′；则点P1′坐标为(Yo+0.4R，Zo+0.4R)，点P2′坐标为(Yo-0.4R，Zo+0.4R)，点P3′坐标为(Yo-0.4R，Zo-0.4R)，点P4′坐标为(Yo+0.4R，Zo-0.4R)。
步骤334，确定四个激光面测量点：步骤333确定的四个激光传感器移动测量点沿X轴投影到激光测量面上，形成四个激光面测量点，四个激光面测量点从左上角开始按顺时针方向分别记为点P1、点P2、点P3和点P4。
步骤34，测定距离参数：根据步骤33确定的测量点位置，使用激光距离传感器进行距离参数测量，分别得到5个点的距离参数值，其中点P1至点P1′之间距离测得为L1、点P2至点P2′之间距离测得为L2、点P3至点P3′之间距离测得为L3、点P4至点P4′之间距离测得为L4、点P5至点P5′之间距离测得为L5。
步骤4，倾角传感器参数测量：选定桨叶底盘上方呈水平分布的两个浆叶安装孔为桨叶空间姿态中β角测量点，倾角传感器平行于两孔圆心连线放置，由此测得的角即为当前桨叶空间姿态绕X轴的旋转角β，此时，呈水平分布的两个浆叶安装孔的圆心连线称为桨叶水平线。
步骤5，桨叶空间坐标系建立：根据倾角传感器与激光距离传感器测量到的参数，建立桨叶空间坐标系；桨叶空间坐标系以步骤32寻找的激光测量面圆心P5为原点，激光测量面为Y4Z4面，垂直于激光测量面并朝向桨叶叶片方向为X4轴正方向；面向激光测量面过原点平行于步骤4所述的桨叶水平线向左为Y4轴正方向，分别垂直于X4、Y4轴且过原点并向上为Z4轴正方向。
步骤6，桨叶空间姿态参数计算：取步骤31中的两点C1、C2，根据两点间Y轴方向上的距离差L6＝|Y5-Y6|与测量值之差|L1-L2|可以得到一个直角三角形的两个边长，根据下式计算当前桨叶空间姿态绕Z轴旋转角γ：
Figure BDA0001254915320000121
同理，根据点P2测量值L2与点P3测量值L3差值，点P2与点P3之间Z轴方向上的距离差L7＝|Z6-Z7|根据下式计算出当前桨叶空间姿态绕Y轴旋转角α：
Figure BDA0001254915320000122
步骤7，桨叶重心位置计算：具体步骤如下。
步骤71，计算K值和γ′；
Figure BDA0001254915320000123
Figure BDA0001254915320000124
式中，K值为L5在桨叶坐标系中沿X4轴的修正位移；γ′为γ角的修正角度，也即为当前桨叶空间姿态绕Z4轴的旋转角。
由于计算到的γ角为绕传感器坐标系中绕Z轴的旋转角，与实际桨叶坐标系相对于传感器坐标系绕存在空间变化上的偏差，需要对这一角度进行修正，修正后变换为γ′，同理K值为L5在桨叶坐标系中位移的修正位移。
步骤72，计算桨叶坐标系中的桨叶重心位置(X4，Y4)：
X4＝Xcosγ′+Ysinγ′-K
Y4＝Xsinγ′+Ycosγ′
式中，K值和γ′取步骤71的计算结果，X和Y值取步骤2中计算出的传感器坐标系中的重心位置(X，Y)。
上述重心测量完成后，可以进行重心打磨修正。
一种调距桨桨叶表面打磨方法，包括如下步骤：
步骤1，建立桨叶打磨坐标系：在计算机中，以机座或测量工作台上表面为X1Y1平面，以底座上表面其中一条边的中点为坐标原点O1，该边所在方向为X1方向，垂直于该边方向为Y1方向；Z1方向则是以X1Y1平面的坐标原点为原点，并垂直于X1Y1平面。
步骤2，六自由度机械手打磨路径初步规划：将调距桨桨叶的三维模型导入步骤1建立的桨叶打磨坐标系中，计算机将自动识别桨叶轮廓和表面曲率，然后，计算机进行六自由度机械手打磨路径的初步规划，初步规划内容包括：根据桨叶轮廓坐标进行桨叶平面X1Y1方向的路径规划以及根据桨叶三维模型中的表面曲率进行打磨角度γ的路径规划，最终生成运动点的坐标(X1、Y1、γ)；其中，γ是指桨叶曲面与Z1方向所形成的夹角；最后，计算机将六自由度机械手打磨路径的初步规划传输至六自由度机械手，生成六自由度机械手沿X1Y1方向和γ角度的运动序列。
步骤3，设置打磨参数：设置磨削力值和柔性气浮主轴的转速；设置的磨削力值包括磨削力最大值Fmax和磨削力最小值Fmin。
步骤4，固定桨叶：通过浆叶夹具组件将桨叶夹紧固定。
步骤5，六自由度机械手在X1Y1方向的路径规划：龙门腿柱滑移，使摄像头位于桨叶的上方，摄像头对整个桨叶上表面进行平面轮廓拍摄，并将拍摄的结果传输至计算机内，计算机将自动计算桨叶外轮廓的坐标，并将计算的桨叶轮廓坐标与步骤2中的六自由度机械手打磨路径的初步规划进行匹配，从而确定桨叶的实际位置；计算机根据桨叶的实际位置，重新对拍摄得到的桨叶平面进行X1Y1方向的路径规划；最后，计算机将X1Y1方向的路径规划传输至六自由度机械手，生成六自由度机械手在X1Y1方向的运动序列。
步骤6，桨叶打磨：龙门腿柱滑移，使六自由度机械手移动至步骤5在X1Y1方向路径规划的起始位置，然后六自由度机械手带动砂轮沿Z1方向下降，砂轮边下降的同时边对磨削力F进行检测，当磨削力控制在步骤3设定的磨削力值之间时，砂轮停止下降，开始打磨，六自由度机械手按照步骤5生成的X1Y1方向运动序列进行移动并打磨；打磨过程中，仍需对磨削力进行实时检测；磨削力检测的具体方式为：通过电感互感器对柔性气浮主轴中电机的回路电流I进行实时监测，电机的回路电流I与砂轮的磨削力F呈线性关系，磨削力F大小的改变将引起回路电流I的变化。
步骤7，磨削力F补偿：当步骤6中检测到的磨削力高于设定值，也即高于磨削力最大值Fmax时，计算机控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴上升一个补偿量δ1；当步骤6中检测到的磨削力小于设定值，也即小于磨削力最小值Fmin时，计算机控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴下降一个补偿量δ2；在六自由度机械手下降的同时，柔性气浮主轴将依靠自身的浮动量先进行磨削力的柔性补偿，使磨削力始终能够控制在最大值Fmax和最小值Fmin之间；
步骤8，当打磨至步骤5在X1Y1方向路径规划的终点位置时，桨叶一次打磨完成，六自由度机械手重新移动至步骤5在X1Y1方向路径规划的起始位置，按照步骤6至步骤7打磨方法，进行第二次打磨，依次循环，直到打磨完成。
本发明的打磨装置，可以在重心测量完成后在，直接进行重心修正与打磨，重心修正与打磨与上述步骤1至步骤8基本相同，不同点仅在步骤2和步骤5路径规划时，依据重心测量结果进行规划。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种调距桨桨叶表面打磨装置，其特征在于：包括机座、桨叶夹具组件、龙门打磨装置、计算机和重心测量装置；
桨叶夹具组件直接或间接设置在机座上，桨叶夹具组件包括夹具组件和桨叶支撑组件，其中，夹具组件用于桨叶底盘的夹紧固定，桨叶支撑组件用于支撑桨叶；
龙门打磨装置包括龙门腿柱、横梁组件、六自由度机械手、柔性气浮主轴、电流互感器、砂轮和摄像头；
龙门腿柱底部与机座滑动连接，横梁组件固定设置在龙门腿柱顶端，六自由度机械手的一端固定设置在横梁组件的中部，六自由度机械手的另一端与柔性气浮主轴固定连接；
横梁组件的中部还设置一根横杆，横杆底部设置所述摄像头；
柔性气浮主轴包括气缸、主轴、电机、联轴器和空心轴承；
主轴同轴设置在气缸中部，主轴的一端通过联轴器与电机连接，主轴的另一端从气缸中穿出并与砂轮固定连接，空心轴承套装在位于气缸内的主轴上，用于支撑主轴；
电流互感器与柔性气浮主轴中的电机相连接；
六自由度机械手、柔性气浮主轴中的电机、电流互感器和摄像头均与计算机相连接；
重心测量装置包括称重传感器和测量工作台；测量工作台通过升降机构一设置在机座的正上方，测量工作台的高度能够升降；称重传感器至少有三个，所有称重传感器均设置在位于测量工作台正下方的机座上；夹具组件固定设置在测量工作台上，桨叶支撑组件滑动设置在测量工作台上；
所述夹具组件包括V型架和压头，V型架直接或间接设置在机座上，用于放置桨叶底盘；压头同轴设置在V型架的正上方，压头高度能够升降。
2.根据权利要求1所述的调距桨桨叶表面打磨装置，其特征在于：所述桨叶支撑组件包括升降机构二和桨叶接触球头；升降机构二直接或间接设置在机座上，桨叶接触球头固定设置在升降机构二的顶端。
3.根据权利要求1所述的调距桨桨叶表面打磨装置，其特征在于：所述柔性气浮主轴中的主轴与联轴器之间还设置有传动架，传动架与主轴之间设有滚珠。
4.根据权利要求1所述的调距桨桨叶表面打磨装置，其特征在于：重心测量装置还包括桨叶空间姿态测量装置，桨叶空间姿态测量装置包括激光位移传感器测量装置和倾角测量装置；
激光位移传感器测量装置包括三维移动架和固定设置在三维移动架上的激光位移传感器；三维移动架能够带动激光位移传感器实现X、Y和Z三个方向的滑移；倾角测量装置包括倾角传感器，该倾角传感器能对桨叶的倾斜角度进行测量。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的调距桨桨叶表面打磨装置的打磨方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，建立桨叶打磨坐标系：在计算机中，以机座或测量工作台上表面为X1Y1平面，以机座上表面其中一条边的中点为坐标原点O1，该边所在方向为X1方向，垂直于该边方向为Y1方向；Z1方向则是以X1Y1平面的坐标原点为原点，并垂直于X1Y1平面；
步骤2，六自由度机械手打磨路径初步规划：将调距桨桨叶的三维模型导入步骤1建立的桨叶打磨坐标系中，计算机将自动识别桨叶轮廓和表面曲率，然后，计算机进行六自由度机械手打磨路径的初步规划，初步规划内容包括：根据桨叶轮廓坐标进行桨叶平面X1Y1方向的路径规划以及根据桨叶三维模型中的表面曲率进行打磨角度γ的路径规划，最终生成运动点的坐标（X1、Y1、γ）；其中，γ是指桨叶曲面与Z1方向所形成的夹角；最后，计算机将六自由度机械手打磨路径的初步规划传输至六自由度机械手，生成六自由度机械手沿X1Y1方向和γ角度的运动序列；
步骤3，设置打磨参数：设置磨削力值和柔性气浮主轴的转速；设置的磨削力值包括磨削力最大值Fmax 和磨削力最小值Fmin；
步骤4，固定桨叶：通过桨叶夹具组件将桨叶夹紧固定；
步骤5，六自由度机械手在X1Y1方向的路径规划：龙门腿柱滑移，使摄像头位于桨叶的上方，摄像头对整个桨叶上表面进行平面轮廓拍摄，并将拍摄的结果传输至计算机内，计算机将自动计算桨叶外轮廓的坐标，并将计算的桨叶轮廓坐标与步骤2中的六自由度机械手打磨路径的初步规划进行匹配，从而确定桨叶的实际位置；计算机根据桨叶的实际位置，重新对拍摄得到的桨叶平面进行X1Y1方向的路径规划；最后，计算机将X1Y1方向的路径规划传输至六自由度机械手，生成六自由度机械手在X1Y1方向的运动序列；
步骤6，桨叶打磨：龙门腿柱滑移，使六自由度机械手移动至步骤5在X1Y1方向路径规划 的起始位置，然后六自由度机械手带动砂轮沿Z1方向下降，砂轮边下降的同时边对磨削力F 进行检测，当磨削力控制在步骤3设定的磨削力值之间时，砂轮停止下降，开始打磨，六自由 度机械手按照步骤5生成的X1Y1方向运动序列进行移动并打磨；打磨过程中，仍需对磨削力 进行实时检测；磨削力检测的具体方式为：通过电流互感器对柔性气浮主轴中电机的回路 电流I进行实时监测，电机的回路电流I与砂轮的磨削力F呈线性关系，磨削力F大小的改变 将引起回路电流
Figure 300126DEST_PATH_IMAGE001
的变化；
步骤7，磨削力F补偿：当步骤6中检测到的磨削力高于设定值，也即高于磨削力最大值Fmax时，计算机控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴上升一个补偿量δ1；当步骤6中检测到的磨削力小于设定值，也即小于磨削力最小值Fmin时，计算机控制六自由度机械手带动柔性气浮主轴下降一个补偿量δ2；在六自由度机械手下降的同时，柔性气浮主轴将依靠自身的浮动量先进行磨削力的柔性补偿，使磨削力始终能够控制在最大值Fmax和最小值Fmin之间；
步骤8，当打磨至步骤5在X1Y1方向路径规划的终点位置时，桨叶一次打磨完成，六自由度机械手重新移动至步骤5在X1Y1方向路径规划的起始位置，按照步骤6至步骤7打磨方法，进行第二次打磨，依次循环，直到打磨完成。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Fu Lingyi

Inventor after: Tang Wenxian

Inventor after: Wang Chao

Inventor after: Sun Gaozhen

Inventor after: Xu Songqing

Inventor after: Wang Guofu

Inventor after: Xu Yibo

Inventor after: Yang Yilin

Inventor after: Zhang Chao

Inventor after: Su Shijie

Inventor before: Fu Lingyi

Inventor before: Su Shijie

Inventor before: Tang Wenxian

Inventor before: Liu Jitao

Inventor before: Wang Chao

Inventor before: Sun Gaozhen

Inventor before: Xu Songqing

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Inventor before: Yang Yilin

Inventor before: Zhang Chao

GR01 Patent grant
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