CN107139072B - 一种机器人打磨专用金刚石、cbn成套工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，包括：机器人、工作台和刀具；所述刀具具体包含开槽A类、切割B类、倒角C类、弧面D类和外圆平面E类这五类工具。其中，机器人具有一个或者多个手臂，机器人手臂的末端安装带有自动换刀功能的动力头，刀具柄部伸缩可调。本发明充分发挥了电镀金刚石、CBN制品的优势，解决了铸件打磨去毛刺及新型材料难切削加工问题。把工业机器人打磨工具从普通工具替换为电镀成套工具，稳定和提高了打磨质量和产品光洁度，保证其一致性，解决了对大型工件的打磨及复杂轮廓工件的一体化去毛刺、抛光加工。

Description

一种机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具

技术领域

本发明属于机器人打磨工具技术领域，具体涉及一种机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具。

背景技术

工件打磨一直是阻碍高精密行业发展的巨大障碍，传统对各种工件的打磨都是由人工完成的，且打磨工具也只是用角磨机配套硬质合金铣刀、磨头、普通砂轮(SiC、刚玉等)、砂带、抛光轮等来完成工件的铣削、磨削、抛光加工工艺，满足粗、细、精等工艺加工。传统的打磨工具加工效率低、易出现堵塞，打磨不动的情况；产品精度差、尺寸一致性难以保证；产品寿命短，不耐磨；生产人员工作环境恶劣，员工的流动性大。随着用工成本的提高和技工不确定性风险，利用人口红利创造产品利润的时代已经结束。而后随着技术的进步，工业机器人的打磨方案也有了长足的发展，但是配套的打磨工具还处在初级水平，因此设计出一套机器人打磨专用金刚石、CBN工具，以满足日益增长的打磨行业的需求。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，是在于提供一种成套的金刚石、CBN打磨工具，该打磨工具解决了铸件打磨去毛刺及新型材料难切削加工问题，把工业机器人打磨工具从普通工具替换为电镀成套工具，稳定和提高了打磨质量和产品光洁度，保证其一致性；另外，本发明还解决了对大型工件(如：航空航天机舱、船体、风能叶片、复合材料管道等)的打磨，以及复杂轮廓工件(如：发动机叶片、缸体缸盖等各种铸件)的一体化去毛刺、抛光加工。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：

一种机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，包括机器人、工作台和刀具，具体的：

所述机器人具有一个或者多个手臂，机器人手臂的末端安装带有自动换刀功能的动力头，在机器人臂展范围内放置自动刀具库，所述自动刀具库为立方体或圆形盒子状，其内部排列安放多种不同的备用刀具，所述自动刀具库箱体顶部带有一侧可打开的防尘罩，防尘罩与自动刀具库箱体用合页连接；所述工作台固定在基座上，工作台有两个以上的工作位置，远离机器人的一侧为上件及下件工位，靠近机器人的一侧为打磨工位，中间设置一道横向的防护隔板，将两个工作位置隔离开；其中，机器人本身的动作由其自带的控制器控制运行，其余设备由固定在机器人后方电控柜内的PLC统一控制；

所述备用刀具由与机器人工作臂固定连接的柄部(1)、设置在柄部(1)前端的头部(2)构成；所述柄部(1)与头部(2)一体设置，柄部(1)与机器人工作臂固定的一端设置为阶梯状台阶结构(3)或者倒边锥面结构(4)，柄部(1)设置为可调节伸缩结构，采用二级或多级套管配合，以进行可调节伸缩；所述头部(2)电镀有一金刚石、CBN细颗粒层，柄部(1)与机器人的装夹方式为外圆装夹或螺纹锁紧；

所述头部(2)包括五类刀具，分别为：开槽A类刀具、切割B类刀具、倒角C类刀具、弧面D类刀具和外圆平面E类刀具；

所述开槽A类刀具为：头部(2)的可磨槽型分别为“V”形槽、矩形槽、梯形槽或“U”形槽(5)，槽两侧角度A°范围为30°-150°，磨削过程中开槽宽度W2小于或等于工件设计宽度W1，开槽深度T2小于设计深度T1，A类轮乙面上镀不同厚度的金刚石、CBN，A类轮乙面即为其工作面，金刚石、CBN颗粒的大小为0.212-0.3mm，埋入率为40％-50％；

所述切割B类刀具为：在工具上设计出不同开槽方向形状的槽，槽型为“V”形槽、矩形槽、梯形槽或“U”形槽(5)，平面上电镀出不同花型，所述花型为圆点瓣(6)、三角形瓣(7)或矩形瓣(8)，各花型沿平面中心均匀分布，沿机体中心线上钻有中心孔(9)，钻孔体积不超过刀具整体的体积的1/3，乙面上镀不同厚度的金刚石、CBN，乙面即为其工作面，金刚石、CBN颗粒的大小为0.125-0.18mm，埋入率为55％-60％；

所述倒角C类刀具为：在C轮上设计出角度结构(10)和弧面结构(11)，角度又可以分为内倒角和外倒角的加工，角度为10°-150°任一角度，深度L1可从10到100mm，弧面结构包括圆弧倒角，其弧度为0-360°任一角度，适宜深槽槽底的打磨及孔边的倒角，C类轮乙面上镀不同厚度的金刚石、CBN，乙面即为其工作面，金刚石、CBN颗粒大小为0.355-0.6mm，埋入率为35％-45％；

所述弧面D类刀具为：弧面包括上弧面、左弧面及右弧面，上弧面宽度L1范围变化为6-200mm，上弧面半径SR可以从10mm到无穷大，左弧面半径R1和右弧面半径R2的范围约为0.2-100mm，弧面整体宽度L为6-300mm，甲面镀金刚石、CBN，金刚石、CBN颗粒大小为0.355-0.85mm，埋入率为35％-45％，R3的位置为远离刀柄的内侧，R1的位置是远离刀柄的外侧，R2的位置是靠近刀柄侧，R1和R3作为磨削平面时的进刀、退刀的工艺圆角；

所述外圆平面E类刀具为：E类砂轮沿机体中心线上钻有中心孔(9)，钻孔体积不超过刀具整体的体积的1/3，中心孔(9)的左右两侧对称设置有盲孔或沉孔(12)，外径尺寸范围D可以从50-200mm，一次加工外表面宽度T为6-100mm，工作面上镀不同厚度的金刚石、CBN，金刚石、CBN颗粒大小为0.6-1.18mm，埋入率为35％-55％。并且，所述五类刀具的头部均设置有防护套。

所述柄部上设置有左、右手动按压开关和刻度显示器，左按压开关用于控制伸缩结构的伸长，右按压开关用于控制伸缩结构的缩短，刻度显示器用于显示伸缩结构的实际伸缩距离。

所述工作台上设置有对加工后的工件进行清理的自动系统；所述清理系统包括刷头和刷柄，刷柄固定于工作台上，且刷柄中间设置有可供冲洗液及空气流通的通孔，刷头对称设置于工作台两端。自动系统与电控柜内的PLC统一控制。

进一步包括机器人的控制系统，在刀具前端设置压力传感器，压力传感器用于实时监测工具头工作时的压力，压力传感器测定的压力值通过无线传输至控制系统，并将该压力值输入到加工过程逆动力学模型后得到期望打磨力，经过控制系统的力控制后应用于工件加工过程。根据反问题理论及打磨系统刚度模型，经过对大量打磨试验数据进行分析后建立打磨过程的逆动力学模型。将测量系统获得的工件实际尺寸模型与理想模型比较，获得期望打磨量，将其输入到打磨过程逆动力学模型后得到期望打磨力，经过力控制后应用于工件打磨过程。打磨过程中实际的接触力反馈到机器人力控制单元，通过修正实际输出力的大小，无限靠近期望磨削力。同时，根据打磨量数据反馈，修正磨削过程逆动力学模型，使得期望打磨力与期望打磨量更加匹配。

本发明的技术有点在于：本发明充分发挥了电镀金刚石、CBN制品的优势，设计出成套的金刚石、CBN打磨工具，解决了铸件打磨去毛刺及新型材料难切削加工问题。把工业机器人打磨工具从普通工具替换为电镀成套工具，稳定和提高了打磨质量和产品光洁度，保证其一致性，解决了对大型工件(航空航天机舱、船体、风能叶片、复合材料管道等)的打磨，及复杂轮廓工件(发动机叶片、缸体缸盖等各种铸件)的一体化去毛刺、抛光加工。适应工业4.0的发展及《中国制造2025》的要求。

附图说明：

图1-3是开槽A类结构示意图；

图4-7是切割B类结构示意图；

图8-9是倒角C类结构示意图；

图10是弧面D类结构示意图；

图11-12是外圆平面E类结构示意图；

其中，图中附图标记的说明为：柄部-1，头部-2，阶梯状台阶结构-3，倒边锥面结构-4，“U”形槽-5，圆点瓣-6，三角形瓣-7，矩形瓣-8，中心孔-9，角度结构-10，弧面结构-11，盲孔或沉孔-12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明采用了成套设计的打磨工具，包含了A类(开槽)、B类(切割)、C类(倒角)、D类(弧面)、E类(外圆平面)。由于工业机器人多自由度、多工位、多手臂的特性，一个机器人上面可以安装7-10件打磨工具，通过选装我们设计出的成套的打磨工具，可以实现工件打磨的集成化生产。将生产周期大大缩短。经试验可将一片风叶片的打磨时间从11天缩短为1天。下面详细介绍一下各种类工具的设计理念及作用。

本发明提供一种成套的金刚石、CBN打磨工具，解决了铸件打磨去毛刺及新型材料难切削加工问题。把工业机器人打磨工具从普通工具替换为电镀成套工具，稳定和提高了打磨质量和产品光洁度，保证其一致性，解决了对大型工件(航空航天机舱、船体、风能叶片、复合材料管道等)的打磨，及复杂轮廓工件(发动机叶片、缸体缸盖等各种铸件)的一体化去毛刺、抛光加工。

本实施例具体包括机器人、工作台和刀具，机器人具有一个或者多个手臂，机器人手臂的末端安装带有自动换刀功能的动力头，机器人可在臂展范围内360°任意移动该动力头；在机器人臂展范围内放置自动刀具库，自动刀具库为立方体或圆形盒子状，其内部排列安放多种不同的备用刀具，自动刀具库箱体顶部带有一侧可打开的防尘罩，防尘罩用合页与自动刀具库箱体连接；工作台固定在基座上，工作台有两个以上的工作位置，远离机器人的一侧为上件及下件工位，靠近机器人的一侧为打磨工位，中间有一道横向的防护隔板，将两个工作位置隔离开；其中，机器人本身的动作由其自带的控制器控制运行，其余设备由固定在机器人后方电控柜内的PLC统一控制，如工作台的转动与夹紧，动力头的启停、松刀与拉刀，防尘罩的开与合。

所述备用刀具由与机器人工作臂固定连接的柄部1，设置在工作前端的头部2构成，柄部与头部一体设置，柄部与机器人工作臂固定的一端设置为一阶梯状台阶结构3或者倒边锥面结构4，柄部设置为可调节伸缩结构，采用二级或多级套管配合，进行可调节伸缩；所述头部电镀有一金刚石、CBN细颗粒层，柄部与机器人的装夹方式为外圆装夹或螺纹锁紧。

所述头部包括五类刀具，分别为开槽A类、切割B类、倒角C类、弧面D类和外圆平面E类。

开槽A类：通过尾部与之配套的工业机器人的装夹方式选定为外圆装夹(d)和螺纹锁紧(M)，设计出可变角度的磨槽轮，头部的可磨槽型分别为“V”形槽、矩形槽、梯形槽、“U”形槽及其它类似形状，槽两侧角度A°范围为30°-150°，磨削过程中开槽宽度W2小于等于工件设计宽度W1，开槽深度T2小于设计深度T1，另外A轮乙面上镀不同厚度的金刚石、CBN，实现对工件甲面的磨削。A类轮乙面上镀不同厚度的金刚石、CBN，其最优选的金刚石、CBN颗粒大小为0.212-0.3mm，埋入率为40％-50％；可配合工业机器人，实现更加高效的槽型磨削，满足不同截面的打磨。例如，型腔的内壁凹槽等。

切割B类：在工具上设计出不同开槽方向形状的槽，(如U形槽，图2中B-1-2所示)槽型为“V”形槽、矩形槽、梯形槽或“U”形槽5，平面上电镀出不同花型，花型为圆点瓣6、三角形瓣7或矩形瓣8，利于排屑，防止砂轮堵塞。各花型沿平面中心均匀分布，沿机体中心线上钻有中心孔9，图2中B-1-2所示，钻孔体积不超过刀具整体的体积的1/3，做减重处理，实现工具的轻量化。通过调整镀砂区域，实现切割，打磨，粗抛光的工具整合。乙面上镀不同厚度的金刚石、CBN，其最优选的金刚石、CBN颗粒大小为0.125-0.18mm，埋入率为55％-60％。

倒角C类：在C轮上设计出角度结构10和弧面结构11，角度又可以分为内倒角和外倒角的加工，角度为10°-150°任一角度，深度L1可从10到100mm，弧面结构包括圆弧倒角(图9中C-1-2所示)，其弧度为0-360°任一角度，适宜深槽槽底的打磨及孔边的倒角，C类轮乙面上镀不同厚度的金刚石、CBN，其最优选的金刚石、CBN颗粒大小为0.355-0.6mm，埋入率为35％-45％。

弧面D类：弧面包括上弧面、左弧面及右弧面，上弧面宽度L1范围变化为6-200mm，上弧面半径SR可以从10mm到无穷大，左弧面半径R1和右弧面半径R2的范围为0.2-100mm,其范围为最佳效果，防止砂轮在进刀、退刀时碰撞砂轮，损伤工件及机器人。弧面整体宽度L为6-300mm,甲面镀金刚石、CBN，金刚石、CBN颗粒大小为0.355-0.85mm，埋入率为35％-45％，R3的位置为远离刀柄的内侧，R1的位置是远离刀柄的外侧，R2的位置是靠近刀柄侧，R1和R3作为磨削平面时的进刀、退刀的工艺圆角。对于磨削量较小的平面可以一次加工出，减少了换装时间，提高效率。

外圆平面E类：E类砂轮沿机体中心线上钻有中心孔9，钻孔体积不超过刀具整体的体积的1/3，中心孔的左右两侧对称设置有盲孔或沉孔12，整体尺寸范围D可以从50-200mm，一次加工外表面宽度T为6-100mm。乙面上镀不同厚度的金刚石、CBN，金刚石、CBN颗粒大小为0.6-1.18mm，埋入率为35％-55％。针对一些中型和大型工件，亦可实现个别部位的内表面磨削。

以上五类刀具的头部均设置有防护套。

由于传统的机器人打磨工具不耐用寿命低，其在加工时尺寸一致性差，精度和粗糙度难以保证，对于工件要求高的工件，不能一次加工完成，这就需要重复加工。而本发明设计出的机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，在保证工件的打磨要求的基础上，无论从尺寸的一致性还是均匀性方面都可以满足长时间精磨打磨的要求。另外，从金刚石、CBN尺寸选择、埋入率深浅上，通过大量的磨削计算和试验。整理出了最适合机器人打磨的专用金刚石、CBN工具。本发明的技术难点不仅在于金刚石、CBN尺寸的选择，而且在于埋入率厚度的确定。最终对于各类工具的的金刚石、CBN颗粒尺寸选择和埋入率确定如下表1所示：

另外，所述柄部上设置有左、右手动按压开关和刻度显示器，左按压开关用于控制伸缩结构的伸长，右按压开关用于控制伸缩结构的缩短，刻度显示器用于显示伸缩结构的实际伸缩距离。方便根据显示器的刻度显示控制伸缩结构的距离，且方便实际操作，误差率小，保证进刀精度。

所述工作台上设置有对加工后的工件进行清理的自动系统。所述清理系统包括刷头和刷柄，刷柄固定于工作台上，且刷柄中间设置有可供冲洗液及空气流通的通孔，刷头对称设置于工作台两端。自动系统与电控柜内的PLC统一控制。实现自动清理功能，且可以根据不同工件选用不同的冲洗液冲洗或者是空气，可以达到直接吹出工件表面残余的工件屑的技术效果。

进一步包括机器人的控制系统，在刀具前端设置压力传感器，压力传感器用于实时监测工具头工作时的压力，压力传感器测定的压力值通过无线传输至控制系统，并将将该数值输入到加工过程逆动力学模型后得到期望打磨力，经过控制系统的力控制后应用于工件加工过程。根据反问题理论及打磨系统刚度模型，经过对大量打磨试验数据进行分析后建立打磨过程的逆动力学模型。将测量系统获得的工件实际尺寸模型与理想模型比较，获得期望打磨量，将其输入到打磨过程逆动力学模型后得到期望打磨力，经过力控制后应用于工件打磨过程。打磨过程中实际的接触力反馈到机器人力控制单元，通过修正实际输出力的大小，无限靠近期望磨削力。同时，根据打磨量数据反馈，修正磨削过程逆动力学模型，使得期望打磨力与期望打磨量更加匹配。

本发明充分发挥了电镀金刚石、CBN制品的优势，设计出成套的金刚石、CBN打磨工具，解决了铸件打磨去毛刺及新型材料难切削加工问题。把工业机器人打磨工具从普通工具替换为电镀成套工具，稳定和提高了打磨质量和产品光洁度，保证其一致性，解决了对大型工件(航空航天机舱、船体、风能叶片、复合材料管道等)的打磨，及复杂轮廓工件(发动机叶片、缸体缸盖等各种铸件)的一体化去毛刺、抛光加工。适应工业4.0的发展及《中国制造2025》的要求。

其优点是：采用一台机器人夹持动力头，可以针对工件不同外形特征来自动选用不同的刀具进行打磨作业，占用空间小，布局紧凑，安全可靠，轨迹精确，质量稳定。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，包括机器人、工作台和刀具，其特征在于：

所述机器人具有一个或者多个手臂，机器人手臂的末端安装带有自动换刀功能的动力头，在机器人臂展范围内放置自动刀具库，所述自动刀具库为立方体或圆形盒子状，其内部排列安放多种不同的备用刀具，所述自动刀具库箱体顶部带有一侧可打开的防尘罩，所述防尘罩与自动刀具库箱体用合页连接；所述工作台固定在基座上，工作台有两个以上的工作位置，远离机器人的一侧为上件及下件工位，靠近机器人的一侧为打磨工位，中间设置一道横向的防护隔板，将两个工作位置隔离开；其中，机器人本身的动作由其自带的控制器控制运行，其余设备由固定在机器人后方电控柜内的PLC统一控制；

所述备用刀具由与机器人工作臂固定连接的柄部(1)、设置在柄部(1)前端的头部(2)构成；所述柄部(1)与头部(2)一体设置，柄部(1)与机器人工作臂固定的一端为阶梯状台阶结构(3)，柄部(1)为可调节伸缩结构，采用二级或多级套管配合，以进行可调节伸缩；所述头部(2)电镀有一金刚石、CBN细颗粒层，柄部(1)与机器人的装夹方式为外圆装夹或螺纹锁紧；

所述头部(2)包括五类刀具，分别为：开槽A类刀具、切割B类刀具、倒角C类刀具、弧面D类刀具和外圆平面E类刀具；

所述开槽A类刀具为：头部(2)的可磨槽型分别为“V”形槽、矩形槽、梯形槽或“U”形槽(5)，槽两侧角度A°范围为30°-150°，磨削过程中开槽宽度W2小于或等于工件设计宽度W1，开槽深度T2小于设计深度T1，A类轮工作面上镀不同厚度的金刚石、CBN，金刚石、CBN颗粒的大小为0.212-0.3mm，埋入率为40％-50％；

所述切割B类刀具为：在工具上设计出不同开槽方向形状的槽，槽型为“V”形槽、矩形槽、梯形槽或“U”形槽(5)，平面上电镀出不同花型，所述花型为圆点瓣(6)、三角形瓣(7)或矩形瓣(8)，各花型沿平面中心均匀分布，沿机体中心线上钻有中心孔(9)，钻孔体积不超过刀具整体的体积的1/3，工作面上镀不同厚度的金刚石、CBN，金刚石、CBN颗粒的大小为0.125-0.18mm，埋入率为55％-60％；

所述倒角C类刀具为：在C轮上设计出角度结构(10)和弧面结构(11)，角度又可以分为内倒角和外倒角的加工，角度为10°-150°任一角度，深度L1可从10到100mm，弧面结构包括圆弧倒角，其弧度为0-360°任一角度，适宜深槽槽底的打磨及孔边的倒角，C类轮工作面上镀有不同厚度的金刚石、CBN，金刚石、CBN颗粒大小为0.355-0.6mm，埋入率为35％-45％；

所述弧面D类刀具为：弧面包括上弧面、左弧面及右弧面，上弧面宽度L1范围变化为6-200mm，上弧面半径SR可以从10mm到无穷大，左弧面半径R1和右弧面半径R2的范围约为0.2-100mm，弧面整体宽度L为6-300mm，工作面镀金刚石、CBN，金刚石、CBN颗粒大小为0.355-0.85mm，埋入率为35％-45％，R3的位置为远离刀柄的内侧，R1的位置是远离刀柄的外侧，R2的位置是靠近刀柄侧，R1和R3作为磨削平面时的进刀、退刀的工艺圆角；

所述外圆平面E类刀具为：E类砂轮沿机体中心线上钻有中心孔(9)，钻孔体积不超过刀具整体的体积的1/3，中心孔(9)的左右两侧对称设置有盲孔或沉孔(12)，外径尺寸范围D可以从50-200mm，一次加工外表面宽度T为6-100mm，工作面上镀不同厚度的金刚石、CBN，金刚石、CBN颗粒大小为0.6-1.18mm，埋入率为35％-55％。

2.根据权利要求1所述的机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，其特征在于：所述柄部(1)上设置有左、右手动按压开关和刻度显示器，左按压开关用于控制伸缩结构的伸长，右按压开关用于控制伸缩结构的缩短，刻度显示器用于显示伸缩结构的实际伸缩距离。

3.根据权利要求1所述的机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，其特征在于：所述工作台上设置有对加工后的工件进行清理的自动系统。

4.根据权利要求3所述的机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，其特征在于：所述清理的自动系统包括刷头和刷柄，刷柄固定于工作台上，且刷柄中间设置有可供冲洗液及空气流通的通孔，刷头对称设置于工作台两端。

5.根据权利要求4所述的机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，其特征在于：所述清理的自动系统由电控柜内的PLC统一控制。

6.根据权利要求1所述的机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，其特征在于：进一步包括机器人自带的控制系统，在刀具前端设置有压力传感器，压力传感器用于实时监测工具头工作时的压力。

7.根据权利要求6所述的机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，其特征在于：所述压力传感器测定的压力值通过无线传输至控制系统，并将所述压力值输入到加工过程逆动力学模型后得到期望打磨力，经过控制系统的力控制后反馈于工件加工过程。

8.根据权利要求1所述的机器人打磨专用金刚石、CBN成套工具，其特征在于：五类刀具的头部(2)均设置有防护套。