CN107598765B - 一种全电数字化两自由度力控磨头装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能加工制造技术领域，其公开了全电数字化两自由度力控磨头装置，其用于复杂曲面零件的打磨及抛光，所述全电数字化两自由度力控磨头装置包括双自由度伺服平台、力传感器、磨头电机、磨头及控制组件，所述力传感器连接所述双自由度伺服平台及所述磨头电机，所述磨头连接于所述磨头电机，所述控制组件分别连接于所述力传感器、所述磨头电机及所述双自由度伺服平台。本发明提供的全电数字化两自由度力控磨头装置的自动化程度高，成本低，加工效率高，灵活性较高，且可以减小工件的加工变形及加工区的应力集中，避免了抛光中的不均匀。

Description

一种全电数字化两自由度力控磨头装置

技术领域

本发明属于智能加工制造技术领域，更具体地，涉及一种全电数值化两自由度力控磨头装置。

背景技术

在航空航天、汽车、船舶等领域中，许多核心零件都具有复杂的曲面，这些曲面不能由初等解析曲面组成，因此复杂曲面的高效高质量的加工一直是国内外制造难题。

目前，针对自由曲面的光整加工主要采用手工研磨的方式，但该方式劳动强度较大、加工效率低、磨抛余量不均匀、零件表面一致性受工人技术熟练程度影响很大。实际工作过程中，技术工人采用检测样板来规划磨抛加工余量及评估磨抛加工质量，样品检测效率低，通用性差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种全电数字化两自由度力控磨头装置，其基于现有自由曲面的光整加工特点，研究及设计了一种全电数字化两自由度力控磨头装置。所述全电数字化两自由度力控磨头装置的所述力传感器用于检测所述磨头与所述工件之间的接触力，以实现对抛光过程中的接触力及磨抛力的实时监测，实现了智能加工，使得工件的尺寸可控性较高，型面精度及表面一致性较好，且工件加工质量不受人为因素影响。此外，所述双自由度伺服平台用于带动所述磨头在XY平面运动，以实现所述磨头与待加工的工件之间的柔性接触，避免刚性接触所存在的加工冲击；同时通过力反馈，实现抛光过程中的力检测，通过变阻抗力控算法来调整平台的进给量，从而保证稳定顺应的抛光过程。

为实现上述目的，本发明提供了一种全电数字化两自由度力控磨头装置，其用于复杂曲面零件的打磨及抛光，其特征在于：

所述全电数字化两自由度力控磨头装置包括双自由度伺服平台、力传感器、磨头电机、磨头及控制组件，所述力传感器连接所述双自由度伺服平台及所述磨头电机，所述磨头连接于所述磨头电机，所述控制组件分别连接于所述力传感器、所述磨头电机及所述双自由度伺服平台；

所述双自由度伺服平台用于带动所述磨头在XY平面运动，以实现所述磨头与待加工的工件之间的柔性接触；所述力传感器用于检测所述磨头与所述工件之间的接触力，以实现对抛光过程中的接触力及磨抛力的实时监测；同时，所述力传感器还用于将检测到的力信息传输给所述控制组件，所述控制组件用于根据接收到的所述力信息来控制所述双自由度伺服平台及所述磨头电机的运动。

进一步地，所述磨头可拆卸地连接于所述磨头电机。

进一步地，所述力传感器为一个三维力传感器。

进一步地，所述双自由度伺服平台包括移动平台、两个伺服电机及两个滚珠丝杠机构，两个所述伺服电机分别连接于两个所述滚珠丝杠机构，两个所述滚珠丝杠机构正交设置，所述移动平台连接于所述滚珠丝杠机构。

进一步地，所述控制组件分别连接于两个所述伺服电机，其用于控制两个所述伺服电机的运动，进而控制所述移动平台在X方向及Y方向的移动。

进一步地，两个所述伺服电机均采用光电编码器进行位置检测，所述光电编码器还用于将检测到的对应的伺服电机的当前位置信息传输给所述控制组件。

进一步地，所述全电数字化两自由度力控磨头装置还包括连接法兰，所述全电数字化两自由度力控磨头装置通过所述连接法兰连接于机器人执行末端或者机床。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的全电数字化两自由度力控磨头装置主要具有以下有益效果：

1.所述力传感器用于检测所述磨头与所述工件之间的接触力，以实现对抛光过程中的接触力及磨抛力的实时监测，实现了智能加工，使得工件的尺寸可控性较高，型面精度及表面一致性较好；

2.所述力传感器还用于将检测到的力信息传输给所述控制组件，所述控制组件用于根据接收到的所述力信息来控制所述双自由度伺服平台及所述磨头电机的运动，智能控制加工，劳动强度较小，成本低，加工效率较高；

3.所述双自由度伺服平台用于带动所述磨头在XY平面运动，以实现所述磨头与待加工的工件之间的柔性接触，避免刚性接触所存在的加工冲击；同时通过力反馈来实现抛光过程中的力检测，通过变阻抗力控算法来调整平台的进给量，从而保证稳定顺应的抛光过程；

4.所述全电数字化两自由度伺服平台的结构简单，使用方便，灵活性及自动化程度较高。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的全电数字化两自由度力控磨头装置的结构示意图；

图2是图1中的全电数字化两自由度力控磨头装置的双自由度伺服平台的结构示意图；

图3是图1中的全电数字化两自由度力控磨头装置的两个磨头的示意图；

图4是采用图1中的全电数字化两自由度力控磨头装置加工的自由曲面零件的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-连接法兰，2-双自由度伺服平台，3-力传感器，4-磨头电机，5-磨头，6-移动平台，7-伺服电机，8-槽口磨头端部，9-圆头磨头端部，10-磨头柄部，11-型面，12-叶根转角。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1至图4，本发明较佳实施方式提供的全电数字化两自由度力控磨头装置，所述全电数字化两自由度力控磨头装置通过磨头电机带动磨头打磨工件，同时，采用力传感器实现力反馈，由此实现打磨、抛光过程中的力检测，通过变阻抗力控来调整双自由度伺服平台的进给量，实现了稳定顺应的抛光过程。

所述全电数字化两自由度力控磨头装置包括连接法兰1、双自由度伺服平台2、力传感器3、磨头电机4、磨头5及控制组件，所述双自由度伺服平台2连接所述连接法兰1及所述力传感器3，所述磨头电机4连接于所述力传感器3，所述磨头5可拆卸地连接于所述磨头电机4。所述控制组件分别连接于所述双自由度伺服平台2、所述磨头电机4及所述力传感器3。

所述双自由度伺服平台2的一端通过所述连接法兰1连接于机器人执行末端或者机床，另一端连接于所述力传感器3。所述双自由度伺服平台2用于带动所述磨头5在XY平面内运动，以实现所述磨头5与工件之间的柔性接触，避免了刚性接触导致的加工冲击及磨抛力过大等问题。

所述双自由度伺服平台2包括移动平台6、两个伺服电机7及两个滚珠丝杠机构，两个所述伺服电机7分别连接于两个所述滚珠丝杠机构，两个所述滚珠丝杠机构正交设置，所述移动平台6连接于所述滚珠丝杠机构上。本实施方式中，所述控制组件分别连接于两个所述伺服电机7，其用于控制两个所述伺服电机7的运动，进而控制所述移动平台6在X方向及Y方向的移动；两个所述伺服电机7均采用光电编码器进行位置检测，所述光电编码器将检测到的对应的伺服电机7的当前位置信息传输给所述控制组件。

所述力传感器3用于检测所述磨头5与所述工件之间的接触力，以实现对抛光过程中的接触力及磨抛力的实时监测。同时，所述力传感器3将检测到的接触力信息传输给所述控制组件，所述控制组件通过变阻抗力控算法调整所述双自由度伺服平台2的位置，从而保证稳定顺应的恒力抛光过程，减小工件的加工变形及加工区的应力集中，提升磨抛精度。本实施方式中，所述力传感器3采用的是一个三维力传感器，可以理解，在其他实施方式中，所述力传感器3可以采用两个正交设置的一维拉压传感器。

所述磨头电机4连接所述力传感器3及所述磨头5，其用于驱动所述磨头5旋转，以提供磨抛力。所述磨头5作为刀具实现零件加工，可根据打磨零件不同的部位特征更换端部特征不同的磨头5，如槽口磨头及圆头磨头，所述槽口磨头包括磨头柄部10及连接于所述磨头柄部10的一端的槽口磨头端部8，所述磨头柄部10的另一端连接于所述磨头电机4。所述圆头磨头与所述槽口磨头基本相同，不同点在于，所述圆头磨头的一端连接的为圆头磨头端部9。

以下以整体叶盘的打磨及抛光为例对所述全电数字化两自由度力控磨头装置进行进一步的详细说明。根据所述叶盘的不同部位的结构特征，所述叶盘的打磨和抛光分为两个实施方案实施。

方案1：由于所述叶盘的型面11的曲率较小，加工该部位时，需要在所述槽口磨头上缠绕砂带，砂带末端不给予固定，砂带只是简单缠绕于所述槽口磨头上。机器人或机床控制磨头伸入所述型面11之间，所述控制组件通过控制所述双自由度伺服平台2在x、y方向微动，以避免所述磨头柄部10或所述槽口磨头端部8与所述型面11发生干涉。磨头在向待加工工件运动时，所述控制组件控制所述磨头电机4转动，所述槽口磨头端部8到达待加工位置时，所述控制组件控制机器人或机床调整末端磨头的姿态，使得缠绕砂带的所述槽口磨头8以其侧面与待加工型面11贴合，其后，所述控制组件控制机器人或机床控制磨头在待加工型面11运动，期间所述力传感器3测得所述磨头5在x、y方向上的受力，并将测得的力信息返回给所述控制组件，所述控制组件根据接收到的力信息来控制所述伺服电机7带动所述移动平台6运动，即带动所述磨头5在x、y方向上运动，实现所述槽口磨头端部8与所述型面11之间以一定的恒值力贴合。所述控制组件控制整个磨头机构(包括所述磨头电机4及所述磨头5)在所述型面11的整个表面上运动，以实现复杂曲面的光整加工。当缠绕在所述槽口磨头上的砂带砂砾磨损严重时，停机更换砂带重复上述步骤，直至打磨抛光结束。

方案2：所述叶盘的叶根转角12处曲率变化较大，将可替换槽口磨头取下，并将圆头磨头安装到所述磨头电机4的末端。所述控制组件启动所述磨头电机4，并控制机器人或机床调整整个磨头机构的位置姿态，使所述圆头磨头端部9到达待加工的叶根转角12处。此时，采用三维力传感器测得x、y、z三方向的力，并将测得的力信息反馈到所述控制组件，所述控制组件根据接收到的力信息控制机器人或机床在z方向上运动，并控制所述伺服电机7带动所述移动平台6运动，直到所述力传感器3返回期望恒值力，此后，所述控制组件控制整个磨头机构运动，以打磨待加工的叶根转角12处。

可以理解，在其他实施方式中，磨头可根据零件加工部位的特征更换，并不限于仅有两种类型的磨头，磨头的类型可以根据实际需要增加或者减少。

本发明提供的全电数字化两自由度力控磨头装置，所述全电数字化两自由度力控磨头装置的力传感器用于检测所述磨头与所述工件之间的接触力，以实现对抛光过程中的接触力及磨抛力的实时监测，实现了智能加工，使得工件的尺寸可控性较高，型面精度及表面一致性较好。此外，所述双自由度伺服平台用于带动所述磨头在XY平面运动，以实现所述磨头与待加工的工件之间的柔性接触，避免刚性接触所存在的加工冲击；同时通过力反馈，实现抛光过程中的力检测，通过变阻抗力控，调整平台的进给量，从而保证稳定顺应的抛光过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全电数字化两自由度力控磨头装置，其用于复杂曲面零件的打磨及抛光，其特征在于：

所述全电数字化两自由度力控磨头装置包括控制组件以及从上至下依次设置的双自由度伺服平台、三维力传感器、磨头电机和磨头，其中，所述双自由度伺服平台包括移动平台、两个伺服电机及两个滚珠丝杠机构，两个所述伺服电机位于移动平台的两侧，且分别连接于两个所述滚珠丝杠机构，两个所述滚珠丝杠机构正交设置，所述移动平台连接于两个滚珠丝杠机构；所述三维力传感器连接所述双自由度伺服平台的移动平台及所述磨头电机，所述磨头连接于所述磨头电机，所述控制组件分别连接于所述三维力传感器、所述磨头电机及所述双自由度伺服平台的两个伺服电机；

所述双自由度伺服平台用于带动所述磨头在XY平面运动，以实现所述磨头与待加工的工件之间的柔性接触，避免刚性接触存在的加工冲击；所述三维力传感器用于检测所述磨头与所述工件之间的接触力，以实现对抛光过程中的接触力的实时监测；同时，所述三维力传感器还用于将检测到的力信息传输给所述控制组件，所述控制组件用于根据接收到的所述力信息来控制所述双自由度伺服平台的两个伺服电机及磨头电机的运动。

2.如权利要求1所述的全电数字化两自由度力控磨头装置，其特征在于：所述磨头可拆卸地连接于所述磨头电机。

3.如权利要求1所述的全电数字化两自由度力控磨头装置，其特征在于：所述控制组件用于控制两个所述伺服电机的运动，进而控制所述移动平台在X方向及Y方向的移动。

4.如权利要求1所述的全电数字化两自由度力控磨头装置，其特征在于：两个所述伺服电机均采用光电编码器进行位置检测，所述光电编码器还用于将检测到的对应的伺服电机的当前位置信息传输给所述控制组件。

5.如权利要求1-4任一项所述的全电数字化两自由度力控磨头装置，其特征在于：所述全电数字化两自由度力控磨头装置还包括连接法兰，所述全电数字化两自由度力控磨头装置通过所述连接法兰连接于机器人执行末端或者机床。