CN107932278B - 一种叶片全特征机器人磨抛装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于复杂曲面制造领域，并公开了一种叶片全特征机器人磨抛装置。该叶片磨抛装置包括自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构，三者分别磨抛叶片的叶背和叶缘、叶盆、阻尼台和叶根转角位置，由此实现叶片所有特征的磨抛；其中，每个机构均包括连接法兰、音圈电机、力传感器、电机和打磨模块，音圈电机设置在连接法兰上，且与力传感器之间通过滑块连接，力传感器与打磨模块连接用于测量打磨模块实际的磨削力，电机与打磨模块连接用于驱动打磨模块，连接法兰用于将磨抛装置与外界机器人连接。通过本发明，实现根据磨削余量的不同的变力磨抛，同时实现叶片表面全特征的磨抛，力反馈响应速度快，磨抛精度高。

Description

一种叶片全特征机器人磨抛装置

技术领域

本发明属于复杂曲面制造领域，更具体地，涉及一种叶片全特征机器人磨抛装置。

背景技术

叶片表面质量和型面精度对航空发动机、燃气轮机以及汽轮机的气流动力性和使用性能影响巨大，提高叶片表面加工精度是改进其质量的重要措施之一。叶片曲面相对复杂，叶身扭曲程度大，普通机床难以实现对叶片的表面精加工。目前一些发达国家在叶片复杂曲面自动化磨抛加工装备研制方面成果突出，已将数控砂带磨床、机器人磨抛系统等广泛应用于工业生产。典型的如德国Metabo公司于1986年研制的叶片六轴联动砂带磨削机床，通过增加压力轴实现叶片的恒力磨抛，能够对复杂自由曲面进行高效、高精密磨抛；瑞士Willemin公司研制的W518TB和W528TB磨抛加工中心，也实现了叶片型面的高精密加工；另外世界上知名的机器人制造商如KUKA、ABB、FUNUC等结合人工智能、传感、视觉识别等技术成功研制了新一代的机器人磨抛设备。我国叶片砂带磨抛研究起步较晚，针对复杂自由曲面零部件的数控加工技术还不成熟，目前国内叶片型面的打磨主要以人工打磨为主，人工打磨劳动强度大，工作效率低，打磨质量受工人技术水平和环境影响较大，很难保证叶片的打磨精度一致。

叶片自动化磨抛的方式主要包括数控机床磨抛和机器人磨抛两种。机器人由于具有容易控制、运动灵活、成本低等特点，在复杂工件的加工中应用较多。但是机器人的运动精度有限，再加上工件的装夹误差，实际加工的表面精度并不是很理想。目前在机器人打磨应用中，存在的难点之一就是打磨力的控制。国内针对机器人打磨力控制做了大量研究，申请号为201610528002.7的发明专利中公开了一种“机器人磨抛系统及被动柔顺与主动柔顺混合控制方法”，通过力传感器测量磨抛机构与工件表面的磨抛力，并反馈给机器人本体的力控制器，通过被动柔顺装置和力控制器实现恒力控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种叶片全特征机器人磨抛装置，通过自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构的设置，对叶片不同区域采用不同的磨抛方式，提高磨抛精度，同时通过控制器的设置，实现变力磨削的闭环控制，由此解决磨抛精度低和磨削力难于控制的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种叶片全特征机器人磨抛装置，该磨抛装置包括自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构，其特征在于，

所述自适应砂带磨抛机构用于磨抛叶片的叶背和叶缘；

所述接触轮式砂带磨抛机构用于磨抛叶片的叶盆；

所述自适应砂轮磨抛机构用于磨抛叶片的阻尼台和叶根转角位置，由此实现叶片所有特征的磨抛；

其中，所述自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构均包括连接法兰、音圈电机、力传感器、电机和打磨模块，

所述音圈电机设置在所述连接法兰上，该音圈电机与所述力传感器之间通过滑块连接，所述力传感器与所述打磨模块连接，用于测量所述打磨模块实际的磨削力，所述电机与所述打磨模块连接，用于驱动所述打磨模块，所述音圈电机驱动所述滑块沿该音圈电机的中心轴上线性运动，由此带动所述打磨模块横向线性运动，从而实现打磨模块磨削力的调整，此外，所述连接法兰用于将所述磨抛装置与外界机器人连接。

进一步优选地，所述自适应砂带磨抛机构的打磨模块包括主动轮、接触轮和砂带，该打磨模块呈三角形，两个接触轮和主动轮构成三角形的顶点，砂带为三角形的三条边，所述两个接触轮之间的砂带与待磨抛物接触实现磨抛。

进一步优选地，所述接触轮式砂带磨抛机构的打磨模块包括主动轮、张紧轮和接触轮，三者形成三角形，三角形的边设置为砂带，所述接触轮与待磨抛物接触实现磨抛，此外，所述张紧轮上还设置有弹簧张紧装置，用于张紧所述砂带。

进一步优选地，所述自适应砂轮磨抛机构的打磨模块包括皮带主动轮、皮带从动轮、皮带和砂轮，所述主动轮、皮带从动轮和皮带构成传动机构，所述电机通过该传动机构驱动砂轮转动，该砂轮与待磨抛物接触实现磨抛。

进一步优选地，所述磨抛装置还包括接触轮支撑架、导轨和弹簧，所述接触轮支撑架呈Y字型，Y字的两个顶点分别与所述接触轮连接，用于支撑两个接触轮并保证二者之间的距离，Y字的竖梁上设置有所述导轨和弹簧，所述接触轮支撑架沿导轨滑动，并带动所述接触轮前后运动，由此实现所述接触轮之间的砂带与待磨抛物接触时砂带的张紧。

进一步优选地，所述自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构均分别设置有控制器，该控制器将驱动指令传送给所述音圈电机，该音圈电机驱动所述滑块带动所述打磨模线性运动，使得所述打磨模块按照驱动指令中的磨削力磨抛，所述力传感器测量所示打磨模块实际磨削力并反馈给所述控制器，该控制器根据该反馈的实际磨削力调整驱动指令，从而形成磨削力的闭环控制。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过采用自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构，针对叶片的不同区域采用不同的磨抛机构磨抛，实现叶片上全部特征的磨抛，同时分区域的磨抛提高了磨抛精度；

2、本发明通过在自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构中设置控制器，与现有将力信号反馈给机器人本体控制器的方法相比，机器人作为力控执行器质量和惯性较大，考虑机器人运动的稳定性，机器人本体控制器滤掉了高频信号，使得机器人响应带宽小，响应速度慢，而磨抛装置中的控制器可以直接响应输入的力信号，响应速度快；

3、本发明通过采用力传感器，并与控制器和音圈电机构成闭环控制结构，由此可以根据机器人磨削轨迹上磨削余量的不同，实现磨抛装置的变力磨抛。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的自适应砂带磨抛机构结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的自适应砂带磨抛机构的打磨模块的俯视图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的接触轮式砂带磨抛机构的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的自适应砂轮磨抛机构的结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的叶片结构示意图；

图6是与本发明连接的机器人结构示意图。

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-音圈电机 3-滑块 4-力传感器 5-法兰I 6-电机 7-主动轮 8-弹簧 9-弹簧轴 10-导轨 11-接触轮支撑架 12-接触轮 13-砂带 14-法兰II 15-弹簧张紧装置 16-张紧轮 17-法兰III 18-皮带主动轮 19-皮带 20-皮带从动轮 21-砂轮夹 22-砂轮

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。

磨抛装置包括自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构三种实现方式，连接法兰将磨抛装置与机器人(如图6所示)连接，用于将机器人的宏观位姿控制和磨抛装置的微观磨抛力控制连接起来，六自由度串联工业机器人(以下简称为机器人)用于提供自适应磨抛装置的宏观位姿控制，使其按照规划的刀路轨迹运动,其有益效果是机器人运动灵活，可以对扭转角达45°的叶片的进行全特征刀路规划。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的自适应砂带磨抛机构结构示意图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的自适应砂带磨抛机构的打磨模块的俯视图，如图1和2所示，自适应砂带磨抛机构包括控制器、音圈电机2、滑块3、力传感器4、法兰I5、电机6、主动轮7、张紧弹簧8、弹簧轴9、导轨10、接触轮支撑架11、接触轮12和砂带13，音圈电机2驱动滑块3做线性运动；力传感器4通过螺栓分别与滑块3和法兰I5相连；电机6固定在法兰I5上，电机6驱动主动轮7高速旋转，同时带动接触轮12和砂带13高速运动，音圈电机设置在连接法兰上，用来驱动滑块线性运动，实现砂带切削深度的微调，使砂带与工件按照规划的磨削力接触，为整个磨抛装置提供较小的线性移动；力传感器为一维力传感器，设置在滑块和法兰之间，用来测量砂带与工件之间的磨抛力，并反馈给控制器；法兰设置在力传感器上，调速电机、主动轮、接触轮、自动张紧装置和砂带设置在法兰上，电机驱动主动轮，带动两个接触轮运动，使砂带高速旋转。

自动张紧装置包括接触轮支撑架、导轨、张紧弹簧和弹簧轴。接触轮支撑架能在导轨中线性滑动，张紧弹簧通过弹簧轴安装在接触轮支撑架和法兰上，弹簧轴起导向作用，使张紧弹簧在固定方向伸缩，自动张紧砂带。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的接触轮式砂带磨抛机构的结构示意图，如图3所示，接触轮式砂带磨抛机构包括控制器、音圈电机2、滑块3、力传感器4、法兰II14、电机6、主动轮7、弹簧张紧装置15、张紧轮16、接触轮12和砂带13。音圈电机2设置在连接法兰1上，音圈电机2驱动滑块3线性移动。力传感器4为一维力传感器，设置在滑块3和法兰II14之间，用来测量砂带13与工件之间的磨抛力，并反馈给控制器。电机6、主动轮7、弹簧张紧装置15、张紧轮16、接触轮12和砂带13安装在法兰II14上，电机6用于驱动砂带和砂轮的高速运转，具体地，电机6首先驱动主动轮7，然后带动砂带13高速运转，弹簧张紧装置15起张紧作用。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的自适应砂轮磨抛机构的结构示意图，如图4所示，自适应砂轮磨抛机构磨削叶片阻尼台和叶根转角。其包括：音圈电机2、滑块3、力传感器4、法兰III17、电机6、皮带主动轮18、皮带19、皮带从动轮20、砂轮夹21和椭圆形砂轮22。音圈电机2做直线运动驱动滑块3做线性运动；力传感器4通过螺栓连接在滑块3和法兰III17上，法兰Ⅰ、Ⅱ和III结构不同；电机6驱动椭圆形砂轮22高速旋转，椭圆形砂轮22装夹在砂轮夹21上。音圈电机设置在连接法兰上，音圈电机驱动滑块线性移动。力传感器为一维力传感器，设置在滑块和法兰之前，用来测量砂轮与工件表面的磨抛力，并反馈给控制器。电机、皮带主动轮、皮带、皮带从动轮、砂轮夹和椭圆形砂轮安装在法兰上，砂轮夹用来夹紧椭圆形砂轮。电机通过皮带传动驱动砂轮夹和椭圆形砂轮运动，实现工件表面磨抛。

下面将分别介绍自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构的具体工作过程。

(1)自适应砂带磨抛机构

自适应砂带磨抛机构磨削叶片叶背和叶缘，叶背和叶缘为凸面，砂带13与叶背接触，在一定的磨抛力的作用下，砂带13会在叶背表面变形，包裹在叶背表面。此时，如图2所示，接触轮支撑架11受力，沿导轨10线性运动，张紧弹簧8受力，在弹簧轴9上收缩；当砂带13与叶片分离时，弹簧伸张，实现自动张紧功能。具体步骤如下。

步骤S101：机器人按照预定规划的轨迹从初始点移动到进刀点，此过程中自适应砂带磨抛机构不工作。当砂带13到达进刀点时，控制器开始工作，控制电机6运转，驱动砂带13高速运动。

步骤S102：由于叶片表面存在刀痕，因此当机器人按照预定规划的轨迹运动时，轨迹上不同点的磨削余量并不相同。当砂带13与工件表面接触时，控制器控制音圈电机2线性运动，使砂带13与工件表面的磨抛力达到预定的数值。

步骤S103：机器人按照预定轨迹运动，提供宏观位姿控制，当轨迹上的磨削余量发生变化时，控制器控制音圈电机2线性运动，提供微观磨抛力控制，使磨抛力跟随磨削余量的变化而变化，控制磨削余量大的地方磨抛力大，磨削余量小的地方磨抛力小。

(2)接触轮式砂带磨抛机构

接触轮式砂带磨抛机构磨抛叶片叶盆部分，叶盆为凹面，此时接触轮12支撑砂带13与叶片接触，接触方式为线接触，控制机器人位姿使得接触线与叶盆曲面主曲率方向相同，不会产生过切现象，磨削精度高。具体步骤如下：

步骤S201：机器人按照预定规划的轨迹从初始点移动到进刀点，此过程中接触轮式砂带磨抛机构不工作。当砂带13到达进刀点时，控制器开始工作，控制电机6运转，驱动砂带13高速运动。

步骤S202：由于叶片表面存在刀痕，因此当机器人按照预定规划的轨迹运动时，轨迹上不同点的磨削余量并不相同。当砂带13与工件表面接触时，控制器控制音圈电机2线性运动，通过接触轮12使砂带13与工件表面的磨抛力达到预定的数值。

步骤S203：机器人按照预定轨迹运动，提供宏观位姿控制，当轨迹上的磨削余量发生变化时，控制器控制音圈电机2提供微观磨抛力控制，使磨抛力跟随磨削余量的变化而变化，实现变力自适应磨抛。

(3)自适应砂轮磨抛机构

自适应砂轮磨抛机构磨抛叶片阻尼台和叶根转角位置，阻尼台和叶根转角曲率较大，此时使用椭圆形砂轮22侧面与叶片接触，接触方式近似为点接触，椭圆形砂轮22尺寸较小，可以实现叶片精密磨抛。具体操作步骤如下。

步骤S301：机器人按照规划的轨迹运动到下刀点的过程中，自适应砂轮磨抛机构不工作。当椭圆形砂轮22到达下刀点后，控制器驱动电机6运转，带动椭圆形砂轮22高速旋转。

步骤S302：当椭圆形砂轮22与工件表面接触时，控制器控制音圈电机6线性运动，使椭圆形砂轮22与工件表面的磨抛力达到预定的数值。

步骤S303：机器人按照规划的轨迹运动，提供宏观的位姿控制；控制器控制音圈电机2运动，提供微观磨抛力控制，使椭圆形砂轮22与工件之间的磨抛力随着轨迹点上磨削余量的变化而变化，实现变力磨抛。

电机6可以根据不同的磨削需求和磨削工艺调整转速；砂带13和椭圆形砂轮22均可根据磨削需求和磨削工艺更换型号。

上述技术方案中的音圈电机仅为实现本方案中变力磨削的一个个例，并不仅限于此，还包括直线模组、气动装置和液压装置等其他方式。

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 (6)

1.一种叶片全特征机器人磨抛装置，该叶片磨抛装置包括自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构，其特征在于，

所述自适应砂带磨抛机构用于磨抛叶片的叶背和叶缘；

所述接触轮式砂带磨抛机构用于磨抛叶片的叶盆；

所述自适应砂轮磨抛机构用于磨抛叶片的阻尼台和叶根转角位置，由此实现叶片所有特征的磨抛；

其中，所述自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构均包括连接法兰、音圈电机、力传感器(4)、电机(6)和打磨模块，

所述音圈电机设置在所述连接法兰上，该音圈电机与所述力传感器之间通过滑块(3)连接，所述力传感器(4)与所述打磨模块连接，用于测量所述打磨模块实际的磨削力，所述电机(6)与所述打磨模块连接，用于驱动所述打磨模块，所述音圈电机驱动所述滑块(3)沿该音圈电机的中心轴上线性运动，由此带动所述打磨模块横向线性运动，从而实现打磨模块磨削力的调整，此外，所述连接法兰(1)用于将所述磨抛装置与外界机器人连接。

2.如权利要求1所述的一种叶片全特征机器人磨抛装置，其特征在于，所述自适应砂带磨抛机构的打磨模块包括主动轮(7)、接触轮(12)和砂带(13)，该打磨模块呈三角形，两个接触轮和主动轮构成三角形的顶点，砂带为三角形的三条边，所述两个接触轮之间的砂带与待磨抛物接触实现磨抛。

3.如权利要求1所述的一种叶片全特征机器人磨抛装置，其特征在于，所述接触轮式砂带磨抛机构的打磨模块包括主动轮(7)、张紧轮(16)和接触轮(12)，三者形成三角形，三角形的边设置为砂带(13)，所述接触轮与待磨抛物接触实现磨抛，此外，所述张紧轮上还设置有弹簧张紧装置(15)，用于张紧所述砂带。

4.如权利要求1所述的一种叶片全特征机器人磨抛装置，其特征在于，所述自适应砂轮磨抛机构的打磨模块包括皮带主动轮(18)、皮带从动轮(20)、皮带(19)和砂轮(22)，所述主动轮、皮带从动轮和皮带构成传动机构，所述电机通过该传动机构驱动砂轮转动，该砂轮与待磨抛物接触实现磨抛。

5.如权利要求2所述的一种叶片全特征机器人磨抛装置，其特征在于，所述磨抛装置还包括接触轮支撑架(11)、导轨(10)和弹簧(8)，所述接触轮支撑架呈Y字型，Y字的两个顶点分别与所述接触轮连接，用于支撑两个接触轮并保证二者之间的距离恒定，Y字的竖梁上设置有所述导轨和弹簧，所述接触轮支撑架沿导轨滑动，并带动所述接触轮前后运动，由此实现所述接触轮之间的砂带与待磨抛物接触时砂带的张紧。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种叶片全特征机器人磨抛装置，其特征在于，所述自适应砂带磨抛机构、接触轮式砂带磨抛机构和自适应砂轮磨抛机构均分别设置有控制器，该控制器将驱动指令传送给所述音圈电机，该音圈电机驱动所述滑块带动所述打磨模块线性运动，使得所述打磨模块按照驱动指令中的磨削力磨抛，所述力传感器测量所示打磨模块实际磨削力并反馈给所述控制器，该控制器根据该反馈的实际磨削力调整驱动指令，从而形成磨削力的闭环控制。