CN109333188B - 一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，该系统主要包括底座，外罩，工业机器人，电主轴，旋转工作台，定位夹具，水槽，冷却排屑机，PLC与显示屏。钛合金环形铸件通过夹具定位、夹紧在旋转工作台表面；工业机器人末端装有电主轴，电主轴装有刀具。该系统实现了对钛合金环形铸件的自动化磨抛，磨抛的效率与质量均高于人工磨抛，同时降低了人力在磨抛中的使用。因此这种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统在钛合金环形铸件加工中有着广阔的应用前景，能够提高生产效率为企业带来可观的效益。

Description

一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统

技术领域

本发明涉及一种磨抛系统，具体涉及一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统。

背景技术

伴随着中国制造2025的到来，工业机器人的应用越来越广泛。在飞机制造业中很多零件为钛合金材质，且其毛坯多为铸造产生。而钛合金铸造完成后，其表面会形成氧化层，且其圆角表面会存在细小裂纹.不利于后续的加工与成品的使用。因此，在铸造完成后，需磨抛钛合金表面，尤其是需要磨抛钛合金铸件的圆角部位。而采用机器人磨抛能够提高加工效率、保证加工精度、降低磨抛成本。

在目前的钛合金环形铸件磨抛的实际生产中，采用人工磨抛，由大量工人手持角磨机和电动打磨枪进行加工。钛合金环形铸件的磨抛主要存在以下三个问题：1.钛合金环形铸件的径向尺寸大，达到900mm以上，一般的加工中心难以装夹2.钛合金环形铸件表面轮廓复杂，有平面，弧面，圆角，相贯线等，需要6轴机床才能实现对其表面的加工。3.钛合金环形铸件作为铸件，其实际尺寸、外型与图纸上的理论值均有差异，无法靠离线编程完成对加工轨迹的设置。而本系统中，使用大直径的旋转工作台放置钛合金环形铸件，每次加工时带动钛合金环形铸件将待加工部位转至机器人工作范围内。而工业机器人技术相对成熟，拥有足够的自由度，可以在一定范围内到达所有的姿态与位置，实现各个部位的加工，且可以通过手工示教的方式记录各个轮廓点，操作较于加工中心更为简单。同时，自动化磨抛的工艺相对于人工十分稳定，可以全程根据设定的工艺参数进行加工，且磨抛效果美观，一致，不会存在手工磨抛出现的错乱纹理。因此，使用自动化系统对钛合金环形铸件进行磨抛，成为必然。

发明内容

本专利要解决的问题是提供一种在应用于钛合金环形铸件的高速、高效、高质量的自动化磨抛系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，包括底座，设置在底座上的机器人，末端工具设置在机器人末端，机器人旁设置有工作台机构，所述工作台机构包括内置伺服电机的旋转工作台与安装在旋转工作台台面的夹具；冷却排屑机构包括水槽以及设置在水槽旁并与水槽连通的冷却排屑机，工作台机构设置在水槽内。

在上述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，所述水槽为一个矩形板以及周向设置在矩形板边缘的至少四个楔形板围成的槽体，工作台机构设置在槽体中部使槽体成一个回形槽，冷却排屑机与回形槽内部连通。

在上述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，还包括一个罩体，罩体包括外罩与外罩隔板，外罩安装在底座上，外罩隔板安装在外罩上，外罩正面开有上料门，中间位置装有隔板。

在上述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，所述机器人安装在底座上；所述末端工具包括电主轴，刀具，电主轴安装法兰，传感器安装架，冷却液管安装架，力控传感器，激光测距传感器，力控传感器安装在机器人末端法兰盘上，电主轴安装法兰安装在力控传感器另一侧，电主轴与传感器安装架安装在电主轴安装法兰上，激光测距传感器与冷却液管安装架安装在传感器安装架上，冷却液管通过三通阀与泵连通。

在上述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，工作台机构的旋转工作台上设有三爪卡盘以及至少五个定位夹具，所述定位夹具包括销组件以及浮动V型块组件，三爪卡盘通过在三爪卡盘法兰设置在旋转工作台中心，所述三爪卡盘法兰通过T槽螺栓与螺母安装在旋转工作台台面上的T型槽内；所述销组件与浮动V型块组件使用T槽螺栓与螺母直接安装在旋转工作台台面上的T型槽内。

在上述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，每个销组件包括一个内侧销，一个外侧销，一个销座；所述销座通过两组T槽螺栓和螺母安装在旋转工作台上表面的T型槽内，其上开有细牙螺纹孔，对应钛合金环形铸件端面位置且避开该面上浇冒口位置；所述外侧销与内侧销通过细牙螺纹安装在销座上并使用螺母锁紧，三个外侧销与三个内侧销相对于旋转工作台台面分别等高；所述内侧销与外侧销材质为铬钼钒，经淬火处理；所述内侧销，外侧销，销座表面均经发黑处理。

在上述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，所述浮动V型块组件包括V型块，导向柱，法兰铜套，弹簧，限位块，V块座，平键，上罩，下罩；V块座与旋转工作台连接的一侧开有键槽，与平键之间为过盈配合且通过螺栓锁紧，平键一般位于V块座的键槽内另一半位于旋转工作台上的T型槽内并与T型槽过盈配合，V块座通过两组T槽螺栓与螺母锁紧在旋转工作台台面；V块座上开有两个沉头安装孔，导向柱的一端做有外螺纹，该端穿过V块座上的安装孔后从另一侧使用螺母锁紧；V型块上开有与V块座对应的安装孔，安装孔内装有法兰铜套，两法兰铜套分别套在两导向柱上，法兰铜套与导向柱为间隙配合；两个弹簧套在两导向柱上且位于V型块和V块座之间；限位块安装在V块座上，下罩安装在V型块上，上罩安装在导向柱另一端上；所述导向柱材质为3Cr13；所述弹簧材质为不锈钢；所述V型块与导向柱经淬火处理；所述V型块，V块座，上罩，下罩，限位块，平键均经发黑处理。

在上述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，旋转工作台上表面加工有至少2条将旋转工作台表面2等分的T型槽；旋转工作台上表面中心位置加工有与旋转工作台上表面同心的定位孔；旋转工作台内置伺服电机。

在上述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，三爪卡盘使用直径500mm的标准三爪卡盘。

在上述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，三爪卡盘法兰与三爪卡盘连接的一侧设有与三爪卡盘的止口槽配合的圆型凸台，与旋转工作台连接的一侧加工有与旋转工作台定位孔配合的圆型凸台；与T型槽对应的位置开有T槽螺栓安装孔。

本发明具有如下优点：1、实现了对钛合金环形铸件的自动化磨抛作业。使用机器人抓持电主轴进行磨抛，动作灵活，可以以各种其他机床无法实现的姿态、角度、轨迹进行运动。且可根据对加工要求进行理论分析，然后将得出的最佳工艺参数输入系统中，通过改变机器人的轨迹，速度，以及电主轴转速对应修改磨抛的切削深度，进给速度和切削速度，以实现最优工艺加工。加工时能保证工艺稳定，加工效率，加工出的表面质量均远高于人工磨抛。同时由于加工工艺稳定，不存在突变力，也使刀具寿命得到提升。节约了磨抛成本。2、将工件装夹在旋转工作台上，系统可根据当前所需要加工的位置将旋转工作台转至指定角度，使代加工部位处于便于机器人加工的范围内。转动完成后还可通过供气刹紧旋转工作台，确保旋转工作台在加工期间不会受切削力的作用而转动，引起工件位置产生偏差。3、使用水槽承接加工时产生的废屑废料及使用后的冷却水，水槽将这些排出至冷却排屑机中，冷却排屑机可将废屑废料排出系统外，由工人定期清理，同时将冷却水过滤后重新升压使用。冷却液水管沿机器人布置，出水口对准刀具位置，可随机器人移动并持续向加工位置供冷却水。加工时根据使用的工艺不同，有时需要加冷却液有时不需要，可通过控制冷却排屑机的水泵的开关对其进行控制。4、使用机器人磨抛，对于零件轮廓相对于图纸存在差距的位置，可进行手工示教调整，方便快捷，相对于机床的对刀作业，可操作性大大提升。5、系统整体使用外罩，防止灰尘与冷却液溅出系统外或溅到机器人侧，同时外罩多个侧面开有窗口，既提高了设备的美观性，又便于操作者观察内部工作情况。显示屏通过悬臂安装到外罩上，既美观又方便操作。6、在加工过程中可通过激光测距传感器和力控传感器在线检测加工部位的实际位置，由此减小由装夹误差，铸件尺寸、形状误差，刀具尺寸误差对加工过程造成的影响，提高加工效率和工艺质量。

附图说明

图1为本发明的外观示意图。

图2为本发明的内部结构示意图。

图3为本发明的隔板示意图。

图4为本发明的机器人末端工具示意图。

图5a为本发明的正面装夹示意图。

图5b为本发明的反面装夹示意图。

图6为本发明的整体示意图。

图7为本发明的销组件示意图。

图8a为本发明的浮动V型块组件主视结构示意图。

图8b为本发明的浮动V型块组件立体结构示意图。

图9为本发明的三爪卡盘安装示意图。

图10为本发明的周向补偿原理图。

图11为本发明的打磨示意图。

图12为本发明的圆柱面打磨轨迹示意图。

图13为本发明的打磨时刀柄方向的示意图。

图14为本发明的碗状内弧面打磨示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图中，1-底座、2-外罩、3-台阶、4-显示屏、5-机器人、6-电主轴、7-刀具、8-夹具、9-水槽、10-冷却液安装架、11-冷却排屑机、12-钛合金环形铸件、13-外罩隔板、14-机器人外套、15-力控传感器、16-激光测距传感器、17-传感器安装架、18-冷却液管、19-电主轴安装法兰、20-旋转工作台、21-三爪卡盘、22-A浮动V型块组件、23-销组件、24-三爪卡盘法兰、25-销座、26-外侧销、27-内侧销、28-上罩、29下罩、30-V型块、31-导向柱、32-法兰铜套、33-弹簧、34-限位块、35-V块座、36-平键、37-B浮动V型块组件、38-B型旋转锉、39-C型旋转锉、40-圆孔腔、41-经线、42-纬线。

一、首先介绍本发明所采用的系统结构。

如图1所示的外观示意图,包括底座1，外罩2，台阶3，显示屏4。外罩2安装在底座1上，多个面上开有观察窗，供操作人员观察内部工作情况。正面为上料门，拉开后工人可经台阶3进出外罩2内部进行上料、下料、换刀等操作。显示屏4以悬吊的形式安装在外罩2上，工人可通过显示屏4与系统进行交互，输入需加工部位或监测设备运行情况。

如图2所示的内部结构示意图，包括底座1，IRB 6700-200/2.60机器人5，电主轴6，刀具7，夹具8，水槽9，冷却排屑机11，钛合金环形铸件12。工人将钛合金环形铸件12装夹至夹具8后退出设备，关闭外罩2上的上料门，输入需要加工的部位并启动设备，则PLC会控制夹具8转动，将钛合金环形铸件12转至预定的角度以便于加工作业，转动完成后通过向夹具8的旋转工作台气动刹车供气来锁紧台面。然后，PLC根据事先录入的工艺，控制间接固定在IRB 6700-200/2.60机器人5末端的电主轴6以一定的转速旋转，电主轴6开始旋转并达到预定转速后，IRB 6700-200/2.60机器人5抓持电主轴6按设定的轨迹进行运动，使刀具7对钛合金环形铸件12的待加工部位进行切削。电主轴6使用防护等级为IP67或更高的打磨专用电主轴。将一定范围内的待加工部位加工完成后，若还有别的部分需要加工，则IRB 6700-200/2.60机器人5退至安全位置，PLC松开夹具8的旋转工作台气动刹车，将夹具8转至下一个角度，以便进行下一部分的加工。在加工期间产生的废屑废料以及使用的冷却液将落入旋转工作台7的表面，经冲洗后落入夹具8下方的水槽9内。水槽9开有漏料孔，将这些废屑废料与冷却液排放至冷却排屑机11内。冷却排屑机11会持续地将废屑废料输送至设备外，由操作人员统一收集清理，同时对用过的冷却水进行过滤，以供再次使用。

如图3所示的隔板示意图，包括外罩2，IRB 6700-200/2.60机器人5，外罩隔板13，机器人外套14。外罩隔板13安装在外罩2上，将设备内部空间分为两部分。其上开有一定尺寸的洞，足够保证IRB 6700-200/2.60机器人5加工过程中的运动空间。机器人外套14材质为防水布，其中间开有孔并设有橡皮筋，IRB 6700-200/2.60机器人5穿过机器人外套14上的孔，橡皮筋使该孔收拢并箍在IRB 6700-200/2.60机器人5的手臂上。机器人外套14的外沿通过螺栓固定在隔板13上，外罩2，外罩隔板13和机器人外套14配合使用，即可将切削产生的金属粉尘和溅出的切削液限制在钛合金环形铸件12所在侧，避免造成污染。如图4所示的机器人末端工具示意图，包括电主轴6，刀具7，力控传感器15，激光测距传感器16，传感器安装架17，冷却液管18，电主轴法兰盘19，冷却液管安装架10。力控传感器15安装在IRB6700-200/2.60机器人5末端法兰盘上，电主轴法兰盘19安装在力控传感器15的另一侧，与该侧连接的物体所受的力均可被力控传感器15检测到。电主轴6与传感器安装架17安装在电主轴法兰盘上，激光测距传感器16安装在传感器安装架17上，冷却液管18通过冷却液管安装架10安装在电主轴法兰盘19上。使用时，电主轴6受PLC控制带动刀具7达到预定转速，切割前可用IRB 6700-200/2.60机器人5带动末端工具达到指定位置，使激光传感器16对准待加工部位表面，测得距离数据，并以此为依据，在切割浇冒口时使用高速高效冒口切割方法，在打磨过程中使用一种铸件机器人打磨定位点的在线检测方法；在切削时可以通过力控传感器实时获得切削力数据，并以此为依据，减小由装夹误差，铸件尺寸、形状误差，刀具尺寸误差对加工过程造成的影响，提高加工效率和工艺质量。

如图5a所示的正面装夹示意图及图5b所示的反面装夹示意图,主要包括旋转工作台20，三爪卡盘21与三爪卡盘法兰24，A浮动V型块组件22，B浮动V型块组建37，销组件23，钛合金环形铸件12。三爪卡盘21通过三爪卡盘法兰24安装在旋转工作台20上，A浮动V型块组件22，B浮动V型块组建37与销组件23均通过T槽螺栓与螺母安装在旋转工作台20上，钛合金环形铸件12装夹在夹具上。

如图6所示的整体示意图可表示三个销组件23，A浮动V型块组件22，B浮动V型块组件37，三爪卡盘21在旋转工作台20上布置。三个销组件23通过T槽螺栓与螺母直接安装在旋转工作台20的T型槽内，A浮动V型块组件22与B浮动V型块组件37则先通过平键36定位在旋转工作台20的T槽内上，保证两个浮动V型块组件与旋转工作台20的相对位置，再用T槽螺栓与螺母锁紧。三爪卡盘21经三爪卡盘法兰24安装在旋转工作台20上，三者之间通过定位孔与凸台保持同心关系，并通过T槽螺栓与螺母锁紧。

如图7所示的销组件示意图，本夹具共有三个销组件23，每个销组件23均由一个外侧销26，一个内侧销27和一个销座25组成。销座25上开有用于安装在旋转工作台20上的螺栓孔，用于将销组件23安装在旋转工作台20上。销块上还开有两个细牙螺纹孔用于安装外侧销26和内侧销27。安装两个销时需注意，销装入销座25后，需要打千分表测量与旋转工作台20表面的距离，保证三个外侧销26与三个内侧销27的顶端相对于旋转工作台20的表面分别相等。调整好高度后，拧紧螺母固定。

如图8a与8b所示的浮动V型块组件示意图，两个浮动V型块组件22与37大致相同，仅两者的V型块11高度不同，每个浮动V型块组件均包括两个上罩28，两个下罩29，一个V型块30，两个导向柱31，两个法兰铜套32，两个弹簧33，一个限位块34，一个V块座35，一个平键36。导向柱34安装在V块座35上并在末端用螺母锁住。弹簧33套在导向柱31外侧，V型块30上开有两个安装孔用于安装法兰铜套32，法兰铜套32与导向柱31为间隙配合，套在导向柱31上，可沿导向柱31滑动。限位块34安装在V块座35上，限制V型块30上，限制V型块30的下行程。下罩29安装在V型块30上，随V型块30上下移动，上罩28安装在导向柱31末端，不随V型块30上下移动。上罩28与下罩29均为空心的，一端封闭的圆柱体，而上罩28的内孔径大于下罩29的外径。随着V型块30向上运动，最终下罩29会顶到上罩28，使V型块30无法继续向上移动，从而限制V型块30的上行程。同时，在V型块30的行程内，上罩28的最下端始终高于下罩29的最上端，形成迷宫，避免水和废屑进入法兰铜套32的位置，影响法兰铜套32在导向柱31上的正常滑动。V块座35与旋转工作台20接触的一侧开有平键槽，装入平键36后再装在旋转工作台20的T型槽上，保证浮动V型块组件22与37的方向正对着旋转工作台20的圆心。装夹钛合金环形铸件12时，受钛合金环形铸件12重力作用，V型块30被压下，但通过弹簧33保证V型块30与钛合金环形铸件12之间的压力，确保V型块30对钛合金环形铸件12上椭圆结构的对中定位效果。

如图9所示的三爪卡盘安装示意图，包括旋转工作台20，三爪卡盘21，三爪卡盘法兰24。三爪卡盘21端面开有止口，与三爪卡盘法兰24上表面的圆凸台配合，保证三爪卡盘21与三爪卡盘法兰24同轴。旋转工作台20中心位置开有定位孔，与三爪卡盘法兰24的下表面圆凸台配合保证旋转工作台20与三爪卡盘法兰24之间的同轴。至此，旋转工作台20与三爪卡盘21实现同轴。三者之间通过螺栓螺母固定。

本系统主要创造点体现在：

1、电主轴安装在工业机器人的六轴法兰盘上，电主轴末端装有刀具，可由机器人带动做定轨迹运动。电主轴的转速可由PLC控制变频器进行调节，机器人的运动速度也可以调节，由此可以满足对不同加工工艺所需的工艺参数的需要。2、钛合金环形铸件的夹具安装在旋转工作台的表面，钛合金环形铸件装夹完成后，旋转工作台由伺服电机驱动，当机器人加工到钛合金环形铸件的某一部位时，可给PLC发出信号，将钛合金环形铸件转至待加工位置处于机器人工作范围内的指定角度，便于实施后续加工。3、旋转工作台下方安装有碗型水槽，加工产生的废屑废料以及加工中使用的冷却水都会集中在水槽底部并经水槽底部的开口流入冷却排屑机中。冷却排屑机会将废屑废料持续排出，而将冷却水过滤后再次使用。冷却水的水管沿机器人手臂布置，冷却水喷口设在电主轴附近并对准刀具头部位置，PLC通过控制冷却排屑机水泵的开关打开或关闭冷却水，满足不同工艺对冷却水的需要。4、显示屏主要用于监测系统工作的实时情况，通过显示屏可查看当前加工部位，当前加工工艺参数，已加工时间与已加工件数等信息。同时可以供操作人员选择工作模式，指定加工部位等。5、外罩用于防水、尘溅出。外罩上开有上料门，工作人员可打开上料门进行上料与下料作业。上料门上装有行程开关，上料门未关闭时系统不会启动。系统工作时开启上料门也会触发急停。外罩内设有隔板，将机器人和旋转工作台隔离在两个区域，隔板上开有孔，足够机器人手臂伸出并进行所需范围的加工。机器人手臂上套有机器人防水外套，随机器人运动，外套的边沿固定在机器人隔板上，起到防止水、尘溅入机器人侧的作用。6、电主轴上可安装多种刀具。电主轴安装砂轮片时可实现切割功能，安装旋转锉和磨头时可实现加工功能，安装百叶轮和羊毛毡时可实现抛光功能，可适应钛合金环形铸件不同部位的加工需求。同时，在机器人上加装了力控传感器与激光测距传感器，在切割浇冒口时使用一种基于工业机器人的钛合金铸件冒口切除工艺；在打磨过程中将一种降低刀具成本的圆弧打磨方法及工艺，一种用于打磨钛合金铸件圆孔内腔的二维误差补偿方法，一种环形零件机器人打磨的尺寸补偿方法，铸件机器人打磨定位点在线检测方法进行配合使用；在抛光零件表面时使用一种环形铸件碗状内弧面抛光方法及工艺，一种仿人手的机器人恒力抛光方法。

二、下面是上述系统结构的具体操作方法。

如图5a所示的正面装夹示意图，正面装夹时，将钛合金环形铸件12上表面朝上，移动到夹具上方，将钛合金环形铸件12的内孔大致对准三爪卡盘21的中心位置，再将钛合金环形铸件12绕圆心旋转至其最粗的一个椭圆结构大致对准A浮动V型块组件22的V型槽位置，再缓缓落下钛合金环形铸件12。落下后，三个外侧销26与钛合金环形铸件12不接触，三个内侧销27与钛合金环形铸件12下表面环形带状端面接触，三个点接触构成平面，限制钛合金环形铸件12高度方向的线性自由度和两个旋转自由度。钛合金环形铸件12的椭圆结构卡入一个A浮动V型块组件22中并将其V型块30压下，A浮动V型快实现对椭圆结构的对中定位，且由于A浮动V型块组件22可上下浮动，故不会限制钛合金环形铸件12高度方向的自由度且此时B浮动V型块组件37与钛合金环形铸件不接触，由此限制钛合金环形铸件12的周向旋转自由度。放置完毕后，拧开三爪卡盘21，使其夹爪撑开顶住钛合金环形铸件12的内圆孔，限制钛合金环形铸件12的水平方向线性自由度，并提供夹紧力。至此，钛合金环形铸件12被完全定位并加紧。

反面装夹时，三个内侧销27与钛合金环形铸件不接触，三个外侧销26与钛合金接触，A浮动V型块组件22与钛合金环形铸件12不接触，B浮动V型块组件37与钛合金环形铸件12接触，装夹原理与正面装夹时相同。

如需旋转钛合金环形铸件12，可通过控制旋转工作台20内置的伺服电机控制其旋转，使其带动钛合金环形铸件12转动至指定角度。

如需拆下钛合金环形铸件12，只需拧合三爪卡盘21，使其夹爪合拢，再将钛合金环形铸件12向上方移动，离开浮动V型块组件3或19的V型槽内，即可自由移动。

本发明中所使用的待加工工件尺寸补偿步骤的较佳实施方式包括以下步骤：

步骤1：在对零件进行装夹时通过三爪卡盘对环形零件的内环基准面进行装夹，通过三爪卡盘对零件的中轴线进行定位，实现零件的定心；

步骤2，对待加工零件装夹时产生的周向误差进行阈值补偿，如图4所示，机器人末端安装有力传感器，力传感器采集机器人末端工具的打磨压力并且可控制打磨压力的大小，在末端工具电主轴的ER夹头上安装有刀具，使机器人按0.05mm/次的进给量控制刀具靠近零件的周向基准面，当刀具接触到零件的周向基准面时力传感器采集到的打磨压力值会由0上升，传感器检测到力的上升沿后即停止机器人动作，并将当前刀具坐标点记录并传递给控制系统，控制系统通过和理论值进行比较计算得到零件的周向误差值，并通过控制旋转工作台零点位置进行补偿，使周向基准面旋转至理论位置。具体实现原理如图10所示，使用刀具由x0处向一侧逐步进给，直到力传感器检测到刀具碰到零件为止，记录当前位置x1，由于环形零件直径较大，而零件装夹误差较小，所以(x_1-x_0)的值近似等于周向偏移的弧长，则可通过公式θ＝180×(x_1-x_0)÷(R×π)计算零件装夹后的周向误差，然后通过控制系统控制旋转工作台在旋转时补偿相应的角度值补偿环形零件的周向装夹误差；

步骤3，对待加工零件装夹时产生的高度误差进行阈值补偿，在进行上表面打磨时，由于零件装夹误差和零件本身的铸造误差会导致零件的上表面的尺寸存在偏差，所以在打磨之前需要对待打磨部位进行测量并补偿尺寸误差。补偿方法如下：如图4所示的机器人末端工具，在机器人末端工具安装电主轴另一侧安装有激光距离传感器，用于测量零件上表面和传感器之间的距离以确定零件上表面待打磨的部位的高度误差，然后将测量结果通过控制系统计算出高度补偿值，反馈并控制机器人在修正下刀点的坐标使刀具能刚好到达零件上表面，使其不会未打到或者过度打磨零件，从而达到对零件上表面的尺寸补偿；

本发明中所使用的钛合金环形铸件浇冒口的清理工艺，具体的工艺步骤如下

步骤1：首先将钛合金环形铸件在夹具上装夹好，在电主轴末端装上CBN切割片，切割片的粒度为60，浓度为100％，硬度为M级，直径为150mm，内径为25.4mm磨料宽度为5mm，厚度为1mm

步骤2：移动机器人，调整机器人姿态至测量姿态，打开激光距离传感器测量冒口所在平面的三个点，由于铸件一致性较差导致冒口所在平面误差较大，通过距离传感器找到平面的法向反馈给机器人，从而调整切割片的姿态与平面的法向保持一致，来适应误差进行切割，从而保证切割后冒口高度的一致性。

步骤3：打开冷却液，由于钛合金属于难加工材料，在加工过程中存在磨削力大，磨削温度高，砂轮粘附严重，容易造成表面烧伤以及残余应力大，所以需要用打磨钛合金专用环保型切削液，成分为三元羧酸盐2％，三乙醇胺12％，甘油3％，有机硅0.2％，油酸3％，苯并三氮唑衍生物0.3％，其余为水；打磨过程中采用高压双管射流，压力为0.7Mpa，流量不低于10L/min；冷却液管安装在电主轴上，随着电主轴的移动而移动，冷却液的喷射方向要与切割片切入方向相切，对准浇冒口的两侧，这样在切割过程中有利于冷却液进入浇冒口内部以达到更好的冷却效果。

步骤4：采用树脂CBN切割片通过机器人的直线运动对冒口进行切割至1mm的余量，切割初期和后期接触弧长较短，所受的磨削力较小磨削温度低，走刀速度可以加快为0.2mm/s，在切割中期接触弧长较长，所受磨削力较大，磨削温度高，走刀速度需要降低为0.1mm/s，主轴转速为6000r/min。

步骤5：将电主轴末端的切割片更换为直径为16mm的硬质合金球型旋转锉

步骤6：粗磨，在切割到只剩1mm后，采用旋转锉进行分层打磨，总进刀深度为0.9mm，分三层进给，则每次进刀深度为0.3mm，走刀速度为3mm/s，行距为3mm，主轴转速为10000r/min；

步骤7：半精磨，采用直径为16mm的硬质合金球型旋转锉对最后0.1mm，由于半精磨表面粗糙度要求较高，所以行间距取值较小为0.5mm，走刀速度为5mm/s，主轴转速为10000r/min；

重复步骤1-7直至所有的浇冒口清理完成，则整个钛合金环形铸件浇冒口的清理完成。

在以上步骤完成后对浇冒口切割打磨后的平面进行观察，表面无烧伤，残根高度与底部平面平齐，采用粗糙度仪进行测量表面粗糙度为0.4um，满足加工工艺要求。

本发明中所使用的圆孔腔打磨方法包括以下步骤：

如图11所示的打磨示意图，打磨圆孔腔40底部平面时，使用B型旋转锉38，在不开启电主轴6的状态下，由机器人带动B型旋转锉38向圆孔腔40的底部平面运动，开启力控传感器15，接触后力控传感器15给出信号，机器人自动读取该点的坐标，在该平面的上左下右四个方位分别取得点A、B、C、D的坐标；然后机器人继续带动B型旋转锉38向圆孔腔40的圆柱面运动，开启力控传感器15，接触后力控传感器15给出信号，机器人自动读取该点的坐标，在该圆柱面的上左下右四个方位分别取得点E、F、G、H的坐标，再通过程序计算调整，坐标方向如图12中所示，将E,F,G,H点的X值分别替换为A,B,C,D点的X值，将A点的Y,Z值分别替换为E点的Y,Z值，将B点的Y,Z值分别替换为F点的Y,Z值，将C点的Y,Z值分别替换为G点的Y,Z值，将D点的Y,Z值分别替换为H点的Y,Z值，这样A,B,C,D点的Y,Z方向便得到准确补偿，E,F,G,H点的X方向也得到准确补偿。先加工圆孔腔40的底部平面，采用的B型旋转锉38的直径为10mm，电主轴6的转速为8000r/min，冷却液流量为10L/min，根据当前的A,B,C,D点坐标形成的圆形轨迹打磨该平面，然后走向圆心方向偏移5mm的A,B,C,D点的偏移点，A,B,C,D点的坐标不变，接着走再偏移5mm的圆形路径，直到将整个平面打磨完。第一次打磨完成后，将A,B,C,D点的X坐标值增加0.1mm再次按偏移路径打磨，共打磨四次，理论切削量0.3mm。至此，完成对圆孔腔40底部平面的打磨。

如图12所示圆柱面打磨轨迹示意图，换刀装夹C型旋转锉39，采用的C型旋转锉39的直径也为10mm，其工具坐标B型旋转锉38的工具坐标相同，电主轴6的转速为8000r/min，冷却液流量为10L/min，然后以当前的E,F,G,H点形成的圆弧轨迹进行打磨。打磨完成一次后，将E、F、G、H点的坐标分别向远离圆心的方向偏移0.1mm，并以新的E、F、G、H点坐标生成新的打磨轨迹进行打磨，如此重复三次，共计打磨四次，理论切削量0.3mm。至此，完成对圆孔腔周围圆柱面的打磨。

如图13，本发明中所使用的圆弧打磨方法包括以下步骤：

步骤1：根据所需要打磨圆弧的圆角半径大小选择合适大小的硬质合金旋转锉型号，例如圆角半径为8mm的长圆弧使用D12型号硬质合金旋转锉进行打磨；

步骤2：将待打磨的圆弧段进行分段，每60°为一段进行单独打磨，打磨完成后使工作台转动60°打磨下一圆弧段；

步骤3：在圆弧段0°位置使用力控传感器控制刀具在高于待打磨部位向圆弧的圆心方向步进，直至检测到刀具接触到圆弧的内切圆柱侧面，然后使刀具在竖直方向(圆弧或者内切圆柱44的轴向)向待打磨圆角步进，直至检测到刀具在竖直方向靠近圆弧的圆角，记录当前坐标点A依次在20°、40°、60°重复步骤2，分别获得坐标点B、C、D；

步骤4：以A、B、C、D四个坐标点以及圆弧段半径对圆弧打磨路径进行重新规划，使实际打磨路径更精确；

步骤5：计算打磨钛合金时最佳的冷却液流量和冷却液压力(冷却液喷出压力为0.5-0.9Mpa，流量不低于10L/min)，并通过调节冷却系统的节流阀和溢流阀对冷却液的流量和压力进行调节，然后通过调整竹节管的来调整冷却液的流向，使刀具切削时前后均有冷却液喷到；在打磨时即可通过冷却液来降低切削温度，带走切屑，防止钛合金烧伤，降低刀具在打磨时的磨损速度；

步骤6：控制刀具在打磨时，打磨力在圆弧向心方向的分力大小为15～20N，在向下方向(即圆弧轴线向着圆角方向)的分力大小为15～20N，使硬质合金旋转锉始终与待打磨的圆弧相贴，可避免刀具发生震颤、减少刀具磨损，且在刀具轻微磨损后仍可通过控制力控传感器的输出压力以补偿刀具磨损继续加工，而传统的采用绝对轨迹进行打磨的方式则无法进行实时刀具补偿；如图四所示，调整机器人的姿态使刀具轴线和圆弧所在平面呈15°角，使刀具始终以最大直径切削刃进行打磨，提高刀具使用寿命和打磨效率；控制刀具沿打磨路径打磨，进给速度为3～5mm/s。

如图14，本发明中所使用的碗状内弧面打磨方法包括以下步骤：

1、将环形铸件碗状内弧面打磨的机器人系统搭建完毕；

2、将碗形钛合金铸件内表面按照经线41方向分成多个扇形区域，选择第一个扇形区域作为打磨区域；

2、打开电主轴6，转速3000r/min，将机器人5的力控传感器15的压力值设定为15N；

3、调整机器人5位置，使得刀具7位于钛合金环形铸件12表面第一个扇形区域的打磨起始点X0正上方3mm处；机器人2带着刀具7贴近起始点，并沿着经线41方向的预设路径在工件8表面打磨出一条痕迹，并回到起始点X0；机器人2带着刀具7从起始点X0沿着工内表面纬线42方向偏移距离ΔX，到达第二条路径起始点X1正上方3mm处；每打磨后均向同一个方向偏移小短距离0.5mm，直到总偏移量X达到整个碗形周长的1/72，也即是完成第一个扇形区域的打磨；通过机器人2抬起电主轴6至上方安全位置，转动旋转工作台使得钛合金环形铸件碗状内弧面转动5°；

4重复过程3，直到打完整个钛合金环形铸件碗状内弧面。

本发明中所使用的抛光碗状内弧面方法包括以下步骤

1、首先将钛合金环形铸件碗状内弧面抛光系统搭建完毕；

2、对钛合金环形铸件碗状内弧面的抛光轨迹进行编程导入到六轴机器人中，打开力控传感器，采用力-位置控制的方式进行恒力抛光，力的大小为变量可以根据工件表面粗糙度和抛光量进行设定，而力的方向始终保持与钛合金环形铸件碗状内弧面的法向保持一致；

3、粗抛：在延长杆末端的ER夹头更换上粒度为80，直径为40mm的千页轮，主轴转速为6000r/min，走刀速度为15mm/s，接触力大小为16N，来回磨抛10次；

4、半精抛，在延长杆末端的ER夹头更换上粒度为240，直径为40mm的千页轮，主轴转速为8000r/min，走刀速度为20mm/s，接触力大小为12N，来回磨抛10次；

5、精抛，在延长杆末端的ER夹头更换上粒度为400，直径为40mm的千页轮，主轴转速为8000r/min，走刀速度为25mm/s，接触力大小为8N，来回磨抛10次；

6、研抛，在延长杆末端的ER夹头更换上粒度为1000的研磨膏配合直径为40mm羊毛毡轮，主轴转速为8000r/min，走刀速度为25mm/s，接触力大小为8N，来回磨抛10次。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了1-底座、2-外罩、3-台阶、4-显示屏、5-机器人、6-电主轴、7-刀具、8-夹具、9-水槽、10-冷却液安装架、11-冷却排屑机、12-钛合金环形铸件、13-外罩隔板、14-机器人外套、15-力控传感器、16-激光测距传感器、17-传感器安装架、18-冷却液管、19-电主轴安装法兰、20-旋转工作台、21-三爪卡盘、22-A浮动V型块组件、23-销组件、24-三爪卡盘法兰、25-销座、26-外侧销、27-内侧销、28-上罩、29下罩、30-V型块、31-导向柱、32-法兰铜套、33-弹簧、34-限位块、35-V块座、36-平键、37-B浮动V型块组件、38-B型旋转锉、39-C型旋转锉、40-圆孔腔、41-经线、42-纬线。等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (9)

1.一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，包括底座，设置在底座上的机器人，末端工具设置在机器人末端，机器人旁设置有工作台机构，所述工作台机构包括内置伺服电机的旋转工作台与安装在旋转工作台台面的夹具；冷却排屑机构包括水槽以及设置在水槽旁并与水槽连通的冷却排屑机，工作台机构设置在水槽内；旋转工作台上设有三爪卡盘以及至少五个定位夹具，所述定位夹具包括销组件以及浮动V型块组件；浮动V型块组件包括V型块，导向柱，法兰铜套，弹簧，限位块，V块座，平键，上罩，下罩；V块座与旋转工作台连接的一侧开有键槽，与平键之间为过盈配合且通过螺栓锁紧，平键位于V块座的键槽内另一半位于旋转工作台上的T型槽内并与T型槽过盈配合，V块座通过两组T槽螺栓与螺母锁紧在旋转工作台台面；V块座上开有两个沉头安装孔，导向柱的一端做有外螺纹，该端穿过V块座上的安装孔后从另一侧使用螺母锁紧；V型块上开有与V块座对应的安装孔，安装孔内装有法兰铜套，两法兰铜套分别套在两导向柱上，法兰铜套与导向柱为间隙配合；两个弹簧套在两导向柱上且位于V型块和V块座之间；限位块安装在V块座上，下罩安装在V型块上，上罩安装在导向柱另一端上；所述导向柱材质为3Cr13；所述弹簧材质为不锈钢；所述V型块与导向柱经淬火处理；所述V型块，V块座，上罩，下罩，限位块，平键均经发黑处理。

2.根据权利要求1所述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，所述水槽为一个矩形板以及周向设置在矩形板边缘的至少四个楔形板围成的槽体，工作台机构设置在槽体中部使槽体成一个回形槽，冷却排屑机与回形槽内部连通。

3.根据权利要求1所述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，还包括一个罩体，罩体包括外罩与外罩隔板，外罩安装在底座上，外罩隔板安装在外罩上，外罩正面开有上料门，中间位置装有隔板。

4.根据权利要求1所述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，所述机器人安装在底座上；所述末端工具包括电主轴，刀具，电主轴安装法兰，传感器安装架，冷却液管安装架，力控传感器，激光测距传感器，力控传感器安装在机器人末端法兰盘上，电主轴安装法兰安装在力控传感器另一侧，电主轴与传感器安装架安装在电主轴安装法兰上，激光测距传感器与冷却液管安装架安装在传感器安装架上，冷却液管通过三通阀与泵连通。

5.根据权利要求1所述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，旋转工作台的三爪卡盘通过在三爪卡盘法兰设置在旋转工作台中心，所述三爪卡盘法兰通过T槽螺栓与螺母安装在旋转工作台台面上的T型槽内；所述销组件与浮动V型块组件使用T槽螺栓与螺母直接安装在旋转工作台台面上的T型槽内。

6.根据权利要求5所述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，每个销组件包括一个内侧销，一个外侧销，一个销座；所述销座通过两组T槽螺栓和螺母安装在旋转工作台上表面的T型槽内，其上开有细牙螺纹孔，对应钛合金环形铸件端面位置且避开该面上浇冒口位置；所述外侧销与内侧销通过细牙螺纹安装在销座上并使用螺母锁紧，三个外侧销与三个内侧销相对于旋转工作台台面分别等高；所述内侧销与外侧销材质为铬钼钒，经淬火处理；所述内侧销，外侧销，销座表面均经发黑处理。

7.根据权利要求5所述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，旋转工作台上表面加工有至少2条将旋转工作台表面2等分的T型槽；旋转工作台上表面中心位置加工有与旋转工作台上表面同心的定位孔；旋转工作台内置伺服电机。

8.根据权利要求5所述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，三爪卡盘使用直径500mm的标准三爪卡盘。

9.根据权利要求5所述的一种用于钛合金环形铸件的自动化磨抛系统，其特征在于，三爪卡盘法兰与三爪卡盘连接的一侧设有与三爪卡盘的止口槽配合的圆型凸台，与旋转工作台连接的一侧加工有与旋转工作台定位孔配合的圆型凸台；与T型槽对应的位置开有T槽螺栓安装孔。

Images