CN110103114B - 大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置及机器人，属于曲面类工件智能加工设备领域，其包括控制器及从上至下依次设置的直线运动机构、旋转调整机构和俯仰调整机构，直线运动机构用于带动其他机构做上下直线运动；旋转调整机构用于带动其他机构做旋转运动，其旋转轴与直线运动方向平行且与磨盘下表面中心重合；俯仰调整机构用于带动磨抛机构做旋转运动，其旋转轴与直线运动方向垂直且与磨盘下表面中心重合；控制器分别与四个机构相连，用于根据六维力传感器的测量结果控制其他机构运动，以实时调整磨抛机构的磨抛力和姿态。通过将磨抛装置装于机器人的末端可获得磨抛机器人。本发明具有磨抛精度高、使用寿命长等优点。

Description

大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置及机器人

技术领域

本发明属于曲面类工件智能加工设备领域，更具体地，涉及大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置及机器人。

背景技术

大型复杂曲面构件如风电叶片、螺旋桨等具有尺寸大、自由曲面型面、刚性较弱等特点，其型面形位精度和表面粗糙度直接影响着构件的工作效率和寿命，因此需对其进行磨抛处理。目前，主要有人工磨抛、机床磨抛和机器人磨抛等，其中，人工磨抛对工人技术要求高、效率低、产品质量及一致性无法保证，且严重影响人的身心健康；机床磨抛灵活性差、操作复杂、成本高；机器人磨抛成本低、效率高、加工一致性好，故机器人磨抛是目前使用较多的磨抛方式。

机器人磨抛指的是设计特殊结构的磨抛装置，并将其装于机器人的末端，利用机器人控制该磨抛装置作为执行器实现对曲面的磨抛动作，在磨抛过程中，不但要进行位置的精确控制，而且需将接触力(即磨抛力)控制在一定范围内，因此需要对磨抛装置进行多自由度的柔顺控制，并使磨削面与曲面切平面重合。目前，已有一些现有技术，例如CN108581745A公开的一种三自由度曲面自适应智能力控柔性磨抛末端执行装置，其可以实现柔性磨抛，但是在实际应用中该装置存在以下问题：首先，该装置的二维姿态调整组件设于整个装置的上端，直线伺服力控组件设于整个装置的下端，由于直线伺服力控组件设于整个装置的下端并与磨盘相连，由此使得利用直线伺服力控组件带动磨盘进行直线运动时，将改变磨盘的中心相对于二维姿态调整组件的位置，由此将导致二维姿态调整组件中圆弧齿条的圆心与磨盘中心不一定重合，进而影响磨抛精度；其次，二维姿态调整组件中的旋转调整机构主要由内齿圈实现，倾斜调整机构主要由圆弧齿条实现，在实际运用过程中发现这种结构的调整可靠性和稳定性较差；再次，倾斜调整机构中的执行部件及直线伺服力控组件悬挂于圆弧齿条上，由此使得圆弧齿条将承受较大力矩，经过实际应用发现其使用寿命短、齿条经常报废，另圆弧齿条架设于内齿圈上，为了保证倾斜调整机构的调整角度，对内齿圈的尺寸等方面也具有较多的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置及机器人，其通过对关键组件如直线运动机构旋转调整机构、俯仰调整机构和磨抛机构的具体布置方式的研究和设计，使得磨抛机构的磨抛中心位置始终保持不变，实现定心调整，具有磨抛精度高、使用寿命长等优点，适用于任意大型复杂曲面的磨抛加工。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其包括直线运动机构、旋转调整机构、俯仰调整机构、磨抛机构和控制器，其中：

所述直线运动机构、旋转调整机构、俯仰调整机构、磨抛机构从上至下依次设置，该直线运动机构用于带动所述旋转调整机构、俯仰调整机构和磨抛机构构成的整体做上下直线运动，以实现磨抛机构磨抛力的调节；该旋转调整机构用于带动所述俯仰调整机构和磨抛机构构成的整体做旋转运动，该旋转运动的旋转轴与直线运动的方向平行且与所述磨抛机构中磨盘下表面的中心重合；该俯仰调整机构用于带动所述磨抛机构做旋转运动以调整磨抛机构的俯仰角，该旋转运动的旋转轴与直线运动的方向垂直且与所述磨抛机构中磨盘下表面的中心重合，通过所述旋转调整机构和俯仰调整机构的共同作用实现磨抛机构姿态的调整；

所述控制器分别与所述直线运动机构、旋转调整机构、俯仰调整机构和磨抛机构相连，用于根据所述磨抛机构中六维力传感器采集的磨盘与待磨抛曲面间的接触力与力矩信号，控制所述直线运动机构、旋转调整机构和俯仰调整机构运动，以实时调整磨抛机构的磨抛力和姿态，以此实现大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛。

作为进一步优选的，所述直线运动机构包括上固定板、下固定板、驱动单元以及设于所述上固定板和下固定板之间的限位导向单元，所述驱动单元包括直线运动电机、第一小齿轮、第一大齿轮、第一交叉滚子轴承、第一丝杆螺母和第一丝杆，所述直线运动电机安装在所述上固定板上，其输出轴与所述第一小齿轮相连，该第一小齿轮与所述第一大齿轮啮合，所述第一大齿轮同轴安装在所述第一交叉滚子轴承的内圈上，该第一交叉滚子轴承的外圈固定在所述上固定板上，所述第一丝杆螺母同轴安装在所述第一大齿轮上，该第一丝杆螺母与所述第一丝杆的一端螺纹配合，该第一丝杆的另一端安装在所述下固定板上，所述下固定板的下方用于安装所述旋转调整机构。

作为进一步优选的，所述限位导向单元包括设于所述上固定板和下固定板之间的阶梯轴，所述上固定板和下固定板上设置有直线轴承，所述阶梯轴的下端与下固定板上的直线轴承固连，上端与上固定板上的直线轴承滑动配合实现导向。

作为进一步优选的，所述旋转调整机构包括旋转驱动电机、第二交叉滚子轴承和旋转安装板，所述旋转驱动电机安装在所述直线运动机构上，其输出轴穿过所述第二交叉滚子轴承的内圈通过连接机构与所述旋转安装板相连，所述第二交叉滚子轴承的外圈固定在所述直线运动机构上，所述旋转安装板用于安装所述俯仰调整机构。

作为进一步优选的，所述连接机构包括第二法兰联轴器以及设于第二法兰联轴器和旋转安装板之间的第二碳纤维板，所述旋转驱动电机的输出轴通过键槽与所述第二法兰联轴器相连，且所述第二法兰联轴器、第二碳纤维板和旋转安装板三者之间固连，所述第二交叉滚子轴承的内圈、第二碳纤维板和旋转安装板三者之间固连。

作为进一步优选的，所述俯仰调整机构包括两组左右对称设置的俯仰调整组件以及俯仰驱动电机、第二小齿轮、第二大齿轮和俯仰安装板，所述俯仰调整组件包括彼此滑动配合的俯仰挂件和弧形板，该俯仰挂件安装在所述旋转调整机构上，该弧形板安装在所述俯仰安装板上，所述俯仰驱动电机安装在旋转调整机构上，其输出轴与所述第二小齿轮相连，该第二小齿轮与所述第二大齿轮啮合，所述第二小齿轮与其中一俯仰挂件相连，所述第二大齿轮与所述俯仰安装板相连，通过所述第二小齿轮与第二大齿轮的啮合作用带动所述俯仰安装板及其下方的磨抛机构做俯仰运动，该俯仰运动的旋转轴为两组俯仰调整组件中两弧形板圆心的连线。

作为进一步优选的，所述俯仰挂件包括左安装板、右安装板以及设于左安装板和右安装板之间的深沟球轴承，所述左安装板和右安装板平行布置，所述深沟球轴承的内圈固定在左安装板和右安装板上，外圈位于所述弧形板的上方，并与弧形板保持接触。

作为进一步优选的，所述磨抛机构包括从上至下依次设置的磨抛安装板、六维力传感器、上连接板、下连接板、磨抛电机和磨盘，所述磨抛安装板安装在所述俯仰调整机构上，所述六维力传感器设于所述磨抛安装板和上连接板之间，该上连接板和所述下连接板彼此相连，所述磨抛电机安装在所述下连接板的下表面，其输出轴与所述磨盘相连，以带动所述磨盘旋转实现磨抛。

按照本发明的另一方面，提供了一种磨抛机器人，该磨抛机器人的末端安装有所述的大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明磨抛装置中的直线运动机构、旋转调整机构、俯仰调整机构、磨抛机构从上至下依次设置，即直线运动机构设于磨抛装置的上方，旋转调整机构和俯仰调整机构设于磨抛装置的下方，由此使得直线运动机构是带动旋转调整机构、俯仰调整机构和磨抛机构构成的整体做上下直线运动，在直线运动过程中，磨抛机构与旋转调整机构和俯仰调整机构的相对位置不会发生改变，保证直线运动不影响旋转调整机构和俯仰调整机构对磨抛机构的调节。

2.本发明通过将旋转调整机构的旋转轴设计成与直线运动机构的轴线平行且与磨盘下表面中心(即磨抛中心)重合，俯仰调整机构的旋转轴设计成与直线运动机构的轴线垂直且与磨盘下表面中心(即磨抛中心)重合，即旋转调节和俯仰调节正交且交于磨盘下表面的中心，由此使得在旋转调节和俯仰调节时，磨抛机构分别绕旋转调整机构的旋转轴及俯仰调整机构的旋转轴旋转，但该磨抛机构的磨抛中心位置始终保持不变，从而保证姿态调整过程中不改变磨盘与曲面的接触点的位置，实现定心调整，保证磨抛精度。

3.本发明中的旋转调整机构主要由旋转驱动电机实现，俯仰调整机构主要由俯仰调整组件、俯仰驱动电机和齿轮实现，以保证调整结构的可靠性和稳定性。

4.此外，本发明通过各机构的具体结构及布置方式的设计，避免了现有技术中的倾斜调整执行部件及直线运动部件的重量均由圆弧齿条承担的问题，也避免了内齿圈的使用，可有效提高装置的使用寿命，降低成本，

5.本发明的装置与六轴机器人配合可构成冗余机器人，可达性、灵活性更好，对复杂曲面的适应能力更强。

附图说明

图1为本发明优选实施例提供的一种大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置的整体结构示意图；

图2为本发明优选实施例提供的一种大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置的立体示意图；

图3为本发明优选实施例提供的直线运动机构的轴侧图；

图4为本发明优选实施例提供的直线运动机构的分解示意图；

图5为本发明优选实施例提供的旋转调整机构示意图；

图6为本发明优选实施例提供的俯仰调整机构示意图；

图7为本发明优选实施例的俯仰挂件与磨抛机构安装位置示意图；

图8为图7的正视图；

图9为本发明优选实施例的俯仰挂件的示意图，其中(a)为俯仰挂件的主视图，(b)为(a)的E-E剖视图；

图10为本发明优选实施例的俯仰挂件的立体图；

图11为本发明优选实施例的俯仰调整机构的工作原理示意图(此图中为极限位置)；

图12为本发明优选实施例的磨抛机构的示意图；

图13为大型风电叶片的物理模型示意图；

图14为本发明的优选实施例在打磨曲面时的姿态自适应调整过程示意图，其中(a)为对当前点进行磨抛，(b)为对下一位置进行磨抛，(c)为调整磨盘姿态，使磨削面与曲面切平面的重合。

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-端盖，2-防尘保护罩，3-直线运动机构，4-旋转调整机构，5-俯仰调整机构，6-磨抛机构，301-上固定板，303-直线轴承，304-限位螺母，306-第一交叉滚子轴承，307-第一碳纤维板，309-第一大齿轮310-第一铝套筒，311-第一丝杆螺母，313-第一丝杆，314-阶梯轴，315-顶丝，316-第一法兰联轴器，318-下固定板，319-直线运动电机，324-第一小齿轮，401-旋转驱动电机，403-第二铝套筒，404-螺钉螺母组合，405-第二交叉滚子轴承，407-第二法兰联轴器，408-第二碳纤维板，409-旋转安装板，501-第一L形固定件，505-第三法兰联轴器，508-俯仰电机架，509-俯仰挂件，510-弧形板，512-第二L形固定件，514-俯仰安装板，516-第二大齿轮，520-俯仰驱动电机，521-第二小齿轮，901-第一尼龙防松螺母，902-左安装板，903-第三铝套筒，904-右安装板，905-内六角螺钉，906-塞打螺钉，908-深沟球轴承，910-垫片，911-第二尼龙防松螺母，601-磨抛安装板，603-六维力传感器，605-上连接板，606-下连接板，607-磨抛电机，608-磨盘。

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。

如图1-2所示，本发明实施例提供的一种大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其包括直线运动机构3、旋转调整机构4、俯仰调整机构5、磨抛机构6和控制器，其中，直线运动机构3、旋转调整机构4、俯仰调整机构5、磨抛机构6从上至下依次设置，该直线运动机构3用于带动旋转调整机构4、俯仰调整机构5和磨抛机构6构成的整体做上下直线运动，以此改变磨抛机构6与待磨抛曲面的接触力，即实现磨抛机构6磨抛力的调节；该旋转调整机构4用于带动俯仰调整机构5和磨抛机构6构成的整体做旋转运动，该旋转运动的旋转轴与直线运动机构3的轴线(即直线运动的方向)平行且与磨抛机构6的磨盘下表面的中心重合(即经过磨抛机构的磨抛中心)；该俯仰调整机构5用于带动磨抛机构6做旋转运动以调整磨抛机构6的俯仰角，该旋转运动的旋转轴与直线运动机构3的轴线(即直线运动的方向)垂直且与磨抛机构6的磨盘下表面的中心重合(即经过磨抛机构的磨抛中心)，通过旋转调整机构4和俯仰调整机构5的共同作用实现磨抛机构6姿态的调整，通过使旋转调整机构的旋转轴与直线运动机构的轴线平行且经过磨抛机构的磨抛中心，俯仰调整机构的旋转轴与直线运动机构的轴线垂直且经过磨抛机构的磨抛中心，使得磨抛机构在姿态调整时进行定心运动；而控制器分别与直线运动机构3、旋转调整机构4、俯仰调整机构5和磨抛机构6相连，用于根据磨抛机构6中六维力传感器的测量结果控制直线运动机构3、旋转调整机构4和俯仰调整机构5运动，以实时调整磨抛机构6的磨抛力和姿态，以此实现大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛。

如图3-4所示，直线运动机构3包括上固定板301、下固定板318、驱动单元以及设于上固定板301和下固定板318之间的限位导向单元，驱动单元包括直线运动电机319、第一小齿轮324、第一大齿轮309、第一交叉滚子轴承306、第一丝杆螺母311和第一丝杆313，直线运动电机319安装在上固定板301上，其输出轴与第一小齿轮324相连，该第一小齿轮324与第一大齿轮309啮合，第一大齿轮309同轴安装在第一交叉滚子轴承306内圈上，该第一交叉滚子轴承306的外圈固定在上固定板301上，第一丝杆螺母311同轴安装在第一大齿轮309上，第一丝杆螺母311与第一丝杆313的一端螺纹配合，第一丝杆313的另一端安装在下固定板318上，下固定板318的下方用于安装旋转调整机构4。

该直线运动机构3直线运动的实现方式如下：直线运动电机319带动第一小齿轮324转动，进而带动第一大齿轮309转动，从而带动与第一大齿轮309同轴设置的第一丝杆螺母311转动，由于第一大齿轮309同轴安装在第一交叉滚子轴承306内圈上，第一交叉滚子轴承306的外圈固定于上固定板301上，所以第一丝杆螺母311原地转动，第一丝杆313相对于上固定板301上下移动，进而带动固定有旋转调整机构4的下固定板318实现上下直线运动。

具体的，限位导向单元包括设于上固定板301和下固定板318之间的阶梯轴314以及设于上固定板301和下固定板318上的直线轴承303，通过直线轴承303配合阶梯轴314可以确保下固定板318只能相对于上固定板301在丝杆轴向运动，同时确保丝杠不受弯矩，直线轴承303通过螺钉固定于上固定板301及下固定板318，阶梯轴314的下端与下固定板318上的直线轴承303固连，上端与上固定板301上的直线轴承303滑动配合，实现导向，此外，阶梯轴314通过限位螺母304实现直线运动的限位。优选的，限位导向单元设置有三组。

进一步的，第一交叉滚子轴承306的外圈通过第一铝套筒310及螺钉螺母组合固定于上固定板301上，而第一大齿轮309通过第一碳纤维板307及螺钉固定于第一交叉滚子轴承306的内圈上，直线运动电机319通过螺钉固定于上固定板301，第一小齿轮324通过D形孔与电机的输出轴过盈配合，与第一丝杆螺母311配合的第一丝杆313下端与第一法兰联轴器316通过顶丝315固定，第一法兰联轴器316通过螺钉螺母固定于下固定板318上。优选的，直线运动电机319采用带抱闸伺服电机，通过抱闸实现电机制动，并采用光电编码器作为位置传感器实现精密位置反馈，保证运动控制精度，能够在姿态调整及切换时自由停机，而不会因为重力作用滑动，同时可用于抱闸制动。

如图5所示，旋转调整机构4包括旋转驱动电机401、第二交叉滚子轴承405和旋转安装板409，旋转驱动电机401安装在直线运动机构3上，具体安装在直线运动机构3的下固定板318上，旋转驱动电机401的输出轴穿过第二交叉滚子轴承405的内圈通过连接机构与旋转安装板409相连，第二交叉滚子轴承405的外圈固定在直线运动机构3上，具体固定在直线运动机构3的下固定板318上，旋转安装板409用于安装俯仰调整机构5。

具体的，旋转驱动电机401通过螺钉固定于下固定板318上，第二交叉滚子轴承405外圈通过第二铝套筒403、螺钉螺母组合404固定于下固定板318上。进一步的，所述连接机构包括第二法兰联轴器407以及设于第二法兰联轴器407和旋转安装板409之间的第二碳纤维板408，旋转驱动电机401的输出轴通过键槽与第二法兰联轴器407连接，旋转驱动电机输出轴轴向不固定，仅传递扭矩，不受轴向力。具体的，旋转驱动电机401的输出轴上开设有通槽，第二法兰联轴器407内嵌装有与通槽配合的键，通过键与通槽的配合，使得旋转驱动电机的输出轴仅用于传递扭矩(即带动部件旋转)，而不受轴向力，即轴向不受力。第二法兰联轴器407、第二碳纤维板408和旋转安装板409三者之间固连，第二交叉滚子轴承405的内圈、第二碳纤维板408和旋转安装板409三者之间固连。如此通过第二碳纤维板408将旋转安装板409以及旋转安装板409下方的俯仰调整机构5连接在第二交叉滚子轴承405的内圈上，使得连接在第二碳纤维板408下方的俯仰调整机构5的重力完全由第二交叉滚子轴承405承受，旋转驱动电机只受到扭矩的作用，不受轴向力和径向力的作用，从而起到保护电机的作用。需要旋转时，旋转驱动电机401的输出轴转动，即可带动第二法兰联轴器407、第二碳纤维板408、第二交叉滚子轴承405内圈、旋转安装板409及固连于旋转安装板409下方的俯仰调整机构5同步转动。

如图6-8所示，俯仰调整机构5包括两组左右对称设置的俯仰调整组件以及俯仰驱动电机520、第二小齿轮521、第二大齿轮516和俯仰安装板514，俯仰调整组件包括彼此滑动配合的俯仰挂件509和弧形板510，该俯仰挂件509安装在旋转调整机构4上，具体安装在旋转调整机构4的旋转安装板409上，该弧形板510安装在俯仰安装板514上，俯仰驱动电机520安装在旋转安装板409上，其输出轴与第二小齿轮521相连，该第二小齿轮521与第二大齿轮516啮合，第二小齿轮521与俯仰挂件509相连，第二大齿轮516与俯仰安装板514相连，俯仰安装板514用于安装磨抛机构6，两组俯仰调整组件中的两个弧形板510的圆心连线即为俯仰调整机构俯仰运动的旋转轴，第二大齿轮516的中心与该俯仰运动的旋转轴重合。当俯仰驱动电机520转动时，带动第二小齿轮521转动，进而带动第二大齿轮516转动，从而带动固定于俯仰安装板514上的磨抛组件6实现俯仰。通过设置两组俯仰调整组件保证受力均匀，调节力臂更长，且中部可放置电机，减小整个装置的轴向长度。

具体的，俯仰挂件509通过第一L形固定件501及螺钉螺母组合固定于旋转安装板409上，俯仰驱动电机520通过俯仰电机架508安装在旋转安装板409上，该俯仰电机架508通过螺钉螺母组合固定于旋转安装板409上，俯仰驱动电机520的输出轴通过第三法兰联轴器505与第二小齿轮521相连。

进一步的，如图7所示，第二大齿轮516通过第二L形固定件512用螺钉螺母组合固定于俯仰安装板514上。如图9-10所示，俯仰挂件509包括左安装板902、右安装板904和深沟球轴承908，所述左安装板902和右安装板904平行布置，深沟球轴承908位于左安装板902和右安装板904之间，该深沟球轴承908的内圈固定在左安装板902和右安装板904上，外圈位于弧形板510的上方，并与弧形板510保持接触，使得弧形板510与深沟球轴承908的外圈之间滑动，其中，深沟球轴承908优选设置有两个。进一步的，第一L形固定件501通过内六角螺钉905和第一尼龙防松螺母901安装在左安装板902和右安装板904上，内六角螺钉905上套装有第三铝套筒903。深沟球轴承908的内圈通过塞打螺钉906、垫片910和第二尼龙防松螺母911安装在左安装板902和右安装板904上。

如图12所示，磨抛机构6包括从上至下依次设置的磨抛安装板601、六维力传感器603、上连接板605、下连接板606、磨抛电机607和磨盘608，磨抛安装板601安装在俯仰调整机构5上，具体安装在俯仰调整机构5的俯仰安装板514上，六维力传感器603设于磨抛安装板601和上连接板605之间，该上连接板605和下连接板606彼此相连，磨抛电机607安装在下连接板606的下表面，其输出轴与磨盘608相连，以带动磨盘608旋转实现磨抛。具体的，六维力传感器采用ATI传感器，磨抛电机607为大扭矩扁平电机，扁平电机的转动直接带动磨盘608旋转进行表面磨抛，且其转速可控，能有效防止过高转速造成大型风电叶片表面烧伤，磨盘608可直接更换，操作简单可靠。

如图8和11所示，通过使旋转调整机构的旋转轴与直线运动机构的轴线平行且经过磨抛机构的磨抛中心，俯仰调整机构的旋转轴与直线运动机构的轴线垂直且经过磨抛机构的磨抛中心(即旋转调整机构和俯仰调整机构正交设置，旋转调整机构和俯仰调整机构实现两个相互正交的旋转运动)，使得磨抛机构中磨盘608在姿态调整过程中实现定心运动，其工作原理如下：由于磨盘下表面的中心(即磨抛中心)在旋转调整机构的旋转轴，且磨盘下表面的中心与两弧形板的圆心连线重合，即磨抛中心也在俯仰调整机构的轴线上，使得在旋转调整机构4和俯仰调整机构5运动过程中，磨抛中心位置保持不变，即对磨盘608的姿态进行精密调整时只会改变磨盘608的姿态，不会导致磨盘的磨抛中心产生额外位移，从而保证姿态调整过程中不改变磨盘与曲面的接触点的位置，旋转调整机构4和俯仰调整机构5两个正交方向上的转动的合运动实现磨盘608的调整，从而自适应曲面的变化以实现磨削面与曲面切平面的重合。

进一步的，该磨抛装置的上方设置有端盖1，该端盖1具体连接与上固定板301的上方，端盖1上设有用于与工业磨抛机器人或者机床的末端对接的法兰，通过该法兰可将本发明的磨抛装置与机器人的末端或机床的末端连接，利用机器人或机床的运动提供大范围的位置和姿态调节，使本发明的磨抛装置能够快速到达指定位置。为了避免磨抛装置受外界影响，其整体安装在防尘保护罩2内，防尘保护罩2为筒状构造，可以伸缩，防尘保护罩2的上下端分别固定于端盖1和俯仰调整机构5。本发明的磨抛装置具有恒力、姿态精密调整的特点，能够实现给定位置处的恒力磨抛加工，同时自适应给定位置的曲面进行姿态调整，实现法向接触，防止重复磨抛、保证磨抛均匀一致性。

更为具体的，上固定板301、下固定板318、旋转安装板409、弧形板510、俯仰安装板514、左安装板902、右安装板904、磨抛安装板601、上连接板605和下连接板606均为碳纤维板，具有强度大、刚度大和密度小的优点。

下面以大型风电叶片为例对本发明的磨抛装置的工作过程进行介绍，待磨抛的大型风电叶片如图13所示，磨抛装置的自适应调整过程如图14所示，其中，图14中的(a)为对大型风电叶片的某一点进行磨抛，当该点磨抛结束后，运行到下一位置(即图14的(b)中所示位置)进行连续磨抛，由于此时磨抛位置发生改变，曲面的曲率及法线方向也发生了变化，磨盘608的旋转轴(即磨盘的法线)不再与当前磨削点的法线重合，如果直接磨抛，则磨抛精度及磨抛程度均难以保证。此时，六维力传感器603实时采集磨盘608与工件之间的接触力与力矩信号，并将接触力及力矩信号反馈至控制器，控制器根据接收到的接触力大小及力矩信号计算直线运动电机319、旋转驱动电机401和俯仰驱动电机520的运动量，并输出相应的控制信号，以调整磨盘608的姿态，使磨盘608的旋转轴重新与磨削曲面接触点的法线重合，同时调节磨盘608与工件间的接触力至预设值，实现恒力磨抛，确保磨抛的均匀一致性。

总之，本发明可改善单自由度力控磨抛机构的姿态不能自适应曲面的变化，可以实现直线运动与两个正交的旋转运动，进行曲面打磨过程中的打磨头的法向接触力控制以及局部切平面的姿态调整，实现打磨头与工件自由表面达到恒力、法向的接触。磨抛时，六维力传感器用于采集磨盘与待加工工件的接触力和力矩信号，并上传至控制器；控制器用于根据接收到的接触力和力矩信号，控制旋转驱动电机和俯仰驱动电机的运行，从而实时调整磨盘姿态，使磨盘的磨削面始终与工件待加工曲面接触点的局部切平面重合，实现待加工曲面自适应；控制器还用于根据接收到的接触力和力矩信号控制直线运动电机的运行，实时调整磨削力(即磨抛力)，实现柔性磨抛。

本发明的具有精密、高带宽控制特性的伺服运动平台与力传感器构成的负反馈主动柔顺系统能够很好地控制磨盘与工件的接触力大小以及接触姿态，从而主动自适应地控制打磨接触力以及打磨姿态。本发明综合直线运动与两个正交的旋转运动实现了机器人力控磨抛加工中的力-位解耦，满足加工大型风电叶片自由曲面时精度高，表面一致性好的要求，可有效避免机器人定位精度不高导致的打磨头与自由曲面的接触姿态不满足要求以及过度磨抛和磨抛不均匀等问题，可广泛应用于机器人磨抛大型复杂曲面尤其是风电叶片类复杂自由曲面。

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 (9)

1.一种大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其特征在于，包括直线运动机构（3）、旋转调整机构（4）、俯仰调整机构（5）、磨抛机构（6）和控制器，其中：

所述直线运动机构（3）、旋转调整机构（4）、俯仰调整机构（5）、磨抛机构（6）从上至下依次设置，该直线运动机构（3）用于带动所述旋转调整机构（4）、俯仰调整机构（5）和磨抛机构（6）构成的整体做上下直线运动，以实现磨抛机构（6）磨抛力的调节；该旋转调整机构（4）用于带动所述俯仰调整机构（5）和磨抛机构（6）构成的整体做旋转运动，该旋转运动的旋转轴与直线运动的方向平行且与所述磨抛机构（6）中磨盘（608）下表面的中心重合；该俯仰调整机构（5）用于带动所述磨抛机构（6）做旋转运动以调整磨抛机构（6）的俯仰角，该旋转运动的旋转轴与直线运动的方向垂直且与所述磨抛机构（6）中磨盘（608）下表面的中心重合，通过所述旋转调整机构（4）和俯仰调整机构（5）的共同作用实现磨抛机构（6）姿态的调整；所述俯仰调整机构（5）包括左右对称设置的俯仰调整组件，并且该俯仰调整组件包括彼此滑动配合的俯仰挂件（509）和弧形板（510），所述俯仰挂件（509）安装在所述旋转调整机构（4）上，所述磨盘（608）下表面的中心与两弧形板（510）的圆心连线重合；

所述控制器分别与所述直线运动机构（3）、旋转调整机构（4）、俯仰调整机构（5）和磨抛机构（6）相连，用于根据所述磨抛机构（6）中六维力传感器采集的磨盘（608）与待磨抛曲面间的接触力与力矩信号，控制所述直线运动机构（3）、旋转调整机构（4）和俯仰调整机构（5）运动，以实时调整磨抛机构（6）的磨抛力和姿态，以此实现大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛。

2.如权利要求1所述的大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其特征在于，所述直线运动机构（3）包括上固定板（301）、下固定板（318）、驱动单元以及设于所述上固定板（301）和下固定板（318）之间的限位导向单元，所述驱动单元包括直线运动电机（319）、第一小齿轮（324）、第一大齿轮（309）、第一交叉滚子轴承（306）、第一丝杆螺母（311）和第一丝杆（313），所述直线运动电机（319）安装在所述上固定板（301）上，其输出轴与所述第一小齿轮（324）相连，该第一小齿轮（324）与所述第一大齿轮（309）啮合，所述第一大齿轮（309）同轴安装在所述第一交叉滚子轴承（306）的内圈上，该第一交叉滚子轴承（306）的外圈固定在所述上固定板（301）上，所述第一丝杆螺母（311）同轴安装在所述第一大齿轮（309）上，该第一丝杆螺母（311）与所述第一丝杆（313）的一端螺纹配合，该第一丝杆（313）的另一端安装在所述下固定板（318）上，所述下固定板（318）的下方用于安装所述旋转调整机构（4）。

3.如权利要求2所述的大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其特征在于，所述限位导向单元包括设于所述上固定板（301）和下固定板（318）之间的阶梯轴（314），所述上固定板（301）和下固定板（318）上设置有直线轴承（303），所述阶梯轴（314）的下端与下固定板（318）上的直线轴承（303）固连，上端与上固定板（301）上的直线轴承（303）滑动配合实现导向。

4.如权利要求1所述的大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其特征在于，所述旋转调整机构（4）包括旋转驱动电机（401）、第二交叉滚子轴承（405）和旋转安装板（409），所述旋转驱动电机（401）安装在所述直线运动机构（3）上，其输出轴穿过所述第二交叉滚子轴承（405）的内圈通过连接机构与所述旋转安装板（409）相连，所述第二交叉滚子轴承（405）的外圈固定在所述直线运动机构（3）上，所述旋转安装板（409）用于安装所述俯仰调整机构（5）。

5.如权利要求4所述的大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其特征在于，所述连接机构包括第二法兰联轴器（407）以及设于第二法兰联轴器（407）和旋转安装板（409）之间的第二碳纤维板（408），所述旋转驱动电机（401）的输出轴通过键槽与所述第二法兰联轴器（407）相连，且所述第二法兰联轴器（407）、第二碳纤维板（408）和旋转安装板（409）三者之间固连，所述第二交叉滚子轴承（405）的内圈、第二碳纤维板（408）和旋转安装板（409）三者之间固连。

6.如权利要求1所述的大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其特征在于，所述俯仰调整机构（5）还包括俯仰驱动电机（520）、第二小齿轮（521）、第二大齿轮（516）和俯仰安装板（514），所述俯仰调整组件包括彼此滑动配合的俯仰挂件（509）和弧形板（510），该俯仰挂件（509）安装在所述旋转调整机构（4）上，该弧形板（510）安装在所述俯仰安装板（514）上，所述俯仰驱动电机（520）安装在旋转调整机构（4）上，其输出轴与所述第二小齿轮（521）相连，该第二小齿轮（521）与所述第二大齿轮（516）啮合，所述第二小齿轮（521）与其中一俯仰挂件（509）相连，所述第二大齿轮（516）与所述俯仰安装板（514）相连，通过所述第二小齿轮（521）与第二大齿轮（516）的啮合作用带动所述俯仰安装板（514）及其下方的磨抛机构（6）做俯仰运动，该俯仰运动的旋转轴为两组俯仰调整组件中两弧形板（510）圆心的连线。

7.如权利要求6所述的大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其特征在于，所述俯仰挂件（509）包括左安装板（902）、右安装板（904）以及设于左安装板（902）和右安装板（904）之间的深沟球轴承（908），所述左安装板（902）和右安装板（904）平行布置，所述深沟球轴承（908）的内圈固定在左安装板（902）和右安装板（904）上，外圈位于所述弧形板（510）的上方，并与弧形板（510）保持接触。

8.如权利要求1-7任一项所述的大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置，其特征在于，所述磨抛机构（6）包括从上至下依次设置的磨抛安装板（601）、六维力传感器（603）、上连接板（605）、下连接板（606）、磨抛电机（607）和磨盘（608），所述磨抛安装板（601）安装在所述俯仰调整机构（5）上，所述六维力传感器（603）设于所述磨抛安装板（601）和上连接板（605）之间，该上连接板（605）和所述下连接板（606）彼此相连，所述磨抛电机（607）安装在所述下连接板（606）的下表面，其输出轴与所述磨盘（608）相连，以带动所述磨盘（608）旋转实现磨抛。

9.一种磨抛机器人，其特征在于，该磨抛机器人的末端安装有如权利要求1-8任一项所述的大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置。

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