CN111070017B - 一种研磨系统及研磨工艺 - Google Patents

Abstract

公开了一种研磨系统及研磨工艺，机械手臂上装设偏角式传感器，针对研磨工件在空间中的平面上做研磨前后的测量，分析测量结果，判断研磨路径中是否存在凸点，当判断出有凸点存在时，执行局部研磨再加工，此发明为分析研磨前后平面度，让机械手臂能实时进行再加工，省去重装的步骤，达到在线检测自动化的目的。

Description

一种研磨系统及研磨工艺

技术领域

本发明涉及加工制造领域，更具体地讲，涉及一种研磨系统及研磨工艺。

背景技术

随着工业和制造业的迅速发展，焊接是结构件成形中广泛应用的加工方法，具有连接强度高，适应性强，连接密封性好等优点。焊接之后多余的焊接金属材料需要被去除，磨抛去除焊后焊缝不仅是得到光滑一致的被连接件表面的工艺要求，而且还是减小焊接应力的途径，因此，去除结构件焊后焊缝多余的金属材料具有现实意义。

目前，结构件焊缝多余金属材料的去除依然通过工人手工磨抛完成，技术工人使用抛光轮等磨抛工具对结构件焊缝进行磨抛，不仅劳动强度大效率低，而且加工精度也难以保障，工人在焊缝磨抛中经常会磨伤母材，更重要的是磨抛过程中产生的粉尘还会危害操作人员的身体健康，操作人员有时还要在高处和狭小的空间进行作业，工作环境恶劣，因此迫切需要结构件焊缝磨抛自动化。如果使用机床进行结构件焊缝的自动化磨抛，需要机床的尺寸大于结构件尺寸，这样的大型设备加工、装配都很困难，加工柔性不足，而且成本昂贵。

目前机械手臂在工业上的应用已相当广泛，使用机械手臂进行研磨、抛光及去毛边的机械手臂技术也已经相当普遍，但是，对于直接应用机械手臂对研磨工件的研磨情况的分析相对较少。因为机械手臂各轴累积的误差量大，无法达到高精度检测的要求。对于研磨工件高精度要求的测量，通常会采用三坐标测量仪进行测量，但是，三坐标测量仪的机台工作空间有限，测量时也需要将工件从研磨位置移动至三坐标测量仪，三坐标测量仪相对于机械手臂的自由度也较低，所以目前仍然没有完整且高精度及高自由度的研磨系统能进行研磨后的工件检测。因此急需一种新型的研磨系统及研磨工艺，以期解决该问题。

发明内容

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，本发明公开的研磨系统包括机械手臂，机械手臂具有多个自由度，机械手臂的头端设有转接头，转接头能够分别装配有气动研磨工具和偏角式传感器，偏角式传感器与信号处理系统相连，信号处理系统包括PC终端，PC终端内的程序能够读取偏角式传感器的数字输入值、机械手臂的Z轴坐标值和检测点位置，气动研磨工具对研磨工件进行研磨操作，偏角式传感器对研磨工件表面进行测量，信号处理系统分析研磨工件表面的测量结果。

进一步的，偏角式传感器为接触式传感器，材质为不锈钢，偏角式传感器的头部具有一个半圆形的感测头，当偏角式传感器碰到研磨工件表面挤压时，当被测量的信号达到定位精度时，偏角式传感器相对应输出一个信号，对应后方信号回路为数值 1，否则为0。

进一步的，偏角式传感器的数值采集时间间隔不大于0.1s，机械手臂的移动速度不大于10mm/s。

进一步的，机械手臂具有6个自由度，机械手臂的末端的重复定位精度为0.01mm。

进一步的，气动研磨工具包括研磨砂轮，研磨砂轮材质包括树脂结合剂立方氮化硼和金刚石。

本发明还公开了一种研磨工艺，该研磨工艺由上述的研磨系统完成，研磨系统能够对的研磨工件的焊缝平面进行研磨，其中，研磨工件是平放在X-Y轴平面的工件，使用Z轴作测量依据，研磨工艺包括如下方法步骤：

a.启动机械手臂，校准机械手臂到研磨工件需测量与加工的位置，设定好研磨平面的检测加工路径，对工件的焊缝平面部分进行研磨前的检测，使用偏角式传感器读取检测平面的数值；

b. 信号处理系统读取偏角式传感器的数字输入值、机械手臂的Z轴坐标值和检测点位置这三项数据，PC终端的屏幕进行图形化表示，分析研磨前的焊缝平面度；

c. 机械手臂带动气动研磨工具对工件的焊缝平面进行研磨；

d. 焊缝平面研磨完成后，采用步骤a、b中的研磨前检测方式，分析研磨后的焊缝平面度，此时，需确认偏角式传感器反馈数值是否恒为0，若数值恒为0，则将机械手臂向下移动Z轴坐标差的距离， 再进行一次分析研磨焊缝平面度，若向下移动后偏角式传感器反馈数值恒为1，即表示研磨工件平面度检测完成且检测误差落在Z轴坐标差的范围内，倘若向下移动后偏角式传感器反馈数值不恒为1，需再次判断是否恒为0，若反馈数值不恒为0，则操作气动研磨工具对工件的焊缝平面进行局部再研磨；

e. 持续重复判断分析偏角式传感器反馈数值和局部研磨再加工，直到偏角式传感器反馈值皆恒为0且向下移动Z轴坐标差后，偏角式传感器反馈值皆恒为1，此时研磨完成，且检测误差落在Z轴坐标差的范围内。

本发明针对机械手臂在研磨前后的工件进行检测，并分析检测的结果提出相关的因应的研磨工艺，机械手臂要检测研磨前后的工件，必须具备高精度且体积小的感测装置，能在机器手臂执行研磨制程任务时，不影响加工过程并能感测工件的表面情形。过去研磨工艺的完成度没有固定的检测依据，经常依据加工现场人员的肉眼观察及人手触碰，判断是否有凹凸的研磨不均匀表面，本发明将使用偏角传感器辅助检测研磨后的工件平面度。但机械手臂本身存在各轴误差，本发明主要被影响的为路径中的线性误差，本发明主要提供一种线上检测方式，利用机械手臂的多自由度，进行在线检测，提升大范围工作空间的优势，在工作空间中的平面进行工件测量，以图形化测量后的数据，分析图形化数据结果，判断是否研磨表面是否需再进行局部加工。

机械手臂上装设偏角式传感器，针对研磨工件在空间中的平面上做研磨前后的测量，分析测量结果，判断研磨路径中是否存在凸点，当判断出有凸点存在时，执行局部研磨再加工。持续研磨到将研磨路径中的凸点磨除后，向下移动一个坐标差的范围(研磨平面在X-Y轴平面上，则Z轴移动)，判断传感器反馈的数值数据是否恒为0，当数值反馈皆一致时，则表示此焊缝研磨的平面度落在坐标差范围内。

附图说明

图1为本发明的研磨系统示意图。

图2为本发明的研磨工艺后示意图。

图3为本发明的检测数据示意图。

图4为本发明的Z轴坐标差的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明的研磨系统主要利用机械手臂的多自由度，进行线上实时量测的优点，研磨前先测量研磨工件的平面度，进行研磨操作后，不须将工件拆下或取出，直接测量研磨后工件的平面误差是否过大，当研磨后平面度不符合预期，直接进行局部的研磨再加工，重复上述的动作直到测量结果符合要求，减少重装的 造成的误差和时间消耗。

如图1所示，为整体系统架构图，图中左侧为硬件架构，右侧为信号处理架构，具体的，研磨系统包括机械手臂，机械手臂具有多个自由度，机械手臂的头端设有转接头，转接头能够分别装配有气动研磨工具和偏角式传感器，偏角式传感器与信号处理系统相连，信号处理系统包括PC终端，PC终端内的程序能够读取偏角式传感器的数字输入值、机械手臂的Z轴坐标值和检测点位置，气动研磨工具对研磨工件进行研磨操作，偏角式传感器对研磨工件表面进行测量，信号处理系统分析研磨工件表面的测量结果。

本发明所提出在线实时测量概念，取决于研磨工件需求所考虑，在线实时测量的概念主要是希望通过数据化且不需重复装载工件的方式，更改过去主要依靠现场人员经验的判断标准和重装造成的误差与时间消耗。本发明选用偏角式传感器，所以选用精度误差要求不需太高的焊缝研磨，主要测量位置为工件转角研磨处，确认研磨平面度是否达到范围。

机械手臂具有6个自由度。本发明所使用的工件为焊缝研磨工件，焊缝研磨所需要的精度要求较其他形式的研磨工艺低，焊缝研磨主要是将焊接造成的断面去除，达到平滑无断面即可。

检测路径设定为空间中的平面，是因为当路径为平面状况时，六轴手臂本身所带来的误差较小，本发明机械手臂的末端的重复定位精度为0.01mm。本发明检测路径是由点到点产生，表示每段路径的中间过程是机械手臂线性移动完成，其中的线性重复精度为0.07-0.16mm，表示线性的过程中，误差介于这个范围区间。后续的误差说明针对Z轴坐标读取值，皆存在此误差。若要减少机械手臂线性重复性误差，可以在路径中多加入几个定位点，减少机械手臂线性补偿的使用，但须确保手动增加点位误差少于线性重复性误差。

本发明的偏角式传感器为接触式传感器，材质为不锈钢，准确度为0.005mm，表示此偏角传感器的感测范围在0.005mm以下，偏角式传感器的头部具有一个半圆形的感测头，当偏角式传感器碰到研磨工件表面挤压时，当被测量的信号达到定位精度（0.005mm）时，偏角式传感器相对应输出一个信号，对应后方信号回路为数值1（表示研磨平面与探偏角接触式传感器保持接触），否则为0（表示偏角接触式传感器与研磨平面并无接触）。

选用此偏角传感器的原因为，测量的位置设计为半圆形的设计，当机械手臂沿路径移动过程中，此设计可以顺利的跟随机械手臂动作，不会因为移动时造成测量点受力而断裂或摩擦。

选用此偏角传感器目的为检测研磨前后工件的平面度，此次选用的研磨工件为焊缝研磨，焊缝研磨的工艺目标是将焊接造成的焊缝与连接工件的高低差，研磨成平滑的曲线或直线，确保连接处无断面即可，对于处理后的表面质量要求也不同，所以对于精度的要求不高，在某些情况下，仅需将焊接断层处去除多余物就足够了。针对焊缝的精度要求不需要很高，所以偏角接触传感器的检测方式适用于本发明的研磨工艺，其测量的精度对于焊缝研磨工艺来说相当足够。

根据图2流程图所示，开始启动机械手臂后，校准手臂位置到需测量与加工的位置，设定好平面的检测加工路径，机械手臂路径设定依据需检测工件外观而定。首先进行研磨前的检测，此次检测焊缝研磨工件的平面部分，使用偏角传感器搭配机械手臂读取检测平面的数值，本发明使用时间间隔为 0.1s，表示机械手臂会依据0.1s的时间间隔读取传感器的数值，如果有更高精度的需要，时间间隔最小可以设定为0.01s进行读取点位资料。

本发明的机械手臂的移动速度设定为10mm/s，配合时间间隔的设定，表示每经过1mm，机械手臂会读取传感器的数值、Z轴坐标和检测点位置，再将由信号处理系统读取到的三项数据，在PC屏幕上进行图形化表示，分析研磨前的工件平面度，然后再开始针对工件进行研磨工艺。

研磨完成后，执行与研磨前检测相同路径检测方式，分析研磨后的工件平面度，此时，需核查传感器反馈数值是否恒为0，若数值恒为0，则将机械手臂向下移动Z轴坐标差的距离， 再进行一次分析研磨工件平面度，若向下移动后传感器反馈数值恒为 1，那即表示研磨工件平面度完成，且检测误差落在Z轴坐标差的范围内；倘若向下移动后传感器反馈数值不恒为1，需再次判断是否恒为0，若反馈数值不恒为0，则操作气动研磨工具对工件的焊缝平面进行局部再研磨操作。

持续重复判断分析传感器反馈数值和局部研磨再加工，直到传感器反馈值皆恒为0且向下移动Z轴坐标差后，传感器反馈值皆恒为1，此时研磨完成，且检测误差落在Z轴坐标差的范围内。

本发明产出的主要三项数据为：Z轴坐标、检测点位置和传感器的数值。再将三项数据使用MATLAB图形化呈现如图3所示，上半部图形为Z轴坐标与检测点位的曲线图，下半部图形为传感器检测数值与检测点位的点位图，经由图形化呈现后可方便观察检测区段的结果。

本发明研磨工艺方法步骤中提到的Z轴坐标差，以图4来说明，先观察下半部图形中，以X64到X95为数值1的部分，代表在这些点位时，偏角传感器与研磨工件是为接触状态，再观察上半部图形，检测点X64的数值为118.45mm为此区段最低，检测点X95的数值为118.61mm为此区段数值最高，则两项数值的差 0.016mm，就定义为Z轴坐标差。

本发明预期结果为，初次研磨前检测平面，必定存在许多凹凸点位，通过研磨工艺后，能够大幅改善平面度，再次测量预期仍会存在少部分凹凸点位，此时，就需通过检测后的分析，判断检测的高度坐标误差大约为多少，接着，进行局部的再加工，最后检测时，感测路径不变的情况下，传感器反馈数值应大致为0，因为凹凸点位皆被研磨去除，此时，将机械手臂的坐标下降(根据测量坐标而定，因为此发明研磨工件位于为X-Y坐标平面，故下降Z轴坐标)，下降幅度为局部加工前检测的高度坐标误差值（即Z轴坐标差），这时，预期传感器回传的数值应大致为1，表示经研磨后，待测研磨工件的平面度误差范围落在Z轴坐标差。

由传感器测量研磨前后平面度，回传传感器信号数值、机械手臂坐标及检测点位置至后端PC计算机，将输出结果分析并判断研磨工件的平面度，判断分析结果决定是否要进行再加工，直到回传传感器信号数值一致时结束。

本发明主要为利用机械手臂的高自由度，进行研磨工件表面检测，以及平面凸点的再加工。依据研磨工件的几何外观不同，机械手臂的检测路径也会相对应的改变。本发明取研磨工件空间中的平面部分作测量，分析测量后的结果，如果测量研磨平面有凸点时，则必须进行再加工。

此发明为分析研磨前后平面度，让机械手臂能实时进行再加工，省去重装的步骤，达到在线检测自动化的目的。

本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种研磨工艺，所述的研磨工艺由研磨系统完成，所述的研磨系统能够对研磨工件的焊缝平面进行研磨，其中，所述的研磨工件是平放在X-Y轴平面的工件，使用Z轴作测量依据，所述的研磨系统包括机械手臂，所述的机械手臂具有6个自由度，所述的机械手臂的头端设有转接头，所述的转接头能够分别装配有气动研磨工具和偏角式传感器，所述的偏角式传感器与信号处理系统相连，所述的信号处理系统包括PC终端，所述的PC终端内的程序能够读取所述的偏角式传感器的数字输入值、所述的机械手臂的Z轴坐标值和检测点位置，所述的气动研磨工具对研磨工件进行研磨操作，所述的偏角式传感器对所述的研磨工件表面进行测量，所述的信号处理系统分析研磨工件表面的测量结果；所述的偏角式传感器的头部具有一个半圆形的感测头，当所述的偏角式传感器碰到所述的研磨工件表面挤压时：当被测量的信号达到定位精度时，所述的偏角式传感器相对应输出一个信号，对应后方信号回路为数值 1，否则为0；

其特征在于，所述的研磨工艺包括如下方法步骤：

a.启动机械手臂，校准机械手臂到研磨工件需测量与加工的位置，设定好研磨平面的检测加工路径，对工件的焊缝平面部分进行研磨前的检测，使用偏角式传感器读取检测平面的数值；

b. 信号处理系统读取偏角式传感器的数字输入值、机械手臂的Z轴坐标值和检测点位置这三项数据，PC终端的屏幕进行图形化表示，分析研磨前的焊缝平面度；

c. 机械手臂带动气动研磨工具对工件的焊缝平面进行研磨；

d. 焊缝平面研磨完成后，采用步骤a、b中的研磨前检测方式，分析研磨后的焊缝平面度，此时，需确认偏角式传感器反馈数值是否恒为0，若数值恒为0，则将机械手臂向下移动Z轴坐标差的距离，再进行一次分析研磨焊缝平面度，若向下移动后偏角式传感器反馈数值恒为1，即表示研磨工件平面度检测完成且检测误差落在Z轴坐标差的范围内，倘若向下移动后偏角式传感器反馈数值不恒为1，需再次判断是否恒为0，若反馈数值不恒为0，则操作气动研磨工具对工件的焊缝平面进行局部再研磨；

e. 持续重复判断分析偏角式传感器反馈数值和局部研磨再加工，直到偏角式传感器反馈值皆恒为0且向下移动Z轴坐标差后，偏角式传感器反馈值皆恒为1，此时研磨完成，且检测误差落在Z轴坐标差的范围内。

2.根据权利要求1所述的一种研磨工艺，其特征在于，所述的偏角式传感器为接触式传感器，材质为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的一种研磨工艺，其特征在于，所述的偏角式传感器的数值采集时间间隔不大于0.1s，所述的机械手臂的移动速度不大于10mm/s。

4.根据权利要求1所述的一种研磨工艺，其特征在于，所述的机械手臂的末端的重复定位精度为0.01mm。

5.根据权利要求1所述的一种研磨工艺，其特征在于，所述的气动研磨工具包括研磨砂轮，所述的研磨砂轮材质包括树脂结合剂立方氮化硼和金刚石。

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