CN113579964A - 一种砂轮打磨控制装置及包括该装置的闭环控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种砂轮打磨装置及包括该装置的闭环控制系统，包括第一电机、第一传动轴、第二传动轴、转动壳、第二电机、四个直齿圆锥齿轮、连接件、砂轮组件、传动轴和电涡流传感器；第一电机通过水平设置的第一传动轴驱动其中一个直齿圆锥齿轮转动，该直齿圆锥齿轮与其他三个直齿圆锥齿轮模数齿数相等，构成周转轮系；转动壳安装在四个直齿圆锥齿轮的外部并与四个直齿圆锥齿轮固定；第二电机装在转动壳外部，其驱动轴竖直设置，驱动轴穿过上部的两个直齿圆锥齿轮与第二传动轴相连，第二传动轴穿过下部的两个直齿圆锥齿轮与砂轮组件相连，且在砂轮组件的上方和下方固定有电涡流传感器。

Description

一种砂轮打磨控制装置及包括该装置的闭环控制系统
技术领域
本发明涉及工艺装备技术领域，具体涉及一种砂轮打磨控制装置及包括该装 置的闭环控制系统。
背景技术
用于高速轨道车辆的中空挤压铝合金型材为了提高表面硬度，耐腐蚀性以及 耐磨性，铝型材表面会采用硫酸直流阳极氧化法制备出三氧化二铝氧化膜。在 焊接前，需要将铝型材搬运置焊接工位，打磨其焊接坡口处的三氧化二铝氧化 膜后，才可继续执行焊接工序。
目前由于其搬运装置的局限性，人工打磨便是主流，操作工人需要辅助控制 铝型材的安放位置后，再凭借自身经验肉眼观察氧化膜的存在，并手持砂轮打 磨。这种打磨中空挤压铝型材的方式，存在较大的不稳定性，无论从打磨速度 还是打磨的洁净程度上均无法有足够的保证。人工的打磨主要凭借经验对坡口 处的氧化膜进行打磨，无法精确控制打磨进给量，导致在焊接时，可能存在两 种情况：第一种情况为，存在未完全打磨干净的情况，这样在焊接时会导致焊 接的焊缝不可靠；第二种情况为，存在过度打磨的情况，而焊接机器人在焊接 时为定量焊接，因此会导致过度打磨的坡口处焊缝纯在缺陷，焊接不牢固的情 况。这两种情况的存在，均非常不利于轨道车辆车身结构的整体安全性。而目 前的自动打磨装置，虽然采用了机械臂打磨能对中空挤压铝型材的焊接坡口处 的氧化膜施加给定进给量实现精准打磨，但无法满足在打磨过程中实时检测不 同的位置处的氧化膜厚度从而随时调节打磨变量，这种自动打磨装置打磨后比 较均匀，但是仍然可能存在残余的氧化膜，也会引起焊接缺陷的产生。
综上所述，对于现有的打磨铝型材氧化膜的方式主要有两类，分别为人工经 验打磨和机械定量打磨。人工打磨，费时费力，对于氧化膜的打磨凭借经验， 进给量无法精确控制。机械定量打磨，虽然进给量可以达到精确控制，但无法 进行实时检测反馈，存在残余氧化膜的情况，缺乏人工打磨的柔性。这两种打 磨方式，均存在打磨缺陷，造成后续焊接过程中焊缝的缺陷，影响到车体结构 强度，存在巨大的生命安全风险。
发明内容
本发明基于上述问题，提供了一种砂轮打磨控制装置及包括该装置的闭环 控制系统。该闭环打磨控制系统是根据人工经验打磨和机械定量打磨的缺陷所 提出的。该装置能够将人工经验打磨的柔性优势和机械定量打磨的精准性结合， 能够精准而又彻底的解决坡口处氧化膜的打磨问题，为后续的焊接提供可靠保 证。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种砂轮打磨装置，包括第一电机、第一传动轴、第二传动轴、 转动壳、第二电机、四个直齿圆锥齿轮、连接件、砂轮组件、传动轴和电涡流 传感器；
所述的第一电机通过水平设置的第一传动轴驱动其中一个直齿圆锥齿轮转 动，该直齿圆锥齿轮与其他三个直齿圆锥齿轮模数齿数相等，构成周转轮系； 所述的转动壳安装在四个直齿圆锥齿轮的外部并与四个直齿圆锥齿轮固定；
所述的第二电机装在转动壳外部，其驱动轴竖直设置，驱动轴穿过上部的 两个直齿圆锥齿轮与第二传动轴相连，第二传动轴穿过下部的两个直齿圆锥齿 轮与砂轮组件相连，且在砂轮组件的上方和下方固定有电涡流传感器。
作为进一步的技术方案，在转动壳的底部固定一个连接件，该连接件套装 在第二传动轴外，其上固定所述的电涡流传感器。
作为进一步的技术方案，所述的砂轮组件包括上端盖、上箱体、砂轮、内 置空心阶梯轴和下端盖；内置空心阶梯轴负责固定连接在所述连接件上；其外 从上之下依次设置上端盖、上箱体、砂轮和下端盖；所述的上、下端盖用于固 定所述的砂轮。
作为进一步的技术方案，所述的电涡流传感器的安装角度为90°-θ；其中， θ为坡口角度。
作为进一步的技术方案，所述的四个电涡流传感器按照左上、左下、右上、 右下四个方向分布。
第二方面，本发明还提供了一种砂轮打磨闭环控制系统，包括所述的砂轮 打磨装置和控制器，所述的控制器的信号输入端与电涡流传感器相连，输出端 控制砂轮打磨装置。
作为进一步的技术方案，还包括二轴龙门机械臂，所述的二轴龙门机械臂 包括龙门架立柱、龙门架z轴调节机构和龙门架y轴调节机构；龙门架z轴调 节机构与两个龙门架立柱相连，两个龙门架立柱顶部与龙门架y轴调节机构相 连。
作为进一步的技术方案，所述的砂轮打磨装置安装在龙门架y轴调节机构 上。
作为进一步的技术方案，还包括所述的X轴调节机构，所述的X轴调节机 构调节二轴龙门机械臂在X方向移动。所述的X轴调节机构、z轴调节机构和y 轴调节机构也与所述的控制器相连。
本发明的有益效果：
1.本发明中第一电机作为角度调节电机，第二电机作为砂轮打磨电机，角 度调节电机通过蜗轮蜗杆传递动力给直齿圆锥齿轮，与该直齿圆锥齿轮同轴对 称的直齿圆锥齿轮固定，另外装配的两个直齿圆锥齿轮构成行星轮系，实现角 度的精准调控。打磨电机安装在转动壳外部，通过联轴套筒带动花键轴转动， 花键轴带动安装在角度调节外壳上的组合砂轮旋转，实现打磨工序。同时，对 于电涡流传感器的布置方面，根据铝型材打磨坡口的角度以及坡口的位置作为 布置的几何关系依据，实现了残余氧化膜厚度的精确采集。
2.本发明的闭环打磨控制系统,将人工经验打磨的柔性优势和机械定量打 磨的精准性结合，能够在打磨中空挤压铝型材坡口处氧化膜时实时检测残余氧 化膜厚度，直至打磨完全，保证了后续组装自动焊接工序的质量。
3.本发明的轨道车辆铝型材闭环打磨控制系统，能够完全实现自动化和智 能化的高速轨道车辆车身制造产业的产线升级改造。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请 的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1是本发明实施例1龙门自动打磨装置的正视图；
图2是本发明实施例1砂轮打磨控制装置的剖视图1；
图3是本发明实施例1中空挤压铝型材打磨坡口示意图；
图4是本发明实施例1砂轮打磨控制装置的剖视图2；
图5是本发明实施例1电涡流传感器的原理示意图；
图6是本发明实施例1电涡流传感器的等效电路图；
图7是本发明实施例1龙门自动打磨装置的弯曲变形分析简图；
图8是本发明实施例1龙门自动打磨装置的闭环控制图；
其中：砂轮打磨控制装置Ⅱ-1、轨道控制装置Ⅱ-2、二轴龙门机械臂Ⅱ-3。
蜗杆Ⅱ-1-1、蜗轮Ⅱ-1-2、传动轴Ⅱ-1-3、壳体Ⅱ-1-4、转动壳Ⅱ-1-5、打 磨电机Ⅱ-1-6、直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-7、直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-8、直齿圆锥齿轮Ⅱ -1-9、直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-10、连接件Ⅱ-1-11、组合砂轮上端盖Ⅱ-1-12、组合 砂轮上箱体Ⅱ-1-13、砂轮Ⅱ-1-14、内置空心阶梯轴Ⅱ-1-15、组合砂轮下端盖 Ⅱ-1-16、传动轴Ⅱ-1-17和电涡流传感器Ⅱ-1-18。
角度调节电机Ⅱ-1-19。
具体实施方式
图1为龙门自动打磨装置的正视图。如图所示，包括了砂轮打磨控制装置Ⅱ -1、轨道控制装置Ⅱ-2、二轴龙门机械臂Ⅱ-3，二轴龙门机械臂Ⅱ-3主要由龙 门架立柱Ⅱ-3-1、龙门架z轴调节机构Ⅱ-3-2和龙门架y轴调节机构Ⅱ-3-3。 轨道控制装置Ⅱ-2负责驱动二轴龙门机械臂Ⅱ-3的x轴方向位置移动的调节； 所述的砂轮打磨控制装置Ⅱ-1安装在二轴龙门机械臂Ⅱ-3上，进而实现了砂轮 打磨控制装置Ⅱ-1在X/Y/Z三轴方向上运动。
图2为砂轮打磨控制装置Ⅱ-1的剖视图1。如图所示，包括了蜗杆Ⅱ-1-1、 蜗轮Ⅱ-1-2、传动轴Ⅱ-1-3、壳体Ⅱ-1-4、转动壳Ⅱ-1-5、打磨电机Ⅱ-1-6、 直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-7、直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-8、直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-9、直齿圆锥 齿轮Ⅱ-1-10、连接件Ⅱ-1-11、组合砂轮上端盖Ⅱ-1-12、组合砂轮上箱体Ⅱ -1-13、砂轮Ⅱ-1-14、内置空心阶梯轴Ⅱ-1-15、组合砂轮下端盖Ⅱ-1-16、传 动轴Ⅱ-1-17和电涡流传感器Ⅱ-1-18。
蜗杆Ⅱ-1-1作为主动件，带动蜗轮Ⅱ-1-2实现减速增扭的作用，蜗轮Ⅱ-1-2 通过传动轴Ⅱ-1-3带动直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-7转动。直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-7、直齿 圆锥齿轮Ⅱ-1-8、直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-9和直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-10这四个齿轮模 数齿数均一样，并且构成周转轮系，直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-7转动，直齿圆锥齿轮 Ⅱ-1-9固定，直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-8和直齿圆锥齿轮Ⅱ-1-10实现周转，从而带 动整个转动壳Ⅱ-1-5的转动。打磨电机Ⅱ-1-6安装在转动壳Ⅱ-1-5外部，打磨 电机Ⅱ-1-6传递转矩给传动轴Ⅱ-1-17，传动轴Ⅱ-1-17再通过花键结构带动组 合砂轮实现打磨动作。这里，组合砂轮上端盖Ⅱ-1-12、组合砂轮上箱体Ⅱ-1-13、 砂轮Ⅱ-1-14、内置空心阶梯轴Ⅱ-1-15和组合砂轮下端盖Ⅱ-1-16构成组合砂轮，内置空心阶梯轴Ⅱ-1-15负责固定连接在连接件Ⅱ-1-11上，不负责转动。 因此，最终达到既可调节角度的同时，也可以进行打磨动作，并且均可以实现 精确控制。
图3为中空挤压铝型材打磨坡口示意图。由图可以看出坡口角度为θ，根据 此角度可以得到电涡流传感器的布置位置与水平面所形成的角度为90°-θ。根据 坡口的几何关系看出，所需要打磨的区域高度为m-n。
图4为砂轮打磨控制装置Ⅱ-1的剖视图2。如图所示，角度调节电机Ⅱ-1-19 是用来驱动蜗杆Ⅱ-1-1的动力原。电涡流传感器Ⅱ-1-18通过螺母固定在连接 件Ⅱ-1-11上，其安装的角度即为上述的90°-θ。而布置四个电涡流传感器Ⅱ -1-18的原因在于中空挤压铝型材的四个角均需要打磨。根据图3和图4可以看 出，当打磨中空挤压铝型材的右上角坡口时，左上角的电涡流传感器开始工作； 当打磨中空挤压铝型材的右下角坡口时，左下角的电涡流传感器开始工作；当 打磨中空挤压铝型材的左上角坡口时，右上角的电涡流传感器开始工作；当打 磨中空挤压铝型材的左下角坡口时，右下角的电涡流传感器开始工作。
图5、图6分别为电涡流传感器的原理示意图和电涡流传感器的等效电路图。 如图5所示，通有交变电流的传感器线圈在其周围会产生一个交变的磁场H1， 如果被测金属导体置于该磁场范围之内，在其中即会产生电涡流I2，而电涡流也 将激发一个新的磁场H2。根据电涡流效应,此时线圈的电感量、阻抗以及品质因 数将发生改变。如图6所示，从右往左分别为：R1是金属块的等效电阻，L1代表 金属块回路中的等效电感，L代表线圈回路中的等效电感，R是电阻大小；中间 M是左右两组等效电感之间产生的互感，大小受到多个参数的影响。
根据基尔霍夫定律，可以从图6中获得如下方程：
Figure BDA0003198248670000071
Figure BDA0003198248670000072
求解上式的方程组，得到：
Figure BDA0003198248670000073
Figure BDA0003198248670000074
传感器线圈的等效阻抗为：
Figure BDA0003198248670000075
线圈等效电阻和电感为：
Figure BDA0003198248670000076
Figure BDA0003198248670000077
线圈阻抗Z可以表示为：
Z＝f(ω,μ,x,ρ)
电涡流属于无损技术就是在不破坏监测物体和监测环境的情况下，能够准确 实时的反馈所需要的物理量数据的技术，可以达到实时检测的目的。又因为上 述电涡流传感器的数值关系的特性可知，对于金属导体的阻值变化可以进行精 确的测量。铝合金导电，但表面生成的氧化膜是不导电的，电阻会很大，因此， 可以选用此传感器在测量铝合金表面氧化膜厚度。
图7为龙门自动打磨装置Ⅱ的弯曲变形分析简图。
如图所示，弯曲变形挠度计算为：
龙门打磨装置弯曲挠度的求解
求出梁在两端的约束力：
Figure BDA0003198248670000081
分段列出弯矩方程：
AC段：
Figure BDA0003198248670000082
CB段：
Figure BDA0003198248670000083
由于AC和CB段内弯矩方程不同，挠曲线的微分方程也就不同，所以应分成 两端进行积分
对于AC段
Figure BDA0003198248670000084
Figure BDA0003198248670000085
Figure BDA0003198248670000091
Figure BDA0003198248670000092
对于CB段
Figure BDA0003198248670000093
Figure BDA0003198248670000094
Figure BDA0003198248670000095
Figure BDA0003198248670000096
当
Figure BDA00031982486700000912
时，有w′1＝w′2,w1＝w2得：C1＝C2,D1＝D2
此外，因为将梁的AB两端视为铰支座，则边界条件为：
x1＝0 w1＝0
x2＝l时，w2＝0
将边界条件带入得：
D1＝D2＝0
Figure BDA0003198248670000098
得挠曲线方程为：
Figure BDA0003198248670000099
当
Figure BDA00031982486700000910
时，有：
Figure BDA00031982486700000911
通过积分法对弯曲变形挠度的计算，可以确定出安装有砂轮打磨控制装置Ⅱ-2的二轴龙门调节装置Ⅱ-3的最大弯曲变形足够小，误差可以忽略。因此，在 加工过程中可以避免弯曲变形引起的误差。
图8为龙门自动打磨装置Ⅱ的闭环控制图。铝型材表面的氧化铝膜采用硫酸 直流阳极氧化法制备，可以有效提高铝型材的表面硬度、耐腐蚀性以及耐磨性。 打磨工艺要求均匀去除焊口表面h厚的氧化铝膜，去除材料后表面粗糙度达到规 定要求，为防止铝型材出现二次氧化的现象，整体打磨时间应控制在两小时以 内。针对其设计的打磨流程为：首先，先判断打磨型材种类，若是上边梁型材 或窗下型材这两种，则需要先调节一定角度；其次，给出定量的打磨氧化膜厚 度的信号，让龙门自动打磨装置Ⅱ开始工作，调节好适当的打磨进给量，打磨 砂轮开始根据给定的进给量进行打磨，在此打磨的过程中，对应位置的电涡流 传感器也在工作，实时反馈该处的氧化膜厚度。如果电涡流传感器检测到存在 残余氧化膜，会给系统一个负反馈，调节去除氧化膜厚度的信号，给出新的打 磨去除量，再进行之前的打磨操作。最后，直到将中空挤压铝型材的氧化膜完 全去除后，该处闭环控制的结束。

Claims (10)

1.一种砂轮打磨装置，其特征在于，包括第一电机、第一传动轴、第二传动轴、转动壳、第二电机、四个直齿圆锥齿轮、连接件、砂轮组件、传动轴和电涡流传感器；
所述的第一电机通过水平设置的第一传动轴驱动其中一个直齿圆锥齿轮转动，该直齿圆锥齿轮与其他三个直齿圆锥齿轮模数齿数相等，构成周转轮系；所述的转动壳安装在四个直齿圆锥齿轮的外部并与四个直齿圆锥齿轮固定；
所述的第二电机装在转动壳外部，其驱动轴竖直设置，驱动轴穿过上部的两个直齿圆锥齿轮与第二传动轴相连，第二传动轴穿过下部的两个直齿圆锥齿轮与砂轮组件相连，且在砂轮组件的上方和下方固定有电涡流传感器。
2.如权利要求1所述的砂轮打磨装置，其特征在于，在转动壳的底部固定一个连接件，该连接件套装在第二传动轴外，其上固定所述的电涡流传感器。
3.如权利要求2所述的砂轮打磨装置，其特征在于，所述的砂轮组件包括上端盖、上箱体、砂轮、内置空心阶梯轴和下端盖；内置空心阶梯轴负责固定连接在所述连接件上；其外从上之下依次设置上端盖、上箱体、砂轮和下端盖；所述的上、下端盖用于固定所述的砂轮。
4.如权利要求2所述的砂轮打磨装置，其特征在于，所述的电涡流传感器的安装角度为90°-θ；其中，θ为坡口角度。
5.如权利要求2所述的砂轮打磨装置，其特征在于，所述的四个电涡流传感器按照左上、左下、右上、右下四个方向分布。
6.一种砂轮打磨闭环控制系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的砂轮打磨装置和控制器，所述的控制器的信号输入端与电涡流传感器相连，输出端控制砂轮打磨装置。
7.如权利要求6所述的砂轮打磨控制系统，其特征在于，还包括二轴龙门机械臂，所述的二轴龙门机械臂包括龙门架立柱、龙门架z轴调节机构和龙门架y轴调节机构；龙门架z轴调节机构与两个龙门架立柱相连，两个龙门架立柱顶部与龙门架y轴调节机构相连。
8.如权利要求7所述的砂轮打磨控制系统，其特征在于，所述的砂轮打磨装置安装在龙门架y轴调节机构上。
9.如权利要求7所述的砂轮打磨控制系统，其特征在于，还包括所述的X轴调节机构，所述的X轴调节机构调节二轴龙门机械臂在X方向移动。
10.如权利要求9所述的砂轮打磨控制系统，其特征在于，所述的X轴调节机构、z轴调节机构和y轴调节机构也与所述的控制器相连。
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