CN113600840B - 基于球壳型超声换能器的3d打印金属件抛光装置及方法 - Google Patents

基于球壳型超声换能器的3d打印金属件抛光装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置及方法。该装置包括：上基座、工业机器人、球壳型超声换能器、超声电源、下基座和工作池。本发明利用球壳型超声换能器对超声的汇聚作用，将球壳型超声换能器所产生的超声聚焦于待加工的3D打印金属件的表面抛光点上。通过工业机器人来精准控制球壳型超声换能器的运动轨迹，使其凹面贴合待加工3D打印金属件的外形上进行移动。同时，还可以通过控制球壳型超声换能器与待加工3D打印金属件之间的工作距离和调节超声电源的频率以产生不同频率的超声振动，以此来实现对不同3D打印金属件的表面进行处理。

Description

基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置及方法
技术领域
本发明涉及精零件抛光技术领域，特别是涉及一种基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置及方法。
背景技术
3D金属打印技术的出现使得金属产品的外观复杂度进一步提高，其优势在于可以在较短的时间内打印出复杂的金属构件，但是打印成型后的金属构件表面有许多浮粉，即使经过喷砂处理，表面依旧很粗糙，不符合实际的产品外观需求，因此需要在完成喷砂工作后，对3D打印金属件的表面进行抛光处理。经过3D打印成型的金属件结构较为复杂，使用传统的抛光技术无法对其表面进行抛光处理。
目前主要的金属构件表面抛光方法有：(1)机械抛光、(2)化学抛光、(3)电化学抛光(电解抛光)。机械抛光通常采用磨头抛光，工件通过旋转和摇摆，直接与抛光轮进行摩擦抛光。但抛光之后，工件表面会存在硬化层，构件表面不平滑光整，而且对于外型较为复杂的金属构件，机械抛光方法很难对其表面进行抛光处理。化学抛光可以对外型较为复杂的金属构件进行表面抛光处理，但化学抛光的抛光液成分复杂，成本高，对于人体和环境的危害较大，因此并不适用3D打印金属件。电化学抛光，又称为电解抛光，可以完成对外型结构复杂的金属构件进行抛光处理，但对于不同材料的金属构件电化学抛光的表面质量不同。电化学抛光的同时会溶解金属件表面的凸起点和凹点，会影响工件的整体性，特别是一些细小的工件并且难以保证工件的尺寸和几何形状的精度。3D打印金属件在零件尺寸精度上有较高的要求，打印的零件结构往往很复杂，采用电化学抛光会影响工件的设计要求。此外，采用电化学抛光很难在粗加工零件上获得较高的抛光质量。
传统的机械抛光无法对复杂的金属构件进行抛光处理，化学抛光和电解抛光虽然效率很高，但是成本较高，同时对环境和人体的健康产生危害，而且对于形状复杂且工件完整性较高的3D打印金属件，并不适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置及方法，利用流体振动抛光方法对3D打印金属件表面进行抛光处理。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置，包括：上基座、工业机器人、球壳型超声换能器、超声电源、下基座和工作池；所述工业机器人设置在所述上基座上，所述工业机器人的末端连接有球壳型超声换能器，所述工业机器人用于控制所述球壳型超声换能器的移动；所述超声电源，与所述球壳型超声换能器连接，用于激励所述球壳型超声换能器产生超声振动的高频电信号；所述工作池，设置在所述下基座上，盛放有抛光液和待加工的3D打印金属件；所述球壳型超声换能器浸泡在所述抛光液中，通过抛光液将超声振动产生的能量聚焦在待加工3D打印金属件的表面，完成对待加工3D打印金属件的表面抛光处理。
可选地，所述工作池内设置有夹具，所述夹具用于夹持待加工的3D打印金属件。
可选地，所述夹具可拆卸。
可选地，还包括：机器人控制器，与所述工业机器人连接，用于控制所述工业机器人的移动轨迹。
可选地，还包括：系统控制柜，与所述机器人控制器连接，用于对所述工业机器人运动学与动力学进行解析运算，与所述机器人控制器进行通信，实现对所述球壳型超声换能器移动轨迹的控制。
可选地，所述超声电源的频率范围在10KHz～40KHz。
本发明还提供了一种基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光方法，所述方法应用于所述的基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置，所述方法包括：
获取待加工的3D打印金属件的三维模型图；
根据所述三维模型图确定抛光路径；
将所述抛光路径转换为三维空间坐标；
对工业机器人运动学与动力学进行解析运算，得到工业机器人的各关节转角；
根据所述各关节转角得到工业机器人末端位姿坐标；
根据所述三维空间坐标和所述工业机器人末端位姿坐标调整工业机器人末端位姿。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明利用球壳型超声换能器对超声的汇聚作用，将球壳型超声换能器所产生的超声聚焦于待加工的3D打印金属件的表面抛光点上。通过工业机器人来精准控制球壳型超声换能器的运动轨迹，使其凹面贴合待加工3D打印金属件的外形上进行移动。同时，还可以通过控制球壳型超声换能器与待加工3D打印金属件之间的工作距离和调节超声电源的频率以产生不同频率的超声振动，以此来实现对不同3D打印金属件的表面进行处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置的结构示意图；
图2为本发明实施例球壳型超声换能器的结构原理示意图；其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图，(d)为声聚能壳原理图；
图3为本发明实施例基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置及方法，利用流体振动抛光方法对3D打印金属件表面进行抛光处理。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置，包括：上基座1、工业机器人2、球壳型超声换能器3、超声电源5、下基6座和工作池7。
所述工作池7安装在所述下基座6上，所述工作池7内设置有夹具，所述夹具用于夹持待加工的3D打印金属件4。夹具为可拆卸结构，可以根据不同的待加工3D打印金属件4的外形，更换适合的夹具，来完成夹持。待加工3D打印金属件4通过夹具固定在工作池7内部，使待加工3D打印金属件4完全浸泡在抛光液10中。
球壳型超声换能器3安装在工业机器人2末端的法兰上。所述工业机器人2安装在上基座1上。球壳型超声换能器3随工业机器人2按照规划路径对完全浸泡于抛光液10的工作池7内的待加工3D打印金属件4进行表面抛光处理。
超声电源5与球壳型超声换能器3相连接，超声电源5用于提供超声振动的电信号，且超声电源具有频率调节作用，频率可调范围在10KHz～40KHz，可根据不同的待加工3D打印金属件4的加工需求，将超声电源5的频率调节到所需的参数。
球壳型超声换能器3将超声电源5的电信号转换为超声频率的机械振动，所产生的机械振动通过抛光液10的传递，将超声振动产生的能量聚焦于待加工3D打印金属件4上，由工业机器人2来控制球壳型超声换能器3的运动轨迹，对待加工3D打印金属件4的复杂表面进行抛光处理。
球壳型超声换能器3的结构如图2(a)-(c)所示，其原理如图2(d)所示，在超声的作用下，球壳型超声换能器3将声场中的能量汇聚到一个点，f表示的是距离，指球壳型超声换能器3到待加工3D打印金属件4抛光表面的距离，F表示抛光的点，随着工业机器人2的移动发生变化。
上述装置还包括：机器人控制器8，用于实现所述工业机器人2的运动轨迹控制，使所述球壳型超声换能器3按照规划路径对待加工3D打印金属件4的表面进行强化。机器人控制器8还用于控制球壳型超声换能器3与待加工3D打印金属件4之间的工作距离。
上述装置还包括：系统控制柜8，用于进行工业机器人2运动学与动力学的解析运算，与机器人控制器9进行通信，实现对球壳型超声换能器3移动轨迹的控制。
基于上述装置，本发明还提供了一种基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光方法，所述方法包括以下步骤：
步骤101：获取待加工的3D打印金属件的三维模型图。
步骤102：根据所述三维模型图确定抛光路径。
步骤103：将所述抛光路径转换为三维空间坐标。
步骤104：对工业机器人运动学与动力学进行解析运算，得到工业机器人的各关节转角。
步骤105：根据所述各关节转角得到工业机器人末端位姿坐标。
步骤106：根据所述三维空间坐标和所述工业机器人末端位姿坐标调整工业机器人末端位姿。
具体的工作流程如图3所示：
利用三维建模软件SolidWorks将待加工的3D打印金属件4的三维模型图导入系统控制柜8内，系统控制柜8中的软件Robotstudio会根据待加工的3D打印金属件4的三维模型图，自动模拟控制工业机器人2生成符合抛光需求的路径，从而带动球壳型超声换能器3进行超声聚焦流体抛光任务；随后系统控制柜8中的软件Robotstudio将模拟生成的工业机器人2的运动轨迹转化为三维空间坐标数据，传输给机器人控制器9；机器人控制器9对传输的三维空间坐标数据进行处理，同时为提高抛光的精度，需要对工业机器人2进行运动学解析运算，计算出球壳型超声换能器3在其运动轨迹上所对应的工业机器人2的各关节转角；在进行机器人的动力学的解析运算时，采用D-H参数表示法分别对工业机器人2的机械臂的运动学进行建模运算得到机器人的各关节转角。
表1柔性臂运动学D-H参数
qi(rad)、ai(mm)、di(mm)、αi(rad)分别表示关节转角、连杆长度、连杆偏移和连杆扭转角。根据D-H参数，将笛卡尔空间坐标系进行旋转、平移变换，则相邻两个关节连杆坐标系可以表示为：
将其展开可以得到通用的齐次变换矩阵：
每个关节的变换矩阵都可以根据上述推导过程得到，对上述6个关节相乘就可以得到工业机器人2的不同的关节转角公式，计算得到的数据为三维坐标数据，存储到机器人控制器9，机器人控制器9进行数据的整合，生成新的控制工业机器人2的运动轨迹；机器人控制器9与工业机器人2建立通信，超声电源5启动后，依据不同零部件的使用要求，表面粗糙度的参考值不同，来确定超声频率；如零件的表面粗糙度越大，则需要的超声波频率越高，球壳型超声换能器3依据工业机器人规划好的路径运动，对待加工3D打印金属件4进行表面抛光处理；机器人控制器9根据工业机器人2抛光路径调整位姿；工业机器人2的末端位姿调整依据上述工业机器人2的动力学运算过程，对上述的数据进行处理得到各个关节的齐次变换矩阵：
对上述的公式进行整理相乘就可以得到机器人的末端位姿的三维空间坐标数据。机器人控制器9根据上述数据就可以调整工业机器人2的末端位姿，使球壳型超声换能器3的声聚焦点始终在待加工3D打印金属件4的表面，且轴心始终在被加工表面的法线方向，保证加工质量均匀一致。
对待加工3D打印金属件4进行表面抛光处理时，球壳型超声换能器3通过工业机器人2的运动控制，从系统的初试位置到规划运动路径的起点，球壳型超声换能器3沿着规划好的运动路径对待加工3D打印金属件4进行表面抛光。单遍表面抛光完成以后，对3D打印金属件4进行表面粗糙度的测量，依据不同零件的使用要求，表面粗糙度的参考值不同，来确定是否进行下一遍超声聚焦流体抛光。如果需要则再次回到路径起点，进行下一遍表面抛光处理。当3D打印金属件4表面粗糙度达到使用要求后代表本次对待加工3D打印金属件4的表面抛光处理的全部工作结束，工业机器人2回到系统初始位置。
本发明利用球壳型超声换能器对超声的汇聚作用，将球壳型超声换能器所产生的超声聚焦于待加工的3D打印金属件的表面抛光点上。通过工业机器人来精准控制球壳型超声换能器的运动轨迹，使其凹面贴合待加工3D打印金属件的外形上进行移动。同时，还可以通过控制球壳型超声换能器与待加工3D打印金属件之间的工作距离和调节超声电源的频率以产生不同频率的超声振动，以此来实现对不同3D打印金属件的表面进行抛光处理。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光方法，其特征在于，所述方法应用于基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光装置，所述装置包括：上基座、工业机器人、球壳型超声换能器、超声电源、下基座和工作池；所述工业机器人设置在所述上基座上，所述工业机器人的末端连接有球壳型超声换能器，所述工业机器人用于控制所述球壳型超声换能器的移动；所述超声电源，与所述球壳型超声换能器连接，用于激励所述球壳型超声换能器产生超声振动的高频电信号；所述工作池，设置在所述下基座上，盛放有抛光液和待加工的3D打印金属件；所述球壳型超声换能器浸泡在所述抛光液中，通过抛光液将超声振动产生的能量聚焦在待加工3D打印金属件的表面，完成对待加工3D打印金属件的表面抛光处理；
所述方法包括：
获取待加工的3D打印金属件的三维模型图；
根据所述三维模型图确定抛光路径；
将所述抛光路径转换为三维空间坐标；
对工业机器人运动学与动力学进行解析运算，得到工业机器人的各关节转角；
根据所述各关节转角得到工业机器人末端位姿坐标；
根据所述三维空间坐标和所述工业机器人末端位姿坐标调整工业机器人末端位姿；
其中，在进行工业机器人的动力学的解析运算时，采用D-H参数表示法分别对工业机器人的机械臂的运动学进行建模运算得到工业机器人的各关节转角：
qi(rad)、ai(mm)、di(mm)、αi(rad)分别表示关节转角、连杆长度、连杆偏移和连杆扭转角；根据D-H参数，将笛卡尔空间坐标系进行旋转、平移变换，则相邻两个关节连杆坐标系可以表示为：
将其展开得到通用的齐次变换矩阵：
qi、ai、di、αi分别表示第i个关节的关节转角、连杆长度、连杆偏移和连杆扭转角，i＝1,2,3,4,5,6，c表示cos，s表示sin；对6个关节的变换矩阵相乘得到工业机器人的不同的关节转角公式，计算得到的数据为三维坐标数据，存储到机器人控制器，机器人控制器进行数据的整合，生成新的控制工业机器人的运动轨迹；机器人控制器与工业机器人建立通信，超声电源启动后，依据不同零部件的使用要求，表面粗糙度的参考值不同，确定超声频率；球壳型超声换能器依据工业机器人规划好的路径运动，对待加工3D打印金属件进行表面抛光处理；机器人控制器根据工业机器人抛光路径调整位姿；工业机器人的末端位姿调整依据工业机器人的动力学运算过程，对数据进行处理得到各个关节的齐次变换矩阵：
对公式进行整理相乘得到机器人的末端位姿的三维空间坐标数据；机器人控制器根据三维空间坐标数据调整工业机器人的末端位姿，使球壳型超声换能器的声聚焦点始终在待加工3D打印金属件的表面，且轴心始终在被加工表面的法线方向，保证加工质量均匀一致。
2.根据权利要求1所述的基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光方法，其特征在于，所述工作池内设置有夹具，所述夹具用于夹持待加工的3D打印金属件。
3.根据权利要求2所述的基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光方法，其特征在于，所述夹具可拆卸。
4.根据权利要求1所述的基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光方法，其特征在于，还包括：机器人控制器，与所述工业机器人连接，用于控制所述工业机器人的移动轨迹。
5.根据权利要求4所述的基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光方法，其特征在于，还包括：系统控制柜，与所述机器人控制器连接，用于对所述工业机器人运动学与动力学进行解析运算，与所述机器人控制器进行通信，实现对所述球壳型超声换能器移动轨迹的控制。
6.根据权利要求1所述的基于球壳型超声换能器的3D打印金属件抛光方法，其特征在于，所述超声电源的频率范围在10KHz～40KHz。
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