一種自由曲面機器人打磨系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種自由曲面機器人打磨系統，該系統包括工作臺、工業機器人、機器人控制柜、打磨工具、氣動主軸、連接件、氣動控制柜和系統控制柜。本發明自動化程度高、柔性強，特別適用于自由曲面的打磨，具體為，由固定在工業機器人末端的氣動主軸夾持打磨工具，通過氣動主軸的氣動柔順力控制功能使打磨工具始終壓緊被加工表面，且壓力大小保持恒定，同時工業機器人根據規劃路徑調整位姿，使打磨壓力在被加工表面的法線方向上，通過氣動主軸的氣動馬達使打磨工具高速轉動，再由工業機器人帶動打磨工具按照規劃路徑對零件進行打磨。
【專利說明】一種自由曲面機器人打磨系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及工業機器人【技術領域】，尤其涉及一種自由曲面機器人打磨系統。
【背景技術】
[0002]目前自由曲面的零件打磨拋光基本都是由人工手持作業工具靠經驗來完成，這很難保證自由曲面零件的形位精度、表面微觀物理屬性，且制造成本較高，制約了成型模具加工技術的發展；尤其是目前的人工作業難以保證質量的一致性及加工效率，據統計精整加工占整個模具制造工時的37?42%左右，繁重的作業任務及低效率使得某些裝備的研制周期受到嚴重的影響。因此，自由曲面的打磨加工是模具生產、制造中的薄弱環節，成為制約模具制造業發展的瓶頸。
【發明內容】
[0003]針對上述現有技術中存在的問題，本發明提出了一種自由曲面機器人打磨系統，本發明由固定在工業機器人末端的氣動主軸夾持打磨工具，通過氣動主軸的氣動柔順力控制功能使打磨工具始終壓緊被加工表面，且壓力大小保持恒定，同時工業機器人根據規劃路徑調整位姿，使打磨壓力在被加工表面的法線方向上，通過氣動主軸的氣動馬達使打磨工具高速轉動，再由工業機器人帶動打磨工具按照規劃路徑對零件進行打磨。本發明可以有效地保證自由曲面打磨的精度和質量一致性，并提高了生產效率，降低工人的勞動強度。
[0004]本發明提出的一種自由曲面機器人打磨系統包括:工作臺、工業機器人、機器人控制柜、打磨工具、氣動主軸、連接件、氣動控制柜和系統控制柜，其中:
[0005]所述工作臺用于固定待加工零件；
[0006]所述氣動主軸通過連接件固定在工業機器人的末端法蘭上；
[0007]所述打磨工具夾持在所述氣動主軸的底部，用于隨工業機器人一起按照控制指令執行指定運動軌跡，對固定在工作臺上的待加工零件的表面進行打磨或拋光；
[0008]氣動控制柜利用氣動回路來對所述氣動主軸進行控制；
[0009]所述系統控制柜用于進行機器人運動學與動力學的離線解算，同時實現氣動回路控制，以及與機器人控制柜進行通訊；
[0010]所述機器人控制柜用于控制工業機器人的運動，使工業機器人末端的打磨工具按照規劃軌跡運動。
[0011]本發明的有益效果包括:(I)氣動主軸具備柔順力控制功能，能保證打磨過程中打磨工具與被加工表面的壓力大小始終保持恒定，同時可以起到砂輪磨損自動補償作用，適用于復雜曲面的打磨拋光；(2)通過機器人位姿的實時調整使被加工表面壓力始終保持在被加工表面的法線方向上；(3)可根據不同的工藝要求、材料屬性選擇相應的打磨工具；
(4)工業機器人根據路徑生成軟件生成的打磨路徑，帶動打磨工具對待加工零件的自由曲面進行打磨或拋光，生產效率和打磨精度明顯高于機器人示教打磨；(5)由路徑生成軟件生成的打磨路徑與數控加工路徑相正交，有效提高打磨質量。【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為根據本發明一實施例的打磨系統結構示意圖。
[0013]圖2為根據本發明一實施例的連接件結構示意圖。
[0014]圖3為根據本發明一實施例的打磨工具結構示意圖。
[0015]圖4為根據本發明一實施例的氣動主軸的內部結構圖。
[0016]圖5為根據本發明一實施例的氣動回路示意圖。
[0017]圖6為根據本發明一實施例的打磨流程圖。
【具體實施方式】
[0018]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0019]本發明提出了一種自由曲面機器人打磨系統，圖1為根據本發明一實施例的打磨系統結構示意圖，如圖1所示，所述打磨系統包括工作臺10、工業機器人3、機器人控制柜2、打磨工具6、氣動主軸5、連接件4、氣動控制柜7和系統控制柜1，其中:
[0020]所述工作臺10用于固定待加工零件8，在本發明一實施例中，所述待加工零件8通過固定部件9固定在所述工作臺10上。在本發明的另一實施例中，所述工作臺10的底部安裝有減振部件11，比如減振墊鐵，具備減振功能；
[0021]所述氣動主軸5通過連接件4固定在工業機器人3的末端法蘭上，根據本發明一實施例的連接件4的結構示意圖如圖2所示；
[0022]所述打磨工具6夾持在所述氣動主軸5的底部，比如由所述氣動主軸5底部的三爪卡盤式夾頭夾持，用于隨工業機器人3 —起按照控制指令執行指定運動軌跡，對固定在工作臺10上的待加工零件8的表面進行打磨或拋光。如圖3所示，所述打磨工具6包括打磨介質6-2及配套的打磨夾具6-1，其中，所述打磨介質6-2可以是凹砂輪、蝶形砂輪、千葉輪或樹脂砂輪等打磨介質，在實際應用中，可根據不同的工藝要求、材料屬性進行打磨介質6-2和配套的打磨夾具6-1的選擇；
[0023]所述打磨系統利用氣動原理進行打磨，其打磨核心部件是氣動主軸5，如圖4所示，所述氣動主軸5包括氣動馬達5-1和柔順氣缸5-2，其中，氣動馬達5-1固定在柔順氣缸5-2的滑臺上，隨滑臺一起運動，用于帶動氣動主軸上的打磨工具6高速轉動，實現打磨功能；柔順氣缸5-2具備氣動柔順力控制功能，用于控制打磨壓力，使打磨過程中打磨工具與被加工零件表面的接觸力大小始終保持恒定，同時可以起到砂輪磨損自動補償作用；
[0024]氣動控制柜7利用氣動回路來對所述氣動主軸5的氣動馬達5-1和柔順氣缸5-2進行控制；
[0025]所述系統控制柜I用于進行機器人運動學與動力學的離線解算(包括軌跡規劃及運動補償)，同時實現氣動回路控制，以及與機器人控制柜2進行通訊，具體地，所述系統控制柜I安裝有路徑生成軟件，用于生成打磨路徑及進行奇異點檢測，所述路徑生成軟件，設計工業機器人3打磨路徑的規劃及優化，數控加工路徑數據生成與數控加工路徑相正交的打磨路徑，再對生成的路徑點進行奇異點檢測，并將生成的路徑點轉換為機器人可識別的控制代碼，工業機器人根據路徑點法向量調整姿態，使打磨壓力的方向始終保持在被加工表面法向上，實現打磨質量的一致性；所述系統控制柜I中的控制電路根據接收到的控制指令控制氣動回路中的氣動元器件；所述系統控制柜I與機器人控制柜2通過Profibus進行通訊。
[0026]所述系統控制柜I發出指令控制氣動回路中的電氣比例閥7-6和二位五通閥7-7輸出氣壓，使柔順氣缸5-2產生相應的推力，該推力通過氣動馬達5-1傳遞給打磨工具6，使打磨過程中打磨工具6與被加工零件8表面的接觸力大小始終保持為控制系統預設的打磨壓力值，該氣動主軸5 —方面使打磨系統具備氣動柔順力控制功能，實現自由曲面打磨效果的均勻性，另一方面可以起到砂輪磨損自動補償作用；氣動馬達5-1由控制系統發出的指令控制氣動回路中二位二通閥7-5的通斷來實現轉動和停止，從而使夾持在氣動主軸5上的打磨工具6實現打磨功能。
[0027]所述機器人控制柜2用于控制工業機器人3的運動，使工業機器人3末端的打磨工具6按照規劃軌跡運動；
[0028]如圖5所示,為氣動控制柜7內部的氣動回路示意圖，該氣動回路包括氣源7-1、釋放殘壓手動閥7-2、過濾減壓閥7-3、油霧器7-4、氣動馬達5-1、電氣比例閥7_6、柔順氣缸5-2、控制氣動馬達轉動的二位二通閥7-5及控制氣缸換向的二位五通閥7-7 ;壓縮空氣從氣源7-1輸入到釋放殘壓手動閥7-2后進入過濾減壓閥7-3和油霧器7-4，使壓縮空氣得到過濾和減壓，并攜帶油霧對氣動元器件進行潤滑，然后分兩路分別進入氣動主軸5，一路經過二位二通閥7-5后進入氣動馬達5-1，另一路經過電氣比例閥7-6和二位五通閥7-7后進入柔順氣缸5-2，；當二位二通閥7-5接收到來自控制系統的信號時，線圈得電，使壓縮空氣直接進入氣動馬達5-1，實現氣動馬達5-1高速轉動；電氣比例閥7-6根據接收到的控制系統模擬量輸出相應的氣壓，當二位五通閥7-7接收到來自控制系統的信號時，線圈得電，使壓縮空氣進入柔順氣缸，產生打磨壓力。
[0029]如圖6所示，自由曲面機器人打磨系統的打磨過程包括以下步驟:
[0030]①安裝待加工零件8及打磨工具6 ；
[0031]②啟動電氣及氣動系統,調試氣動壓力；
[0032]③啟動路徑生成軟件，導入待加工零件的CAD數據；
[0033]④設置工藝參數，生成打磨路徑；
[0034]⑤奇異點檢測及修正，生成機器人控制代碼并傳送給機器人控制柜2 ；
[0035]⑥工業機器人3帶動打磨工具6按照生成路徑運動并執行打磨任務；
[0036]⑦系統監控及實時柔順力控制；
[0037]⑧打磨結束，進行表面粗糙度檢測；
[0038]⑨對未達到表面粗糙度要求的表面重復打磨，直到表面粗糙度達到要求。
[0039]在所述自由曲面機器人打磨系統工作前，先將給定自由曲面的CAD數據導入所述系統控制柜，具體為其中的路徑生成軟件，根據打磨要求選擇需要打磨的自由曲面，通過設置打磨工藝參數，生成符合加工工藝要求的打磨路徑，再通過奇異點檢測，修正工業機器人3不可到達的路徑點，最后將生成的路徑點轉換為工業機器人3可識別的控制代碼并輸入機器人控制柜2，經過機器人控制柜2解算后，生成與路徑點相應的工業機器人的位姿，使打磨工具與被加工表面保持正確的接觸狀態，即打磨壓力的方向始終保持在被加工表面法線方向上，從而實現打磨質量的一致性；同時為了有效去除數控加工后留下的刀痕，獲得較低的表面粗糙度和較高的形位精度，通過設置路徑生成軟件的相關工藝參數，使生成的打磨路徑與數控加工路徑相正交；打磨工作時，工業機器人3帶動打磨工具6從預先設置的起始點開始，沿著路徑點對待加工零件8的自由曲面進行打磨，打磨完成后工業機器人3復位,卸下打磨好的零件8，完成一個打磨周期。
[0040]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種自由曲面機器人打磨系統，其特征在于，該系統包括:工作臺、工業機器人、機器人控制柜、打磨工具、氣動主軸、連接件、氣動控制柜和系統控制柜，其中: 所述工作臺用于固定待加工零件； 所述氣動主軸通過連接件固定在工業機器人的末端法蘭上； 所述打磨工具夾持在所述氣動主軸的底部，用于隨工業機器人一起按照控制指令執行指定運動軌跡，對固定在工作臺上的待加工零件的表面進行打磨或拋光； 氣動控制柜利用氣動回路來對所述氣動主軸進行控制； 所述系統控制柜用于進行機器人運動學與動力學的離線解算，同時實現氣動回路控制，以及與機器人控制柜進行通訊； 所述機器人控制柜用于控制工業機器人的運動，使工業機器人末端的打磨工具按照規劃軌跡運動。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述工作臺的底部安裝有減振部件。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述待加工零件通過固定部件固定在所述工作臺上。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述打磨工具包括打磨介質及配套的打磨夾具。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述打磨介質為凹砂輪、蝶形砂輪、千葉輪或樹脂砂輪。
6.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述氣動主軸包括氣動馬達和柔順氣缸，其中，氣動馬達固定在柔順氣缸的滑臺上，隨滑臺一起運動，用于帶動氣動主軸上的打磨工具高速轉動，實現打磨功能；柔順氣缸具備氣動柔順力控制功能，用于控制打磨壓力，使打磨過程中打磨工具與被加工零件表面的接觸力大小始終保持恒定。
7.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述氣動回路包括氣源、釋放殘壓手動閥、過濾減壓閥、油霧器、氣動馬達、電氣比例閥、柔順氣缸、控制氣動馬達轉動的二位二通閥及控制氣缸換向的二位五通閥。
8.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統控制柜根據打磨要求選擇需要打磨的自由曲面，通過設置打磨工藝參數，生成符合加工工藝要求的打磨路徑，再通過奇異點檢測，修正工業機器人不可到達的路徑點，最后將生成的路徑點轉換為工業機器人可識別的控制代碼并輸入機器人控制柜。
9.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統控制柜通過設置相關工藝參數，使生成的打磨路徑與數控加工路徑相正交。
10.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述工業機器人根據路徑點法向量調整姿態，使打磨壓力的方向始終保持在被加工表面法向上。
【文檔編號】B24B27/00GK103878666SQ201410123106
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】王健, 劉漫賢 申請人:中國科學院自動化研究所