CN102632458A - 带探损检测的软固结磨粒气压砂轮光整*** - Google Patents
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Abstract
带探损检测的软固结磨粒气压砂轮光整***，包括用于放置待加工的工件的加工平台、用于对所述的工件进行光整加工的气压砂轮，所述的加工平台上的支架上设置有用于记录气压砂轮的轮廓数据的激光扫描仪，所述的激光扫描仪包含一个用于调整扫描区域的电机扫描装置、光学***、激光器、平面镜，所述的激光扫描仪的光学***的数据输出端连接数据处理模块，所述的数据处理模块的输出端和所述的电机扫描装置的指令信号输入端均连接计算机；所述的计算机预存有所述工件的表面轮廓建模、所述的气压砂轮的轨迹，所述的计算机通过控制柜连接机器人，所述的机器人设有三自由度的机械臂，所述的机械臂上装有所述的气压砂轮；所述的计算机通过比较实时气压砂轮轮廓数据与初始砂轮轮廓的数据，判断所述的气压砂轮是否出现过损现象，当判断所述的气压砂轮存在过损时，则通过控制柜改变所述的机械臂的姿态，改变所述的气压砂轮的切削姿态。
Description
技术领域
本发明涉及软固结磨粒气压砂轮精密加工领域。
背景技术
对于传统的模具光整加工而言，由于自由曲面的复杂性，制约了加工自动化的实施，大部分加工不得不使用手工操作，加工效率极低，使得加工时间占模具加工总用时的40％以上，是模具制造主要技术瓶颈之一。激光强化模具不但具有自由曲面的复杂性，同时还遇到高硬度、高耐磨性和局域硬度差异等新问题，使得光整加工更加困难，即使是采用手工操作，目前也没有适合的工具可以用于高硬度、高耐磨性自由曲面的有效且精密的光整切削。这一问题，尚无有效解决方法，且缺乏深入的研究。针对激光强化模具光整加工技术难题，提出一种新型的光整加工工具——软固结磨粒气压砂轮。其中气压砂轮是一个由橡胶基体构成的空心半球，并在其表面通过高分子粘结剂软固结一层有一定厚度的磨粒，其表面的柔性可以通过空心半球内部气压在线控制，并可方便地与机器人配合使用。
在目前加工过程中发现，在气压砂轮与加工工件表面成一定角度进行长时间加工后，其磨粒固结砂轮表面容易产生局部过损区，其特征表现为磨粒固化层厚度不均，磨粒切削效果减弱，切削力难以控制等方面。而经过研究后发现，若能保证砂轮表面切削时磨粒接触几率相近，则可保证磨粒材料去除效果以及实现切削力可控，而通过检测砂轮表面加工变形情况，则可保证磨粒接触几率相近。
本专利设计了一种带探损检测的软固结磨粒气压砂轮光整***， 可以实时检测加工时的气压砂轮的轮廓，从而避免局部过损现象，增加砂轮使用寿命，保证加工精度，提高加工效率。
发明内容
本发明要解决现有技术在软固结磨粒气压砂轮加工过程中容易出现局部过损现象的不足，本发明设计了一种带探损检测的软固结磨粒气压砂轮光整***，以实现在线探损和实时调整以提高加工精度和加工效率。
带探损检测的软固结磨粒气压砂轮光整***，包括用于放置待加工的工件的加工平台、用于对所述的工件进行光整加工的气压砂轮，其特征在于：所述的加工平台上的支架上设置有用于记录气压砂轮的轮廓数据的激光扫描仪，所述的激光扫描仪包含一个用于调整扫描区域的电机扫描装置、光学***、激光器、平面镜，所述的激光扫描仪的光学***的数据输出端连接数据处理模块，所述的数据处理模块的输出端和所述的电机扫描装置的指令信号输入端均连接计算机；所述的计算机预存有所述工件的表面轮廓建模、所述的气压砂轮的轨迹，所述的计算机通过控制柜连接机器人，所述的机器人设有三自由度的机械臂，所述的机械臂上装有所述的气压砂轮；所述的计算机通过比较实时气压砂轮轮廓数据与初始砂轮轮廓的数据，判断所述的气压砂轮是否出现过损现象，当判断所述的气压砂轮存在过损时，则通过控制柜改变所述的机械臂的姿态，改变所述的气压砂轮的切削姿态。
主要包括砂轮表面探损模块与机械加工模块。所述机械加工模块主要由计算机控制，可通过对工件表面进行建模，进行轨迹规划，并可根据采集的轮廓信号进行实时在线调整运动状态。计算机通过连接控制柜实现对机器人的控制，控制柜主要提供操作方案，可由计算机 实现自动化控制，也可由操控人员通过操控面板实现手动控制。控制柜将操控命令传至机器人，机器人主要由具有三自由度的机械臂构成，并将气压砂轮抛光装置安装在机械臂上，以实现气压砂轮运行轨迹精准控制。
所述砂轮表面探损模块主要通过三维激光轮廓扫描来实现，在加工平台上，安装一个固定支架，用于支持激光扫描仪，使其对准旋转圆盘中心区域，使得当气压砂轮在对工件进行光整过程中，其外侧表面能够完全暴露在激光照射区域。在固定端安装电机扫描装置，电机扫描装置通过调整平面镜的位置，将激光器发射的光束进行调整，从而控制激光扫描的区域。
将测得的轮廓信号通过数据采集模块进行采集，根据设计需求调整采样速率。
将采用后的信号传至数据处理模块，进行数据分析，随后将分析结果传送至计算机。计算机根据结果调整机械臂的运动姿态，实现对砂轮的加工状态控制。
本发明的工作原理是：将待加工工件安装在旋转台上，首先通过对待加工工件进行三维建模，并将其轮廓特征保存至计算机当中，计算机根据其表面光整需求，设定机械臂运行轨迹，并在这个过程中始终保持砂轮外表侧朝同一方向。并将规划后的轨迹程序传送至控制柜，控制柜控制机械臂内的伺服电机运行，使气压砂轮在工件表面按照原始工件表面轮廓设定轨迹运行。
启动三维激光测试仪，开启电机扫描装置，通过控制平面镜的移动，实现控制激光扫描区域在气压砂轮加工区域，并通过计算机存储的轨迹规划路径，通过计算机控制电机扫描装置，使得激光扫描区域 始终保持在砂轮外表面。
光学***通过激光反射后接收初始砂轮表面扫描轮廓，通过数据采集模块，将其传送至数据分析模块，数据分析模块将其保存至非易失存储器中，作为原始数据。这里需要说明的是，采用后保存的轮廓并非砂轮全貌轮廓，由于砂轮在受损过程中，只存在环形区域受损特征，因此在分析其是否受损的过程中，只需采样砂轮外表轮廓的相同间距的若干纵向样条曲线作为采样基准。
***开始进行正常加工运行。砂轮按照事先设定的轨迹进行加工，并将轨迹路径存储至计算机，计算机控制电机扫描装置，使得三维激光扫描轮廓范围集中在气压砂轮精密加工过程中的主要驻点上。在对高硬度表面进行精密光整前，需对气压砂轮进行试运行轮廓扫描，记录若干驻点上的砂轮主要轮廓数据作为自识别初始数据，这里主要指的是砂轮外表轮廓曲率数据，并储存至计算机当中。当砂轮开始加工时，三维扫描仪将实时记录上述驻点上的砂轮轮廓数据，并将数据传送至计算机，计算机通过对实时采集的数据进行曲率分析，来判断气压砂轮是否存在过损现象。当判断砂轮存在过损时，则通过控制柜改变机械臂的姿态，使得砂轮的切削姿态发生改变。由于砂轮在加工过程中受损特征一般表现为球面环形接触区内磨粒和高聚物粘结剂受损，使得砂轮轮廓曲率发生改变。因此可通过以初始轮廓曲率数据作为标准，实时调整砂轮的切削姿态避免这一情况的发生，最终达到磨粒的高效切削效果。
本发明的有益效果在于：针对半球形软固结磨粒气压砂轮精密加工方法中存在的砂轮表面磨粒局部过损现象，设计了一种带探损检测的软固结磨粒气压砂轮光整***；采用三维激光扫描仪对气压砂轮曲 率轮廓进行实时采集，计算机以曲率作为探损标准，并通过实时调整机械臂运动来控制气压砂轮的接触姿态，从而避免砂轮过损现象产生。该方案一方面很好地提高了软固结磨粒气压砂轮的使用寿命；另一方面也有效地提升软固结磨粒的使用效率。为该抛光技术在模具抛光领域发挥其技术优势和应用潜力奠定重要基础。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明气压砂轮轮廓曲率检测示意图。
图3是本发明整体***运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
带探损检测的软固结磨粒气压砂轮光整***，包括用于放置待加工的工件的加工平台、用于对所述的工件进行光整加工的气压砂轮，其特征在于：所述的加工平台上的支架上设置有用于记录气压砂轮的轮廓数据的激光扫描仪，所述的激光扫描仪包含一个用于调整扫描区域的电机扫描装置、光学***、激光器、平面镜，所述的激光扫描仪的光学***的数据输出端连接数据处理模块，所述的数据处理模块的输出端和所述的电机扫描装置的指令信号输入端均连接计算机；所述的计算机预存有所述工件的表面轮廓建模、所述的气压砂轮的轨迹，所述的计算机通过控制柜连接机器人，所述的机器人设有三自由度的机械臂，所述的机械臂上装有所述的气压砂轮；所述的计算机通过比较实时气压砂轮轮廓数据与初始砂轮轮廓的数据，判断所述的气压砂轮是否出现过损现象，当判断所述的气压砂轮存在过损时，则通过控制柜改变所述的机械臂的姿态，改变所述的气压砂轮的切削姿态。
本发明技术结构上分为砂轮表面探损模块2与机械加工模块1。所述机械加工模块主要由计算机201，可通过对工件表面进行建模进行轨迹规划，并可根据采集的砂轮轮廓信号204进行实时在线调整运动状态。计算机201通过连接控制柜12实现对机器人13的控制，控制柜12主要提供操作方案，可由计算机201实现自动化控制，也可由操控人员通过操控面板实现手动控制。控制柜12将操控命令传至机器人13，机器人13主要由具有三自由度的机械臂构成，并将气压砂轮抛光装置16安装在机械臂上，以实现气压砂轮运行轨迹精准控制。
所述砂轮表面探损模块2主要通过三维激光轮廓扫描来实现，在加工平台14上，安装一个固定支架207，用于支持激光扫描仪19，使其对准旋转圆盘15中心区域，使得当气压砂轮17在对工件18进行光整过程中，其外侧表面能够完全暴露在激光照射区域。在固定端安装电机扫描装置208，电机扫描装置208通过调整平面镜211的位置，将激光器210发射的光速进行调整，从而控制激光扫描的区域。
将测得的砂轮轮廓信号204通过数据采集203模块进行采集，根据设计需求调整采样速率。
将采用后的信号传至数据处理模块202，进行数据分析，随后将分析结果传送至计算机201。计算机根据结果调整机械臂13的运动姿态，实现对砂轮17的加工状态控制。
本发明的工作过程为：将待加工工件18安装在旋转台15上，首先通过对待加工工件18进行三维建模205，并将其轮廓特征保存至计算机201当中，计算机201根据其表面光整需求，建立机械臂13运行轨迹，并在这个过程中始终保持砂轮外表侧朝同一方向。并将规划后的轨迹程序传送至控制柜12，控制柜12控制机械臂内的伺服电机运 行，使气压砂轮17在工件18表面按照原始工件表面轮廓设定轨迹运行。
启动三维激光测试仪19，开启电机扫描装置208，通过控制平面镜211的移动，实现控制激光扫描区域在气压砂轮17加工区域，并通过计算机201存储的轨迹规划路径，通过计算机201控制电机扫描装置208，使得激光扫描区域始终保持在砂轮外表面205。
光学***209通过激光反射后接收初始砂轮表面扫描轮廓，得到砂轮轮廓信号204，通过数据采集模块203，将其传送至数据分析模块202，数据分析模块将其保存至非易失存储器中，作为原始数据。这里需要说明的是，采用后保存的轮廓并非砂轮全貌轮廓，由于砂轮在受损过程中，只存在环形区域206受损特征，因此在分析其是否受损的过程中，只需采样砂轮外表轮廓的相同间距的若干纵向样条曲线作为采样基准。
***开始进行正常加工运行。砂轮17按照事先设定的轨迹进行加工，并将轨迹路径存储至计算机201，计算机201控制电机扫描装置208，使得三维激光仪19扫描轮廓范围集中在气压砂轮精密加工过程中的主要驻点上。在对高硬度表面18进行精密光整前，需对气压砂轮17进行试运行轮廓扫描，记录若干驻点上的砂轮主要轮廓数据作为自识别初始数据，这里主要指的是砂轮外表轮廓曲率数据，并储存至计算机201当中。当砂轮17开始加工时，三维扫描仪19将实时记录上述驻点上的砂轮轮廓数据，并将数据传送至计算机201，计算机通过对实时采集的数据进行曲率分析，来判断气压砂轮是否存在过损现象。当判断砂轮存在过损时，则通过控制柜改变机械臂13的姿态，使得砂轮17的切削姿态发生改变。由于砂轮在加工过程中受损特征一般表现 为球面环形接触区206内磨粒和高聚物粘结剂受损，使得砂轮轮廓曲率发生改变。因此可通过以初始轮廓曲率数据作为标准，实时调整砂轮的切削姿态避免这一情况的发生，最终达到磨粒的高效切削效果。附图3说明了整个***运行的流程。
本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思所实现形式的列举，本发明的保护范围不应当仅局限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围及于本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。
Claims (1)
1.带探损检测的软固结磨粒气压砂轮光整***，包括用于放置待加工的工件的加工平台、用于对所述的工件进行光整加工的气压砂轮，其特征在于：所述的加工平台上的支架上设置有用于记录气压砂轮的轮廓数据的激光扫描仪，所述的激光扫描仪包含一个用于调整扫描区域的电机扫描装置、光学***、激光器、平面镜，所述的激光扫描仪的光学***的数据输出端连接数据处理模块，所述的数据处理模块的输出端和所述的电机扫描装置的指令信号输入端均连接计算机；所述的计算机预存有所述工件的表面轮廓建模、所述的气压砂轮的轨迹，所述的计算机通过控制柜连接机器人，所述的机器人设有三自由度的机械臂，所述的机械臂上装有所述的气压砂轮；所述的计算机通过比较实时气压砂轮轮廓数据与初始砂轮轮廓的数据，判断所述的气压砂轮是否出现过损现象，当判断所述的气压砂轮存在过损时，则通过控制柜改变所述的机械臂的姿态，改变所述的气压砂轮的切削姿态。
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