CN109397041A - 一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备和方法，包括机器人底座、机器人、末端工具、工件摆放桌以及装夹机构，末端工具由连接法兰、主轴抱座、高速主轴、羊毛轮组成，用于对碳化硅零件进行抛光，且可通过更改高速主轴转速以获取所需的最佳速度，且羊毛轮可更换为金刚石砂轮以实现对零件的打磨。装夹机构固定在工件摆放桌上，用于定位并夹紧所述碳化硅零件，装夹机构包括固定部分、活动部分和用于使活动部分动作的伸缩气缸以及导轨、滑块，伸缩气缸通过安装支架固定于工件摆放桌上，可实现零件的快速装夹和定位，固定部分和活动部分上安装有橡胶，用于防止夹紧时损伤碳化硅零件。

Description

一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备和方法
技术领域
本发明涉及打磨抛光技术领域，具体涉及一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备和方法。
背景技术
碳化硅具有高弹性模量、高硬度、耐高温以及热膨胀系数小的特点，被广泛用于模具行业，但是由于碳化硅表面硬度非常高，使得表面精密抛光十分困难，很难得到高质量表面，所以一种高效高质量的碳化硅抛光设备及方法是十分有必要的。目前存在超声辅助抛光、电化学抛光等多种抛光方式，但是都只有在抛光平面时可以获得很高的质量，在进行圆角抛光时效果并不理想，目前抛光质量最好的方式是人工抛光，但是由于抛光的时候会产生粉尘，对工人的健康产生极大的影响。而且人工抛光的效率远远不能满足批量生产的要求，且人工抛光时由于工人的技术水平不一样，会使抛光得到的产品的一致性较差，所以碳化硅抛光行业急需一种高效、高精度的设备来代人工抛光以获得高质量的表面。
现有技术中，碳化硅精密抛光主要存在以下问题：1、一般抛光方式只能抛光简单的平面或圆弧面，对于圆角的抛光效果并不理想，且现有的精密抛光方式成本较高；2、使用人工抛光虽然能获得很高的表面质量，但是却不能保证效率和一致性，而且人工抛光会对工人的健康造成很大的不良影响。所以如何进行碳化硅材料的高效、高精度抛光成为碳化硅抛光领域急需解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种应用在碳化硅抛光领域的高效、高精度的碳化硅抛光设备和方法，以解决现有的技术问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，其特征在于，包括机器人底座、设置在机器人底座上的机器人，所述机器人末端设有末端工具，工件摆放桌设置在机器人旁，装夹机构设置在工件摆放桌上。
在上述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，所述末端工具包括连接法兰、主轴抱座和高速主轴和安装在高速主轴上的刀具，高速主轴末端通过ER夹头安装刀具，连接法兰通过六个螺栓和一个圆柱销和机器人固定连接，主轴抱座和连接法兰通过六个螺栓固定连接，高速主轴安装在主轴抱座上。
在上述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，所述装夹机构固定在工件摆放桌上，装夹机构包括固定部分以及能够往复运动的活动部分，所述固定部分包括夹具固定座，所述夹具固定座上设有一端开口用于放置工件的工件槽，夹具固定座底端固定有两条平行设置的滑轨；所述活动部分包括能够在滑轨上往复运动的滑块，所述滑块通过驱动机构驱动其往复运动。
在上述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，所述驱动机构包括通过气缸安装支架固定的伸缩气缸，伸缩气缸一端固定在滑块上，所述工件槽内壁周向设有橡胶，滑块底端两侧设有定位槽，滑轨设置在定位槽内，滑块顶端开有用于防止橡胶的槽，滑块滑动至滑轨尽头与工件槽构成封闭槽体。
在上述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，所述刀具包括仿形砂轮或羊毛轮，所述仿形砂轮包括刀柄以及设置在刀柄一端的轮本体，所述轮本体设有一凸台，凸台外侧面为圆弧形，所述圆弧的两端与凸台的顶面以及底面相切。
一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，其特征在于，对碳化硅分别进行粗抛和精抛，其中：
粗抛包括：确定粗抛机器人进给速度、抛光轨迹以及主轴转速，安装刀具后对碳化硅进行抛光；
精抛包括：确定精抛机器人进给速度、抛光轨迹以及主轴转速，安装刀具，在刀具贴近碳化硅表面后，操作机器人控制刀具径向变形量到n毫米，对碳化硅进行抛光。
在上述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，粗抛抛光轨迹根据零件空间位置及轮廓，在软件上获得轮廓轨迹，并通过偏移的方式得到其加工路径，偏移距离为砂轮中心轴线到碳化硅外轮廓的距离值m毫米；精抛抛光轨迹由机器人控制羊毛轮贴近碳化硅圆角，使其径向变形量到n毫米，并使羊毛轮轴向方向与碳化硅上平面成45度夹角，沿其外轮廓仿形而成，通过多元线性回归得到抛光力的预测模型为：
F＝-0.3668n+3.5×10-5ω+1.2×10-5nω+0.54195n2-2×10-9ω2
其中：n为羊毛轮的变形量，ω为主轴转速。
在上述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，粗抛时具体包括：
步骤1：通过末端工具上的ER25夹头安装金刚石磨头，并清理待打磨面；
步骤2：控制机器人调整金刚石磨头的位置，使其轴线垂直于碳化硅上表面，并按照粗抛抛光轨迹进行抛光。
在上述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，精抛时具体包括：
步骤1：清理抛光表面，将末端工具上安装的刀具更换为羊毛轮，并将游离的研磨膏均匀涂在需要抛光的部位，研磨膏粒度规格为W40，然后利用所述设备进行抛光；
步骤2：控制机器人调整羊毛轮与碳化硅上表面成45度夹角，设置机器人的进给速度，按精抛抛光轨迹进行抛光，抛光完成后清洗抛光表面；
步骤3：分别更换新的羊毛轮和W10、W7、W1.5、W0.5规格研磨膏逐次重复抛光直到达到抛光要求。
在上述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，抛光过程中羊毛轮先贴近待加工碳化硅圆角，待高速主轴旋转后，机器人沿垂直于进给方向对羊毛轮进行挤压，并保证羊毛轮径向变形量为n毫米。
本发明具有如下优点：1、实现了碳化硅零件的快速装夹定位，仅需要将零件放在装夹机构固定部分后由气缸完成装夹定位即可；2、采用仿形砂轮打磨圆角后再用羊毛轮抛光，提高了圆角的抛光效率和精度；3、使用IRB系列机器人代替人工抛光，提高了抛光效率和产品的一致性，且使得压力、抛光时间和抛光轨迹可调整以满足不同的抛光精度和抛光效率；4、得到了一种适用于碳化硅产品抛光的最佳线速度、最佳抛光时长。
附图说明
图1为本发明的抛光设备的整体示意图。
图2为本发明的末端工具示意图。
图3为本发明的装夹机构示意图(开启)。
图4为本发明的装夹机构示意图(关闭)。
图5为本发明的仿形砂轮示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。图中：1.机器人底座、2.机器人、3.末端工具、3.1.连接法兰、3.2.主轴抱座、3.3.高速主轴、3.4.羊毛轮、3.5.仿形砂轮、4.工件摆放桌、5.装夹机构、5.1.夹具固定座、5.2.滑块、5.3.橡胶、5.4.伸缩气缸、5.5.气缸安装支架、5.6.导轨、5.7.滑块、6.碳化硅工件。
一、首先介绍本发明涉及的抛光设备。
如图1所示的抛光设备整体示意图，包括机器人底座1、机器人2、末端工具3、工件摆放桌4、装夹机构5、碳化硅工件6，其中机器人2通过螺栓固定安装在机器人底座1上，末端工具3通过螺栓和销固定安装在机器人2六轴法兰盘上。
如图2所示的末端工具示意图，包括：3.1.连接法兰、3.2.主轴抱座、3.3.高速主轴、3.4.羊毛轮、3.5.仿形砂轮，其中末端工具的连接法兰3.1上固定安装有主轴抱座3.2，用于安装高速主轴3.3，高速主轴最高转速18000转/分，可通过变频器进行调速，从而达到最佳的抛光速度；高速主轴末端通过ER夹头安装有抛光工具，可选工具为羊毛轮3.4和仿形砂轮3.5，以满足圆角的粗抛和精抛过程，在抛光平面时则不需要仿形砂轮，直接使用羊毛轮即可。仿形砂轮为金刚石砂轮，用于碳化硅圆角粗抛，其圆角半径根据所需要抛光的圆角而定，金刚石磨料粒度为600目；羊毛轮用于平面和圆角的半精抛和精抛，在使用前须先在工件上均匀涂上金刚石研磨膏。
如图3所示的装夹机构示意图(开启)及图4所示的装夹机构示意图(闭合)，包括：5.1.夹具固定座、5.2.滑块、5.3.橡胶、5.4.伸缩气缸、5.5.气缸安装支架、5.6.导轨、5.7.滑块，其中装夹机构5固定安装在工件摆放桌4上，装夹机构由安装在工件摆放桌上的夹具固定座5.1和与伸缩气缸5.4相连的滑块5.2组成，活动部分的底部两端通过螺栓各安装有一个滑块5.7，与滑块配套的导轨5.6固定在工件摆放桌上，伸缩气缸通过两个气缸安装支架5.5固定在工件摆放桌上，此外在装夹固定部分和活动部分上和工件接触的部分安装有橡胶5.3，用于放置气缸夹紧时损伤工件；当碳化硅工件6由操作人员摆放在装夹机构固定部分后，***控制气缸动作，气缸推动装夹机构活动部分通过滑块在导轨上动作，从而使活动部分被推到与固定部分接触，夹紧工件，并可通过两端的平面对工件进行定位。当工件固定夹紧后，可控制机器人动作，按预先设定好的轨迹和速度进行抛光，并可通过调节末端工具的位置来调整羊毛轮与工件挤压变形的程度来改变抛光压力，从而达到所需要的最佳压力。抛光时采用不同粒度的游离磨料多次抛光，研磨膏粒度依次为W10、W7、W1.5、W0.5逐层抛光以达到抛光质量要求，最佳抛光时长为10分钟，最佳抛光线速度为15.7m/s。
二、下面是采用上述设备进行抛光的具体工作流程。
首先操作人员在工件摆放架上进行上料，将需要抛光的碳化硅工件放置在装夹机构的固定部分上，并在工件表面均匀涂上游离磨料，然后程序控制伸缩气缸动作，使装夹机构活动部分动作，定位夹紧住工件，安装在表面的橡胶防止在夹紧过程中损伤工件。
粗抛时：通过末端工具上的ER25夹头将仿形金刚石砂轮安装在机器人末端高速主轴的接头上，设置主轴转速以及机器人进给速度，并调整机器人姿态使刀具垂直于待加工面，按照粗抛抛光轨迹进行打磨，达到表面尺寸要求。
精抛时：在粗抛过程结束后，清洗加工表面，将末端工具上安装的刀具更换为羊毛轮，并将游离的研磨膏均匀涂在需要抛光的部位，通过高速主轴使羊毛轮旋转，调整机器人姿态使羊毛轮按照按照设定精抛抛光轨迹加工碳化硅圆角，抛光时采用不同粒度的游离磨料多次抛光，粒度由大到小逐层抛光以达到抛光质量要求。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了1.机器人底座、2.机器人、3.末端工具、3.1.连接法兰、3.2.主轴抱座、3.3.高速主轴、3.4.羊毛轮、3.5.仿形砂轮、4.工件摆放桌、5.装夹机构、5.1.夹具固定座、5.2.滑块、5.3.橡胶、5.4.伸缩气缸、5.5.气缸安装支架、5.6.导轨、5.7.滑块、6.碳化硅工件等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，其特征在于，包括机器人底座、设置在机器人底座上的机器人，所述机器人末端设有末端工具，工件摆放桌设置在机器人旁，装夹机构设置在工件摆放桌上。
2.如权利要求1所述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，其特征在于，所述末端工具包括连接法兰、主轴抱座和高速主轴和安装在高速主轴上的刀具，高速主轴末端通过ER夹头安装刀具，连接法兰通过六个螺栓和一个圆柱销和机器人固定连接，主轴抱座和连接法兰通过六个螺栓固定连接，高速主轴安装在主轴抱座上。
3.如权利要求1所述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，其特征在于，所述装夹机构固定在工件摆放桌上，装夹机构包括固定部分以及能够往复运动的活动部分，所述固定部分包括夹具固定座，所述夹具固定座上设有一端开口用于放置工件的工件槽，夹具固定座底端固定有两条平行设置的滑轨；所述活动部分包括能够在滑轨上往复运动的滑块，所述滑块通过驱动机构驱动其往复运动。
4.如权利要求1所述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，其特征在于，所述驱动机构包括通过气缸安装支架固定的伸缩气缸，伸缩气缸一端固定在滑块上，所述工件槽内壁周向设有橡胶，滑块底端两侧设有定位槽，滑轨设置在定位槽内，滑块顶端开有用于防止橡胶的槽，滑块滑动至滑轨尽头与工件槽构成封闭槽体。
5.如权利要求1所述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光设备，其特征在于，所述刀具包括仿形砂轮或羊毛轮，所述仿形砂轮包括刀柄以及设置在刀柄一端的轮本体，所述轮本体设有一凸台，凸台外侧面为圆弧形，所述圆弧的两端与凸台的顶面以及底面相切。
6.一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，其特征在于,对碳化硅分别进行粗抛和精抛，其中：
粗抛包括：确定粗抛机器人进给速度、抛光轨迹以及主轴转速，安装刀具后对碳化硅进行抛光；
精抛包括：确定精抛机器人进给速度、抛光轨迹以及主轴转速，安装刀具,在刀具贴近碳化硅表面后，操作机器人控制刀具径向变形量到n毫米，对碳化硅进行抛光。
7.根据权利要求6所述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，其特征在于,粗抛抛光轨迹根据零件空间位置及轮廓，在软件上获得轮廓轨迹，并通过偏移的方式得到其加工路径，偏移距离为砂轮中心轴线到碳化硅外轮廓的距离值m毫米；精抛抛光轨迹由机器人控制羊毛轮贴近碳化硅圆角，使其径向变形量到n毫米，并使羊毛轮轴向方向与碳化硅上平面成45度夹角，沿其外轮廓仿形而成，通过多元线性回归得到抛光力的预测模型为：
F＝-0.3668n+3.5×10-5ω+1.2×10-5nω+0.54195n2-2×10-9ω2
其中：n为羊毛轮的变形量，ω为主轴转速。
8.根据权利要求6所述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，其特征在于，粗抛时具体包括：
步骤1：通过末端工具上的ER25夹头安装金刚石磨头，并清理待打磨面；
步骤2：控制机器人调整金刚石磨头的位置，使其轴线垂直于碳化硅上表面，并按照粗抛抛光轨迹进行抛光。
9.根据权利要求6所述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，其特征在于，精抛时具体包括：
步骤1：清理抛光表面，将末端工具上安装的刀具更换为羊毛轮，并将游离的研磨膏均匀涂在需要抛光的部位，研磨膏粒度规格为W40，然后利用所述设备进行抛光；
步骤2：控制机器人调整羊毛轮与碳化硅上表面成45度夹角，设置机器人的进给速度，按精抛抛光轨迹进行抛光，抛光完成后清洗抛光表面；
步骤3：分别更换新的羊毛轮和W10、W7、W1.5、W0.5规格研磨膏逐次重复抛光直到达到抛光要求。
10.根据权利要求6所述的一种仿人手的碳化硅游离磨料抛光方法，其特征在于,抛光过程中羊毛轮先贴近待加工碳化硅圆角，待高速主轴旋转后，机器人沿垂直于进给方向对羊毛轮进行挤压，并保证羊毛轮径向变形量为n毫米。
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