CN110465862B - 一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置及其加工方法，属于难加工材料复杂曲面磨削技术领域。所述装置包括基座、立柱、工业机器人、电主轴、力控浮动刀柄、工件夹持装置、磨削盘、六维力传感器、旋转工作台、三轴精密位移工作台、安全防护罩、安全门和底座；磨削盘包括磨削盘基体、压板、衬垫层和磨料层。各组块有效通讯，通过控制***进行信号收集处理和指令发送，实现对复杂曲面自动化力控磨削；通过磨削盘磨料层发生剪切增稠效应，以高剪低压的磨削方式对材料进行去除；本发明突破传统加工方法的局限性，以高剪低压的磨削方式实现复杂曲面的自动化力控精密磨削加工。

Description

一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置及其加工方法
技术领域
本发明涉及难加工材料复杂曲面磨削加工技术，特别提供了一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置及其加工方法。
背景技术
随着科学技术迅速发展，机械、电子、通信、光学、能源、航空航天等领域对材料性能的要求日趋增高，一大批具有优质性能的新型难加工材料（如：钛合金、高温合金、超高强度钢、工程陶瓷等）不断涌现，同时也对材料的精密/超精密加工提出了新的挑战。磨削加工作为精密/超精密加工的重要技术手段，在机械加工总量约占30%～40%，应用极为广泛。难加工材料磨削加工过程中普遍存在材料去除率低、砂轮表面黏附严重、磨削力大和磨削温度高、磨削烧伤和加工硬化频繁以及工件表面完整性差的问题，针对诸多问题，国内外学者开展了大量的基于固结磨料的高速/超高速磨削、高速深切磨削、复合磨削、间断磨削理论、方法与先进磨具技术的研究，然而这些技术难题始终未能完全解决，对于难加工材料复杂曲面磨削更是一项挑战。从磨削机理上分析，由于磨粒较大的负前角和刃口半径，因此产生的总磨削力非常大，其中法向磨削力最大，难加工材料的强度高，材料磨除所需的能量大，法向磨削力是常规材料的数倍乃至百倍，然而法向磨削力过大是难加工材料的磨削过程中出现诸多问题的主要成因。因此本发明提出一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置，利用工业机器人和三轴精密位移工作台协调运动，配合力控模块和开发出的基于剪切增稠原理的磨削盘，实现力控和自动化复杂曲面高剪低压磨削加工，对难加工材料复杂曲面高效精密磨削具有重要的理论意义和实际应用价值。
本发明提供了一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置及其加工方法，工业机器人、三轴精密位移工作台和旋转工作台协调运动，达到对复杂曲面自动化磨削加工的目的，利用力控模块，实现定力磨削加工；提出利用剪切增稠效应下磨料产生“集群效应”的磨削盘，以高剪低压的磨削方式对工件表面微凸峰进行去除，对难加工材料复杂曲面高效精密磨削具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明提供了一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置及其加工方法。工业机器人、旋转工作台、三轴精密位移工作台协调运动，实现对复杂曲面的自动化磨削加工；磨削盘安装在六维力传感器上，配合力控浮动刀柄，通过力控模块，实现对磨削力的精准控制，达到定力磨削的效果；提出利用剪切增稠效应的磨削盘，根据磨削盘连续磨削和间断磨削区域形状，可分为平面磨削盘、扇形磨削盘、阿基米德螺线磨削盘和双曲线磨削盘，当磨料层与工件表面发生接触时，磨料产生“集群效应”，提高切向磨削力与法向磨削力之比，以高剪低压的磨削方式对工件表面微凸峰进行去除，有效解决材料复杂曲面磨削加工中材料去除率低、磨削烧伤、表面完整性差等一系列问题，进一步提高加工效率与加工质量。
本发明的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置及其加工方法所提供的技术方案如下：
1、所述的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置：包括工业机器人基座、工业机器人、安全防护罩、立柱、电主轴、力控浮动刀柄、工件夹持装置、磨削盘、六维力传感器、旋转工作台、三轴精密位移工作台、安全门和底座；磨削盘包括内六角螺栓、压板、磨料层、衬垫层和磨削盘基体；磨料层包括经纬编织纤维织物、磨料、添加剂、分散相、分散介质；所述的旋转工作台一端固定在三轴精密位移工作平台上，另一端与六维力传感器连接，三轴精密位移工作平台紧固在底座上，磨削盘通过螺栓组安装在六维力传感器上，待加工工件安装在工件夹持装置上，力控浮动刀柄一端装夹着工件夹持装置，另一端通过电主轴与工业机器人末端连接，工业机器人与工业机器人基座连接；各个组块相互协调，实现复杂曲面轨迹的运动。所述的衬垫层通过连接法与磨削盘基体相连，压板通过内六角螺栓将磨料层压实在衬垫层与磨抛盘基体上；自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置用安全防护罩保护，通过安全门安装或者更换磨削盘和待加工工件；
2、所述的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置进行复杂曲面的加工方法，可以通过以下步骤实现：
（1） 打开安全防护罩一侧的安全门，将待加工工件安装在工件夹持装置上，完成待加工工件的定位装夹；
（2） 将磨料层紧贴在衬垫层上，通过内六角螺栓将压板紧固在磨削盘基体上；
（3） 将磨削盘安装在六维力传感器上，完成磨削工具的安装；
（4） 工业机器人与三轴精密位移工作台调整待加工工件至磨削区域，并调整待加工工件与磨料层接触；
（5） 加工前准备工作完成后，关闭安全门；
（6） 电主轴带动待加工工件高速旋转，旋转工作台带动磨削盘低速转动，三轴精密位移工作台带动磨削盘实现三维移动，工业机器人配合运动，实现复杂曲面轨迹的运动；
（7） 在磨削过程中，根据六维力传感器采集的力信号，控制***分析处理并发送调节指令至力控浮动刀柄，实现对待加工工件的定力磨削；
（8） 磨削盘的磨料层为柔性磨料层，在磨削过程中，其与待加工工件接触时产生剪切增稠效应，磨料发生“集群效应”，提高切向磨削力与法向磨削力之比，实现对待加工工件的高剪低压磨削。
本发明具有以下明显效果：1、本发明所述的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置，待加工工件夹装在工业机器人上，磨削盘安装在三轴精密位移工作台上，相互协调运动，完成对难加工材料复杂曲面的自动化磨削。2、磨削盘安装在六维力传感器上，配合工业机器人末端的力控浮动刀柄，利用力控模块，实现定力磨削，提高加工均一性。3、磨削盘根据连续磨削和间断磨削区域形状，可分为平面磨削盘、扇形磨削盘、阿基米德螺线磨削盘和双曲线磨削盘，磨料层通过压板和内六角螺栓固定铺展，磨具拆装简便。4、磨削盘中磨料层与工件表面发生接触时，磨料产生“集群效应”，具有高的切向磨削力与法向磨削力之比，实现高剪低压磨削。5、自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置，采用安全防护罩保护，通过安全门安装或者更换磨削盘和待加工工件。
附图说明
图1是本发明的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置的整体结构示意图。其中：工业机器人基座1-1、安全防护罩1-2、立柱1-3、工业机器人1-4、 电主轴1-5、力控浮动刀柄1-6、工件夹持装置1-7、待加工工件1-8、磨削盘1-9、六维力传感器1-10、旋转工作台1-11、三轴精密位移工作台1-12、安全门1-13和底座1-14。
图2是本发明的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置中平面磨削盘的组成结构示意图。其中：内六角螺栓2-1、压板2-2、磨料层2-3、衬垫层2-5和磨削盘基体2-5。
图3是本发明的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置中扇形磨削盘的组成结构示意图。其中：内六角螺栓3-1、压板3-2、磨料层3-3、衬垫层3-4和磨削盘基体3-5。
图4是本发明的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置中阿基米德螺线磨削盘的组成结构示意图。其中：内六角螺栓4-1、压板4-2、磨料层4-3、衬垫层4-4和磨削盘基体4-5。
图5是本发明的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置中双曲线磨削盘的组成结构示意图。其中：内六角螺栓5-1、压板5-2、磨料层5-3、衬垫层5-4和磨削盘基体5-5。
图6是本发明的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置中磨料层的成分示意图。其中：经纬编织纤维织物6-1、磨料6-2、添加剂6-3、分散相6-4、分散介质6-5。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2和图6详细说明本发明中所述装置包括工业机器人基座1-1、安全防护罩1-2、立柱1-3、工业机器人1-4、电主轴1-5、力控浮动刀柄1-6、工件夹持装置1-7、磨削盘1-9、六维力传感器1-10、旋转工作台1-11、三轴精密位移工作台1-12、安全门1-13、底座1-14，磨削盘1-9结构包括内六角螺栓2-1、压板2-2、磨料层2-3、衬垫层2-4和磨削盘基体2-5，磨料层2-3包括经纬编织纤维织物6-1、磨料6-2、添加剂6-3、分散相6-4、分散介质6-5；所述磨削装置的工件夹持装置1-7通过安装在力控浮动刀柄1-6上，再通过电主轴1-5与工业机器人1-4一端连接，工业机器人1-4与工业机器人基座1-1连接，磨削盘1-9与六维力传感器1-10连接，旋转工作台1-11连接在三轴精密位移工作台1-12上，六维力传感器1-10安装在旋转工作台1-11上，三轴精密位移工作台1-12紧固在底座1-14上；所述的磨削盘1-9的衬垫层2-4与磨削盘基体2-5上表面配合，磨料层2-3覆盖在衬垫层2-4上，通过内六角螺栓2-1以螺纹联接的方式用压板2-2将磨料层2-3拉紧压实在磨抛盘基体2-5上；所述磨削装置采用安全防护罩1-2保护，通过安全门1-13更换磨具和工件。
具体实施方式二：结合图1和图2详细说明所述的安全防护装置1-2和安全门1-13的材料采用亚克力板、有机玻璃板透明材料。
具体实施方式三：结合图2、3、4和图5详细说明所述的磨削盘根据其连续磨削和间断磨削区域形状分为平面磨削盘、扇形磨削盘、阿基米德螺线磨削盘和双曲线磨削盘，其压板、磨削盘基体的材料可为铝合金、碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢或者不锈钢。
具体实施方式四：结合图6详细说明所述磨削盘中的磨料层2-3制备方法。分别称取定量的磨料6-2、添加剂6-3、分散相6-4、分散介质6-5，利用机械搅拌和超声辅助进行充分混合，制成剪切增稠磨料分散体系，真空干燥去除剪切增稠磨料分散体系中的气泡，然后用无水乙醇对所述剪切增稠磨料分散体系进行稀释，将经纬编织纤维织物6-1浸渍在被稀释的磨料分散体系中，最后将浸渍后的经纬编织纤维织物6-1放入鼓风干燥箱中干燥，制得磨料层2-3。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式所述的工业机器人1-4具有六自由度，配合三轴精密位移工作台1-12，实现复杂曲面轨迹的运动。工业机器人选用ABB IRB4600-60/2.05机器人，其有效载荷60kg，最大工作范围2050 mm。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式所述的力控浮动刀柄1-6选用主轴浮动打磨头MDA 350，顺从力变化范围8-55N、最大顺从力200.00N、旋转方向为顺时针旋转、噪音等级79dB（A），能够实现对待加工工件1-8的浮动磨削加工。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式所述的六维力传感器1-10能够实现对待加工工件1-8的磨削过程中的磨削力信号采集，六维力传感器选用ATI Delta SI-660-60。
具体实施方式八：结合图1、图2和图3说明，本实施方式利用实施方式一、二、三、四、五、六或七进行复杂曲面力控磨削加工步骤如下：
（1） 打开安全防护罩1-2一侧的安全门1-13，将待加工工件1-8安装在工件夹持装置1-7上，完成待加工工件的定位装夹；
（2） 将磨料层2-3紧贴在衬垫层2-4上，通过内六角螺栓2-1将压板2-2紧固在磨削盘基体2-5上；
（3） 将磨削盘1-9安装在六维力传感器1-10上，完成磨削工具的安装；
（4） 工业机器人1-4与三轴精密位移工作台1-12调整待加工工件1-8至磨削区域，并调整待加工工件1-8与磨料层2-3接触；
（5） 加工前准备工作完成后，关闭安全门1-13；
（6） 电主轴1-5带动待加工工件1-8高速旋转，旋转工作台1-11带动磨削盘1-9低速转动，三轴精密位移工作台1-12带动磨削盘1-9实现三维移动，工业机器人1-4配合运动，实现复杂曲面轨迹的运动；
（7） 在磨削过程中，根据六维力传感器1-10采集的力信号，控制***分析处理并发送调节指令至力控浮动刀柄1-6，实现对待加工工件1-8的定力磨削；
（8） 磨削盘1-9的磨料层为柔性磨料层，在磨削过程中，其与待加工工件1-8接触时产生剪切增稠效应，磨料发生“集群效应”，提高切向磨削力与法向磨削力之比，实现对待加工工件1-8的高剪低压磨削。

Claims (6)

1.一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置，其特征在于：所述装置包括工业机器人基座（1-1）、安全防护罩（1-2）、立柱（1-3）、工业机器人（1-4）、电主轴（1-5）、力控浮动刀柄（1-6）、工件夹持装置（1-7）、磨削盘（1-9）、六维力传感器（1-10）、旋转工作台（1-11）、三轴精密位移工作台（1-12）、安全门（1-13）和底座（1-14），磨削盘（1-9）其结构包括内六角螺栓（2-1）、压板（2-2）、磨料层（2-3）、衬垫层（2-4）和磨削盘基体（2-5），磨料层（2-3）包括经纬编织纤维织物（6-1）、磨料（6-2）、添加剂（6-3）、分散相（6-4）和分散介质（6-5）；所述工件夹持装置（1-7）安装在力控浮动刀柄（1-6）上，待加工工件（1-8）安装在工件夹持装置上（1-7），电主轴（1-5）一端与工业机器人（1-4）末端连接，另一端与力控浮动刀柄（1-6）连接，工业机器人（1-4）固定在工业机器人基座（1-1），磨削盘（1-9）与六维力传感器（1-10）连接，旋转工作台（1-11）一端与三轴精密位移工作台（1-12）连接，另一端与六维力传感器（1-10）连接，三轴精密位移工作台（1-12）固定在底座（1-14）上，所述磨削盘（1-9）的衬垫层（2-4）与磨削盘基体（2-5）上表面配合，磨料层（2-3）覆盖在衬垫层（2-4）上，通过内六角螺栓（2-1）和压板（2-2），将磨料层（2-3）拉紧压实在磨削盘基体（2-5）上，自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置用安全防护罩（1-2）保护；待加工工件（1-8）与磨削盘（1-9）发生接触时，磨料层（2-3）发生剪切增稠，磨料产生“集群效应”，具有高的切向磨削力与法向磨削力之比。
2.根据权利要求1所述的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置，其特征在于：所述磨削装置中工业机器人（1-4）、力控浮动刀柄（1-6）、六维力传感器（1-10）、旋转工作台（1-11）和三轴精密位移工作台（1-12）有效集成，各个组块间有效通信，控制各个组块协调运动，实现工业机器人（1-4）多位姿调整，完成复杂曲面轨迹的运动。
3.根据权利要求2所述的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置，其特征在于：所述力控浮动刀柄（1-6）配合六维力传感器（1-10），在磨削加工过程中，通过采集分析力信号并发送调节指令，实现对待加工工件（1-8）的定力磨削。
4.根据权利要求3所述的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置，其特征在于：根据磨削盘（1-9）中磨料层（2-3）间断磨削区域形状，分为平面磨削盘、扇形磨削盘、阿基米德螺线磨削盘和双曲线磨削盘。
5.根据权利要求4所述的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置，其特征在于：所述磨削盘（1-9）的磨料层（2-3）为固结柔性磨料层，由压板（2-2）通过内六角螺栓（2-1）以螺纹连接的形式压紧在衬垫层（2-4）与磨削盘基体（2-5）上。
6.根据权利要求5所述的一种自动化复杂曲面力控高剪低压磨削装置进行磨削加工的方法，其特征在于，所述方法主要包括以下步骤：
（1） 打开安全防护罩（1-2）一侧的安全门（1-13），将待加工工件（1-8）安装在工件夹持装置（1-7）上，完成待加工工件的定位装夹；
（2） 将磨料层（2-3）紧贴在衬垫层（2-4）上，通过内六角螺栓（2-1）将压板（2-2）紧固在磨削盘基体（2-5）上；
（3） 将磨削盘（1-9）安装在六维力传感器（1-10）上，完成磨削工具的安装；
（4） 工业机器人（1-4）与三轴精密位移工作台（1-12）调整待加工工件（1-8）至磨削区域，并调整待加工工件（1-8）与磨料层（2-3）接触；
（5） 加工前准备工作完成后，关闭安全门（1-13）；
（6） 电主轴（1-5）带动待加工工件（1-8）高速旋转，旋转工作台（1-11）带动磨削盘（1-9）低速转动，三轴精密位移工作台（1-12）带动磨削盘（1-9）实现三维移动，工业机器人（1-4）配合运动，实现复杂曲面轨迹的运动；
（7） 在磨削过程中，根据六维力传感器（1-10）采集的力信号，控制***分析处理并发送调节指令至力控浮动刀柄（1-6），实现对待加工工件（1-8）的定力磨削；
（8） 磨削盘（1-9）的磨料层为柔性磨料层，在磨削过程中，其与待加工工件（1-8）接触时产生剪切增稠效应，磨料发生“集群效应”，提高切向磨削力与法向磨削力之比，实现对待加工工件（1-8）的高剪低压磨削。
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