CN112296853A - 一种基于扭矩控制的pe球芯自动抛光***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***及控制方法。解决现有技术中的PE球芯抛光设备结构复杂，操作要求高，以及适用性不广的问题。***包括支撑框架，支撑框架内部设置有夹持PE球芯的球芯旋转机构，支撑框架上部设置有二自由度运动机构；二自由度运动机构包括第一运动组件和第二运动组件，第一运动组件通过球芯定位机构滑动设置在支撑框架上；抛光机构设置在第二运动组件上，抛光机构包括抛光布轮，抛光布轮沿PE球芯表面做圆弧运动。抛光按照球芯夹持、球芯定位、参数设定、球芯抛光和停止复位顺序进行。本发明自动完成对PE球芯的抛光，操作简单，对操作人员操作经验和技术水平要求低，且适用性范围广，保证高抛光精度。

Description

一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***及控制方法

技术领域

本发明涉及抛光技术领域，尤其是涉及一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***及控制方法。

背景技术

随着我国城镇化进程的快速推进，管道燃气的普及率越来越高。传统的燃气管道部件（包括管道、阀门、转换接头、法兰、螺栓、螺母垫片等）基本均采用金属材料加工而成，其最大缺点就是易受腐蚀（包括土壤、细菌、化学、电化学等腐蚀），需要对金属管道部件做防腐处理和日常维护，不仅增大了运营成本，而且依然无法彻底避免由腐蚀所致的燃气管路密封性安全隐患。为有效避免腐蚀问题，自上世纪80年代以来，人们逐渐关注并使用聚乙烯（polyethylene，简称PE）材料制作燃气管道部件。目前，PE材料因其稳定的物理化学性能，便捷的安装维护特点，在燃气输送管网中得到大量使用。

作为PE燃气管道部件的重要部件，PE球阀作为管道控制元件得到越来越多的使用和重视。较之传统的金属球阀，PE球阀具有以下突出的优点：（1）耐化学腐蚀性能优异，无需防腐层，免维护，使用寿命长；（2）施工方便，安全密封性能稳定，以热熔或电熔方式与PE管道直接熔焊构成不可拆卸整体，阀门壳体的熔接强度高，与橡胶垫圈类或机械类接头相比，不存在因接头扭曲造成外部泄露的危险；（3）操作力矩与压力损失均较小，阀门内壁光滑，且为全通径，具有超低摩擦阻力，不易结垢；（4）具有高韧性，适应管基不均匀沉降能力强，具有抗震性能和抗慢速裂纹增长（SCG）及抗快速裂纹扩展（RCP）能力。

与金属球阀相比较，PE球阀的机械加工工艺更复杂，尤其是对PE球阀内部核心零件PE球芯的抛光工艺要求更高。PE球芯的抛光精度（含圆度和表面粗糙度指标）直接决定了PE球阀密封性能、球芯操作扭矩稳定性能和线性膨胀系数。

目前，产业界的PE球芯抛光工艺仍以人工手动抛光方式为主，这种抛光方式费时费力，效率低下，而且还不能保证抛光精度的一致性，同时，抛光过程中产生的粉尘对操作人员的身体健康造成危害。学术界有研究人员提出过一些针对球阀阀芯的抛光或研磨方案，如郑州工学院的何文平等人提出过一种“BQ型双偏心半球阀阀芯研磨机”，该机器为解决球面中心点与边缘点的研磨轨迹差异导致的去除材料量、磨损、磨削等严重不均匀现象，通过主动的不断变动阀芯位置的方式，使整个球面的研磨、磨损等均匀一致。但该抛光机构为实现阀芯位置的实时变动，采用了蜗轮蜗杆减速机 调速电机、行星减速机、锥齿轮、曲柄(凸轮)推杆正弦机构、齿条齿轮机构等众多复杂的零件和机构，不仅设备成本高能耗损失大，而且对加工组装和现场操作的要求也十分高。中国石化集团兰州设计院的王兰喜等人提出过一种“球阀球体研磨机”，该机器根据球体加工特点及研磨的切削运动轨迹, 使研磨块随球阀一起转动，并在转动过程中依靠摩擦力以及惯性造生的偏心产生摩擦力矩而实现对球阀的研磨。该球阀抛光机器虽然结构简单、零部件较少、加工制造和整机装配都比较容易，但该机器的偏心转动工作原理决定了其不适用于由注塑工艺生产的球面状况较为粗糙且不均匀较高的PE球芯抛光工艺。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中的PE球芯抛光设备结构复杂，操作要求高，以及适用性不广的问题，提供了一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***及控制方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***，包括，

支撑框架，支撑框架内部设置有夹持PE球芯的球芯旋转机构，支撑框架上部设置有二自由度运动机构；

二自由度运动机构，包括做圆周运动的第一运动组件和设置在第一运动组件上做径向运动的第二运动组件，第一运动组件通过球芯定位机构滑动设置在支撑框架上；

抛光机构，设置在第二运动组件上，抛光机构包括抛光布轮，抛光布轮沿PE球芯表面做圆弧运动。

本发明构建了对PE球芯自动抛光的***。球芯旋转机构夹持待抛光的PE球芯，且能够旋转PE球芯。球芯定位机构用于移动二自由度运动机构，将二自由度运动机构的转动中心定位在PE球芯的球心位置。二自由度运动机构的第二运动组件与抛光机构连接，带动抛光机构做径向移动，用于调节抛光机构的抛光布轮与PE球芯的接触距离，以控制抛光布轮对PE球芯施加恒定的径向压力。第一运动组件做圆周运动，通过第二运动组件带动抛光机构一起做圆周运动，使得抛光机构的抛光布轮能够贴着PE球芯的表面做圆弧运动，实现对PE球芯的抛光。本发明***能够自动完成对PE球芯的抛光，操作简单，对操作人员的操作经验和技术水平要求较低。***能够通过二自由度运动机构调节，适用于天然气PE阀门行业普遍使用的外径100mm-315mm之间的不同规格PE球芯抛光，适用性强。

作为一种优选方案，所述支撑框架包括若干立柱和连接在立柱顶端之间的横梁，球芯旋转机构设置在支撑框架内，二自由度运动机构位于球芯旋转机构上部且通过球芯定位机构安装在横梁上。本方案采用支撑框架对***进行安装固定，支撑框架通过立柱和横梁共同构建成方形的框架。球芯旋转机构设置在支撑框架内部，二自由度运动机构设置在支撑框架上部且位于球芯旋转机构上部，抛光机构伸入支撑框架内对PE球芯进行抛光加工。

作为一种优选方案，所述第一运动组件包括支撑板和连接在支撑板上的圆弧导轨，在支撑板上位于圆弧导轨的圆心处转动连接有摆臂，摆臂前端连接有第一电机驱动的导轨小车，导轨小车滑动连接在圆弧导轨上。第一运动组件的圆弧导轨为半圆形，半圆形的圆弧导轨能够实现对PE球芯表面180度范围内的抛光。圆弧导轨设置在支撑板的一侧，圆弧导轨两端分别固定在支撑板侧面，圆弧导轨的圆形处位于在支撑板上，支撑板与圆弧导轨之间形成半圆形空间，以用于抛光机构的设置和移动。摆臂一端转动连接在支撑板上圆弧导轨圆心所在处，另一端连接有导轨小车，导轨小车滑动连接在圆弧导轨上，这样摆臂能够带动导轨小车在圆弧导轨上进行圆周运动。

作为一种优选方案，所述导轨小车包括底座和至少一对滑轮，所述滑轮轮面相对设置，在滑轮中心设置有转轴，转轴固定在底座底部，所述圆弧导轨夹持在一对滑轮之间，第一电机设置在底座上，在底座底部设置有与第一电机联动相连的驱动齿轮，在所述圆弧导轨侧面上设置有齿条，驱动齿轮与齿条相啮合。本方案中导轨小车指示包括一对滑轮，一般采用两对滑轮，滑轮采用平放设置，然后通过转轴安装在底座底部上，滑轮呈两排对应设置，两排滑轮之间形成安装圆弧导轨的空间，安装时圆弧导轨夹持在两排滑轮之间。该圆弧导轨为T形结构，滑轮的轮面上设置有卡槽，滑轮与圆弧导轨连接时，滑轮的卡槽与T形的圆弧导轨上部边缘卡合，使得滑轮与圆弧导轨结合更紧密，防止滑轮脱离导轨，且起到导向作用，使得滑轮滑动更顺畅。齿条具体的设置在T形的圆弧导轨下部侧面上，第一电机转动轴穿过底座，在底座底部上连接驱动齿轮，驱动齿轮与齿条啮合，第一电机带动驱动齿轮转动，使得导轨小车在圆弧导轨上进行移动。

作为一种优选方案，第二运动组件包括径向导轨、径向丝杆和滑块，所述径向丝杆定轴转动安装在摆臂上，径向丝杆一端连接驱动其转动的第二电机，径向导轨包括一对，分别设置在径向丝杆两侧，所述滑块滑动安装在径向导轨上，在滑块底部设有螺套与径向丝杆螺纹连接，抛光机构固定在滑块上。本方案中径向丝杆定轴转动安装在摆臂上，具体的在摆臂位于支撑板的一端上设置有第一固定板，在摆臂位于导轨小车一端上设置有第二固定板，径向丝轴一端通过轴承安装在第一固定板上，径向丝轴另一端穿过第二固定板，与第二电机转轴连接，径向丝轴也通过轴承连接在第二固定板上。在第二电机的驱动下，径向丝轴原地转动，滑块在径向丝轴的螺纹转动下，在径向导轨上进行前后移动，带动抛光机构进行径向运动。

作为一种优选方案，球芯定位机构包括第一长滑轨、长丝杆和第二长滑轨，第一长滑轨和长丝杆分别设置在支撑框架上两侧，在第一长滑轨上滑动连接有第一长滑轨滑块，长丝杆定轴安装在支撑框架上，长丝杆一端连接驱动其转动的第三电机，所述第二场滑轨包括一对，分别设置在第二长滑轨两侧，在第二长滑轨上滑动连接有第二长滑轨滑块，在第二长滑轨滑块底部设置有螺套与长丝杆螺纹连接，二自由度运动机构安装在第一长滑轨滑块和第二长滑轨滑块上。本方案中球芯定位机构用于将二自由度运动机构的转动中心移动至PE球芯球心所在的直线位置上。二自由度运动机构固定在位于支撑框架两侧的第一长滑轨滑块和第二长滑轨滑块上，将二自由度运动机构凌空设置在球芯旋转机构上部。第三电机驱动长丝轴定轴转动，长丝轴转动驱动与其螺纹连接的第二长滑轨滑块在第二长滑轨上滑动，从而带动二自由度运动机构前后移动，调节位置直到二自由度运动机构其摆臂转动圆心到PE球芯圆心所在的直线上。

作为一种优选方案，所述抛光机构包括固定支架，在固定支架上部设置有卡凹，卡凹上端设置有扣板，所述卡凹由下向上套在第二运动组件外，扣板固定在滑块上，在固定支架内设置有抛光电机，抛光电机转轴穿出固定支架下端与所述抛光布轮连接，在抛光电机转轴上还设置有扭矩传感器，***包括控制器，扭矩传感器连接至控制器。本方案中抛光机构挂置在第二运动组件上，固定支架为长柱形结构，固定支架上部为U形的卡凹，安装时，将卡凹由下至上套在第二运动组件外，即由下至上套过摆臂和摆臂上第二运动组件，将扣板固定在滑块上，扣板与卡凹两侧的上端相连接，这样将固定支架整个挂在滑块上，卡凹与摆臂不接触。在滑块上表面设置有限位槽，扣板下表面设置有对应的限位块，安装时限位块卡入在限位槽内进行固定，使得来讲更加稳固。扭矩传感器用于采集电机转轴的扭矩值，发送给控制器。抛光布轮设置在固定支架下部，第三电机转轴穿出固定支架与抛光布轮连接，抛光布轮为水平平放设置，在第三电机驱动下在水平面内进行转动。抛光布轮的安装高度预先经过调节，使得抛光布轮所在平面与PE球芯球心叠合。抛光过程中抛光布轮施加至PE球芯的径向压力的恒定度是确保PE球芯抛光精度的关键。抛光径向压力由抛光布轮与PE球芯之间的接触间距决定，两者间距越小则而抛光径向压力越大。要精确控制抛光精度，需根据抛光布轮与PE球芯之间的压力来调整它们之间的距离，实际应用中，抛光布轮（软性材料）与PE球芯（硬性材料）之间接触压力传感器安装较为困难复杂，考虑到抛光扭矩和抛光压力之间存在正比例关系，抛光压力越大意味着抛光布轮与PE球芯之间压得更紧，抛光布轮受到的扭矩也越大，本方案中采用扭矩传感器来检测抛光布轮受到的抛光扭矩，来代替抛光压力的直接检测，安装操作简单方便，同时也不影响对抛光精度的控制。

作为一种优选方案，球芯旋转机构包括机座，在机座上设置有沿水平轴转动的支撑爪，支撑爪***在PE球芯的通孔内并支撑固定。本方案中支撑爪为采用现有技术中通过旋转进行撑开或收缩的卡爪，支撑爪整体在电机控制下能进行转动，该支撑爪设置成沿水平轴向转动，PE球芯上设置有通孔，安装时将卡爪***通孔，通过旋转撑开支撑爪，使得支撑爪支撑在通孔内形成固定，抛光作业时通过旋转支撑爪来带动PE球芯绕水平轴旋转运动，抛光布轮在第二运动组件运动下围绕PE球芯做圆周运动，旋转运动所在平面和圆周运动所在平面相互垂直。球芯旋转机构可以采用普通车床替代，支撑爪实用普通车床的抓盘夹持PE球芯。

作为一种优选方案，还包括粉尘回收机构， 粉尘回收机构安装在抛光布轮相对PE球芯的另一侧，粉尘回收机构包括导流罩，导流罩两端开口，导流罩一端开口朝向抛光布轮，导流罩另一端口上设置有吸风扇，在导流罩内还设置有过滤网。由于抛光工艺过程中会产生大量粉尘，导致环境污染和对操作人员身体健康产生威胁，通过采用粉尘回收机构能对粉尘进行回收，减少了环境污染，降低了对操作人员身体健康的威胁。导流罩一端开口对准抛光布轮，在吸风扇的作用下，粉尘被吸入到导流罩内并粘附在过滤网上。

一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光控制方法，包括以下步骤：

S1.球芯夹持，PE球芯夹持在球芯旋转机构上；

S2. 球芯定位，控制球芯定位机构将二自由度运动机构进行移动，直至二自由度运动机构的圆弧导轨圆心与PE球芯圆心完全重合；球芯定位是为了给二自由度运动机构提供运动基准。通过控制转动长丝杆，将二自由度运动机构的圆弧导轨圆心移动至预先设定的直径规格位置，即先粗调将圆弧导轨圆心定位到球芯上。本发明可以采用图像定位方法，在圆弧导轨圆心的下部设置双目摄像头，用于采集圆弧导轨圆心处下方的图像，***包括有控制器，双目摄像头连接控制器上，将拍摄的图像实时发送给控制器，微处理器根据图像定位出圆弧导轨圆心位置和球芯圆心位置，控制器控制第三电机驱动二自由度运动机构缓慢移动，直至圆弧导轨圆心与球芯圆心完全重合定位，控制器判断圆弧导轨圆心与球芯圆心完全重合，停止第三电机，发出声光提示。

S3.参数设定，在***里预先设定第二运动组件圆周运动速度、抛光往复次数、扭力控制值；

S4.球芯抛光，控制第一电机将抛光布轮沿圆弧导轨运动至PE球芯外缘点；控制第二电机将抛光布轮移动至最大直径位置；启动抛光电机控制抛光布轮转动，启动球芯旋转机构带动PE球芯旋转；控制第二电机将抛光布轮逐步逼近PE球芯外缘点，直到扭矩传感器检测的信号达到设定的扭力控制值；控制第一电机驱动抛光布轮做圆周往复运动；本方案中抛光布轮沿圆弧导轨运动至PE球芯外缘点，即抛光布轮沿着PE球芯转动至与外缘点接触的位置，外缘点为设定的初始位置。最大直径位置为径向运动调节抛光布轮位置，使抛光布轮与PE球芯外援点接触的临界状态或非接触状态，最大直径位置可以根据需求设定。

S5.退出复位，完成预设抛光往复次数后，控制第二电机将抛光布轮移动至最大直径位置，抛光电机停止工作，等待下一次抛光加工控制命令。本发明需要更换PE球芯位置以对PE球芯两个半面分别进行抛光加工。***复位后，更换PE球芯，再重复执行步骤S4和S5进行下一次抛光加工。对于同一规格的PE球芯可以不用重复进行球芯定位。

作为一种优选方案，在步骤S4的过程中还包括抛光扭距控制步骤：

S401.扭距传感器实时采集抛光电机的抛光扭力信息，将信息发送给控制器；

S402.控制器将采集的扭力信息与设定的扭力控制值进行比较，判断扭力是否大于/小于扭力控制值；

S403.当判断扭力大于扭力控制值，控制第二电机增加抛光布轮与球芯表面之间的距离，返回步骤S402；

当判断扭力小于扭力控制值，控制第二电机减少抛光布轮与球芯表面之间的距离，返回步骤S402。

控制器控制第一电机驱动抛光布轮座圆周运动，若PE球芯的圆度误差为零，即PE球芯为一个严格的球体，则抛光布轮与PE球芯之间的距离保持恒定，从而实现抛光压力的恒定。而实际抛光过程中，PE球芯的圆度误差不可能为零，导致在实际抛光过程中抛光压力的实时变化，控制单元根据收到的扭力值变化，通过控制第二电机调节抛光布轮与PE球芯之间的距离，以将扭力值保持在一个合适的范围内。

作为一种优选方案，步骤S4的过程中还包括故障控制步骤：

S411.扭距传感器实时采集抛光电机的抛光扭距信息，将信息发送给控制器；

S412.预先设定扭力陡然增大故障的时间限值t和第一扭力阈值N1，以及机械卡死故障的第二扭力阈值N2；

S413.控制器将采集的当前扭力信息与设定的扭力控制值进行比较，判断扭力是否大于扭力控制值，若是进入如下一步骤，若否结束步骤；

S414.判断当前扭力与t时刻前扭力的差值是否大于第一扭力阈值N1，若是判断扭力陡然增大，控制第二电机将抛光布轮移开球芯表面，***自动停机；若否结束步骤；

判断当前扭力是否大于第二扭力阈值N2，若是判断机械卡死故障，控制第二电机将抛光布轮移开球芯表面，***自动停机；若否结束步骤。

在发生扭力陡然增大、机械卡死等故障，控制器控制第二电机驱动抛光布轮沿直径方向移开，防止了运动过程中意外发生。为确保安全，还可以配置急停手工按键。

因此，本发明的优点是：

1.能够自动完成对PE球芯的抛光，操作简单，对操作人员的操作经验和技术水平要求较低。

2.通过二自由度运动机构调节，适用于天然气PE阀门行业普遍使用的外径100mm-315mm之间的不同规格PE球芯抛光，适用性强。

3. 采用扭矩传感器来检测抛光布轮受到的抛光扭矩，来代替抛光压力的直接检测，安装操作简单方便，同时也不影响对抛光精度的控制。

4. 通过采用粉尘回收机构能对粉尘进行回收，有效改善了PE球芯抛光工艺场所的空气质量和空气环境，降低了对操作人员身体健康的威胁。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明中二自由度运动机构的一种结构示意图；

图3是本发明中球芯定位机构的一种结构示意图；

图4是本发明中圆弧导轨与导轨小车结合的一种结构示意图；

图5是本发明中抛光机构的一种结构示意图；

图6是本发明中粉尘回收机构的一种结构示意图；

图7是本发明中抛光布轮与PE球芯相接触的一种结构示意图；

图8是本发明的一种电气控制结构示意图；

图9是本发明控制方法的一种流程示意图；

图10是本发明中抛光扭距控制的一种流程示意图；

图11是本发明中故障控制的一种流程示意图。

1-支撑板 2-圆弧导轨 3-摆臂 4-第一电机 5-导轨小车 6-底座 7-滑轮8-径向导轨 9-径向丝杆 10-滑块 11-第二电机 12-第一长滑轨 13-长丝杆 14-第二长滑轨 15-第一长滑轨滑块 16-第二长滑轨滑块 17-第三电机 18-固定支架 19-卡凹 20-扣板 21-抛光电机 22-抛光布轮 23-扭矩传感器 24-支撑框架 25-立柱26-横梁 27-机座 28-PE球芯 29-导流罩 30-吸风扇 31-过滤网 32-控制器 33-触摸屏。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***，如图1所示，包括支撑框架24，在支撑框架内部设置有夹持PE球芯28的球芯旋转机构，在支撑框架上部设置有二自由度运动机构，二自由度运动机构包括做圆周运动的第一运动组件和做径向运动的第二运动组件，第二运动组件设置在第一运动组件上，第一运动组件通过球芯定位机构滑动设置在支撑框架上，在第二运动组件上还设置有抛光机构，抛光机构垂入支撑框架内，抛光机构包括抛光布轮，抛光布轮与PE球芯相接触。在抛光布轮一侧还设置有粉尘回收机构。

支撑框架用于安装个部件。球芯旋转机构夹持待抛光的PE球芯，且能够旋转PE球芯。球芯定位机构用于移动二自由度运动机构，将二自由度运动机构的转动中心定位在PE球芯的球心位置。二自由度运动机构的第二运动组件与抛光机构连接，带动抛光机构做径向移动，用于调节抛光机构的抛光布轮与PE球芯的接触距离，以控制抛光布轮对PE球芯施加恒定的径向压力。第一运动组件做圆周运动，通过第一运动组件带动抛光机构一起做圆周运动，抛光布轮贴着PE球芯的表面做圆弧运动，实现对PE球芯的抛光。本发明***能够自动完成对PE球芯的抛光，操作简单，对操作人员的操作经验和技术水平要求较低。***能够通过二自由度运动机构调节，适用于天然气PE阀门行业普遍使用的外径100mm-315mm之间的不同规格PE球芯抛光，适用性强。

支撑框架24包括四根立柱25和连接在立柱顶端之间的横梁26，构成了一个方向框架结构。球芯旋转机构设置在支撑框架内部，二自由度运动机构位于球芯旋转机构上部且通过球芯定位机构安装在两侧横梁上。

如图2所示，第一运动组件包括支撑板1和连接在支撑板上的圆弧导轨2，在支撑板上位于圆弧导轨的圆心处转动连接有摆臂3，摆臂前端连接有第一电机4驱动的导轨小车5，导轨小车滑动连接在圆弧导轨上。本实施例中圆弧导轨为半圆形，可以实现180度的转动，圆弧导轨两端连接在支撑板一侧，圆弧导轨与支撑板之间形成设置抛光机构的空间。为了使二自由度运动机构安装更稳固，在圆弧导轨外侧与支撑板之间还设置有连接板固定。如图4所示，导轨小车5包括底座6和两对滑轮7，两对滑轮呈两排布置，滑轮呈水平平放，两排的滑轮轮面相对，在滑轮中心设置有转轴，转轴固定在底座底部，安装时圆弧导轨夹置在两排滑轮之间。圆弧导轨为T形结构，对应的在滑轮的轮面上设置有卡槽，连接时圆弧导轨上部边缘卡入在滑轮的卡槽内。第一电机4安装在底座上，第一电机转轴穿过底座，在底座底部上连有驱动齿轮，在圆弧滑轨下部的侧面上设置有齿条，驱动齿轮与齿条相啮合。所述摆臂的一端固定在底座上。

第二运动组件包括径向导轨8、径向丝杆9和滑块10。径向丝杆定轴转动安装在摆臂3上，在摆臂位于支撑板的一端上设置有第一固定板，在摆臂位于导轨小车一端上设置有第二固定板，径向丝轴一端通过轴承安装在第一固定板上，径向丝轴另一端穿过第二固定板连接驱动其转动的第二电机12，径向丝轴与第二固定板也通过轴承相连接。径向导轨包括一对，分别设置在径向丝杆两侧，固定在第一固定板和第二固定板之间。滑块滑动安装在径向导轨上，在滑块底部设有螺套与径向丝杆螺纹连接，抛光机构固定在滑块上。

如图3所示，球芯定位机构包括第一长滑轨12、长丝杆13和第二长滑轨14，第一长滑轨和长丝杆分别设置在支撑框架上两侧的横梁上，在第一长滑轨上滑动连接有第一长滑轨滑块15，长丝杆定轴安装在横梁上，具体的在横梁两端分别设置第三固定板和第四固定板，长丝杆一端通过轴承连接在第三固定板上，长丝杆另一端闯过第四固定板连接驱动其转动的第三电机17，长丝杆与第四固定板通过轴承相连。第二场滑轨包括一对，分别设置在第二长滑轨两侧并固定在第三固定板和第四固定板之间，在第二长滑轨上滑动连接有第二长滑轨滑块16，在第二长滑轨滑块底部设置有螺套与长丝杆螺纹连接。二自由度运动机构的连接板两侧分别连接在第一长滑轨滑块和第二长滑轨滑块上，将二自由度运动机构架设在支撑框架上。

如图5所示，抛光机构包括固定支架18，在固定支架上部设置有卡凹19，卡凹上端设置有扣板20。在安装时，将扣板固定在滑块上，卡凹由下向上套在第二运动组件外，将扣板与卡凹相固定，使得抛光机构整体挂置在第二运动组件上并随滑块移动而移动。在固定支架内设置有抛光电机21，抛光电机转轴穿出固定支架下端连接抛光布轮22，该抛光布轮为水平设置，在抛光电机驱动下在水平面内转动。在抛光支架卡凹上朝向支撑板一侧设置有切口，该切口形状与支撑板形状相配合，在固定支架移动到第二运动组件靠支撑板部分时，切口能够套入支撑板，以防止固定支架与支撑板发生阻挡。

在抛光电机转轴上还设置有扭矩传感器，***包括控制器，扭矩传感器连接至控制器。扭矩传感器用于采集电机转轴的扭矩值，发送给控制器。由于抛光精度与抛光过程中抛光布轮施加至PE球芯的径向压力的恒定度相关，要精确控制抛光精度，需根据抛光布轮与PE球芯之间的压力来调整它们之间的距离，实际应用中，抛光布轮（软性材料）与PE球芯（硬性材料）之间接触压力传感器安装较为困难复杂，考虑到抛光扭矩和抛光压力之间存在正比例关系，抛光压力越大意味着抛光布轮与PE球芯之间压得更紧，抛光布轮受到的扭矩也越大，本方案中采用扭矩传感器来检测抛光布轮受到的抛光扭矩，来代替抛光压力的直接检测。控制器还与第一电机、第二电机、第三电机、抛光电机连接，控制这些电机工作。控制器根据扭矩传感器发送过来的扭矩值，与设定的扭力控制值进行比较，根据比较结构控制第二电机调整抛光布轮与PE球芯的距离，以将扭矩值保持在一个合适的范围内，达到径向压力的恒定度，精确控制抛光精度。

球芯旋转机构包括机座27，在机座上设置有沿水平轴转动的支撑爪，支撑爪***在PE球芯的通孔内并支撑固定。支撑爪为通过旋转进行撑开或收缩的卡爪，支撑爪整体在电机控制下能进行转动，该支撑爪设置成沿水平轴向转动，该球芯旋转机构可用采用普通车床代替，支撑爪使用普通车床的抓盘夹持PE球芯。PE球芯上设置有通孔，安装时将卡爪***通孔，通过旋转撑开支撑爪，使得支撑爪支撑在通孔内形成固定。如图7所示，抛光作业时通过旋转支撑爪来带动PE球芯绕水平轴旋转运动，而抛光布轮在第一运动组件带动下围绕PE球芯做圆周运动，旋转运动所在平面和圆周运动所在平面相互垂直。确保PE球芯每个部位都不能被抛光。

如图6所示，粉尘回收机构安装在抛光布轮22相对PE球芯的另一侧。粉尘回收机构包括导流罩29，导流罩两端开口，导流罩一端开口朝向抛光布轮并靠近PE球芯，可以将导流罩、抛光布轮、PE球芯成一排设置。导流罩另一端口上设置有吸风扇30，在导流罩内还设置有过滤网31。导流罩开口对准抛光布轮，在吸风扇的作用下，粉尘被吸入到导流罩内并粘附在过滤网上。

本实施例电器控制结构如图8所示，第一电机、第二电机、第三电机和抛光电机分别连接到控制器，受控制器控制，扭距传感器设置在抛光电机上，采集抛光电机扭距，扭距传感器与控制器连接。还包括用于进行互动操作的触摸屏33，触摸屏与控制器连接。各部件的电气参数为：

控制器：64点主机，32DI/32DO（继电器/250VAac/24Vdc/2A），带6路模拟量扩展模块；

扭距传感器：高速动态扭矩传感器，±12V，0-5Nm，输出4-20mA；

抛光电机：三相异步交流电动机，380V，750kW，50Hz，1500rpm；

第一、第二、第三电机：交流伺服电机，由伺服驱动器进行驱动，220V，400W，含速度编码器；

触摸屏：7寸人机界面，DOP-107BV。

一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光控制方法，如图9所示，包括以下步骤：

S1.球芯夹持，PE球芯夹持在球芯旋转机构上；

S2. 球芯定位，控制球芯定位机构将二自由度运动机构进行移动，直至二自由度运动机构的圆弧导轨圆心与PE球芯圆心完全重合；

球芯定位是为了给二自由度运动机构提供运动基准。通过控制转动长丝杆，将二自由度运动机构的圆弧导轨圆心移动至预先设定的直径规格位置，即先粗调将圆弧导轨圆心定位到球芯上。可以采用图像定位方法，在圆弧导轨圆心的下部设置双目摄像头，用于采集圆弧导轨圆心处下方的图像，***包括有控制器，双目摄像头连接控制器上，将拍摄的图像实时发送给控制器，微处理器根据图像定位出圆弧导轨圆心位置和球芯圆心位置，控制器控制第三电机驱动二自由度运动机构缓慢移动，直至圆弧导轨圆心与球芯圆心完全重合定位，控制器判断圆弧导轨圆心与球芯圆心完全重合，停止第三电机，发出声光提示。另外也可以采用激光扫描定位方法，圆弧导轨圆心处下部设置有激光距离传感器，激光距离传感器向下发射激光，激光距离传感器连接至控制器。通过控制球芯定位机构移动来带动激光距离传感器做水平扫描运动，在此运动期间激光距离传感器实时检测PE球芯表面与激光距离传感器之间的距离值，扫描结束后将数据发送给控制器，控制器比较距离数值得到距离值最小点，再控制第三电机移动二自由度运动机构，至激光距离传感器与PE球芯表面之间距离最小的点位，完成PE球芯的球心定位。对于抛光同一规格的PE球芯，一般只需要首次定位，后续筒规格的批量抛光不需要再次定位。

S3.参数设定，在***里预先设定第二运动组件圆周运动速度、抛光往复次数、扭力控制值；

S4.球芯抛光，

控制第一电机将抛光布轮沿圆弧导轨运动至PE球芯外缘点；

控制第二电机将抛光布轮移动至最大直径位置；

启动抛光电机控制抛光布轮转动，启动球芯旋转机构带动PE球芯旋转；

控制第二电机将抛光布轮逐步逼近PE球芯外缘点，直到扭矩传感器检测的信号达到设定的扭力控制值；

控制第一电机驱动抛光布轮做圆周往复运动；

本方案中抛光布轮沿圆弧导轨运动至PE球芯外缘点，即抛光布轮沿着PE球芯转动至与外缘点接触的位置，外缘点为设定的初始位置。最大直径位置为径向运动调节抛光布轮位置，使抛光布轮与PE球芯外援点接触的临界状态或非接触状态，最大直径位置可以根据需求设定。

在步骤S4抛光过程中，如图10所示，还包括抛光扭距控制步骤：

S401.扭距传感器实时采集抛光电机的抛光扭力信息，将信息发送给控制器；

S402.控制器将采集的扭力信息与设定的扭力控制值进行比较，判断扭力是否大于/小于扭力控制值；

S403.当判断扭力大于扭力控制值，控制第二电机增加抛光布轮与球芯表面之间的距离，返回步骤S402；

当判断扭力小于扭力控制值，控制第二电机减少抛光布轮与球芯表面之间的距离，返回步骤S402。

如图11所示，步骤S4的过程中还包括故障控制步骤：

S411.扭距传感器实时采集抛光电机的抛光扭距信息，将信息发送给控制器；

S412.预先设定扭力陡然增大故障的时间限值t和第一扭力阈值N1，以及机械卡死故障的第二扭力阈值N2；

S413.控制器将采集的当前扭力信息与设定的扭力控制值进行比较，判断扭力是否大于扭力控制值，若是进入如下一步骤，若否结束步骤；

S414.判断当前扭力与t时刻前扭力的差值是否大于第一扭力阈值N1，若是判断扭力陡然增大，控制第二电机将抛光布轮移开球芯表面，***自动停机；若否结束步骤；

判断当前扭力是否大于第二扭力阈值N2，若是判断机械卡死故障，控制第二电机将抛光布轮移开球芯表面，***自动停机；若否结束步骤。

扭距传感器实时采集抛光电机的抛光扭距信息，将信息发送给控制器；控制器将采集的扭距信息与设定的扭力控制值进行比较，根据比较结果控制第二电机驱动抛光布轮运动，即扭力变大时增加抛光布轮与球芯表面之间的距离以降低抛光扭距，当扭力变小时减少抛光布轮与球芯表面之间的距离以增大抛光压力。使得检测到的扭距保持在适当的范围内，确保扭距恒定控制。如扭力陡然增大、机械卡死等故障，控制器控制第二电机驱动抛光布轮沿直径方向移开。另外为了确保安全，还设置有急停按钮，急停按钮与控制器连接。

S5.退出复位，完成预设抛光往复次数后，控制第二电机将抛光布轮移动至最大直径位置，抛光电机停止工作，等待下一次抛光加工控制命令。本发明需要更换PE球芯位置以对PE球芯两个半面分别进行抛光加工。***复位后，更换PE球芯，再重复执行步骤S4和S5进行下一次抛光加工。对于同一规格的PE球芯可以不用重复进行球芯定位。

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支撑板、圆弧导轨、摆臂、第一电机等术语，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)

1.一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***，其特征在于：包括，

支撑框架（24），支撑框架内部设置有夹持PE球芯（28）的球芯旋转机构，支撑框架上部设置有二自由度运动机构；

二自由度运动机构，包括做圆周运动的第一运动组件和设置在第一运动组件上做径向运动的第二运动组件，第一运动组件通过球芯定位机构滑动设置在支撑框架上；

抛光机构，设置在第二运动组件上，抛光机构包括抛光布轮（22），抛光布轮沿PE球芯表面做圆弧运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***，其特征是所述支撑框架（24）包括若干立柱（25）和连接在立柱顶端之间的横梁（26），球芯旋转机构设置在支撑框架内，二自由度运动机构位于球芯旋转机构上部且通过球芯定位机构安装在横梁上；球芯旋转机构包括机座（27），在机座上设置有沿水平轴转动的支撑爪，支撑爪***在PE球芯的通孔内并支撑固定。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***，其特征是所述第一运动组件包括支撑板（1）和连接在支撑板上的圆弧导轨（2），在支撑板上位于圆弧导轨的圆心处转动连接有摆臂（3），摆臂前端连接有第一电机（4）驱动的导轨小车（5），导轨小车滑动连接在圆弧导轨上，所述导轨小车（5）包括底座（6）和至少一对滑轮（7），所述滑轮轮面相对设置，在滑轮中心设置有转轴，转轴固定在底座底部，所述圆弧导轨夹持在一对滑轮之间，第一电机设置在底座上，在底座底部设置有与第一电机联动相连的驱动齿轮，在所述圆弧导轨侧面上设置有齿条，驱动齿轮与齿条相啮合。

4.根据权利要求3所述的一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***，其特征是第二运动组件包括径向导轨（8）、径向丝杆（9）和滑块（10），所述径向丝杆定轴转动安装在摆臂（3）上，径向丝杆一端连接驱动其转动的第二电机（12），径向导轨包括一对，分别设置在径向丝杆两侧，所述滑块滑动安装在径向导轨上，在滑块底部设有螺套与径向丝杆螺纹连接，抛光机构固定在滑块上。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***，其特征是球芯定位机构包括第一长滑轨（12）、长丝杆（13）和第二长滑轨（14），第一长滑轨和长丝杆分别设置在支撑框架上两侧，在第一长滑轨上滑动连接有第一长滑轨滑块（15），长丝杆定轴安装在支撑框架上，长丝杆一端连接驱动其转动的第三电机（17），所述第二场滑轨包括一对，分别设置在第二长滑轨两侧，在第二长滑轨上滑动连接有第二长滑轨滑块（16），在第二长滑轨滑块底部设置有螺套与长丝杆螺纹连接，二自由度运动机构安装在第一长滑轨滑块和第二长滑轨滑块上。

6.根据权利要求4所述的一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***，其特征是所述抛光机构包括固定支架（18），在固定支架上部设置有卡凹（19），卡凹上端设置有扣板（20），所述卡凹由下向上套在第二运动组件外，扣板固定在滑块（10）上，在固定支架内设置有抛光电机（21），抛光电机转轴穿出固定支架下端与所述抛光布轮（22）连接，在抛光电机转轴上还设置有扭矩传感器，***包括控制器，扭矩传感器连接至控制器。

7.根据权利要求1所述的一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光***，其特征是还包括粉尘回收机构， 粉尘回收机构安装在抛光布轮（22）相对PE球芯的另一侧，粉尘回收机构包括导流罩（29），导流罩两端开口，导流罩一端开口朝向抛光布轮，导流罩另一端口上设置有吸风扇（30），在导流罩内还设置有过滤网（31）。

8.一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光控制方法，采用权利要求书1-7任一项中的***，其特征是包括以下步骤：

S1.球芯夹持，PE球芯夹持在球芯旋转机构上；

S2. 球芯定位，控制球芯定位机构将二自由度运动机构进行移动，直至二自由度运动机构的圆弧导轨圆心与PE球芯圆心完全重合；

S3.参数设定，在***里预先设定第二运动组件圆周运动速度、抛光往复次数、扭力控制值；

S4.球芯抛光，控制第一电机将抛光布轮沿圆弧导轨运动至PE球芯外缘点；控制第二电机将抛光布轮移动至最大直径位置；启动抛光电机控制抛光布轮转动，启动球芯旋转机构带动PE球芯旋转；控制第二电机将抛光布轮逐步逼近PE球芯外缘点，直到扭矩传感器检测的信号达到设定的扭力控制值；控制第一电机驱动抛光布轮做圆周往复运动；

S5.退出复位，完成预设抛光往复次数后，控制第二电机将抛光布轮移动至最大直径位置，抛光电机停止工作，等待下一次抛光加工控制命令。

9.根据权利要求8所述的一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光控制方法，其特征是在步骤S4的过程中还包括抛光扭距控制步骤：

S401.扭距传感器实时采集抛光电机的抛光扭力信息，将信息发送给控制器；

S402.控制器将采集的扭力信息与设定的扭力控制值进行比较，判断扭力是否大于/小于扭力控制值；

S403.当判断扭力大于扭力控制值，控制第二电机增加抛光布轮与球芯表面之间的距离，返回步骤S402；

当判断扭力小于扭力控制值，控制第二电机减少抛光布轮与球芯表面之间的距离，返回步骤S402。

10.根据权利要求9所述的一种基于扭矩控制的PE球芯自动抛光控制方法，其特征是步骤S4的过程中还包括故障控制步骤：

S411.扭距传感器实时采集抛光电机的抛光扭距信息，将信息发送给控制器；

S412.预先设定扭力陡然增大故障的时间限值t和第一扭力阈值N1，以及机械卡死故障的第二扭力阈值N2；

S413.控制器将采集的当前扭力信息与设定的扭力控制值进行比较，判断扭力是否大于扭力控制值，若是进入如下一步骤，若否结束步骤；

S414.判断当前扭力与t时刻前扭力的差值是否大于第一扭力阈值N1，若是判断扭力陡然增大，控制第二电机将抛光布轮移开球芯表面，***自动停机；若否结束步骤；

判断当前扭力是否大于第二扭力阈值N2，若是判断机械卡死故障，控制第二电机将抛光布轮移开球芯表面，***自动停机；若否结束步骤。

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