一种机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备及方法技术

本发明专利技术公开一种机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备及方法，其打磨工具模块安装于机器人模块末端，工作台模块安装于机器人模块中机器人末端可及的工作半径范围内，工件及夹具模块安装于工作台模块上；控制计算机接收打磨力采集模块的力信号进行处理后输出控制指令至机器人模块实现对工件及夹具模块中工件的恒力打磨；工件及夹具模块中的夹具通过气动装置模块实现对工件的装夹；气动装置模块也连接于打磨工具模块，用于打磨轮的装夹。本发明专利技术可实现叶片类复杂曲面工件的微小半径圆弧的圆角加工，圆弧半径大小和表面质量可控，效率高的同时还可以保证加工后圆角形貌的稳定性和一致性，为叶片叶尖微小半径圆弧圆角的自动化加工提供了良好解决方案。化加工提供了良好解决方案。化加工提供了良好解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备及方法


[0001]本专利技术涉及工业机器人自动加工应用
，具体为一种机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备及方法。
技术背景
[0002]叶片是航空发动机的核心部件，因其在工作环境非常恶劣，在加工制造中要保证叶片具有很高的型面精度和优良的表面质量。叶尖是位于叶片顶端较为尖锐的部位，由于该部位的面积较小、且轮廓曲线为复杂曲线，加工难度较大，尤其对于叶尖微小半径圆弧的圆角加工难点更大。对于工件的圆角加工，大批量的生产类型主要采用专用机床，但航空叶片生成类型属于小批量、多品种生成，不宜采用专用机床。对于多品种、小批量的生产类型，为了提高加工质量与一致性，通常采用数控机床加工。数控机床对于微小半径圆弧的圆角加工，需要采用圆角成形固结磨头刚性接触打磨加工。但航空叶片多为塑性较高的钛合金或者高温合金材质，采用固结磨头加工时加工精度、效率及表面损伤等方面仍存在较多问题，且加工成本较高，对于航空叶片叶尖圆角加工也不适用。现在的加工方法仍然以人工打磨为主，加工质量和效率较低，圆角大小一致性较差。所以建立新型的叶尖圆角打磨装备及方法在叶片加工领域具有重要的应用价值。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中，数控机床等成型刚性磨具不适应多品种、小批量的工件圆角进行磨削的问题，提出一种机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备及方法，通过机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角，获得符合加工质量要求的叶片叶尖微小半径圆弧的圆角，提高加工精度和效率。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0005]本专利技术提供一种机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备，包括机器人模块、打磨工具模块、工件及夹具模块、工作台模块、打磨力采集模块、控制计算机以及气动装置模块，其中，打磨工具模块安装于机器人模块末端，工作台模块安装于机器人模块中机器人末端可及的工作半径范围内，工件及夹具模块安装于工作台模块上；控制计算机接收打磨力采集模块的力信号进行处理后输出控制指令至机器人模块，实时带动打磨工具模块运动调整打磨力大小，实现对工件及夹具模块中工件的恒力打磨；工件及夹具模块中的夹具通过气动装置模块实现对工件的装夹；气动装置模块也连接于打磨工具模块，用于打磨轮的装夹。
[0006]打磨工具模块包括打磨轮，通过气动夹头连接在主轴上，该主轴通过后端的电动马达驱动，并通过主轴固定夹具安装在第二法兰盘上，第二法兰盘与打磨力采集模块中的力传感器连接，力传感器的另一端通过第一法兰盘安装在机器人模块的机器人末端，力传感器的输出信号线经打磨力采集模块中的电荷放大器及采集卡接至控制计算机。
[0007]所述打磨工具为弹性打磨轮，采用片层基体外延圆周叠加成型结构，各片层基体
表面涂附磨粒。
[0008]还包括标定工具，具有安装套和设于安装套一侧的三个定位杆，安装套套装在主轴固定夹具上，三个定位杆轴线相互平行，且垂直于定位杆轴线的切面上三个定位杆的点的连线形成直角三角形；定位杆下端的三个定位点分别用于确定初始点、X轴正方向一点以及Y轴负方向一点。
[0009]本专利技术还提供一种机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的方法，包括以下步骤：
[0010]1)进行机器人模块中打磨工具的工具坐标系、工作台模块中工件坐标系、力传感器坐标系标定，将三个坐标系相对于机器人模块的基座标进行变换，完成装备系统的坐标统一；
[0011]2)将叶片的三维模型导入轨迹生成软件，选取叶片叶尖顶面，提取叶尖直角顶点轮廓曲线，设定进给方向。根据曲线曲率变化大小设定步长，并沿进给方向进行离散，得到多个离散点；
[0012]3)读取每个离散点坐标位置，设定该离散点与顶面呈设定夹角大小方向为法线方向，结合进给设定方向，依据右手坐标定则，生成并读取全部离散点的位置坐标与姿态角度，生成全部离散点轨迹坐标(包括位置和姿态)；
[0013]4)按照进给设定方向，采用样条差值法，将离散点进给方向位置点的离散型值点数据转换为连续型数据，进行加工轨迹进给方向的光顺处理；
[0014]5)采用轨迹行间调整，调整工具坐标系偏转角度的位姿控制方式实现圆角对中和减小对叶盆、叶背打磨时的干涉；
[0015]6)将光顺和偏移处理后的加工轨迹自动生成机器人可识别的轨迹代码程序并加入前置引导代码，将生成好的轨迹代码程序导入机器人控制器中；
[0016]7)设定切入、切出方式，切入切出方向采用叶尖直角顶点轮廓曲线切线方向进行切入切出，初始点为工具坐标系X轴负方向设定距离为切入点，结束点为工具坐标系X轴正方向设定距离为切出点。
[0017]8)设定工艺参数，对叶片直角进行打磨加工，根据打磨后的形貌和圆角尺寸等检测结果对工艺参数和加工轨迹进行调整优化；
[0018]9)选择优化后的打磨力、打磨转速、进给速度、粒度、工具坐标偏转角度等组合工艺参数对叶尖直角进行打磨，将叶尖直角加工为微小半径圆弧的圆角；
[0019]10)将加工后的叶尖圆角形貌进行扫描测量，测量圆角半径大小是否符合加工质量要求。
[0020]步骤1)中打磨工具坐标系标定和工件坐标系标定包括：
[0021]101)打磨工具坐标系标定分别通过四点法和ABC两点法进行坐标系原点和方向的确定；采用ABC两点法进行标定时，利用标定工具，将三个定位点分别用于确定初始点、X轴正方向一点以及Y负方向一点，以此完成工具坐标系的建立；
[0022]102)工件坐标系采用间接法进行测量，选择工作台上的四个定位点，并将这些定位点的坐标值输入机器人控制器解算形成工件坐标系。
[0023]步骤5)中，打磨轮轴线绕工具坐标系Y轴偏转15度，工具坐标系Z轴与叶尖顶面形成45度夹角，实现圆角对中和减小对叶盆、叶背打磨干涉。
[0024]在步骤5～步骤6)之间还包括：根据弹性打磨轮直径以及在打磨过程中弹性打磨
轮在沿着工具坐标系X正方向做进给运动的同时，也沿着工具坐标系Z负方向进行偏移，偏移距离为打磨轮轴向长度的80％距离，使打磨加工线呈螺旋型，增大打磨轮与工件之间的接触长度。
[0025]步骤7)中，采用设定距离切入、切出的进给方式，选定打磨加工的进给方向及法线方向，分别为沿叶尖直角轮廓线切线方向为进给方向、弹性打磨轮轴线方向为法线方向。
[0026]步骤8)中的对工艺参数和加工轨迹进行调整优化包括：
[0027]801)工艺参数的调整优化，包括打磨力、打磨转速、进给速度、磨料种类、粒度、工具坐标偏转角度，根据圆角半径大小的反馈，选用不同工艺参数组合进行打磨加工，确定优化工艺参数组合；
[0028]802)加工轨迹的调整优化，调整打磨轮的偏转角度，增大打磨轮轴线沿工具坐标系的Y轴偏转角度以减少打磨过程中对叶盆叶背的干涉。
[0029]本专利技术具有以下有益效果及优点：
[0030]1.本专利技术所提出自动化加工方案能够代替人工手工进行打磨作业，能够降低劳动强度以及打磨加工成本，提高圆角的圆弧半径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备，其特征在于：包括机器人模块(1)、打磨工具模块(2)、工件及夹具模块(3)、工作台模块(4)、打磨力采集模块、控制计算机(5)以及气动装置模块(6)，其中，打磨工具模块(2)安装于机器人模块(1)末端，工作台模块(4)安装于机器人模块(1)中机器人末端可及的工作半径范围内，工件及夹具模块(3)安装于工作台模块(4)上；控制计算机(5)接收打磨力采集模块的力信号进行处理后输出控制指令至机器人模块(1)，实时带动打磨工具模块(2)运动调整打磨力大小，实现对工件及夹具模块(3)中工件的恒力打磨；工件及夹具模块(3)中的夹具通过气动装置模块(6)实现对工件的装夹；气动装置模块(6)也连接于打磨工具模块(2)，用于打磨轮(25)的装夹。2.根据权利要求1所述的机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备，其特征在于：打磨工具模块(2)包括打磨轮(25)，通过气动夹头(24)连接在主轴(23)上，该主轴(23)通过后端的电动马达(21)驱动，并通过主轴固定夹具(22)安装在第二法兰盘(28)上，第二法兰盘(28)与打磨力采集模块中的力传感器(26)连接，力传感器(26)的另一端通过第一法兰盘(27)安装在机器人模块(1)的机器人末端，力传感器(26)的输出信号线经打磨力采集模块中的电荷放大器及采集卡接至控制计算机(5)。3.根据权利要求2所述的机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备，其特征在于：所述打磨工具(25)为弹性打磨轮，采用片层基体外延圆周叠加成型结构，各片层基体表面涂附磨粒。4.根据权利要求2所述的机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的装备，其特征在于：还包括标定工具，具有安装套和设于安装套一侧的三个定位杆，安装套套装在主轴固定夹具上，三个定位杆轴线相互平行，且垂直于定位杆轴线的切面上三个定位杆的点的连线形成直角三角形；定位杆下端的三个定位点分别用于确定初始点、X轴正方向一点以及Y轴负方向一点。5.一种机器人自动打磨加工叶片叶尖圆角的方法，包括以下步骤：1)进行机器人模块中打磨工具的工具坐标系、工作台模块中工件坐标系、力传感器坐标系标定，将三个坐标系相对于机器人模块的基坐标进行变换，完成装备系统的坐标统一；2)将叶片的三维模型导入轨迹生成软件，选取叶片叶尖顶面，提取叶尖直角顶点轮廓曲线，设定进给方向；根据曲线曲率变化大小设定步长，并沿进给方向进行离散，得到多个离散点；3)读取每个离散点坐标位置，设定该离散点与顶面呈设定夹角大小方向为法线方向，结合进给设定方向，依据右手坐标定则，生成并读取全部离散点的位置坐标与姿态角度，生成全部离散点轨迹坐标；4)按照进给设定方向，采用样条差值法，将离散点进给方向位置点的离散型值点数据转换为连续型数据，进行加工轨迹进给方向的光顺处理；5)采用轨迹行间调整，...

【专利技术属性】
技术研发人员：田凤杰，齐子建，王林海，许泽，齐熙展，
申请(专利权)人：沈阳理工大学，
类型：发明
国别省市：