可在線更換磨削輪的砂帶磨削機(jī)床的研制

李成群 付永領(lǐng) 贠 超 張習(xí)加 孫云權(quán)

(①北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所，北京100083;②河北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山063000;③廊坊智通機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，河北廊坊065001)

砂帶磨削是根據(jù)工件形狀，用相應(yīng)的接觸方式及高速運(yùn)動(dòng)的砂帶對(duì)工件表面進(jìn)行磨削和拋光的一種新工藝，并有“萬(wàn)能磨削”之稱，它不僅能加工其它加工方法難以加工或不能加工的材料，而且還能加工復(fù)雜幾何形狀工件(如航空葉片、汽輪機(jī)葉片、高檔水龍頭等)［1～3］。近年來(lái)，機(jī)器人磨削加工引起了人們的關(guān)注，需要與之配套的砂帶磨削機(jī)床，因此研制了可在線更換磨削輪的砂帶磨削機(jī)床(以下簡(jiǎn)稱砂帶磨削機(jī)床)，以適應(yīng)機(jī)器人自動(dòng)磨削加工過(guò)程中，對(duì)不同直徑磨削輪的需求。

1 砂帶磨削機(jī)床的結(jié)構(gòu)原理

砂帶磨削機(jī)床由磨削輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)、調(diào)偏機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)輪和變頻電動(dòng)機(jī)等組成。磨削機(jī)器人的控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與砂帶磨削機(jī)床的控制器通訊。根據(jù)工件磨削工藝的要求，磨削機(jī)器人的控制器通過(guò)砂帶磨削機(jī)床的控制器改變磨削方式和磨削參數(shù)。砂帶磨削機(jī)床的控制器控制步進(jìn)或伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)磨削輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，可改變兩個(gè)磨削輪的位置，實(shí)現(xiàn)多種磨削形式的磨削。張緊機(jī)構(gòu)由氣缸推動(dòng)安裝張緊輪的擺桿，以適應(yīng)磨削輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中由于磨削輪位置的改變而導(dǎo)致的張緊輪位置的改變。砂帶磨削機(jī)床的控制器控制變頻器改變變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，直接帶動(dòng)張緊輪驅(qū)動(dòng)砂帶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行磨削加工。

2 砂帶磨削機(jī)床的磨削方式

砂帶磨削機(jī)床磨削輪的位置由磨削輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)控制，電動(dòng)機(jī)(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī))驅(qū)動(dòng)磨削輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到指定磨削輪的位置，可實(shí)現(xiàn)磨削輪式磨削加工、自由式砂帶磨削加工和壓磨板式磨削加工。因此，磨削輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)砂帶與工件之間的幾種基本接觸形式的磨削加工，并且根據(jù)磨削工藝要求，可在線改變砂帶與工件之間的接觸形式。從而最大限度滿足機(jī)器人砂帶磨削加工對(duì)接觸方式的要求。

(1)磨削輪式磨削加工:當(dāng)工件與磨削輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的磨削輪接觸進(jìn)行磨削時(shí)，可實(shí)現(xiàn)磨削輪式磨削方式，如圖3所示。根據(jù)磨削工藝要求，安裝不同直徑的磨削輪。若在磨削輪軸的位置增加自動(dòng)卡具，也可以在線更換磨削輪，實(shí)現(xiàn)多工位磨削輪式磨削加工。

(2)壓磨板式磨削加工:在兩個(gè)磨削輪之間安裝壓磨板，當(dāng)磨削輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，使砂帶在壓磨板上滑動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)壓磨板式磨削加工，如圖4所示。

(3)自由接觸式磨削加工:當(dāng)磨削輪轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，砂帶位于兩個(gè)磨削輪上時(shí)，工件直接與柔性的砂帶接觸，中間不用任何物體支撐砂帶，可實(shí)現(xiàn)自由接觸式磨削加工，如圖5所示。

3 磨削力控制結(jié)構(gòu)原理

砂帶磨削機(jī)床的砂帶磨削機(jī)構(gòu)安裝在變自由度平行四邊形鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)上，如圖2所示。當(dāng)機(jī)器人抓持工件與磨削輪未接觸或磨削力小于設(shè)定的最大磨削力時(shí)，變自由度平行四邊形鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)與機(jī)架限位擋塊接觸，機(jī)構(gòu)自由度為零，機(jī)構(gòu)不動(dòng);當(dāng)工件與磨削輪作用的磨削力大于設(shè)定的最大磨削力時(shí)，變自由度平行四邊形鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)與機(jī)架限位擋塊脫開(kāi)，機(jī)構(gòu)自由度為1，磨削力作為主動(dòng)力推動(dòng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，并與氣動(dòng)比例閥控制氣缸輸出力平衡，組成磨削力控制系統(tǒng)。選用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)可以減小摩擦力對(duì)磨削力補(bǔ)償?shù)挠绊懀岣吣ハ髁刂频木?。砂帶磨削機(jī)床的控制器中PLC的D/A模塊輸出0～10 V的電壓根據(jù)機(jī)器人控制器的指令控制氣動(dòng)比例閥。氣動(dòng)比例閥控制氣缸來(lái)設(shè)置砂帶磨削機(jī)床的最大磨削力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文討論了在線更換磨削輪的砂帶磨削機(jī)床的結(jié)構(gòu)原理、磨削方式和磨削力控制的結(jié)構(gòu)原理。該砂帶磨削機(jī)床已應(yīng)用于機(jī)器人磨削系統(tǒng)中，并已在國(guó)內(nèi)外幾家生產(chǎn)飛機(jī)葉片和高檔水龍頭廠家應(yīng)用了兩年多。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高。

1 朱凱旋，陳延君，黃云等.葉片形面砂帶磨削技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.航空制造技術(shù)，2007(2):102 ～104

2 黃云，朱派龍.砂帶磨削原理及其應(yīng)用［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1993:110-111

3 Yunquan Sun.，2004，Developmentof a Comprehensive Grinding Process［D］，PhD Thesis，The University of Connecticut，Connecticut，USA

4 李成群.機(jī)器人磨拋機(jī)床的機(jī)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)研究［D］.北京:北京航空航天大學(xué)，2008.