一种复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统和打磨方法

1.本发明涉及复杂曲面打磨技术领域，具体涉及一种复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统和打磨方法。


背景技术：

2.随着工业设计的进步，越来越多具有复杂曲面特征的设计出现在各类制造产业中，此类零件的形状和结构较为复杂，通常具有薄壁、曲率变化大等特点，其严格的制造精度要求和加工难度给当前的多轴数控加工技术带来了严峻挑战，尽管数控加工的技术相对成熟，但在加工后仍然不能消除加工表面刀路凹痕以及加工表面硬化问题。因此，砂带磨抛技术逐渐成为了研究重点，因砂带本身具有弹性以和稳定的磨削速度，加之接触轮的柔性接触，所以砂带磨削可进行高稳定性的磨削加工，并获得更好的加工质量。不同复杂曲面产品都需要保证其尺寸精度及表面质量达到加工要求，现有技术在生产制造过程中面临着柔顺性差、定位精度差以及磨抛接触面自适应差等问题，因此需要对加工设备进行改进，设计并制造出一种具有较高柔顺性、能自动纠正由定位误差等所带来的磨抛接触面不充分的问题、具有自适应调节加工稳定性的磨抛装备。


技术实现要素：

3.本发明针对以上问题，提供了一种复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统和打磨方法，能解决砂带与工件表面角度补偿问题，能够实现复杂曲面的高柔性磨削加工和接触力自适应调节，用以取代现行的砂带机。
4.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。
5.一种复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统，包括接触轮导向机构、接触轮安装调节机构、张紧力感知机构、张紧力调节机构、驱动电机和机架；所述接触轮导向机构与接触轮安装调节机构连接，所述接触轮安装调节机构固定在所述机架上，所述张紧力感知机构与所述机架连接，所述张紧力调节机构与所述机架连接，所述电机与所述机架连接，并驱动砂带转动。
6.所述的接触轮导向机构包括接触轮、导向块ⅰ、导向块ⅱ、力传感器ⅰ、力传感器ⅱ、气缸ⅰ和气缸ⅱ，所述的接触轮安装在导向块ⅰ和导向块ⅱ之间，可以分别进行角度调节；所述导向块ⅰ和导向块ⅱ分别与力传感器ⅰ和力传感器ⅱ通过螺栓固接，力传感器ⅰ和力传感器ⅱ再分别与气缸ⅰ和气缸ⅱ固接，通过感知力传感器ⅰ和力传感器ⅱ的力及比例调节阀分别控制气缸ⅰ和气缸ⅱ的伸缩量，进而控制导向块ⅰ和导向块ⅱ的相对位置，最终实现接触轮角度的调节。
7.所述接触轮安装调节机构包括丝杠导轨、直线导轨、两个滑块、锁紧螺栓、手轮和固定块，所述两个滑块均在所述丝杠导轨和直线导轨上，所述手轮与所述丝杠导轨连接，可转动手轮调节两个滑块的间距，所述锁紧螺栓与所述滑块和直线导轨配合，起到锁紧滑块的作用，所述丝杠导轨和直线导轨均固接在固定块上，所述固定块通过连接杆固定在机架
上。
8.所述张紧力感知机构包括张紧力感知轮、力传感器ⅲ、支架ⅰ和固定架ⅰ，所述张紧力感知轮安装在所述支架内，所述力传感器ⅲ安装在支架下方，所述力传感器ⅲ安装在所述固定架上，通过设计轮系位置关系，使得张紧力感知轮受到竖直向下的力。
9.所述张紧力调节机构包括张紧力调节轮、气缸ⅲ、液压缸、支架ⅱ、连接块和固定架ⅱ，所述张紧力调节轮安装在所述支架ⅱ内，所述气缸安装在所述支架ⅱ下，所述液压缸和气缸ⅲ通过连接块固接，所述液压缸安装在所述固定架ⅱ上；可通过拧动液压缸外部螺栓实现张紧力调节轮大行程移动，方便砂带的拆卸和更换；气缸ⅲ受plc模块控制，经比例调节阀实现调节张紧力的作用。
10.利用所述打磨系统进行的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨方法，该方法是在打磨过程中进行接触力控制和张紧力控制，具体为：
11.先在上位机上预设接触力和张紧力，接触力控制是利用力传感器ⅰ和力传感器ⅱ采集接触轮左右两侧接触力，通过plc模块进行信号处理后控制气缸ⅰ和气缸ⅱ上的气动比例调节阀，以控制相应气缸ⅰ和气缸ⅱ伸缩运动，保证接触轮两端接触力平衡且都保持在预设接触力值；张紧力控制是利用张紧力感知机构中力传感器ⅲ采集砂带对张紧力感知轮竖直向下的力，再根据几何关系对张紧力进行受力分析，并通过计算机程序计算出张紧力，由plc模块信号处理后控制气缸ⅲ上气压比例调节阀，以控制气缸ⅲ伸缩运动带动张紧力调节轮上下移动，达到砂带预设张紧力。
12.本发明的设计机理及有益效果如下：
13.本发明提供一种复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统和打磨方法，能够实现对接触轮与加工表面进行角度调整和打磨过程中张紧力的实时控制。该系统包括接触轮导向机构、接触轮安装调节机构、张紧力感知机构、张紧力调节机构、电机、机架、导向轮、驱动轮、气动装置、plc模块和上位机。电机安装在机架上，电机轴带动驱动轮转动，砂带在摩擦力的作用下牵动整个轮系。接触轮导向机构通过力传感器采集接触轮两边力信息，分析砂带与加工表面的贴合情况，气动装置控制气缸调节接触轮与加工表面夹角，保证砂带与加工表面紧密贴合。接触轮安装调节机构依靠滑块在丝杠上移动，在直线导轨上锁紧，使得安装接触轮的两边机构可以任意调节，从而可以便捷更换安装接触轮。张紧力的调节需要张紧力感知机构和张紧力调节机构协同工作，张紧力感知机构通过力传感器采集砂带施加给张紧力感知轮的张紧力，再通过plc模块和气动装置控制调节张紧力调节机构中的气缸，来调节砂带的张紧力。采用上述机构和控制过程，可以实现高柔顺性复杂曲面打磨，能自动纠正由定位误差，相比于现有的打磨系统，本发明提出的机构和方法解决了复杂曲面打磨过程接触面不充分难题，提高加工型面质量稳定性和一致性，提高了加工效率，保证了加工质量和系统的正常运行，较好地解决了复杂曲面自适应调节加工的问题。
附图说明
14.图1为本发明提供的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统总体结构示意图；
15.图2为本发明提供的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统的接触轮导向机构的示意图；
16.图3为本发明提供的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统的接触轮导向机构中导
向块的示意图；
17.图4为本发明提供的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统的接触轮安装调节机构的正视示意图；
18.图5为本发明提供的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统的接触轮安装调节机构的侧视示意图；
19.图6为本发明提供的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统的张紧力感知机构的示意图；
20.图7为本发明提供的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统的张紧力调节机构的示意图；
21.图8为本发明提供的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统的接触轮导向控制系统方框图。
22.图中：1-电机、2-机架、3-驱动轮、4-导向轮、5-气动比例调节阀、10-接触轮导向机构、101-接触轮、102-导向块ⅰ、103-导向块ⅱ、104-力传感器ⅰ、105-力传感器ⅱ、106-气缸ⅰ、107-气缸ⅱ、111-接触轮支架、112-底板、113-转动销、114-盖板、20-接触轮安装调节机构、201-丝杠导轨、202-直线导轨、203-滑块、204-连接杆ⅲ、205-锁紧螺栓、206-手轮、207-固定块、208-连接杆ⅰ、209-连接杆ⅱ、30-张紧力感知机构、301-张紧力感知轮、302-支架ⅰ、303-力传感器ⅲ、304-连接块、305-固定架ⅰ、40-张紧力调节机构、401-张紧力调节轮、402-支架ⅱ、403-上连接块、404-气缸ⅲ、405-中连接块、406-液压缸、407-下连接块、408-固定架ⅱ。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明作进一步详细说明，并给出具体实施方式。在本发明的描述中，需要理解的是方位词如“上”、“下”和“顶”、“底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述本发明的简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位结构和操作，因此不能理解未对发明新型保护范围的限制；
24.本发明提供了一种复杂曲面自适应包覆性砂带打磨机，该打磨机继承了现有打磨机的砂带打磨方式，通过复杂曲面打磨过程中接触轮角度的自适应调节，实现了复杂曲面的包覆性磨抛。
25.本发明提供的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统的总体示意图如图1所示，包括电机1、机架2、驱动轮3、导向轮4、气动比例调节阀5、plc模块、上位机、接触轮导向机构10、接触轮安装调节机构20、张紧力感知机构30和张紧力调节机构40。电机1固定在机架上，电机1与驱动轮3连接并驱动整个轮系转动，所述轮系包括驱动轮3、导向轮4、接触轮、张紧力调节轮和张紧力感知轮，砂带绕设于驱动轮3、导向轮4、接触轮、张紧力调节轮和张紧力感知轮上；接触轮导向机构10与接触轮安装调节机构20连接，组成打磨模块；张紧力感知机构30、驱动轮3和导向轮4以一定位置关系固定安装在机架2上，并通过力传感器对砂带张紧力进行精确测量；张紧力调节机构40固定在机架上，通过气动比例调节阀5控制气缸的伸缩来实现张紧力的调节。
26.如图2所示，所述接触轮导向机构10包括接触轮101、导向块102ⅰ、导向块ⅱ103、力
传感器ⅰ104、力传感器ⅱ105、气缸ⅰ106、气缸ⅱ107。接触轮101安装在导向块ⅰ102和导向块ⅱ103之间，力传感器ⅰ104的一端通过螺栓连接导向块ⅰ102，力传感器ⅰ104的另一端与气缸ⅰ106通过螺栓固接；同样地，力传感器ⅱ105的一端通过螺栓连接导向块ⅱ103，力传感器ⅱ105的另一端与气缸ⅱ107通过螺栓固接。所述力传感器ⅰ104和力传感器ⅱ105与plc模块连接，输出接触轮101的接触力信息，气缸ⅰ106和气缸ⅱ107外接气动比例调节阀5，plc模块控制气动比例调节阀5，从而达到控制气缸ⅰ106和气缸ⅱ107伸缩的目的。为了实现接触轮角度的自适应调节，对导向块的结构进行如图3所示的优化设计，具体为：所述导向块102包括接触轮支架111、底板112、转动销113和盖板114，其中：接触轮支架与转动销配合安装，转动销的两端安装在底板112和盖板114之间的孔中，底板112与盖板114通过螺栓固定。
27.如图4-5所示，所述接触轮安装调节机构20包括丝杠导轨201、直线导轨202、两个滑块203、锁紧螺栓205、手轮206、固定块207、连接杆ⅰ208、连接杆ⅱ209、连接杆ⅲ204；其中：丝杠导轨201两端通过轴承安装在固定块207上，丝杠导轨201一端伸出一段与手轮206固接，直线导轨202通过螺栓安装在固定块207内，两个滑块203以相同方式左右安装在丝杠导轨201和直线导轨202上，锁紧螺栓205与滑块203螺纹连接，并可压紧直线导轨以锁紧滑块，通过手轮206转动，通过螺纹传动调整两个滑块203的间距，可以方便更换所述的接触轮101，也为不同大小的接触力提供了安装的可调性。固定块207通过螺栓夹紧在连接杆ⅰ208上，可以绕连接杆ⅰ208调节角度，连接杆ⅰ208两端通过螺栓固接在连接杆ⅱ209内，连接杆ⅱ209上开有长孔，与连接杆ⅲ204通过螺栓连接，调整螺栓连接位置可实现连接杆伸缩，连接杆ⅲ204固定在机架上。
28.如图6所示，所述张紧力感知机构30包括张紧力感知轮301、支架ⅰ302、力传感器ⅲ303、连接块304、固定架ⅰ305；其中：张紧力感知轮301通过轴承安装在支架ⅰ302内，力传感器ⅲ303安装在支架ⅰ302和连接块304之间，且位于张紧力感知轮301正下方，连接块304与固定架ⅰ305通过螺栓固接，固定架ⅰ305固定在机架上。。
29.如图7所示，所述张紧力调节轮机构40包括张紧力调节轮401、支架ⅱ402、上连接块403、气缸ⅲ404、中连接块405、液压缸406、下连接块407、固定架ⅱ408；其中：张紧力调节轮401通过轴承安装在支架402内，上连接块403与支架ⅱ402通过螺栓固接，气缸ⅲ404安装在上连接块403和中连接块405之间，液压缸406安装在中连接块405与下连接块407之间，下连接块407通过螺栓固定在固定架ⅱ408上，固定架ⅱ408安装在机架上。
30.图8为本发明提供的一种复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统的接触轮导向控制系统方框图，在工作过程中，首先通过上位机设定接触力大小，当接触轮101两端任意一端接触力未达到预设接触力大小时，相应端的力传感器ⅰ104和力传感器ⅱ105会将测量到的接触力反馈到上位机，上位机通过plc控制相应的气缸ⅰ106和气缸ⅱ107上的气动比例调节阀5来控制相应气缸ⅰ106和气缸ⅱ107进行伸缩以使其达到预设接触力，保证接触轮两端接触力平衡且都保持在预设接触力值，使接触轮始终与复杂曲面紧密贴合，实现复杂曲面的自适应包覆性磨抛。
31.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
32.1、较现有砂带机打磨装备，本发明提出的装备可以自动调节微小的磨抛接触角度，是接触轮与被磨工件表面紧密贴合，实现复杂曲面的包覆性磨抛；
33.2、本发明提供了一种可以实现复杂曲面包覆性磨抛过程的控制方法：通过力传感
器采集接触轮两端的受力信息，通过plc控制系统实现了接触轮两端接触力的自适应调节；
34.3、本发明提供的装备可以通过力传感器、上位机以及气动装置一方面实现了磨抛过程的恒定接触力，保证磨抛过程材料去除的稳定性；另一方面实现了对砂带张紧力的控制，为复杂曲面的稳定磨抛提供基础支持。
35.4、本发明提出的装备具有更加灵巧接触轮安装调节机构，只需要通过丝杠导轨上的滑块移动将接触轮两边的支架分离，再对接触轮进行更换，再移动滑块到合适位置锁紧滑块即可，从而可以更便捷地更换接触轮。

技术特征：
1.一种复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统，其特征在于：该打磨系统包括接触轮导向机构、接触轮安装调节机构、张紧力感知机构、张紧力调节机构、驱动电机和机架；所述接触轮导向机构与接触轮安装调节机构连接，所述接触轮安装调节机构固定在所述机架上，所述张紧力感知机构与所述机架连接，所述张紧力调节机构与所述机架连接，所述电机与所述机架连接，并驱动砂带转动。2.根据权利要求1所述的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统，其特征在于：所述的接触轮导向机构包括接触轮、导向块ⅰ、导向块ⅱ、力传感器ⅰ、力传感器ⅱ、气缸ⅰ和气缸ⅱ，所述的接触轮安装在导向块ⅰ和导向块ⅱ之间，可以分别进行角度调节；所述导向块ⅰ和导向块ⅱ分别与力传感器ⅰ和力传感器ⅱ通过螺栓固接，力传感器ⅰ和力传感器ⅱ再分别与气缸ⅰ和气缸ⅱ固接，通过感知力传感器ⅰ和力传感器ⅱ的力及比例调节阀分别控制气缸ⅰ和气缸ⅱ的伸缩量，进而控制导向块ⅰ和导向块ⅱ的相对位置，最终实现接触轮角度的调节。3.根据权利要求1所述的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统，其特征在于：所述接触轮安装调节机构包括丝杠导轨、直线导轨、两个滑块、锁紧螺栓、手轮和固定块，所述两个滑块均在所述丝杠导轨和直线导轨上，所述手轮与所述丝杠导轨连接，可转动手轮调节两个滑块的间距，所述锁紧螺栓与所述滑块和直线导轨配合，起到锁紧滑块的作用，所述丝杠导轨和直线导轨均固接在固定块上，所述固定块通过连接杆固定在机架上。4.根据权利要求1所述的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统，其特征在于：所述张紧力感知机构包括张紧力感知轮、力传感器ⅲ、支架ⅰ和固定架ⅰ，所述张紧力感知轮安装在所述支架内，所述力传感器ⅲ安装在支架下方，所述力传感器ⅲ安装在所述固定架上，通过设计轮系位置关系，使得张紧力感知轮受到竖直向下的力。5.根据权利要求1所述的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统，其特征在于：所述张紧力调节机构包括张紧力调节轮、气缸ⅲ、液压缸、支架ⅱ、连接块和固定架ⅱ，所述张紧力调节轮安装在所述支架ⅱ内，所述气缸安装在所述支架ⅱ下，所述液压缸和气缸ⅲ通过连接块固接，所述液压缸安装在所述固定架ⅱ上；可通过拧动液压缸外部螺栓实现张紧力调节轮大行程移动，方便砂带的拆卸和更换；气缸ⅲ受plc模块控制，经比例调节阀实现调节张紧力的作用。6.一种利用权利要求1所述打磨系统进行的复杂曲面自适应包覆性砂带打磨方法，其特征在于：该方法是在打磨过程中进行接触力控制和张紧力控制，具体为：先在上位机上预设接触力和张紧力，接触力控制是利用力传感器ⅰ和力传感器ⅱ采集接触轮左右两侧接触力，通过plc模块进行信号处理后控制气缸ⅰ和气缸ⅱ上的气动比例调节阀，以控制相应气缸ⅰ和气缸ⅱ伸缩运动，保证接触轮两端接触力平衡且都保持在预设接触力值；张紧力控制是利用张紧力感知机构中力传感器ⅲ采集砂带对张紧力感知轮竖直向下的力，再根据几何关系对张紧力进行受力分析，并通过计算机程序计算出张紧力，由plc模块信号处理后控制气缸ⅲ上气压比例调节阀，以控制气缸ⅲ伸缩运动带动张紧力调节轮上下移动，达到砂带预设张紧力。

技术总结
本发明公开了一种复杂曲面自适应包覆性砂带打磨系统和打磨方法，属于复杂曲面打磨技术领域。该系统中，电机轴带动驱动轮转动，带动砂带牵动整个轮系。接触轮导向机构通过力传感器采集接触轮两边力信息，分析砂带与加工表面的贴合情况，气动装置控制气缸调节接触轮与加工表面夹角，保证砂带与加工表面紧密贴合。接触轮安装调节机构能够便捷更换安装接触轮。张紧力的调节需要张紧力感知机构和张紧力调节机构协同工作，张紧力感知机构通过力传感器采集砂带施加给张紧力感知轮的张紧力，再通过PLC模块和气动装置控制调节张紧力调节机构中的气缸，来调节砂带的张紧力。该系统能够实现对接触轮与加工表面间的角度调整及打磨过程中的张紧力控制。中的张紧力控制。中的张紧力控制。


技术研发人员：赵吉宾 朱光 蔡鸣 李论 刘殿海
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2022.01.21
技术公布日：2023/8/1