一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法及系统

摘要

本发明公开了一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法及系统，主要应用于环形铸造件的机器人自动打磨领域。方法包括以下几步：首先采用三爪卡盘夹持环形零件的基准面对零件进行定心，然后通过机器人末端的力控传感器和刀具来测量环形零件周向尺寸并计算获得周向误差，将其自动传送至控制系统进行周向误差补偿，通过机器人末端的激光距离传感器对零件的高度进行测量后通过控制系统进行高度方向误差补偿。本发明在机器人打磨环形铸造件过程中可以有效的对铸件的尺寸进行补偿，提高打磨精度和效果，可有效避免因铸件的尺寸一致性误差引起的加工质量问题。

说明书

技术领域

本发明涉及环形铸件打磨领域，具体涉及一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法。

背景技术

随着工业自动化的发展，采用机器人进行自动化作业已经成为趋势，在打磨领域，由于传统的人工打磨效率低、成本高而且打磨粉尘会对人体造成伤害，所以广泛采用机器人来代替人工对零件进行自动化打磨。传统的机器人打磨方法是通过示教器示教机器人的运动轨迹或者根据工件的标准三维模型在电脑上进行离线编程生成的轨迹，后续的零件打磨轨迹都是按此固定的轨迹运行，不能适应零件的尺寸误差。对于大型环形铸造件，在使用机器人自动化打磨时由于铸件本身的尺寸误差较大、精度不高，且零件各个方向的尺寸误差均较大，所以需要在打磨时对零件进行尺寸补偿以提高打磨效果，避免在打磨过程中过度打磨损伤到零件本体。

现有的技术中，大型环形铸造零件的打磨主要存在以下问题：

(1)由于零件在铸造过程中会产生一系列的变形，而这些变形最终都体现在铸造件上，所以导致铸件的尺寸误差较大，造成机器人自动打磨很难通过轨迹进行打磨；

(2)由于铸造件在进行表面打磨时尚未进行机械加工，所以基准的精度也并不高，所以即使用按照零件基准设计专用夹具进行装夹零件在各方向仍会存在一定的误差；

(3)由于铸件本身在生产过程中会发生鼓胀等变形，导致零件在高度方向上也会存在一定误差，导致机器人在进行打磨时需要进行高度补偿，否则容易在下刀时碰伤零件或者空走刀；

(4)在铸造过程中零件会发生变形，会导致圆孔或者圆台变形，使其不是一个标准的圆，导致在进行打磨时若按照理论的轮廓或者模型的轮廓进行打磨则会空走或者打伤零件。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法，用于在进行环形零件机器人打磨时对零件误差进行进行补偿，减少因零件一致性误差导致的打磨效果降低，提高机器人对零件的适应能力，使机器人在打磨时能对零件各个方向上的误差自动补偿。

本发明所采用的技术方案是：

一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法，其特征在于，通过三爪卡盘对环形零件的内环面进行装夹，并通过三爪卡盘进行零件的定心后，进行如下操作：

装夹误差尺寸补偿步骤：对待加工零件装夹时产生的周向及高度误差进行阈值补偿；

零件尺寸补偿步骤：对待加工零件加工尺寸产生的误差进行阈值补偿。

在上述的一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法，所述装夹误差尺寸补偿步骤中，对待加工零件装夹时产生的周向误差进行阈值补偿的具体方法包括：

步骤1：通过在机器人末端安装力传感器并在末端工具电主轴的ER夹头上安装需要使用的刀具，控制机器人将刀具移至周向基准附件，打开力控传感器并设定力的方向为垂直于基准面，刀具自动靠近周向基准，当力传感器检测到力到达设定值时沿基准面滑移，滑移长度为L并读取终点坐标(x₁，y₁，z₁)，即实际测量时刀具碰到周向基准时机器人末端坐标值；周向基准理论坐标值为x₀，即理论情况下刀具碰到周向基准时机器人末端坐标值；

步骤2：计算周向误差公式为：θ＝180×(x₁-x₀)÷(R×π)，即周向补偿阈值θ，也是周向圆心角误差值；通过控制系统控制旋转工作台进行偏移，使周向基准的位置偏移θ，R为零件周向基准所在位置离圆心的距离。

在上述的一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法，Δx取值范围为0.05mm～0.1mm。

在上述的一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法，所述装夹误差尺寸补偿步骤中，对待加工零件装夹时产生的高度误差进行阈值补偿的具体方法包括：

调整机器人姿态为高度测量姿态，使激光距离传感器照射出的激光垂直于待加工平面，在进行打磨前，通过在末端工具上的激光距离传感器测量零件上表面与传感器的距离h₁，并将测量结果反馈至控制系统，与标准距离值h₀进行计算得到高度误差Δh＝h₁-h₀，即高度补偿阈值Δh控制机器人在打磨时在高度方向偏移Δh。

在上述的一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法，零件尺寸补偿步骤具体包括：

步骤1：通过力传感器控制刀具接触到圆柱面的n₁°、n₂°、n₃°、n₄°、n₅°、n₆°、n₇°......n_m°位置并记录当前机器人的坐标点：点n₁、点n₂、点n₃、点n₄、点n₅、点n₆、点n₇......点n_m，其中，m为正整数；

步骤2：通过测得的点n₁、点n₂、点n₃、点n₄、点n₅、点n₆、点n₇......点n_m坐标点代替各点对应的理论点1₀～点m₀重新规划圆弧路径，对打磨轨迹进行修改；

步骤3：机器人按照修改后的打磨轨迹对圆柱面进行打磨。

在上述的一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法，所述m取8，即n₁°、n₂°、n₃°、n₄°、n₅°、n₆°、n₇°、n₈°，且分别取0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，对应坐标点为：点n₁、点n₂、点n₃、点n₄、点n₅、点n₆、点n₇、点n₈。

一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿系统，其特征在于，包括机器人底座、设置在机器人底座上的机器人，末端工具通过螺栓固定在机器人六轴法兰盘上，用于对环形零件进行装夹；旋转工作台上设有用于固定待加工零件的固定组件。

在上述的一种环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿系统，所述固定组件包括用于对环形零件进行装夹的三爪卡盘及夹具，末端工具包括和六轴直接连接的力传感器，以及安装在力传感器另一面的连接法兰，连接法兰上固定安装有电主轴，电主轴末端通过夹头夹持刀具，用于对零件进行打磨，连接法兰一面设有传感器安装支架，激光距离传感器设置在传感器安装支架上，用于冷却的竹节管通过三通阀与水泵连通。

本发明的有益效果是：1、提高了机器人在打磨环形零件时的适应能力，降低了对铸造零件一致性的要求，提高了打磨效果；2、使打磨系统能对零件的周向装夹、定位误差进行补偿，降低了零件在铸造时的精度要求；3、在打磨时能对零件特征部位的各方向上的误差进行补偿，并通过力传感器来控制打磨时的力的大小，使打磨时刀具能紧贴零件表面且不至于打磨力过大损伤到零件，并且可以提高刀具寿命。

附图说明

图1为本发明的机器人打磨设备。

图2为本发明的机器人打磨末端工具。

图3为本发明的周向补偿原理图。

图4为本发明的特征部位误差测量示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图中：1.机器人底座、2.机器人、3.末端工具、3.1.力传感器、3.2.连接法兰、3.3.电主轴、3.4.刀具、3.5.竹节管、3.6.激光距离传感器、3.7.传感器安装支架、4.旋转工作台、5.三爪卡盘及夹具。

一、首先介绍本发明所采用的系统结构。

如图1所示,本发明环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法较佳实施方式适用于环形零件自动化打磨系统，所述打磨系统主要包括机器人底座1、机器人，2、末端工具3、旋转工作台4、三爪卡盘及夹具5，其中机器人具体型号为IRB 6700-200/2.60，机器人固定安装在机器人底座上，末端工具通过螺栓固定在机器人六轴法兰盘上，旋转工作台上安装有三爪卡盘及夹具，用于对环形零件进行装夹，末端工具包括和六轴直接连接的3.1力传感器，以及安装在力传感器另一面的3.2连接法兰，连接法兰上固定安装有3.3.电主轴，电主轴末端通过ER25夹头夹持3.4.刀具，用于对零件进行打磨，连接法兰一面通过传感器安装支架3.7固定用于冷却的3.5.竹节管和3.6.激光距离传感器。

本系统的主要创新体现在：

(1)采用三爪卡盘和专用夹具对零件进行装夹，通过三爪卡盘夹持零件的环形基准面对零件进行定心，所述内环面为环形零件铸造后的基准面；

(2)在进行环形零件机器人打磨时在机器人末端工具和机器人末端连接法兰之间增加力传感器，通过力传感器控制机器人的轨迹代替传统的绝对路径打磨的方式，使机器人在打磨时具有一定的适应能力，可在打磨时紧贴在零件需要打磨的部位防止空走刀；

(3)在零件装夹完成后，使用力传感器通过检测刀具是否和零件碰撞进行检测零件的周向定位基准的装夹误差，然后将测得的误差值通过控制系统转换为零件装夹的周向误差值，并将旋转工作台的零点位置根据误差值进行修正以补偿零件的周向装夹误差，提高零件的周向定位精度。

二、下面是采用上述系统结构进行尺寸补偿的具体方法。

参考附图，本发明环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法的较佳实施方式包括以下步骤：

步骤1：在对零件进行装夹时通过三爪卡盘对环形零件的内环基准面进行装夹，通过三爪卡盘对零件的中轴线进行定位，实现零件的定心；

步骤2，对待加工零件装夹时产生的周向误差进行阈值补偿，如图2所示，机器人末端安装有力传感器，力传感器采集机器人末端工具的打磨压力并且可控制打磨压力的大小，在末端工具电主轴的ER夹头上安装有刀具，控制机器人将刀具移至周向基准附件，打开力控传感器并设定力的方向为垂直于基准面，刀具自动靠近周向基准，当力传感器检测到力到达设定值时沿基准面滑移，滑移长度为L并读取终点坐标(x₁，y₁，z₁)，即实际测量时刀具碰到周向基准时机器人末端坐标值；记x₀为理论情况下刀具碰到周向基准时机器人末端坐标值；由于环形零件直径较大，而零件装夹误差较小，所以(x₁-x₀)的值近似等于周向偏移的弧长，则可通过公式θ＝180×(x₁-x₀)÷(R×π)计算零件装夹后的周向误差，然后通过控制系统控制旋转工作台在旋转时补偿相应的角度值补偿环形零件的周向装夹误差；

步骤3，对待加工零件装夹时产生的高度误差进行阈值补偿，在进行上表面打磨时，由于零件装夹误差和零件本身的铸造误差会导致零件的上表面的尺寸存在偏差，所以在打磨之前需要对待打磨部位进行测量并补偿尺寸误差。补偿方法如下：如图2所示的机器人末端工具，在机器人末端工具安装电主轴另一侧安装有激光距离传感器，用于测量零件上表面和传感器之间的距离以确定零件上表面待打磨的部位的高度误差，然后将测量结果通过控制系统计算出高度补偿值，反馈并控制机器人在修正下刀点的坐标使刀具能刚好到达零件上表面，使其不会未打到或者过度打磨零件，从而达到对零件上表面的尺寸补偿；

步骤4，对待加工零件加工尺寸产生的误差进行阈值补偿：首先通过机器人控制末端工具上的刀具靠近待打磨部位，通过力传感器判断刀具是否接触到零件轮廓获取打磨部位轮廓坐标点，获取轮廓点后利用轮廓点代替机器人轨迹中的对应轨迹上的点以重新规划机器人打磨路径，如图4所示，点1₀～点8₀即待打磨部位理论坐标点，点1～点8为通过力传感器获取到的实际坐标点，在打磨时利用实际坐标点重新规划轨迹即可补偿零件的铸造误差，对特征部位进行打磨，且在打磨时使用力传感器的恒力控制的方式并根据待打磨部位的轮廓选择合适的力的方向即可使刀具始终贴紧待打磨部位进行打磨。在打磨环形圆角时即可通过控制力的方向为环形轮廓的法向向外进行打磨，在打磨底部平面时则控制打磨力的方向为垂直平面方向，使刀具能够以恒定的力贴紧需要打磨的部位，即可实现零件局部尺寸误差的补偿。

上述环形零件机器人打磨工艺中的尺寸补偿方法通过对零件的径向、周向、高度上的装夹误差以及零件本身的铸造误差进行补偿来实现对零件的补偿，降低了人工装夹要求和铸件的精度要求，提高了环形零件的打磨效果。

本方法的主要创新体现在：

(1)在打磨零件的上表面前，通过激光距离传感器检测待打磨部位的高度误差，并将通过控制系统将测得的误差值计算为补偿值对机器人的下刀高度进行补偿，使机器人能准确下刀到上表面，然后通过力控传感器使刀具始以恒力控制的方式进行打磨，即可使刀具随着零件高度变化而变化以保持打磨压力的恒定，避免过度打磨损伤到零件本体或使刀具因打磨力太大而折断；

(2)在进行零件的周向特征部位打磨前，使用力传感器控制刀具去检测周向特征部位的外圆、内圆和孔深等尺寸误差，并通过测量需要打磨部位的多个点的坐标来对特征部位的打磨轨迹进行规划，提高机器人对特征部位的打磨效果并避免损伤零件。

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。