[发明专利]用于机器人修磨系统的面向空间曲面加工的在位测量方法

说明书

技术领域

本发明属于砂带磨削加工领域，特别涉及机器人修磨系统中面向高精度复杂曲面加工的在位测量方法。

背景技术

在机械加工中，磨削应用范围广范，在某些条件下往往只能采用磨削进行加工，比如表面粗糙度要求高或硬质材料等。磨削主要分为砂轮磨削和砂带磨削。与砂轮磨削相比，砂带磨削切削时的散热性较好，被加工面不易烧伤，表面冷硬程度和残余应力较小。同时，由于砂带和磨削接触轮有一定的弹性，砂带磨削更易于与加工面贴服，往往更适用于曲面加工。因此砂带磨削和砂轮加工一样，在机械加工领域中占有重要的地位。

砂带磨削在航空航天、国防、电力、船舶、医疗等多个领域具有广泛的应用背景，例如，涡轮机、船舶推进器、风力发电机等设备的叶片的加工。在日用产品中加工中，应用更是广泛，例如，各种贵术装饰品、人造关节、家庭装饰用品(水暖件、灯具等)、乐器和数码产品的外表面加工等。

国内外对于复杂曲面工件的砂带磨削加工，主要有基于普通砂带磨床的手工磨削、专用磨削机床和数控磨削机床等。基于普通砂带磨床的手工磨削费时且劳动强度大，加工成品率低，产品一致性差，对工人的技艺、经验等要求高；专用磨削机床通用性不好，适用范围窄，往往只适合大批量生产；数控磨削机床成本高，缺乏柔性，可拓展范围小。

近年来，随着工业机器人技术的发展和劳动力成本的不断上升，以机器人作为平台的加工方式引起了关注。机器人修磨指以串联式工业机器人作为工件移动平台，在高速旋转的砂带上进行磨削的加工方式。与市场上较为典型的五轴磨削加工机床相比，机器人修磨系统具有灵活性高、通用性强、易于扩展等优点，而且由于系统基于通用设备，造价和加工成本大大低于专用机床。

机器人修磨系统一般包括如下几个部分：

(1)砂带机：带动砂带做高速旋转，实现对工件进行磨削，实现砂带转速、砂带张紧力、甚至磨削力等磨削参数的设置或控制；

(2)机器人：一般为串联式工业机器人，腕部往往安装六维力传感器，用于作为工件的移动平台，可以控制磨削工件与砂带的接触力及工件加工速度；

(3)测量系统：用于测量工件待加工面的形貌(比如曲率)和磨削量，测量系统可以是接触式的，比如扫描探针，或者非接触式的，比如激光扫描设备；

(4)数据处理计算机：对测量系统数据、机器人路径数据、力反馈数据等进行处理。

目前，面向复杂曲面的机器人砂带磨削系统多用于打磨或抛光等不需要准确考虑磨削量的场合，需要精确考虑磨削量的机器人修磨系统仍处于实验室研究阶段。在研究和试用中发现，由于砂带和接触轮带有弹性，砂带磨削是一种非刚性加工，不能简单通过进给量来实现磨削量的控制，磨削量受磨削力、砂带转速、工件速度、砂带老化程度、工件材料、加工面表面形貌等多种因素影响，其中部分因素无法准确测控，这使得磨削量的精确控制往往只能通过多次磨削来逼近。因此，每磨削一次之后，需要对工件进行在位测量来决定下一次的磨削量。所以，在位测量的精度直接影响最后的加工能达到的精度。

部分已有的机器人修磨系统采用了在位测量技术，但是在位测量的过程中，往往直接通过机器人移动工件去完成整个加工面的测量。考虑到工业机器人的绝对精度往往大于1mm，重复精度一般也大于0.1mm；同时由于惯性力和工件重量等因素的影响，机器人在负载工件运动时容易产生振颤；此外，机器人基坐标系与测量坐标系间存在标定误差，这些误差影响因素都最终体现于在位测量结果中，使得在位测量的精度难以进一步提高。为了提高工件坐标系与机器人末端坐标系间的映射精度，机器人末端必须使用高精度的专用夹具，这对机器人修磨系统的柔性会带来影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种用于机器人修磨系统的面向空间曲面加工的在位测量方法，可解决工业机器人运动误差、运动振颤、标定精度等对测量精度的影响，同时该方法不需要使用高精度专用夹具，采用多次修磨逼近的方法，可使整个机器人修磨系统达到更高的加工精度。

该方法的特征在于当机器人移动工件至测量工位后，在整个测量过程中，机器人停止不动，保持工件位姿不变，通过测量平台的运动来完成不同检测点的测量。为了便于与设计的标准模型做比较求取磨削量，也为了建立工件坐标系与机器人末端坐标系的映射关系，在工件修磨前需要加工三个不在同一平面的基准平面。该方法的技术方案可用通过以下步骤实现：

1)首先结合设计要求设定或加工出两两不同向的三个基准平面，然后把待加工的工件固定于机器人末端夹具上，并使该工件在整个加工、测量中在机器人末端夹具上的位置不变；