[发明专利]超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置及方法

权利要求书

1.一种超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置，其特征在于，所述抛光装置包括等离子体发生装置、等离子喷射装置、变刚度气压砂轮随形抛光装置、CCD检测装置、多自由度机器人控制装置和超声振动辅助装置，所述等离子体发生装置与所述等离子喷射装置，所述等离子喷射装置的等离子喷射头位于工作台的抛光工位的上方；所述变刚度气压砂轮随形抛光装置安装在多自由度机器人控制装置的动作端，所述变刚度气压砂轮随形抛光装置的抛光头位于工作台的抛光工位上，所述超声振动辅助装置安装在所述变刚度气压砂轮随形抛光装置上，所述CCD检测装置的视角范围覆盖所述工作台的抛光工位；所述等离子体发生装置包括激发气体瓶、反应气体瓶、混合气体管、反应气体管、气体导管、减压阀和流量计；所述等离子喷射装置包括串并混联运动机构、射频电源、增压阀和等离子喷射头；所述变刚度气压砂轮随形抛光装置包括变刚度气压砂轮、变刚度气压砂轮驱动电机、气体腔、恒力装置、六维力传感器、工作台、加工工件、夹具、气泵和末端铰连接件；所述CCD检测装置包括CCD检测摄像头、支撑架、铰连接件和可调节微动转动头；所述超声振动辅助装置包括上下电极、超声发生装置、超声换能器和超声变幅杆；所述工作台用来放置进行抛光加工的工件，并用夹具对加工工件进行固定；气体导管依次连接激发气体瓶、反应气体瓶和混合气体管，将混合气体在反应气体管中激发出等离子体，通过增压阀对等离子体进行增压；串并混联运动机构包括XYZ三向运动平台和多自由度并联机械臂，通过XYZ三向移动平台控制等离子喷射头装置的位置和姿态，并控制多自由度并联机械臂控制等离子喷射头与自由曲面的法线相垂直，对加工工件表面进行均匀的等离子体喷射；变刚度气压砂轮与变刚度气压砂轮驱动电机连接，变刚度气压砂轮包括柔性气囊内腔、高分子粘结剂和磨粒层，柔性气囊内腔由弹性高分子基体制成，在气囊腔外部覆盖一层表面高分子粘结剂用于粘结磨粒层，在机械臂末端连接件与气压砂轮抛光装置之间连接恒力装置，能够通过力传感控制恒力抛光；气泵通过导气管将压缩空气输送到气体腔中；超声发生装置发射出一定频率的超声波经过换能器后将电信号转变为机械振动信号，在通过变幅杆进行放大后达到迫使变刚度气压砂轮不断高频抛光；CCD监控装置中使用三个CCD摄像头，彼此成120°夹角，通过铰连接件和可调节微动转动头控制CCD摄像头的拍摄范围，通过CCD摄像头的监控变刚度气压砂轮和被加工工件表面的接触面积，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变；机械臂连接到其控制装置通过编程控制变刚度气压砂轮的位姿，使得变刚度气压砂轮与机械臂末端的夹角可以调整，辅助变刚度气压砂轮进行随形抛光。

2.一种如权利要求1所述的超声振动与常压等离子喷射辅助变刚度气压砂轮随形抛光装置的抛光方法，其特征在于，所述抛光方法包括以下步骤：

步骤1：打开等离子体发生装置，控制激发气体与反应气体的配比，使得气体通过气体导管传输到混合气体管；

步骤2：预热射频电源，将负极接到反应气体管外表面，正极接到正接线柱中，激发等离子体的产生；打开增压阀、通过控制串并混联运动机构中的XYZ三向移动平台控制等离子喷射头装置移动到达加工工件表面上方，并控制多自由度并联机械臂控制等离子喷射头始终与自由曲面的法线相垂直，对加工工件表面进行均匀的喷射等离子体，使得等离子体与工件表面进行氧化反应生成氧化层；

步骤3：变刚度气压砂轮驱动电机驱动变刚度气压砂轮进行高速旋转，多自由度机械臂控制变刚度气压砂轮对工件表面氧化层进行材料去除；变刚度气压砂轮包括柔性气囊内腔、粘结剂和磨粒层；柔性气囊内腔由弹性高分子基体制成，在气囊腔外部覆盖一层表面高分子粘结剂用于粘结磨粒层；变刚度气压砂轮实时在线调节气压砂轮的刚度，控制二者贴合面可以随着工件曲率的变化实时改变，实现随形抛光的效果，去除表面的氧化层；通过超声振动辅助装置的高频率振动促进变刚度气压砂轮与加工工件表面之间更频繁的碰撞，使得加工材料表面的氧化层能够更快更好的达到均匀去除的效果；并且可以利用超声振动的优点使得在氧化层去除过程中脱落的细小磨粒颗粒快速使得离开加工区域；

步骤4：通过六维力传感器监控变刚度气压砂轮抛光时的具体参数，配合恒力装置控制机械臂进行恒力抛光；

步骤5：通过CCD检测装置中的三个CCD摄像头控制CCD摄像头的拍摄范围，实时的拍摄抛光作业是变刚度气压砂轮与工件表面的接触面积的大小，优化加工工艺参数；

步骤6：完成抛光，关闭各设备，取出抛光工件。