CN104858748A - 一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备，包括基台、六自由度机器人、磨削装置、变位机、三维激光测量装置和系统控制主机，六自由度机器人安装在基台上；磨削装置用于磨削叶片进排气边；变位机安装在基台上；三维激光测量装置安装在变位机上，其包括三轴运动平台和三维激光测量装置；三维激光测量装置其包括两个三维激光轮廓扫描仪；系统控制主机与六自由度机器人和三维激光测量装置连接，用于规划磨削装置加工路径以及三维激光测量装置的移动路径，并将路径和指令发送给六自由度机器人执行。本发明集成了自适应磨削和测量，可以保证叶片进排气边轮廓的加工精度。

Description

一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备

技术领域

本发明属于机器人加工领域，更具体地，涉及一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备。

背景技术

叶片是航空发动机、燃气轮机、汽轮机组件中数量最多、直接参与能量转换的关键零件，其进排气边的加工精度、表面质量直接决定了动力设备性能、作业效率和使役寿命。因此，叶片经过精锻、精铸、冷轧或者机加工后，均需对其进排气边进行磨削加工，以此来保证轮廓精度和表面光洁度。当前，掌握叶片进排气边高效高精磨削技术对于提高我国叶片制造水平，推进航空、能源和国防等行业的发展具有重要意义。

通过对现有文献的检索，发现有以下现有技术：一、申请号为CN201420188053.6的中国专利申请公开了一种用于磨削加工的新型3P3R机器人，但是该发明并不针对叶片进排气边，且未提出“测量-操作-加工”一体化解决方案，不能解决叶片磨削过程中的关键问题；二、申请号为CN201010603399.4的中国专利申请公开了一种基于视觉信息的工业机器人磨削系统及方法，本发明利用视频摄像头采集工件图像，利用计算机识别并定位工件，通过在线规划机械手爪从当前位置到抓取位置的运动轨迹来控制机械手爪抓取工件，然后按照预先设定好的磨削操作步骤控制砂带转速和转向，并打磨抛光工件，该发明并不针对叶片进排气边，亦无法实现加工零件的三维扫描和重建；三、申请号为CN201210456485.6的中国专利申请公开了一种全自动磨削机器人，但是该系统并非采用工业机器人，其工作空间十分有限，无法实现对叶片进排气边的磨削；四、申请号为CN201210567038.8的中国专利申请公开了一种基于传感器反馈的机器人磨削系统，该专利侧重于基于砂轮与工件之间磨削力、工件轮廓三维测量数据、以及砂轮的磨损程度检测来实时调整砂轮转速，但专利中的轮廓测量并不适用于叶片进排气边测量。

另外，上述技术中并不适用于对叶片曲率变化较大的进排气边进行测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集成自适应磨削和三维测量的叶片进排气边磨削机器人自动化装备；本发明采用六自由度关节式工业机器人为执行单元，采用变位机夹持叶片的工装方式，同时采用三轴运动平台搭配三维激光测量装置进行三坐标非接触式测量手段，能够解决现有技术中不能对叶片进排气边进行高精度磨削和测量的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备，包括基台、六自由度机器人、磨削装置、变位机、三维激光测量装置和系统控制主机，所述六自由度机器人、变位机和系统控制主机均安装在基台上，其特征在于：

六自由度机器人，用于夹持磨削装置移动和驱动磨削装置作业，其包括末端腕部；

磨削装置，与六自由度机器人的末端腕部连接，用于磨削叶片进排气边；

变位机，用于夹持叶片并带动叶片旋转，其包括转台和台架，所述转台包括固定安装在基台上的机壳和设置在机壳内的旋转轴，所述台架固定安装在机壳上，所述旋转轴用于带动叶片旋转且其旋转中心线竖直设置；

三维激光测量装置，用于在每道磨削工序完成后对叶片进排气边进行在线测量，其包括三轴运动平台和三维激光测量装置，其中，三轴运动平台安装在台架上，能带动三维激光测量装置沿三轴移动，所述三维激光测量装置用于对叶片靠近进排气边的部位的侧面轮廓进行测量，以将测量数据传送给系统控制主机；

系统控制主机，与六自由度机器人和三维激光测量装置连接，用于采集三维激光测量装置测量得到的叶片侧面轮廓并将该轮廓与叶片理论模型进行比对，以对加工路径进行修正或者补偿，进而将更新后的加工路径发送给六自由度机器人执行。

优选地，所述磨削装置包括气动夹具、主轴、砂轮和冷却装置，所述气动夹具与六自由度机器人的末端腕部连接，所述主轴为电主轴，所述砂轮安装在主轴上，所述冷却装置用于对叶片进排气边进行冷却。

优选地，所述变位机还包括竖直位置可调整的变位机顶针，变位机顶针位于旋转轴的上方，所述变位机顶针用于和转台配合对叶片进行上下装夹固定。

优选地，所述六自由度机器人包括机器人本体和机器人控制器，所述系统控制主机通过现场总线分别与机器人控制器和三维激光测量装置连接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明集成了自适应磨削和测量，可以保证叶片进排气边轮廓的加工精度；

2)本发明的机器人磨削装备通过三维激光测量重建叶片进排气边的轮廓形貌，进而可以据此计算磨削余量，调整机器人加工代码，从而保证磨削精度；

3)本发明的变位机能够带动叶片旋转，而三维激光测量装置能够三轴移动，因此能够很好地适用于叶片曲率变化较大的进排气边的测量；

4)叶片进排气边磨削机器人自动化装备可在磨削过程中进行自适应磨削和三维测量，实现对实际磨削量的加工监测，对加工路径进行修正或者补偿，补偿磨削误差，提高表面加工精度和表面质量；自适应磨削基于三维测量得到的叶片进排气边轮廓信息，对系统控制主机规划的刀具路径进行修正或者补偿；三维测量在三维激光测量装置和转台电机联动情况下实施轮廓扫描，精准获取进排气边轮廓信息；机器人自动化装备通过循环往复执行“加工-测量”操作，实现叶片进排气边轮廓高精度加工。

附图说明

图1为本发明的机器人自动化装备结构示意图；

图2为本发明的磨削装置示意图；

图3为本发明的变位机示意图。

图4为本发明的三维激光测量装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图4所示，一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备，用于实现叶片15的进排气边151的自适应磨削和三维测量。本自动化装备包括六自由度机器人10、磨削装置11、变位机12、三维激光测量装置13和系统控制主机14。

六自由度机器人10包括机器人本体101和机器人控制器102，机器人本体101包括末端腕部。磨削装置11包括气动夹具111、主轴112、砂轮113和冷却装置114。变位机12包括转台121、台架122和变位机顶针123，转台121包括机壳和设置在机壳内的旋转轴，旋转轴竖直设置，变位机顶针123的上下位置可调整。三维激光测量装置13包括三轴运动平台131和三维激光测量装置132。系统控制主机14通过现场总线分别与机器人控制器102、三维激光测量装置132连接。

六自由度机器人10固定于基台1上，用于夹持磨削装置11在大空间范围内移动和驱动磨削装置11作业。机器人本体101的各关节轴电机、转台121的单自由度电机、三轴运动平台131的三个伺服轴电机均与机器人控制器102相连且它们可以实现同步联动。

磨削装置11的主轴112通过气动夹具111与机器人本体101的末端腕部连接，用于叶片15的进排气边151磨削，气动夹具111通过气动阀控制机器人本体101夹持主轴112，主轴112采用电主轴，并采用直接驱动方式连接砂轮113，冷却装置114采用空冷方式，对叶片15上的磨削部位进行跟踪冷却。

变位机12与六自由度机器人10固定于基台1的同一平面，其旋转中心线竖直设置，用于夹持叶片15并带动叶片15旋转，保证砂轮113与叶片15的进排气边151的良好接触。转台121夹持叶片15，叶片15竖直安装。台架122用于放置转台121和三维激光测量装置13。台架122上端具有可做上下调整且与转台121同轴的变位机顶针123，用于和转台121配合对叶片15进行上下装夹固定。

三维激光测量装置13用于在每道磨削工序后对叶片15靠近进排气边151的部位的侧面进行三维测量。三轴运动平台131底座与台架122固定，可实现笛卡尔空间三自由度移动，三维激光测量装置132固定于三轴运动平台131竖直的模组(Z轴)上，用于对叶片15靠近进排气边151的部位的侧面进行轮廓测量。三轴运动平台131能带动三维激光测量装置132沿X轴、Y轴和Z轴移动。

系统控制主机14与机器人控制器102以及三维激光测量装置13连接。一方面用于规划磨削装置加工路径并发送给机器人本体101和变位机12启动执行，另一方面用于规划进排气边151轮廓测量多轴联动指令并发送给变位机12和三维激光测量装置13启动执行。

为了进一步验证本发明实施例提供的叶片15的进排气边151磨削机器人自动化装备可以实现叶片15的进排气边151的自适应磨削和三维测量，可以大幅提升叶片15的进排气边151磨削加工的效率和精度，下面结合附图对本发明实施例做详细说明：

首先，装备安装：在场地中心安装面积足够的基台1，将六自由度机器人10通过叉车水平放置于基台1上并通过基台1上的对应安装位置固定，机器人控制器102放置在距机器人本体101安装中心1～2m左右，磨削装置11安装在机器人本体101末端腕部(即末端执行器)上，将气动夹具111固定在机器人本体101末端腕部的凹槽内，通过气动阀控制机器人本体101夹持主轴112；主轴采用电主轴，并采用电主轴直接驱动方式连接砂轮113；冷却装置114采用空冷方式，对磨削部位进行跟踪冷却(气动夹具111、气动阀、电主轴112以及冷却装置114均与机器人控制器102连接)，将台架122固定在基台1的对应安放位置上(位于机器人Y轴，两中心距为1.5m)，转台121电机与机器人控制器102相连，将转台121安放在台架122的对应安放位置(转台121中心位于变位机顶针123正下方)，三轴运动平台131底座与台架122固定，三维激光测量装置132固定于三轴运动平台131竖直方向的模组，系统控制主机14通过现场总线分别与机器人控制器102、三维激光测量装置13连接，须确保现场总线在六自由度机器人10、变位机12以及三维激光测量装置13的公共作业区域不会发生干涉，同时需确保六自由度机器人10(其中的机械人操作臂101)能覆盖所有可能的公共加工区域。

其次，设备调试：自适应磨削和三维测量开始前，需要对六自由度机器人10进行调试，使机器人绝对精度达到工作要求(即期望位置与实际位置之间的偏差在作业容许范围之内)，转台121旋转轴中心垂直于台架122基准面且保证转台121与变位机顶针123同轴，调节三维激光测量装置132使扫描结果达到预期效果。

最后，自适应磨削和三维测量：第一次磨削：系统控制主机14根据转台121的位置，将转台121夹具所在全局坐标系下的位置通过运动学变换转换到机器人基座标系下，系统控制主机14同时给出机器人本体101末端执行器的相应位置(机器人坐标系下，之后未特殊说明均为机器人基坐标系下坐标)，根据夹具的尺寸形状计算出夹具末端的坐标值(即叶片15叶根坐标)，编写程序控制机器人本体101夹持叶片15垂直放置到转台121上的准确位置，变位机顶针123在竖直方向上可以上下微调使变位机12对叶片15装夹定位。将机器人本体101末端执行器移动至工作区域之外进行磨削装置11安装操作，将带有冷却装置114的气动夹具111安装在机器人本体101末端腕部上，通过气动阀控制机器人本体101夹持由电主轴112直接驱动的砂轮113(气动夹具111、电主轴112和冷却装置114均与机器人控制器102连接)，准备工作完成。接下来，根据已有的叶片15模型进行磨削加工的程序编程，根据叶片15型面和进排气边151的特征以及轮廓信息规划刀具路径，将刀具路径通过运动学变换转换为机器人坐标系下的坐标值并通过系统控制主机14生成机器人磨削加工代码(在第一次磨削过程中，机器人本体101与转台121单旋转轴联动以实现对叶片15的复杂型面的磨削)，系统控制主机14将生成的机器人加工代码发送给机器人控制器102，机器人控制器102同时对机器人本体101，磨削装置11以及变位机12发出指令，开始磨削加工(此时机器人本体101各关节轴与转台121电机联动)，当第一次磨削结束，机器人代码执行结束，机器人控制器102控制磨削装置11停止并将机器人转向非工作区域，此时机器人控制器102将磨削停止信息返回给系统控制主机14，系统控制主机14接收到信号，自动运行自适应磨削程序，自适应磨削开始。

进入自适应磨削阶段，系统控制器14根据已有的叶片15的进排气边151轮廓形状生成进排气边151三维轮廓测量多轴联动指令，并将三维测量机器人指令代码发送给机器人控制器102，机器人控制器102开始执行三维测量，机器人控制器102控制三轴运动平台131从初始位置延X轴移动到转台121夹具的圆弧位置停止，机器人控制器102控制转台121旋转180°，三维激光测量装置132打开，此时机器人控制器102控制台架121电机与三轴运动平台131中控制YZ方向运动的伺服电机联动，三维激光测量装置132根据叶片15的进排气边151形状从叶片15叶根开始向叶缘处扫描。

对于曲率变化较小的进排气边151部位，三轴运动平台131的Y轴静止，这时通过三轴运动平台131的Z轴和台架121单自由度旋转轴的联动完成进排气边151的测量。

而对于曲率变化较大的进排气边151部位，仅仅Z轴移动及旋转不能实现完整扫描，这时需要沿叶片15的横向(也就是三轴运动平台131的Y轴)同时运动才能保证在三维激光测量装置132扫描叶片15的进排气边151的过程中不发生干涉，这时机器人控制器102根据系统控制主机14发送的三维测量扫描路径机器人代码指令，对台架121单自由度旋转轴以及三轴运动平台131中控制Y和Z方向运动的两个电机轴同时进行控制以实现三轴联动，完成对复杂曲面轮廓的三维测量。

三维测量结束后，机器人控制器102将三轴运动平台131归置原位，并控制台架121反转180°，三维激光测量装置132将叶片15轮廓数据反馈给系统控制主机14，系统控制主机14将三维测量所得到的叶片15轮廓数据通过运动学变换从扫描仪坐标系转换到机器人基坐标系下，并与已有的叶片15的CAD模型进行点云匹配，根据设定形位精度，系统控制主机14计算轮廓误差并重新规划叶片15的进排气边151磨削加工路径，并将修正或者补偿后的机器人磨削加工代码发送给机器人控制器102。机器人控制器102接收到代码后，控制机器人本体101夹持磨削装置11进行进一步的磨削加工。循环往复以上“加工-测量”操作，直至轮廓误差控制在期望范围以内。最后，机器人控制器102执行停机归位指令，整个作业流程结束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备，包括基台、六自由度机器人、磨削装置、变位机、三维激光测量装置和系统控制主机，所述六自由度机器人、变位机和系统控制主机均安装在基台上，其特征在于：

六自由度机器人，用于夹持磨削装置移动和驱动磨削装置作业，其包括末端腕部；

磨削装置，与六自由度机器人的末端腕部连接，用于磨削叶片进排气边；变位机，用于夹持叶片并带动叶片旋转，其包括转台和台架，所述转台包括固定安装在基台上的机壳和设置在机壳内的旋转轴，所述台架固定安装在机壳上，所述旋转轴用于带动叶片旋转且其旋转中心线竖直设置；三维激光测量装置，用于在每道磨削工序完成后对叶片进排气边进行在线测量，其包括三轴运动平台和三维激光测量装置，其中，三轴运动平台安装在台架上，能带动三维激光测量装置沿三轴移动，所述三维激光测量装置用于对叶片靠近进排气边的部位的侧面轮廓进行测量，以将测量数据传送给系统控制主机；

系统控制主机，与六自由度机器人和三维激光测量装置连接，用于采集三维激光测量装置测量得到的叶片侧面轮廓并将该轮廓与叶片理论模型进行比对，以对加工路径进行修正或者补偿，进而将更新后的加工路径发送给六自由度机器人执行。

2.根据权利要求1所述的一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备，其特征在于：所述磨削装置包括气动夹具、主轴、砂轮和冷却装置，所述气动夹具与六自由度机器人的末端腕部连接，所述主轴为电主轴，所述砂轮安装在主轴上，所述冷却装置用于对叶片进排气边进行冷却。

3.根据权利要求1所述的一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备，其特征在于：所述变位机还包括竖直位置可调整的变位机顶针，变位机顶针位于旋转轴的上方，所述变位机顶针用于和转台配合对叶片进行上下装夹固定。

4.根据权利要求1所述的一种叶片进排气边磨削机器人自动化装备，其特征在于：所述六自由度机器人包括机器人本体和机器人控制器，所述系统控制主机通过现场总线分别与机器人控制器和三维激光测量装置连接。