可在線更換磨削輪的砂帶磨削機床的研制

李成群 付永領 贠 超 張習加 孫云權

(①北京航空航天大學機器人研究所，北京100083;②河北理工大學機械工程學院，河北唐山063000;③廊坊智通機器人系統有限公司，河北廊坊065001)

砂帶磨削是根據工件形狀，用相應的接觸方式及高速運動的砂帶對工件表面進行磨削和拋光的一種新工藝，并有“萬能磨削”之稱，它不僅能加工其它加工方法難以加工或不能加工的材料，而且還能加工復雜幾何形狀工件(如航空葉片、汽輪機葉片、高檔水龍頭等)［1～3］。近年來，機器人磨削加工引起了人們的關注，需要與之配套的砂帶磨削機床，因此研制了可在線更換磨削輪的砂帶磨削機床(以下簡稱砂帶磨削機床)，以適應機器人自動磨削加工過程中，對不同直徑磨削輪的需求。

1 砂帶磨削機床的結構原理

砂帶磨削機床由磨削輪轉位機構、調偏機構、張緊機構、驅動輪和變頻電動機等組成。磨削機器人的控制器通過現場總線與砂帶磨削機床的控制器通訊。根據工件磨削工藝的要求，磨削機器人的控制器通過砂帶磨削機床的控制器改變磨削方式和磨削參數。砂帶磨削機床的控制器控制步進或伺服電動機驅動磨削輪轉位機構，可改變兩個磨削輪的位置，實現多種磨削形式的磨削。張緊機構由氣缸推動安裝張緊輪的擺桿，以適應磨削輪轉位機構中由于磨削輪位置的改變而導致的張緊輪位置的改變。砂帶磨削機床的控制器控制變頻器改變變頻電動機的轉速，直接帶動張緊輪驅動砂帶運動進行磨削加工。

2 砂帶磨削機床的磨削方式

砂帶磨削機床磨削輪的位置由磨削輪轉位機構控制，電動機(步進電動機或伺服電動機)驅動磨削輪轉位機構旋轉到指定磨削輪的位置，可實現磨削輪式磨削加工、自由式砂帶磨削加工和壓磨板式磨削加工。因此，磨削輪轉位機構可實現砂帶與工件之間的幾種基本接觸形式的磨削加工，并且根據磨削工藝要求，可在線改變砂帶與工件之間的接觸形式。從而最大限度滿足機器人砂帶磨削加工對接觸方式的要求。

(1)磨削輪式磨削加工:當工件與磨削輪轉位機構的磨削輪接觸進行磨削時，可實現磨削輪式磨削方式，如圖3所示。根據磨削工藝要求，安裝不同直徑的磨削輪。若在磨削輪軸的位置增加自動卡具，也可以在線更換磨削輪，實現多工位磨削輪式磨削加工。

(2)壓磨板式磨削加工:在兩個磨削輪之間安裝壓磨板，當磨削輪轉位機構轉動，使砂帶在壓磨板上滑動時，可實現壓磨板式磨削加工，如圖4所示。

(3)自由接觸式磨削加工:當磨削輪轉位機構轉動，砂帶位于兩個磨削輪上時，工件直接與柔性的砂帶接觸，中間不用任何物體支撐砂帶，可實現自由接觸式磨削加工，如圖5所示。

3 磨削力控制結構原理

砂帶磨削機床的砂帶磨削機構安裝在變自由度平行四邊形鉸鏈四桿機構上，如圖2所示。當機器人抓持工件與磨削輪未接觸或磨削力小于設定的最大磨削力時，變自由度平行四邊形鉸鏈四桿機構與機架限位擋塊接觸，機構自由度為零，機構不動;當工件與磨削輪作用的磨削力大于設定的最大磨削力時，變自由度平行四邊形鉸鏈四桿機構與機架限位擋塊脫開，機構自由度為1，磨削力作為主動力推動鉸鏈四桿機構運動，并與氣動比例閥控制氣缸輸出力平衡，組成磨削力控制系統。選用鉸鏈四桿機構可以減小摩擦力對磨削力補償的影響，提高磨削力控制的精度。砂帶磨削機床的控制器中PLC的D/A模塊輸出0～10 V的電壓根據機器人控制器的指令控制氣動比例閥。氣動比例閥控制氣缸來設置砂帶磨削機床的最大磨削力。

4 結語

本文討論了在線更換磨削輪的砂帶磨削機床的結構原理、磨削方式和磨削力控制的結構原理。該砂帶磨削機床已應用于機器人磨削系統中，并已在國內外幾家生產飛機葉片和高檔水龍頭廠家應用了兩年多。實踐證明，該系統操作方便，運行穩定可靠，自動化程度高。

1 朱凱旋，陳延君，黃云等.葉片形面砂帶磨削技術的現狀和發展趨勢［J］.航空制造技術，2007(2):102 ～104

2 黃云，朱派龍.砂帶磨削原理及其應用［M］.重慶:重慶大學出版社，1993:110-111

3 Yunquan Sun.，2004，Developmentof a Comprehensive Grinding Process［D］，PhD Thesis，The University of Connecticut，Connecticut，USA

4 李成群.機器人磨拋機床的機構及動力學研究［D］.北京:北京航空航天大學，2008.