阅读说明：本技术 一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置与方法 (Automatic force sense hand feeling grinding device and method for warped end face of small part ) 是由 刘立君 李继强 贾志欣 张小岩 霍庆文 张蜀闽 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及磨削加工领域,尤其涉及一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置与方法。它包括控制器、工作台(1)、设置在工作台(1)上的磨削机构(2)、设置在工作台(1)上的用于锁紧工件的锁紧机构(3)、用于带动锁紧机构(3)移动的位移机构以及设置在锁紧机构(3)上用于检测工件受到的力与力矩的检测机构(7),所述磨削机构(2)、锁紧机构(3)、位移机构以及检测机构(7)均与控制器电连接。采用这种装置与方法能显著提高小型零件翘曲断面的磨削加工质量、加工效率以及保护操作者的健康。(The invention relates to the field of grinding processing, in particular to a force sense hand feeling automatic grinding device and method for a small part warping end face. The automatic grinding machine comprises a controller, a workbench (1), a grinding mechanism (2) arranged on the workbench (1), a locking mechanism (3) which is arranged on the workbench (1) and used for locking a workpiece, a displacement mechanism used for driving the locking mechanism (3) to move and a detection mechanism (7) which is arranged on the locking mechanism (3) and used for detecting the force and the moment of the workpiece, wherein the grinding mechanism (2), the locking mechanism (3), the displacement mechanism and the detection mechanism (7) are all electrically connected with the controller. The device and the method can obviously improve the grinding quality and the processing efficiency of the warped section of the small part and protect the health of an operator.)

一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置与方法

技术领域

本发明涉及磨削加工领域，尤其涉及一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置与方法。

背景技术

在机械加工过程中磨削加工对于机械零件加工越来越重要，磨削的地位也越来越高。经过磨削加工的零件可以提高表面精度等级，使零件之间的配合更好，增加机械设备总体使用寿命，并提高机台整体精度等级。磨削加工能够胜任许多普通加工不能胜任的工作，比如对刀具、金刚石等超硬材料加工。

对工件磨削加工，是通过砂轮去磨削切除零件的多余部分，根据加工零件的形状以及材料选取专用的磨削砂轮。因此磨削加工可适应范围非常广，既适用于金属加工，也可以用于非金属；同样磨削加工可以加工超硬材料，也可以磨削低硬度材料和脆性材料；根据加工精度可以分为粗磨削、普通磨削和精密磨削；根据磨削线速度的大小，可以分为低速磨削、高速磨削、超高速磨削等，对应不同的磨削速度。同时还可以通过给磨削附加不同的工作条件，进行特殊磨削，比如超声波振动磨削技术，细微磨削技术等等。

磨削技术的应用覆盖范围从普通民用到航空航天，使用范围非常广泛，现在航空航天，计算机芯片等领域进步均离不开磨削技术的发展。在未来微型机械和精密加工这些技术的发展也与磨削技术息息相关，因此磨削技术的高低能从侧面反映一个国家工业水平的高低。

工业4.0的加快，刺激制造业的快速发展，加工设备的小型化，高精度化成为发展趋势。因此对小型零件的磨削精度和自动化程度要求也越来越高。传统对小型不规则零件的磨削方式主要是半自动化，工人主要凭借感觉和经验进行磨削加工，容易导致加工精度误差范围较大。同时在磨削加工时，从砂轮上飞出大量的磨屑，弥散在周围环境中，造成恶劣的加工环境，对处在该环境中的操作人员健康造成威胁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种加工精度较高且加工效率较高的小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置与方法，采用这种装置与方法能显著提高小型零件翘曲断面的磨削加工质量、加工效率以及保护操作者的健康。

本发明所采用的技术方案是：一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置，它包括控制器、工作台、设置在工作台上的磨削机构、设置在工作台上的用于锁紧工件的锁紧机构、用于带动锁紧机构移动的位移机构以及设置在锁紧机构上用于检测工件受到的力与力矩的检测机构，所述磨削机构、锁紧机构、位移机构以及检测机构均与控制器电连接。

所述位移装置包括X轴位移装置、Y轴位移装置以及Z轴位移装置，且所述X轴位移装置、Y轴位移装置以及Z轴位移装置均与控制器电连接。

所述检测机构为六维力传感器。

所述锁紧机构上设有用于检测是否有工件放入的光学传感器，所述光学传感器与控制器电连接。

一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削方法，它包括以下步骤：

S1、控制锁紧机构将放置在锁紧机构内的工件锁紧，同时控制器采集检测机构检测到的信号，且所述信号包括X轴方向采集力信号Fx，绕X轴力矩信号Mx；Y轴方向采集力信号Fy，绕Y轴力矩信号My；Z轴方向采集力信号Fz，绕Z轴力矩信号Mz；

S2、控制位移机构带动锁紧机构移动，且当控制器采集到的Fx≥Fx1，且My≥My1时，完成对刀工作，控制位移机构停止，其中，Fx1为对刀位置X轴方向力的阈值，My1为对刀位置绕Y轴力矩的阈值；

S3、控制位移机构工作带动工件进行磨削，同时控制器继续采集检测机构检测到的信号，当控制器采集到的Mx≤Mxs0，Mz≤Mzs0，则判断工件的磨削面为第一类型，然后跳转到步骤S4；当控制器采集到的Mx≤-Mxs0，Mz≥Mzs0，则判断工件的磨削面为第二类型，然后跳转到步骤S5；当控制器采集到的Mx≥Mxs0，Mz≤-Mzs0，则判断工件的磨削面为第三类型，然后跳转到步骤S6；其中，Mxs0为初始磨削绕X轴力矩的阈值，Mzs0初始磨削绕Z轴力矩的阈值；

S4、控制位移机构继续工作，带动工件进行磨削，当控制器采集到的Fx≥Fxs1，Fz≥Fzs1，My≥Mys1，Mx≤Mxs1，Mz≤Mzs1时，完成磨削，控制位移机构带动工件脱离磨削机构，其中Fxs1为第一类工件磨削完成X轴方向力的阈值，Fzs1为第一类工件磨削完成Z轴方向力的阈值，Mys1为第一类工件磨削完成绕Y轴力矩的阈值，Mxs1为第一类工件磨削完成绕X轴力矩的阈值，Mzs1为第一类工件磨削完成绕Z轴力矩的阈值；

S5、控制位移机构继续工作，带动工件进行磨削，当控制器采集到的Fx≥Fxs2，Fz≥Fzs2，My≥Mys2，Mx≤-Mxs2，Mz≥Mzs2时，完成磨削，控制位移机构带动工件脱离磨削机构，其中Fxs2为第二类工件磨削完成X轴方向力的阈值，Fzs2为第二类工件磨削完成Z轴方向力的阈值，Mys2为第二类工件磨削完成绕Y轴力矩的阈值，Mxs2为第二类工件磨削完成绕X轴力矩的阈值，Mzs2为第二类工件磨削完成绕Z轴力矩的阈值；

S6、控制位移机构继续工作，带动工件进行磨削，当控制器采集到的Fx≥Fxs3，Fz≥Fzs3，My≥Mys3，Mx≥Mxs3，Mz≤-Mzs3时，完成磨削，控制位移机构带动工件脱离磨削机构，其中Fxs3为第三类工件磨削完成X轴方向力的阈值，Fzs3为第三类工件磨削完成Z轴方向力的阈值，Mys3为第三类工件磨削完成绕Y轴力矩的阈值，Mxs3为第三类工件磨削完成绕X轴力矩的阈值，Mzs3为第三类工件磨削完成绕Z轴力矩的阈值。

步骤S3、S4、S5、S6中的磨削是指，Z轴位移装置带动工件向下运动，然后X轴位移装置进给步长A，然后Z轴位移装置匀速向上运动，使工件与磨削机构接触进行磨削。

采用以上结构与方法，与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用这种装置跟方法可以自动判断工件翘曲端面的类型，然后根据工件翘曲端面的类型来分别磨削，并且根据不同的判断条件来判断磨削完成，采用这种装置与方法能显著提高小型零件翘曲断面的磨削加工质量、加工效率以及保护操作者的健康。

附图说明

图1为本发明一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置的结构示意图。

图2为本发明一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置中待磨削工件的侧视图。

图3为本发明一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置中第一类待磨削工件的俯视图。

图4为本发明一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置中第二类待磨削工件的俯视图。

图5为本发明一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置中第三类待磨削工件的俯视图。

图6为本发明一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置的总体方向示意图。

如图所以：1、工作台；2、磨削机构；3、锁紧机构；4、X轴位移装置；5、Y轴位移装置；6、Z轴位移装置；7、检测机构。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明做进一步描述，但是本发明不仅限于以下具体实施方式。

一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削装置，包括工件、控制器、工作台1、磨削机构2、锁紧机构3、位移机构以及检测机构7，其中：

工件，为一个球体铸件，需要磨削地方为球体凸出的端面，主要有三个类型的，三个类型的侧视图是基本类似，如图2所示，但是其俯视图都不一样，第一类型的工件俯视图如图3所示，第二类型的工件俯视图如图4所示，第三类型的工件俯视图如图5所示，因为有三个类型的工件，所以判断其完成磨削的条件也是不同的。

工作台1包括两个，右侧较高的主要用于放置磨削机构2，左侧较矮的主要放置位移机构；

磨削机构2，主要包括砂轮与带动砂轮转动的电机；

位移机构，包括X轴位移装置4，Y轴位移装置5以及Z轴位移装置6，三个位移装置通过滚珠丝杠、步进电机、导轨、滑块等结构组成，可以精确控制工件三个不同方向的线性运动。X轴位移装置4通过导轨与丝杠配合实现工件磨削进给量的精确控制，Y轴位移装置5主要负责控制工件与砂轮的均匀接触，提高磨削的稳定性和准确性，Z轴位移装置6控制工件沿垂直方向的运动，实现工件的磨削。导轨用来支撑丝杠滑块的工作重量，运动方式为来回直线运动。为了减少运动部件和固定件的摩擦，导轨运动件和固定件之间用钢珠来较少摩擦，并增加润滑油，减少之间的摩擦系数。步进电机用来驱动丝杠运动，一个脉冲进给一个步矩角，通过控制脉冲的输入来控制电机的转速，进而精确控制丝杠运动。竖直方向的Z轴位移装置6安装有升降台，升降台由升降运动台，传动丝杠，驱动电机，联轴器，以及固定底座组成。升降运动台通过与螺钉和运动导轨连接，并且作为X轴Y轴的基准面。升降台选取四条圆柱形导轨作为升降台的运动轨道，通过过盈配合固定在升降台基座上，在四条圆柱导轨上附加润滑油，减少磨损。升降台的上下运动由丝杠来提供，并且在丝杠顶端设置最大限位装置。

锁紧机构3，包括夹紧气缸、夹具运动件、夹具基座等组成。夹具基座通过螺栓与X轴上的滑块连接在一起，夹紧气缸通过螺栓连接在夹具基座左侧，夹具运动件通过其下方的滑块连接在夹具基座导轨上做往复运动，光电传感器设置在锁紧机构3上，用于感触工件的放入。并且在夹具运动件与工件接触部位，附加橡胶涂层，以此来防止工件和夹具发生相对位移，实现小型零件翘曲断面加工的柔性紧固。夹紧气缸行程为100毫米，缸径为63㎜，工作压力范围在0.6~12bar，在气压为6bar时的理论作用力，进程1870 N，回复行程1682 N。启动按钮按下后气缸推动夹具运动件和工件接触。

检测机构7，主要为六维力传感器，其位于工件锁紧机构3下部，主要负责提供各种力与力矩信息，控制器接收反馈信息并根据这些信息进行磨削参数的设置及修正，实现对仿人磨削过程的精确控制。六维力传感器可以采用深圳兢量测控技术有限公司生产的型号为A6D78的六维力传感器，主要包括传感器、信号调理设备、数据采集设备和计算机以及在计算机上运行的数据处理软件。

一种小型零件翘曲端面力觉手感自动磨削方法，

具体实现原理：

首先，工件放入锁紧机构时，光电传感器感触工件放入，气缸推动夹具运动件完成工件紧固。然后控制器控制Z轴位移装置启动，运动到中位；控制X轴位移装置进给，使工件与砂轮接触并磨削完成对刀。对刀完成后Z轴位移装置向下运动脱离对刀位置运动到进给位置，X轴位移装置精确进给一定量后固定不动，Z轴位移装置匀速向上运动进行磨削。同时检测机构为仿人磨削控制采集力信息，通过控制器判断磨削是否完成。磨削完成，X轴位移装置Z轴位移装置复位，Y轴位移装置进给。气缸缩回夹具松开取出工件。磨削未完成则X轴位移装置、Y轴位移装置保持不动，Z轴位移装置快速回到进刀位置， X轴位移装置进刀，同时Y轴位移装置向运动方向进给后并保持稳定，Z轴位移装置向上匀速运动，继续磨削加工。

具体操作步骤：

（1）工件装夹：按下启动按钮，将工件放入夹具，光电传感器感触工件放入后，气缸伸出推动夹具运动件向右运动，与工件接触并紧固，完成工件装夹。

（2）磨削对刀：工件夹紧后定时器延时1S，控制器控制Z轴位移装置开始工作，运动到中位；控制器控制X轴位移装置进给，直到待磨削工件和砂轮进行接触并磨削，在磨削的同时，在夹具下方的检测机构采集磨削时的力与力矩信号，并传给控制器，控制X轴位移装置停止进给，完成对刀工作，其中控制器采集检测机构检测到的信号包括X轴方向采集力信号Fx，绕X轴力矩信号Mx；Y轴方向采集力信号Fy，绕Y轴力矩信号My；Z轴方向采集力信号Fz，绕Z轴力矩信号Mz；且当控制器采集到的Fx≥Fx1，且My≥My1时，完成对刀工作，控制位移机构停止，其中，Fx1为对刀位置X轴方向力的阈值，My1为对刀位置绕Y轴力矩的阈值，在本具体实施例中Fx1为1～2N，My1为0.1～0.2Nm；

（3）磨削加工与仿人手感磨削控制：对刀完成后，控制器控制Z轴位移装置向下运动，脱离对刀位置，进入到进给位置，控制器控制X轴位移装置精确进给1㎜后固定不动，Z轴位移装置匀速向上运动，使工件和砂轮进行磨削，运动到磨削截止位置，此时控制器需要判断工件的具体类型，当控制器采集到的Mx≤Mxs0，Mz≤Mzs0，则判断工件的磨削面为第一类型；当控制器采集到的Mx≤-Mxs0，Mz≥Mzs0，则判断工件的磨削面为第二类型；当控制器采集到的Mx≥Mxs0，Mz≤-Mzs0，则判断工件的磨削面为第三类型；其中，Mxs0为初始磨削绕X轴力矩的阈值，Mzs0初始磨削绕Z轴力矩的阈值，本具体实施例中Mxs0为0.1～0.5Nm,Mzs0为0.1～0.5Nm；在磨削过程中，检测机构采集磨削过程中的力与力矩，发送给控制器，控制器判断磨削是否完成，其判断条件是，为第一类型的工件时，当控制器采集到的Fx≥Fxs1，Fz≥Fzs1，My≥Mys1，Mx≤Mxs1，Mz≤Mzs1时，完成磨削，Fxs1为第一类工件磨削完成X轴方向力的阈值，Fzs1为第一类工件磨削完成Z轴方向力的阈值，Mys1为第一类工件磨削完成绕Y轴力矩的阈值，Mxs1为第一类工件磨削完成绕X轴力矩的阈值，Mzs1为第一类工件磨削完成绕Z轴力矩的阈值，在本具体实施例中，Fxs1为10-50N，Fzs1为10-50N，Mys1为1-5Nm，Mxs1为0.1-0.5Nm，Mzs1为0.1-0.5Nm；为第二类型的工件时，当控制器采集到的Fx≥Fxs2，Fz≥Fzs2，My≥Mys2，Mx≤-Mxs2，Mz≥Mzs2时，完成磨削，其中Fxs2为第二类工件磨削完成X轴方向力的阈值，Fzs2为第二类工件磨削完成Z轴方向力的阈值，Mys2为第二类工件磨削完成绕Y轴力矩的阈值，Mxs2为第二类工件磨削完成绕X轴力矩的阈值，Mzs2为第二类工件磨削完成绕Z轴力矩的阈值，且在本具体实施例中，Fxs2为5-25N，Fzs2为5-25N，Mys2为0.5-3Nm，Mxs2为0.5-3Nm，Mzs2为0.5-3Nm；为第三类型的工件时，当控制器采集到的Fx≥Fxs3，Fz≥Fzs3，My≥Mys3，Mx≥Mxs3，Mz≤-Mzs3时，完成磨削，其中Fxs3为第三类工件磨削完成X轴方向力的阈值，Fzs3为第三类工件磨削完成Z轴方向力的阈值，Mys3为第三类工件磨削完成绕Y轴力矩的阈值，Mxs3为第三类工件磨削完成绕X轴力矩的阈值，Mzs3为第三类工件磨削完成绕Z轴力矩的阈值，且在本具体实施例中，Fxs3为5-25N，Fzs3为5-25N，Mys3为0.5-3Nm，Mxs3为0.5-3Nm，Mzs3为0.5-3Nm。若磨削完成，Z轴位移装置运动到中位，同时X轴位移装置向后退100毫米，Y轴位移装置沿进给方向进给1毫米。当X轴位移装置、Y轴位移装置、Z轴位移装置均运动到相应位置后，气缸缩回夹具松开，将加工完成的工件取出，完成磨削加工。若控制器判断磨削未完成，则X轴位移装置、Y轴位移装置保持不动，Z轴位移装置快速回到进刀位置，X轴位移装置进刀，同时Y轴位移装置向运动方向进给1毫米后并保持稳定，Z轴位移装置向上匀速运动，工件进行磨削加工，重复上述步骤，直到加工完成。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。