阅读说明：本技术 一种叶片型面机器人磨抛自适应加工系统及方法 (Blade profile grinding and polishing self-adaptive machining system and method through robot ) 是由 严思杰 杨泽源 徐小虎 庞国鑫 叶松涛 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工系统,包括磨抛单元,包括工业机器人(6)及设于该工业机器人(6)作业半径范围之内的磨抛机(1),力控单元,包括设于所述工业机器人(6)末端的六维力传感器(4),控制单元,包括设于所述工业机器人(6)作业范围之外的机器人控制柜(7),测量反馈单元,包括线结构光在线测量装置(10),用于测量磨抛后叶片的型面点云数据并完成CAD模型重构。本发明还公开了一种加工方法。本发明的自适应加工系统,通过机器人和线结构光在线测量装置的协同作业,实现叶片“测量-加工-监控”一体化,极大提高了叶片加工质量与效率,有效控制叶片型面加工的一致性和成品率。(The invention discloses an abrasive belt grinding and polishing self-adaptive processing system of a blade profile robot, which comprises a grinding and polishing unit, a force control unit and a control unit, wherein the grinding and polishing unit comprises an industrial robot (6) and a grinding and polishing machine (1) arranged in the working radius range of the industrial robot (6), the force control unit comprises a six-dimensional force sensor (4) arranged at the tail end of the industrial robot (6), the control unit comprises a robot control cabinet (7) arranged outside the working range of the industrial robot (6), and the measurement feedback unit comprises a linear structure light online measurement device (10) for measuring profile point cloud data of a blade after grinding and polishing and finishing CAD model reconstruction. The invention also discloses a processing method. The self-adaptive processing system realizes the integration of blade measurement, processing and monitoring through the cooperative operation of the robot and the line structured light online measuring device, greatly improves the processing quality and efficiency of the blade, and effectively controls the consistency and yield of the processing of the blade profile.)

一种叶片型面机器人磨抛自适应加工系统及方法

技术领域

本发明属于叶片机器人磨抛加工技术领域，更具体地，涉及一种叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工系统及方法。

背景技术

航空发动机叶片作为工业皇冠上的明珠，是典型的高精度自由曲面零件，需要承受高温高压等极其苛刻的工作环境，其表面轮廓的精度直接影响着发动机的性能。因此，叶片在经过数控加工后，需要进行磨抛形成高质量的型面，目前国内叶片打磨的主要方式是手工打磨和数控机床打磨，手工打磨存在工人劳动强度大、叶片成型质量不稳定等问题，数控机床打磨精度比较高，但是价格高昂且柔性差。

机器人叶片磨抛已经发展有近十年，但受限于测量手段与精度要求，仍存在人工参与度高、无法形成有效闭环反馈、型面测量检测难等问题。专利文献CN105290926A叶片智能磨削柔性制造系统，公开了一种磨削系统虽然实现了叶片磨削的自动化，但是由于采用数控磨床进行磨削，存在系统柔性不足的问题，叶片不能一次装夹就完成加工，且成本高昂。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工系统及方法，通过机器人和线结构光在线测量装置的协同作业，实现叶片“测量-加工-监控”一体化，极大提高了叶片加工质量与效率，有效控制叶片型面加工的一致性和成品率。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工系统，包括：

磨抛单元，包括工业机器人及设于该工业机器人作业半径范围之内的磨抛机，所述工业机器人末端夹持叶片，并确保所述叶片的型面与所述磨抛机的砂带接触；

力控单元，包括设于所述工业机器人末端的六维力传感器，该六维力传感器用于实时测量叶片与砂带之间的接触力；

控制单元，包括设于所述工业机器人作业范围之外的机器人控制柜，该机器人控制柜根据所述接触力控制所述工业机器人按照规划路径和选取的加工参数对叶片进行磨抛加工；

测量反馈单元，包括线结构光在线测量装置，用于测量磨抛后叶片的型面点云数据并完成CAD模型重构，并将测量结果反馈给所述机器人控制柜，实现叶片的测量、加工、控制一体化。

进一步地，所述控制单元包括中控操作台，该中控操作台用于对所述测量反馈单元、六维力传感器的测量信息、所述磨抛单元的加工信息进行控制。

进一步地，所述测量反馈单元包括探针及其支架，该探针及其支架固定安装在地面上，用于对叶片的坐标系进行标定。

进一步地，所述磨抛单元包括气动夹具，该气动夹具设于所述六维力控传感器末端。

进一步地，该加工系统包括供料单元，该供料单元包括叶片物料车，叶片物料车设于所述工业机器人可达到的范围内。

进一步地，所述磨抛机固定安装在地面上，用于实现对叶片的粗磨、精磨、进排气边打磨和抛光。

进一步地，所述磨抛机包括主动轮、张紧轮、砂带和接触轮组成，通过TCP/IP协议连接到中控操作台，通过所述中控操作台控制磨抛机的启停时间和砂带速度。

按照本发明的另一个方面，提供一种叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工方法，包括如下步骤：

S100：完成叶片物料车、磨抛机、线结构光在线测量装置以及压气机叶片的标定；

S200：实现工业机器人自动夹持压气机叶片，并运动至线结构光在线测量装置进行测量获取压气机叶片的型面点云数据，并传输至中控操作台；

S300：中控操作台中的上位机软件先对点云数据进行平滑、去噪、修剪等初步处理，再进行栅格化与NURBS曲面拟合完成CAD模型快速重构，将实际CAD模型与理论CAD模型进行比对，提取出需要磨抛的待加工区域，在原有磨抛轨迹中提取出待加工区域的磨抛轨迹，并将其传输至工业机器人；

S400：根据待加工区域的参数在工艺数据库中自动选取最佳的加工参数，并将此次加工参数作为工艺数据库的历史数据不断地对工艺数据库进行优化更新，工业机器人夹持压气机叶片针对带加工区域进行打磨；

S500：一次磨抛完成后，工业机器人夹持压气机叶片再次移动到测量位置，测量装置再次对压气机叶片进行测量，检测压气机叶片是否合格。

进一步地，还包括通过离线编程对工业机器人完成自动夹持轨迹规划、测量轨迹规划、磨抛轨迹规划以及过渡路径轨迹规划的步骤。

进一步地，S中检测包括如下步骤：

S501：若合格，则机器人执行放置压气机叶片指令，并夹取下一片压气机叶片；

S502：否则，工业机器人再次夹持压气机叶片针对待加工区域再次加工。

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.本发明的自适应加工系统，通过机器人和线结构光在线测量装置的协同作业，实现叶片“测量-加工-监控”一体化，极大提高了叶片加工质量与效率，有效控制叶片型面加工的一致性和成品率。

2.本发明的自适应加工系统，使用机器人夹持叶片进行打磨，具有自动化程度高、柔顺性好、加工效率高的特点，有效改善压气机叶片打磨抛光的工作环境，显著降低了工人的劳动强度。

3.本发明的自适应加工系统，适用于多种规格叶片的柔性磨削与检测，得益于本系统打磨与检测的高效性，能够很好地满足多种规格、大批量叶片的加工要求。

4.本发明的自适应加工系统，六维力控传感器安装于工业机器人的末端，通过控制叶片与磨抛机的法向恒力接触，进而控制材料去除量，保证磨抛均匀与产品加工的一致性。

附图说明

图1为本发明实施例叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中磨抛机的结构示意图；

图3为本发明实施例中叶片物料车结构示意图；

图4为本发明实施例机器人控制柜的结构示意图；

图5为本发明实施例中控操作台的结构示意图；

图6为本发明实施例中线结构光在线测量装置的结构示意图。

图7为本发明实施例叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工系统的工作流程图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-磨抛机、2-压气机叶片、3-气动夹具、4-六维力控传感器、5-叶片物料车、6-工业机器人、7-机器人控制柜、8-中控操作台、9-探针及其支架、10-线结构光在线测量装置。

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。

图1为本发明实施例叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工系统包括磨抛机1、压气机叶片2、气动夹具3、六维力控传感器4、叶片物料车5、工业机器人6、机器人控制柜7、中控操作台8、探针及其支架9、线结构光在线测量装置10。其中，所述磨抛机1固定安装在地面上，负责压气机叶片2的粗磨、精磨、进排气边打磨和抛光。如图2所示，磨抛机1由主动轮、张紧轮、砂带和接触轮组成，通过TCP/IP协议连接到中控操作台8，通过中控操作台8控制磨抛机1的启停时间、砂带速度等。气动夹具3安装于六维力控传感器4末端，主要用于辅助压气机叶片2的快速装夹。六维力控传感器4安装于工业机器人6的末端，实现磨抛过程中的恒力控制与力信息采集及反馈。所述恒力控制是指通过控制叶片与磨抛机的法向恒力接触，进而控制材料去除量，保证磨抛均匀与产品加工的一致性。

此外，所述叶片物料车5设于工业机器人6可达到的范围内，主要用于压气机叶片2的存放，能够使叶片的装夹更加高效与准确。如图3所示，叶片物料车由有两个叶片存放区，其中一个区域存放待加工的叶片，另一个区域存放加工完成的叶片，能够很大程度地提高叶片的装夹速度。工业机器人6是系统主要执行单元，负责带动叶片按照规划好的轨迹进行测量、打磨等。

进一步地，如图1所示，所述机器人控制柜7设于叶片物料车5一侧，用于生成机器人移动控制指令，如图4所示，机器人控制柜通过TCP/IP协议与中控操作台连接到一起，可以根据中控操作台在线规划的路径控制工业机器人6带动压气机叶片2按照规划路径进行精确打磨。

如图5所示，所述中控操作台8通过TCP/IP协议与磨抛机1、机器人控制柜7、线结构光在线测量装置10连接到一起，对系统中的测量信息、检测信息、加工信息进行有效监控，实现叶片“测量-加工-监控”一体化。首先控制工业机器人6按照工作前的轨迹规划快速定位到叶片物料车5处夹取压气机叶片2并带动叶片至线结构光在线测量装置10处进行测量，根据测量所得点云数据完成CAD模型快速重构，并与理论模型进行匹配，提取出需要磨抛的待加工区域，在原有磨抛轨迹中提取出待加工区域的磨抛轨迹，并将其传输至工业机器人6。接着根据待加工区域的参数在工艺数据库中自动选取最佳的加工参数，并将此次加工参数作为工艺数据库的历史数据不断地对工艺数据库进行优化更新。最后通过机器人控制柜7控制工业机器人6带动压气机叶片2按照规划路径和选取的加工参数进行打磨，完成一次完整的打磨程序后，工业机器人6夹持压气机叶片2再次移动到测量位置，测量装置再次对压气机叶片2进行测量，检测压气机叶片2是否合格。若合格，则工业机器人6执行放置压气机叶片2指令，并夹取下一片压气机叶片2；否则，工业机器人6再次夹持压气机叶片2针对待加工区域再次加工。

进一步地，如图6所示，所述探针及其支架9固定安装在地面上，用于工件坐标系的标定。所述线结构光在线测量装置10固定安装在地面上，主要用于压气机叶片2的快速、精确测量。

如图7所示，本发明的另一个实施例提供一种叶片型面机器人砂带磨抛自适应加工方法，包括如下步骤：

步骤1：系统工作前，首需要完成叶片物料车5、磨抛机1、线结构光在线测量装置10以及压气机叶片2的标定。通过离线编程对工业机器人6完成自动夹持轨迹规划、测量轨迹规划、磨抛轨迹规划以及过渡路径轨迹规划，实现工业机器人6自动夹持压气机叶片2，并运动至线结构光在线测量装置10进行测量获取压气机叶片2的型面点云数据。

步骤2：系统工作时，中控操作台8控制工业机器人6按照工作前的轨迹规划夹取压气机叶片2并测量，线结构光在线测量装置10将压气机叶片2型面点云数传输至中控操作台8。中控操作台8中的上位机软件先对点云数据进行平滑、去噪、修剪等初步处理，再进行栅格化与NURBS曲面拟合完成CAD模型快速重构，将实际CAD模型与理论CAD模型进行比对，提取出需要磨抛的待加工区域，在原有磨抛轨迹中提取出待加工区域的磨抛轨迹，并将其传输至工业机器人6。

步骤3：根据待加工区域的参数在工艺数据库中自动选取最佳的加工参数，并将此次加工参数作为工艺数据库的历史数据不断地对工艺数据库进行优化更新。工业机器人6夹持压气机叶片2针对带加工区域进行打磨，一次磨抛完成后，工业机器人6夹持压气机叶片2再次移动到测量位置，测量装置再次对压气机叶片2进行测量，检测压气机叶片2是否合格。若合格，则机器人执行放置压气机叶片2指令，并夹取下一片压气机叶片2；否则，工业机器人6再次夹持压气机叶片2针对待加工区域再次加工。实现了压气机叶片2磨抛的自适应加工，形成“测量-加工-监控”一体化，极大的提高了叶片加工质量与效率，有效的控制叶片型面加工的一致性和成品率。

本发明的技术方案使用机器人夹持叶片进行打磨，具有自动化程度高、柔顺性好、加工效率高的特点，有效改善压气机叶片打磨抛光的工作环境，显著降低了工人的劳动强度。整个系统通过机器人和线结构光在线测量装置的协同作业，实现叶片“测量-加工-监控”一体化，极大提高了叶片加工质量与效率，有效控制叶片型面加工的一致性和成品率。同时本发明适用于多种规格叶片的柔性磨削与检测，得益于本系统打磨与检测的高效性，能够很好地满足多种规格、大批量叶片的加工要求。

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，并不用于限制本发明，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。