一种切割打磨系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及工件的切割和打磨，具体涉及一种切割打磨系统及其控制方法。


背景技术：

2.一些工件，例如金属铸件的浇铸口，加工时需先切割再打磨切口。
3.上述的加工过程通常由两个机器人协同完成，其中一个机器人末端安装切割执行机构，例如切割机、激光切割器、线切割机等；另一个机器人末端安装打磨执行机构，例如砂轮机、砂带机、磨头电机等。加工时，工件固定在工作台上不动或变位机上随动，随后进行切割和打磨作业。该两个机器人，一个工作时，另一个闲置，造成制造资源浪费；而且占地大，投资成本高。
4.另一方面，工件材料不同，对应的切割和打磨工艺也不同。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的第一目的是提出一种以单个机器人实现切割打磨功能，并且能够适应不同材料工件对应的不同切割和打磨工艺的切割打磨系统，本发明的第二目的是提出该切割打磨系统的控制方法。
6.技术方案：本发明第一方面提供一种切割打磨系统，包括机器人和变位机，还包括换刀库，机器人末端安装有力控单元，力控单元上安装有高速电机和低速电机，两电机的主轴轴线平行，力控单元的浮动方向与所述两电机的主轴轴线垂直；两电机带有自动换刀机构，能够从换刀库中自动取放打磨头、切割片和标定尖端。
7.本发明结构紧凑，占地小，投资少。高速电机转速高、扭矩低，低速电机转速低、扭矩高，针对不同的工件材料，在切割或打磨时，可针对性地选用具有不同特性的电机，例如切割使用高速电机，打磨使用低速电机；或者切割使用低速电机，打磨使用高速电机；或者切割和打磨均使用高速电机；或者切割和打磨均使用低速电机；从而本发明能够实现不同切割打磨工艺的全覆盖，通用性强。此外，切割和打磨用的电机安装到机器人末端的力控单元上，利用力控单元能够降低刚性接触损坏的风险。
8.进一步地，机器人末端还安装有激光检测单元，用以检测工件的位姿及切割处的尺寸状态。
9.进一步地，力控单元为单轴恒力浮动型。
10.进一步地，高速电机转速≥12000r/min；低速电机转速≤5000r/min。
11.进一步地，所述自动换刀机构采用bt30刀柄气动换刀机构。
12.本发明第二方面提供一种切割打磨系统的控制方法，包括如下步骤：
13.(1)机器人工具坐标系标定，包括确定力控单元输出侧在机器人末端法兰中心坐标系中的浮动方向向量；
14.(2)以切割进给方向和打磨进给方向始终平行于所述浮动方向向量为前提，进行机器人切割轨迹示教和打磨轨迹示教；
15.(3)工件上料，激光检测单元获取工件的实际位姿，得到工件的实际数据；计算所述实际数据与预先获取的基准数据之间的尺寸偏差；
16.(4)基于所述尺寸偏差，对切割轨迹进行补偿后，对工件进行切割作业；
17.(5)基于所述尺寸偏差，对打磨轨迹进行补偿后，对工件进行打磨作业。
18.如前所述，本发明整合了切割和打磨功能，且适用不同材料的工件加工，通用性强。确定浮动方向向量能够保证力控单元位移方向平行于切割力方向，能够提供最优的缓冲效果，保证切割质量。
19.进一步地，步骤(1)包括：
20.(1-1)力控单元工作，其浮动方向力存在，力控单元上的高速电机和低速电机处于机器人末端法兰中心坐标系的第一位置；
21.(1-2)机器人从换刀库中取标定尖端，通过6点标定法，对高速电机进行工具坐标系的标定，得到工具坐标系o
1-x1y1z1；
22.(1-3)机器人从换刀库中取标定尖端，通过6点标定法，对低速电机进行工具坐标系的标定，得到工具坐标系o
2-x2y2z2；
23.(1-4)力控单元不工作，其浮动方向力消失，力控单元的输出侧浮动至极限位置处并机械锁定，力控单元上的高速电机和低速电机处于机器人末端法兰中心坐标系的第二位置；
24.(1-5)重复步骤(1-2)，得到高速电机在第二位置处的新的工具坐标系o
11-x
11y11z11
，即力控单元输出侧在机器人末端法兰中心坐标系中的浮动方向向量。
25.进一步地，步骤(2)中，在进行机器人切割轨迹示教和打磨轨迹示教时，设置关键参数，包括：(a)选择高速电机/低速电机；(b)取出切割片种类/打磨头种类；(c)选择切割转速/打磨转速；(d)选择机器人末端切割移动速度/打磨移动速度；上述(a)、(b)、(c)、(d)各自确定一种工艺数据，组合的(a)、(b)、(c)和(d)记为一组参数。
26.进一步地，对打磨轨迹示教的关键参数按照工艺顺序作跟随调整：打磨轨迹运行最后一遍之前磨削量优先，设置第一组参数；打磨轨迹运行最后一遍时磨削量少，设置第二组参数；缺陷修补，设置第三组参数。通过作业过程中工艺参数的适时跟随调整，提高了工件去除材料的效率和品质。
27.进一步地，步骤(4)中，以力控单元位移变化量以及电机切割力变化量双重判断切割作业是否完成，同时激光检测单元获取工件被切割处的尺寸状态，判断是否切割到位。
28.有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)结构紧凑，占地小，投资少，能够实现不同切割打磨工艺的全覆盖，通用性强；(2)通过确定浮动方向向量，能够保证力控单元位移方向平行于切割力方向，能够提供最优的缓冲效果，保证切割质量。
附图说明
29.图1是本技术实施例一种切割打磨系统结构示意图；
30.图2是本技术实施例切割打磨执行机构结构示意图；
31.图3是本技术实施例标定尖端结构示意图；
32.图4是本技术实施例工件切割打磨过程示意图。
33.附图标记：1，机器人；2，激光检测单元；3，工件；4，变位机；5，切割打磨执行机构；
501，高速电机；502，力控单元；503，低速电机；504，打磨头；505，切割片；506，标定尖端；6，换刀库。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
35.如图4所示，本实施例针对的工件3为阀座铸件，该阀座铸件根据浇铸材料不同，共有两种，一种是由铸铁材料浇铸而成(简称铸铁阀座)，另一种是由不锈钢材料浇铸而成(简称不锈钢阀座)。铸铁阀座和不锈钢阀座使用同样的模具铸造，除模具浇铸误差外，形状基本相同。阀座铸件上有浇铸口，浇铸口为实心金属圆柱，外径约80mm，长度约150mm，需要去除浇铸口。因浇铸口分布在阀座铸件的非平面上，因此选择图4所示的切割打磨作业流程，即先完成浇铸口的主要废料的切割，因切痕是平面，再基于切割后小余量废料进行打磨。
36.如图1和图2所示，为本实施例提供的一种切割打磨系统结构示意图，该切割打磨系统包括机器人1和变位机4。机器人1末端安装有激光检测单元2和切割打磨执行机构5，机器人1、变位机4和激光检测单元2采用市售通用产品。工件3安装在变位机4上。
37.切割打磨执行机构5包括力控单元502，该力控单元502为单轴恒力浮动型，安装在机器人1末端。在力控单元502上安装有高速电机501和低速电机503，高速电机501和低速电机503二者的主轴轴线平行，力控单元502的浮动方向垂直于高速电机501主轴轴线。
38.高速电机501，转速≥12000r/min，带有自动换刀机构。低速电机503，转速≤5000r/min，主要由伺服电机或低速大扭矩电机直连自动换刀机构组成，该低速电机503对比高速电机501，其在低转速下扭矩更大。本实施例中，自动换刀机构采用市售通用的bt30刀柄气动换刀机构。高速电机501和低速电机503利用自动换刀机构能够从换刀库6中取放切割片505、打磨头504和标定尖端506，所述取放的“取”指将换刀库6中的切割片505、打磨头504或标定尖端506安装到自动换刀机构上，所述取放的“放”指将自动换刀机构上的切割片505、打磨头504或标定尖端506卸到换刀库6中。如图3所示，标定尖端506便是固定在bt30刀柄上，并依行业规范通过bt30刀柄夹被放置在换刀库6中等待取用。
39.本实施例还提供一种上述切割打磨系统的控制方法，该控制方法具体包括如下的步骤：
40.步骤1、将经人工切割、打磨并检验合格的工件3成品(即阀座铸件成品)固定在变位机4上，作为基准工件；
41.步骤2、力控单元502工作，其浮动方向力存在，力控单元502上的高速电机501和低速电机503处于机器人1末端法兰中心坐标系的第一位置；
42.步骤3、机器人1从换刀库6中取标定尖端506，通过6点标定法，对高速电机501进行工具坐标系的标定，得到工具坐标系o
1-x1y1z1；该6点标定法为机器人行业常用标定方法；
43.步骤4、机器人1从换刀库6中取标定尖端506，通过6点标定法，对低速电机503进行工具坐标系的标定，得到工具坐标系o
2-x2y2z2；
44.步骤5、力控单元502不工作，其浮动方向力消失，人工移动力控单元502的输出侧浮动至极限位置处并机械锁定，力控单元502上的高速电机501和低速电机503处于机器人1末端法兰中心坐标系的第二位置；
45.步骤6、重复步骤3，得到高速电机501在步骤5中的第二位置处进行的工具坐标系
的标定，得到新的工具坐标系为o
11-x
11y11z11
，即是力控单元502输出侧在机器人1末端法兰中心坐标系中的浮动方向向量，此关键工艺指标参数化完成；人工解除力控单元502的输出侧的临时机械锁定，力控单元502工作；机器人1工具坐标系标定完成；
46.步骤7、设置切割进给的方向始终平行为前提，完成机器人1切割轨迹示教；设置打磨进给的方向始终平行为前提，即打磨过程中打磨头504行走的轨迹方向垂直完成机器人1打磨轨迹示教；
47.步骤8、根据工件3的材料性质，对步骤7中的切割轨迹示教和打磨轨迹示教设置关键参数，包括：(a)选择高速电机501轴/低速电机503；(b)取出切割片505种类/打磨头504种类；(c)选择切割转速/打磨转速；(d)选择机器人1末端切割移动速度/打磨移动速度；上述(a)、(b)、(c)、(d)各自确定一种工艺数据，组合的(a)、(b)、(c)和(d)记为一组参数；
48.对切割轨迹示教设置关键参数：本实施例中对铸铁阀座和不锈钢阀座各自采用一种切割片505类型，分别为金属冷切锯片和钎焊金刚石锯片；
49.对铸铁阀座设置切割轨迹示教关键参数如下：机器人1通过低速电机503取出金属冷切锯片，金属冷切锯片外径300mm，转速范围在100r/min到3000r/min，机器人1末端切割移动速度(即切割作业时，切割片505圆心的进给速度)范围在0.01m/min到0.2m/min；
50.对不锈钢阀座设置切割轨迹示教关键参数如下：机器人1通过高速电机501取出钎焊金刚石锯片，钎焊金刚石锯片外径300mm，转速范围在5000r/min到12000r/min，机器人1末端切割移动速度范围在0.01m/min到0.05m/min；
51.对打磨轨迹示教设置关键参数：本实施例中对铸铁阀座和不锈钢阀座设置打磨轨迹示教的关键参数相同，但为了提高打磨效率，按照工艺顺序作跟随调整，具体见步骤9；
52.步骤9、对步骤8中打磨轨迹示教的关键参数按照工艺顺序作跟随调整：打磨轨迹运行最后一遍之前磨削量优先，设置第一组上述参数：机器人1通过高速电机501取出钎焊金刚石砂轮，钎焊金刚石砂轮外径150mm，转速范围在6000r/min到13000r/min，机器人1末端打磨移动速度(即打磨作业时，打磨头504圆心沿着示教的轨迹行走的速度)在范围0.05m/min到0.15m/min；打磨轨迹运行最后一遍时磨削量少，设置第二组上述参数：除机器人1末端打磨移动速度在范围0.15m/min到0.3m/min外与第一组上述参数相同；因金属磨削产生的飞边缺陷，需要再进行缺陷修补，即旋转打磨去金属飞边，因磨削量小，旋转去金属飞边时需要的扭矩也小，设置第三组上述参数：机器人1通过高速电机501取出金属百叶轮，金属百叶轮外径150mm，转速范围在2000r/min到8000r/min，机器人1末端打磨移动速度在范围0.1m/min到0.3m/min；机器人1轨迹示教完成；
53.对步骤9中关键参数按照工艺顺序作跟随调整的是很有必要的，打磨头504寿命与打磨效率两个指标不可能兼得，同样打磨头504压力恒定下，沿轨迹打磨速度太快磨削量少，且增加磨粒的切削负荷，运行轨迹一遍的时间减少，完成打磨的轨迹运行遍数增多，沿轨迹打磨速度太慢容易烧伤工件，因此各关键工艺参数平衡适合最好。本实施例中工件3的浇铸口尺寸较大，打磨一遍运行时间基数大，如果待磨削量已剩不多，大比例或成倍提高打磨移动速度，将节省大量节拍时间，因此关键参数按照工艺顺序作跟随调整十分必要，本发明中的切割打磨系统能够很好的满足设置大范围工艺参数的硬件需求；
54.步骤10、激光检测单元2工作，获取基准工件的位姿(即位置和姿态)，得到工件3的基准数据；
55.步骤11、开始自动切割打磨作业：第k(k＝1,2,3
····
)个工件3上料，激光检测单元2自动工作，获取工件3的实际位姿，得到工件3的第k组实际数据，第k组实际数据与步骤10中的基准数据对比，计算尺寸偏差；
56.步骤12、基于步骤11中的尺寸偏差，对步骤7中的切割轨迹补偿后，对工件3进行切割作业，去除主要废料；其中以力控单元502位移变化量以及电机切割力变化量双重判断切割作业是否完成，以及切割片505刀刃是否损坏；激光检测单元2自动工作，获取工件3被切割处的尺寸状态，判断是否切割到位，切割到位后进行打磨作业准备；
57.对步骤12中判断切割作业是否完成，以及切割片505刀刃是否损坏，具体为：切割作业进行时，切割片505进给受到反作用力，切割作业完成时，所述的反作用力消失，力的变化传递到力控单元502上表现为力控单元502在浮动方向发生位移量变化；切割作业进行时，切割片505切割受到反作用力，切割作业完成时，所述的反作用力消失，力的变化传递到高速电机501轴/低速电机503上表现为电机旋转发生受力变化；切割作业进行时，切割片505刀刃损坏，崩刃情况因为有力控单元502缓冲作用比较少出现，传递到高速电机501轴/低速电机503上表现为电机旋转发生受力变化，刀刃磨损情况比较普遍出现，会出现切割片505切不动原地打滑的情况，传递到力控单元502上表现为力控单元502在浮动方向发生位移量变化；所述的位移和受力变化直接在控制系统中作通用逻辑判断处理即可。
58.步骤13、基于步骤11中的尺寸偏差，对步骤7中的打磨轨迹补偿后，进行工件3切割后小余量废料的打磨作业；完成第k个工件3的切割打磨作业，工件3成品下料；
59.步骤14、下一个工件3上料，重复步骤11至步骤13。