可在线更换磨削轮的砂带磨削机床的研制

李成群 付永领 贠 超 张习加 孙云权

(①北京航空航天大学机器人研究所，北京100083;②河北理工大学机械工程学院，河北唐山063000;③廊坊智通机器人系统有限公司，河北廊坊065001)

砂带磨削是根据工件形状，用相应的接触方式及高速运动的砂带对工件表面进行磨削和抛光的一种新工艺，并有“万能磨削”之称，它不仅能加工其它加工方法难以加工或不能加工的材料，而且还能加工复杂几何形状工件(如航空叶片、汽轮机叶片、高档水龙头等)［1～3］。近年来，机器人磨削加工引起了人们的关注，需要与之配套的砂带磨削机床，因此研制了可在线更换磨削轮的砂带磨削机床(以下简称砂带磨削机床)，以适应机器人自动磨削加工过程中，对不同直径磨削轮的需求。

1 砂带磨削机床的结构原理

砂带磨削机床由磨削轮转位机构、调偏机构、张紧机构、驱动轮和变频电动机等组成。磨削机器人的控制器通过现场总线与砂带磨削机床的控制器通讯。根据工件磨削工艺的要求，磨削机器人的控制器通过砂带磨削机床的控制器改变磨削方式和磨削参数。砂带磨削机床的控制器控制步进或伺服电动机驱动磨削轮转位机构，可改变两个磨削轮的位置，实现多种磨削形式的磨削。张紧机构由气缸推动安装张紧轮的摆杆，以适应磨削轮转位机构中由于磨削轮位置的改变而导致的张紧轮位置的改变。砂带磨削机床的控制器控制变频器改变变频电动机的转速，直接带动张紧轮驱动砂带运动进行磨削加工。

2 砂带磨削机床的磨削方式

砂带磨削机床磨削轮的位置由磨削轮转位机构控制，电动机(步进电动机或伺服电动机)驱动磨削轮转位机构旋转到指定磨削轮的位置，可实现磨削轮式磨削加工、自由式砂带磨削加工和压磨板式磨削加工。因此，磨削轮转位机构可实现砂带与工件之间的几种基本接触形式的磨削加工，并且根据磨削工艺要求，可在线改变砂带与工件之间的接触形式。从而最大限度满足机器人砂带磨削加工对接触方式的要求。

(1)磨削轮式磨削加工:当工件与磨削轮转位机构的磨削轮接触进行磨削时，可实现磨削轮式磨削方式，如图3所示。根据磨削工艺要求，安装不同直径的磨削轮。若在磨削轮轴的位置增加自动卡具，也可以在线更换磨削轮，实现多工位磨削轮式磨削加工。

(2)压磨板式磨削加工:在两个磨削轮之间安装压磨板，当磨削轮转位机构转动，使砂带在压磨板上滑动时，可实现压磨板式磨削加工，如图4所示。

(3)自由接触式磨削加工:当磨削轮转位机构转动，砂带位于两个磨削轮上时，工件直接与柔性的砂带接触，中间不用任何物体支撑砂带，可实现自由接触式磨削加工，如图5所示。

3 磨削力控制结构原理

砂带磨削机床的砂带磨削机构安装在变自由度平行四边形铰链四杆机构上，如图2所示。当机器人抓持工件与磨削轮未接触或磨削力小于设定的最大磨削力时，变自由度平行四边形铰链四杆机构与机架限位挡块接触，机构自由度为零，机构不动;当工件与磨削轮作用的磨削力大于设定的最大磨削力时，变自由度平行四边形铰链四杆机构与机架限位挡块脱开，机构自由度为1，磨削力作为主动力推动铰链四杆机构运动，并与气动比例阀控制气缸输出力平衡，组成磨削力控制系统。选用铰链四杆机构可以减小摩擦力对磨削力补偿的影响，提高磨削力控制的精度。砂带磨削机床的控制器中PLC的D/A模块输出0～10 V的电压根据机器人控制器的指令控制气动比例阀。气动比例阀控制气缸来设置砂带磨削机床的最大磨削力。

4 结语

本文讨论了在线更换磨削轮的砂带磨削机床的结构原理、磨削方式和磨削力控制的结构原理。该砂带磨削机床已应用于机器人磨削系统中，并已在国内外几家生产飞机叶片和高档水龙头厂家应用了两年多。实践证明，该系统操作方便，运行稳定可靠，自动化程度高。

1 朱凯旋，陈延君，黄云等.叶片形面砂带磨削技术的现状和发展趋势［J］.航空制造技术，2007(2):102 ～104

2 黄云，朱派龙.砂带磨削原理及其应用［M］.重庆:重庆大学出版社，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.机器人磨抛机床的机构及动力学研究［D］.北京:北京航空航天大学，2008.