一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置及方法

1.本发明涉及超精密研抛领域，特别是涉及一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置及方法。


背景技术：

2.磁流变抛光作为一门新兴的柔性抛光技术，因其具有可控的柔性，越来越受到抛光行业专家们的青睐，但仍存在较多的不足，尤其是针对圆盘类工件抛光。对于磁场的控制主要通过控制抛光间隙实现，但由于圆盘类工件抛光时其线速度存在梯度，根据传统的preston去除公式计算可知，其去除量mrr也会存在梯度变化，因此抛光后的圆盘类工件表面很容易出现工件表面材料去除不均匀现象，抛光精度不理想。
3.因此，亟需提供一种新的抛光装置或方法以解决工件表面材料去除不均匀的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置及方法，能够解决工件表面材料去除不均匀的问题，进而提高抛光精度。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置，包括：纺锤式抛光头、气动旋转三爪卡盘、工作台、机器人底座、机器人本体、l型连接板、主轴电机固定座、主轴电机、压电泵、导管、导管固定夹、同步轮、同步带、挡板、传动轴以及回转顶针；
7.所述机器人本体安装于所述机器人底座上；
8.所述机器人本体的末端通过l型连接板与主轴电机固定座连接；
9.所述主轴电机安装在所述主轴电机固定座上；所述主轴电机用于提供抛光动力；
10.所述主轴电机的输出轴安装所述同步轮；
11.所述同步轮通过同步带将动力传递给所述传动轴；
12.所述传动轴与所述纺锤形抛光头的一端连接；所述纺锤形抛光头的另一端与回转顶针连接；
13.所述挡板安装在纺锤形抛光头的斜上方；所述挡板用于遮挡抛光时甩出的磁流变抛光液；
14.所述压电泵安装在所述l型连接板的侧面，且安装在所述主轴电机的下方；
15.所述压电泵的进口和出口均连接有导管；所述导管用于输送磁流变抛光液；
16.所述导管固定架用于将所述压电泵出口的导管的中间段固定在所述挡板上；
17.所述导管的末端设置在所述纺锤式抛光头和圆盘类工件之间；
18.所述气动旋转三爪卡盘安装在工作台的上方；所述气动旋转三爪卡盘用于夹持圆盘类工件，并在气源作用下实现圆盘类工件的旋转运动。
19.可选地，所述纺锤式抛光头的材料为永磁铁。
20.可选地，还包括：轴承座；
21.所述轴承座分别与所述传动轴和所述回转顶针连接。
22.一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光方法，应用于所述的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置，所述机器人抛光方法包括:
23.获取待抛光的圆盘类工件的表面形貌特征参数；所述表面形貌特征参数包括：表面粗糙度和平面度；
24.根据待抛光的圆盘类工件的表面形貌特征参数以及成品工件的表面形貌特征参数确定待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量；
25.根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度；所述影响参数包括：梯度磁场强度以及纺锤形抛光头半径；所述基本参数包括：磨程、去除面积以及待抛光的圆盘类工件的硬度；所述磁流变抛光液的参数包括：剪切应力、屈服应力、磁流变抛光液中磁性微粒的体积比浓度、真空磁导率、基液的磁导率以及磁性微粒的磁导率；
26.根据纺锤式抛光头的磁场强度，将纺锤式抛光头的梯度磁场最强的区域对准待抛光的圆盘类工件的圆心；将纺锤式抛光头梯度磁场最弱的区域对准待抛光的圆盘类工件的最外沿区域；沿待抛光的圆盘类工件的直径方向放置纺锤式抛光头，使得纺锤式抛光头的中心轴向横截面与待抛光的圆盘类工件的直径共面；
27.根据抛光间隙确定纺锤式抛光头路径移动轨迹；根据待抛光的圆盘类工件的角速度确定气动旋转三爪卡盘的角速度。
28.可选地，所述根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度，之前还包括：
29.利用磁场仿真数据进行多项式拟合得到磁场强度关于坐标x的函数关系；
30.通过流变仪测量实验数据拟合得到相同工况下抛光液的剪切应力和屈服应力。
31.可选地，所述根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度，具体包括：
32.利用公式确定待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度；
33.其中，h为去除深度，k为无量纲磨损去除系数，p为待抛光的圆盘类工件表面受到的正压力，s为磨程，a为磁流抛光液工作区与待抛光的圆盘类工件表面的去除面积，h1为圆盘类工件表面的硬度。
34.可选地，所述根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度，具体包括：
35.利用公式确定待抛光的圆盘类工件表面受到的正压力；
36.其中，p为待抛光的圆盘类工件表面受到的正压力，η0为磁流抛光液初始黏度，v＝ω2·
r为待抛光的圆盘类工件的线速度，x为坐标轴，r为纺锤形抛光头的半径，φ为磁流抛光液中磁性微粒的体积比浓度，μ0为真空磁导率，μf为基液的磁导率，μ
p
为磁性微粒的磁导率，h为梯度磁场强度，α为待抛光的圆盘类工件表面上某点与纺锤式抛光头曲率中心的连线和z轴的夹角，h
m0
为压力极大值到待抛光的圆盘类工件的距离。
37.可选地，所述根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度，具体包括：
38.利用公式确定压力极大值到待抛光的圆盘类工件的距离；
39.其中，τ为剪切应力，τ0(h)为屈服应力。
40.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
41.本发明所提供的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置及方法，所述机器人本体安装于所述机器人底座上；所述机器人本体的末端通过l型连接板与主轴电机固定座连接；所述主轴电机安装在所述主轴电机固定座上；所述主轴电机用于提供抛光动力；所述主轴电机的输出轴安装所述同步轮；所述同步轮通过同步带将动力传递给所述传动轴；所述传动轴与所述纺锤形抛光头的一端连接；所述纺锤形抛光头的另一端与回转顶针连接；所述挡板安装在纺锤形抛光头的斜上方；所述挡板用于遮挡抛光时甩出的磁流变抛光液；所述压电泵安装在所述l型连接板的侧面，且安装在所述主轴电机的下方；所述压电泵的进口和出口均连接有导管；所述导管用于输送磁流变抛光液；所述导管固定架用于将所述压电泵出口的导管的中间段固定在所述挡板上；所述导管的末端设置在所述纺锤式抛光头和圆盘类工件之间；所述气动旋转三爪卡盘安装在工作台的上方；所述气动旋转三爪卡盘用于夹持圆盘类工件，并在气源作用下实现圆盘类工件的旋转运动，本发明能够解决工件表面材料去除不均匀的问题，进而提高抛光精度。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为本发明所提供的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置结构示意图；
44.图2为纺锤式抛光头梯度磁场分布形态示意图；
45.图3为纺锤式抛光头对圆盘类工件的抛光去除工作原理示意图。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.本发明的目的是提供一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置及方法，能够解决工件表面材料去除不均匀的问题，进而提高抛光精度。
48.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
49.图1为本发明所提供的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置结构示意图，图3为纺锤式抛光头1对圆盘类工件3的抛光去除工作原理示意图，如图1和图3所示，本发明所提供的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置，包括：纺锤式抛光头1、气动旋转三爪卡盘4、工作台5、机器人底座6、机器人本体7、l型连接板8、主轴电机固定座9、主轴电机10、压电泵11、导管12、导管固定夹13、同步轮15、同步带16、挡板17、传动轴18以及回转顶针19；
50.所述机器人本体7安装于所述机器人底座6上；
51.所述机器人本体7的末端通过l型连接板8与主轴电机固定座9连接；
52.所述主轴电机10安装在所述主轴电机固定座9上；所述主轴电机10用于提供抛光动力；
53.所述主轴电机10的输出轴安装所述同步轮15；
54.所述同步轮15通过同步带16将动力传递给所述传动轴18；
55.所述传动轴18与所述纺锤形抛光头的一端连接；所述纺锤形抛光头的另一端与回转顶针19连接；
56.所述挡板17安装在纺锤形抛光头的斜上方；所述挡板17用于遮挡抛光时甩出的磁流变抛光液2；
57.所述压电泵11安装在所述l型连接板8的侧面，且安装在所述主轴电机10的下方；压电泵11通过施加电压控制导管1212输送磁流变抛光液2，实现磁流变抛光液2回收再利用；
58.所述压电泵11的进口和出口均连接有导管12；所述导管12用于输送磁流变抛光液2；
59.所述导管12固定架用于将所述压电泵11出口的导管12的中间段固定在所述挡板17上；
60.所述导管12的末端设置在所述纺锤式抛光头1和圆盘类工件3之间；
61.所述气动旋转三爪卡盘4安装在工作台5的上方；所述气动旋转三爪卡盘4用于夹持圆盘类工件3，并在气源作用下实现圆盘类工件3的旋转运动。
62.所述纺锤式抛光头1的材料为永磁铁。
63.本发明所提供的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置，还包括：轴承座14；
64.所述轴承座14分别与所述传动轴18和所述回转顶针19连接。
65.本发明所提供的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光方法，应用于所述的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置，所述机器人抛光方法包括:
66.s101，获取待抛光的圆盘类工件3的表面形貌特征参数；所述表面形貌特征参数包括：表面粗糙度和平面度；
67.s102，根据待抛光的圆盘类工件3的表面形貌特征参数以及成品工件的表面形貌特征参数确定待抛光的圆盘类工件3表面各点对应的去除深度和去除量；
68.s103，根据纺锤式抛光头1的影响参数、磁流变抛光液2的参数、待抛光的圆盘类工件3的基本参数以及待抛光的圆盘类工件3表面各点对应的去除深度和去除量确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件3的角速度；所述影响参数包括：梯度磁场强度以及纺锤形抛光头半径；所述基本参数包括：磨程、去除面积以及待抛光的圆盘类工件3的硬度；所述磁流变抛光液2的参数包括：剪切应力、屈服应力、磁流变抛光液2中磁性微粒的体积比浓度、真空磁导率、基液的磁导率以及磁性微粒的磁导率；
69.s104，根据纺锤式抛光头1的磁场强度，将纺锤式抛光头1的梯度磁场最强的区域对准待抛光的圆盘类工件3的圆心；将纺锤式抛光头1梯度磁场最弱的区域对准待抛光的圆盘类工件3的最外沿区域；沿待抛光的圆盘类工件3的直径方向放置纺锤式抛光头1，使得纺锤式抛光头1的中心轴向横截面与待抛光的圆盘类工件3的直径共面，即起到梯度磁场磁压补偿圆盘类工件3的线速度梯度变化，进而使得抛光压力始终处于动态平衡，保持稳定阈值。
70.考虑圆盘类工件3的角速度ω2，以及产生的线速度v＝ω2·
r，考虑由圆心沿径向的线速度的线性梯度变化，纺锤式抛光头1产生的梯度磁场如图2所示。
71.s105，根据抛光间隙确定纺锤式抛光头1路径移动轨迹；根据待抛光的圆盘类工件3的角速度确定气动旋转三爪卡盘4的角速度。
72.s103之前还包括：
73.利用磁场仿真数据进行多项式拟合得到磁场强度关于坐标x的函数关系；
74.h＝ax4+bx3+cx2+dx+e；
75.其中，a、b、c、d、e均为拟合系数。
76.通过流变仪测量实验数据拟合得到相同工况下抛光液的剪切应力和屈服应力。
77.s103，具体包括：
78.利用公式确定待抛光的圆盘类工件3表面各点对应的去除深度；
79.其中，h为去除深度，k为无量纲磨损去除系数，p为待抛光的圆盘类工件3表面受到的正压力，s为磨程，a为磁流抛光液工作区与待抛光的圆盘类工件3表面的去除面积，h1为圆盘类工件3表面的硬度。
80.利用公式确定待抛光的圆盘类工件3表面受到的正压力；
81.其中，p为待抛光的圆盘类工件3表面受到的正压力，η0为磁流抛光液初始黏度，v＝ω2·
r为待抛光的圆盘类工件3的线速度，x为坐标轴，r为纺锤形抛光头的半径，φ为磁流抛光液中磁性微粒的体积比浓度，μ0为真空磁导率，μf为基液的磁导率，μ
p
为磁性微粒的
磁导率，h为梯度磁场强度，α为待抛光的圆盘类工件3表面上某点与纺锤式抛光头1曲率中心的连线和z轴的夹角，h
m0
为压力极大值到待抛光的圆盘类工件3的距离。
82.利用公式确定压力极大值到待抛光的圆盘类工件3的距离；
83.其中，τ为剪切应力，τ0(h)为屈服应力。
84.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
85.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置，其特征在于，包括：纺锤式抛光头、气动旋转三爪卡盘、工作台、机器人底座、机器人本体、l型连接板、主轴电机固定座、主轴电机、压电泵、导管、导管固定夹、同步轮、同步带、挡板、传动轴以及回转顶针；所述机器人本体安装于所述机器人底座上；所述机器人本体的末端通过l型连接板与主轴电机固定座连接；所述主轴电机安装在所述主轴电机固定座上；所述主轴电机用于提供抛光动力；所述主轴电机的输出轴安装所述同步轮；所述同步轮通过同步带将动力传递给所述传动轴；所述传动轴与所述纺锤形抛光头的一端连接；所述纺锤形抛光头的另一端与回转顶针连接；所述挡板安装在纺锤形抛光头的斜上方；所述挡板用于遮挡抛光时甩出的磁流变抛光液；所述压电泵安装在所述l型连接板的侧面，且安装在所述主轴电机的下方；所述压电泵的进口和出口均连接有导管；所述导管用于输送磁流变抛光液；所述导管固定架用于将所述压电泵出口的导管的中间段固定在所述挡板上；所述导管的末端设置在所述纺锤式抛光头和圆盘类工件之间；所述气动旋转三爪卡盘安装在工作台的上方；所述气动旋转三爪卡盘用于夹持圆盘类工件，并在气源作用下实现圆盘类工件的旋转运动。2.根据权利要求1所述的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置，其特征在于，所述纺锤式抛光头的材料为永磁铁。3.根据权利要求1所述的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置，其特征在于，还包括：轴承座；所述轴承座分别与所述传动轴和所述回转顶针连接。4.一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光方法，应用于权利要求1-3任意一项所述的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置，其特征在于，所述机器人抛光方法包括:获取待抛光的圆盘类工件的表面形貌特征参数；所述表面形貌特征参数包括：表面粗糙度和平面度；根据待抛光的圆盘类工件的表面形貌特征参数以及成品工件的表面形貌特征参数确定待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量；根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度；所述影响参数包括：梯度磁场强度以及纺锤形抛光头半径；所述基本参数包括：磨程、去除面积以及待抛光的圆盘类工件的硬度；所述磁流变抛光液的参数包括：剪切应力、屈服应力、磁流变抛光液中磁性微粒的体积比浓度、真空磁导率、基液的磁导率以及磁性微粒的磁导率；根据纺锤式抛光头的磁场强度，将纺锤式抛光头的梯度磁场最强的区域对准待抛光的圆盘类工件的圆心；将纺锤式抛光头梯度磁场最弱的区域对准待抛光的圆盘类工件的最外沿区域；沿待抛光的圆盘类工件的直径方向放置纺锤式抛光头，使得纺锤式抛光头的中心轴向横截面与待抛光的圆盘类工件的直径共面；
根据抛光间隙确定纺锤式抛光头路径移动轨迹；根据待抛光的圆盘类工件的角速度确定气动旋转三爪卡盘的角速度。5.根据权利要求4所述的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光方法，其特征在于，所述根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度，之前还包括：利用磁场仿真数据进行多项式拟合得到磁场强度关于坐标x的函数关系；通过流变仪测量实验数据拟合得到相同工况下抛光液的剪切应力和屈服应力。6.根据权利要求5所述的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光方法，其特征在于，所述根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度，具体包括：利用公式确定待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度；其中，h为去除深度，k为无量纲磨损去除系数，p为待抛光的圆盘类工件表面受到的正压力，s为磨程，a为磁流抛光液工作区与待抛光的圆盘类工件表面的去除面积，h1为圆盘类工件表面的硬度。7.根据权利要求6所述的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光方法，其特征在于，所述根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度，具体包括：利用公式确定待抛光的圆盘类工件表面受到的正压力；其中，p为待抛光的圆盘类工件表面受到的正压力，η0为磁流抛光液初始黏度，v＝ω2·
r为待抛光的圆盘类工件的线速度，x为坐标轴，r为纺锤形抛光头的半径，φ为磁流抛光液中磁性微粒的体积比浓度，μ0为真空磁导率，μ
f
为基液的磁导率，μ
p
为磁性微粒的磁导率，h为梯度磁场强度，α为待抛光的圆盘类工件表面上某点与纺锤式抛光头曲率中心的连线和z轴的夹角，h
m0
为压力极大值到待抛光的圆盘类工件的距离。8.根据权利要求7所述的一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光方法，其特征在于，所述根据纺锤式抛光头的影响参数、磁流变抛光液的参数、待抛光的圆盘类工件的基本参数以及待抛光的圆盘类工件表面各点对应的去除深度和去除量确定抛光间隙和待抛光的圆盘类工件的角速度，具体包括：利用公式确定压力极大值到待抛光的圆盘类工件的距离；其中，τ为剪切应力，τ0(h)为屈服应力。

技术总结
本发明涉及一种基于纺锤式抛光头的机器人抛光装置及方法。该装置中机器人本体的末端通过L型连接板与主轴电机固定座连接；主轴电机安装在主轴电机固定座上；主轴电机的输出轴安装同步轮；同步轮通过同步带将动力传递给传动轴；传动轴与纺锤形抛光头的一端连接；纺锤形抛光头的另一端与回转顶针连接；挡板安装在纺锤形抛光头的斜上方；压电泵安装在L型连接板的侧面，且安装在主轴电机的下方；压电泵的进口和出口均连接有导管；导管固定架用于将压电泵出口的导管的中间段固定在挡板上；导管的末端设置在纺锤式抛光头和圆盘类工件之间；气动旋转三爪卡盘安装在工作台的上方；本发明能够解决工件表面材料去除不均匀的问题，进而提高抛光精度。高抛光精度。高抛光精度。


技术研发人员：鄂世举 周崇秋 贺新升 高春甫 李林峰 刘婷
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2022.03.10
技术公布日：2022/5/25