大型叶片类工件机器人协同打磨系统的制作方法

本实用新型涉及大型工件打磨技术领域，尤其是一种大型叶片类工件机器人协同打磨系统。

背景技术：

作为风力发电的关键核心部件之一，风电叶片在能源行业有着广泛应用，其制造水平代表着国家制造业的核心竞争力。风电叶片大多采用玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂以及涂料等难加工复合材料，设计为复杂的三维扭曲曲面，主要经过阳膜-翻阴模-铺层-加热固化-脱膜-打磨表面-喷漆等工艺，周期长、制造难度大。风电叶片在脱膜完成后，其型面处几乎普遍需要打磨。目前传统的风电叶片打磨主要采用人工打磨作业的方式，具体为工人拿着手持式打磨机对叶片进行打磨。人工打磨劳动强度大、工作环境恶劣、成本费用高，同时由于人工打磨操作稳定性差，难以保证一致的打磨效果，容易导致产生废品。虽然，工业应用中存在一些商品化的机器人打磨系统，但它们均是针对小型工件。对于风电叶片类大型工件的打磨作业，由于其尺寸范围大、外形多变，且叶稍部位加工易变性等问题，迄今为止，尚未出现完善的风电叶片表面机器人自动打磨系统解决方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种大型叶片类工件机器人协同打磨系统，以及基于大型叶片类工件机器人协同打磨系统的打磨方法，具有自动化程度高、安全稳定、高效率高柔性的特点，并且能使提高叶片打磨加工质量、效果一致，同时代替了工人在打磨抛光这种恶劣的环境中工作，并显著提升了产品加工效率。本实用新型采用的技术方案是：

一种大型叶片类工件机器人协同打磨系统，包括：叶片翻转夹紧模块、水平导轨、N个机器人打磨单元、与机器人打磨单元分别相对应的N个测量模块、控制模块和上位机模块；其中N为正整数；

控制模块包括一个工装控制子模块和N个机器人打磨单元控制子模块；

叶片翻转夹紧模块用于安装并夹紧待打磨叶片；叶片翻转夹紧模块能够带动叶片绕其长轴方向旋转受控角度并夹紧固定叶片；叶片翻转夹紧模块受控于工装控制子模块；

两条水平导轨沿叶片长轴方向布置在叶片两侧，每条水平导轨上至少设一个机器人打磨单元；

每个机器人打磨单元包括机器人、配套的机器人控制器、打磨装置；机器人打磨单元能够沿着水平导轨移动；打磨装置安装在与其对应的机器人末端，每个测量模块安装在对应的机器人末端，测量模块主要用于测量标定叶片工件坐标系和补偿打磨加工过程中的误差；

每个机器人打磨单元控制子模块和对应的机器人打磨单元一起安装在水平导轨上；机器人打磨单元控制子模块与对应的机器人打磨单元和测量模块相连，控制与机器人打磨单元相关的操作；

工装控制子模块与叶片翻转夹紧模块连接，控制叶片的翻转方向、转角与夹紧操作；

上位机模块与机器人控制器和控制模块连接，接受用户输入的指令，生成的操作指令传输给机器人控制器和控制模块实现相应的操作功能。

进一步地，机器人打磨单元还包括吸尘装置，所述吸尘装置安装在对应的机器人旁侧，吸尘装置的接口安装在对应的打磨装置上。

进一步地，机器人打磨单元相对于叶片对称布设在叶片两侧。

进一步地，所述大型叶片类工件机器人协同打磨系统还包括一周边安全检测装置。

进一步地，所述大型叶片类工件机器人协同打磨系统还包括快换模块，快换模块安装在水平导轨两侧，快换模块上布置有不同类型的打磨装置。

进一步地，该大型叶片类工件机器人协同打磨系统采用分工域、分工段的打磨方式打磨加工整个叶片；首先根据机器人型号确定机器人打磨空间，然后根据待打磨叶片的叶片模型和机器人打磨空间确定叶片翻转夹紧模块旋转角度即叶片的旋转角度；将叶片表面划分为若干工域；每个工域根据机器人在单一位置的工作空间划分为若干个工段；由机器人打磨单元的数量来确定每个机器人打磨单元具体对应哪些工段；根据划分不同工域和不同工段来生成合理的打磨路径；叶片翻转夹紧模块控制叶片沿其长轴方向旋转，使不同的工域进入机器人打磨空间，机器人在水平导轨上移动，使该工域内的不同工段依次进入机器人工作空间，进行打磨加工；该工域内的所有工段全部打磨完毕之后，叶片旋转到另一角度，进行下一工域的打磨。

更进一步地，划分的工域与叶片的旋转角度对应，且具有一定的重叠区域。

更进一步地，机器人打磨单元在加工每个工域之前，由机器人带动测量模块对待加工工域进行测量，并将测量结果传输给上位机模块，由上位机模块将测量结果与叶片理论模型进行匹配，得到实际叶片与机器人之间的相对位置关系，消除由叶片的装夹、旋转带来的误差；在加工过程中，测量模块测量机器人打磨单元附近的叶片局部形貌，对打磨轨迹进行补偿，消除由叶片的变形造成的误差。

进一步地，所述上位机模块与机器人打磨单元和控制模块相连，当一个工段打磨完成且打磨装置脱离叶片后，机器人打磨单元与机器人打磨单元控制子模块通讯，通过机器人打磨单元控制子模块控制机器人打磨单元在水平导轨上运动，进入下一打磨工段；当一个工域打磨完、所有打磨装置脱离叶片并且机器人移至安全位置后，机器人打磨单元与上位机模块通讯，上位机模块向控制模块中的工装控制子模块发出指令，控制叶片翻转到下一角度，使下一个工域进入打磨空间；如此重复，直至整个叶片打磨完毕。

本实用新型提出的一种大型叶片类工件机器人协同打磨方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据叶片模型及机器人工作空间，规划打磨路径；具体包括：

步骤S101，根据叶片模型、叶片长度和实际需求的打磨效率确定机器人打磨单元数量；

步骤S102，根据机器人型号与数量确定叶片转角以及每台机器人对应的工域；

步骤S103，根据机器人工作空间确定每个工域内的工段数目；

步骤S104，路径规划，得到每个工段内的打磨路径，计算机器人在打磨每个工段时在水平导轨上的理论打磨位置；

步骤S105，在仿真软件中根据规划的路径进行仿真打磨加工；

步骤S106，根据仿真判断是否发生干涉，叶片是否能被完全打磨，理论打磨位置是否合理、当前工域划分方式是否为时间最优方式，进而优化打磨轨迹；

步骤S2，通过调整叶片的角度和机器人位置，打磨叶片各工域的不同工段，按步骤S1中规划的打磨路径完成对叶片所有工段的打磨；步骤S2具体包括：

步骤S201，翻转叶片，使第i工域进入机器人打磨空间；

步骤S202，每个机器人带动其末端的测量模块对对应的当前工域进行测量；

步骤S203，将测量结果与叶片的理论模型进行匹配，标定出叶片的工件坐标系，得到机器人与实际叶片之间的相对位置关系，计算机器人在打磨每个工段时在水平导轨上的实际打磨位置；

步骤S204，调整机器人在水平导轨上的位置，根据工件坐标系与打磨前标定好的打磨装置工具坐标系，打磨当前工域的第j工段；

步骤S205，第j工段打磨完毕后，移动机器人，进入第j+1工段，打磨第j+1工段，重复操作，直至当前工域所有工段打磨完毕，收回打磨装置的打磨头，并将机器人移至安全位置；

步骤S206，当所有机器人移至安全位置之后，翻转叶片至下一角度，使第i+1工域进入打磨空间；

步骤S207，重复上述步骤S202～S206，直至叶片的所有工域全被打磨完毕；

步骤S208，检测叶片打磨结果，判断是否合格，若不合格，则根据缺陷进行局部打磨调整；

步骤S209，叶片打磨合格后，自动生成加工报告和检测报告。

本实用新型的技术方案通过上位机模块和控制模块实现叶片，水平导轨和机器人的协同运动，机器人带动打磨装置按照规划的路径打磨叶片，测量模块在打磨前对叶片进行测量标定、在打磨过程中进行测量补偿，保证了加工质量和一致性。本实用新型具有自动化程度高、安全稳定、高效率高柔性的特点，并且能使叶片打磨加工质量稳定、效果一致，同时代替了工人在打磨抛光这种恶劣的环境中工作，并显著提升了产品加工效率；同时本实用新型不仅适用于大型风电叶片的打磨，还适用于其他复杂曲面大型零件的加工，具有可移植性，只需要重新根据零件的模型进行离线编程，并且重新规划加工路径和布置机器人打磨单元，就可以实现工件的自动打磨加工。

附图说明

图1为本实用新型的结构组成示意图。

图2为本实用新型的一端局部放大图。

图3为本实用新型的工域与工段划分示意图。

图4为本实用新型的规划打磨路径流程图。

图5为本实用新型的打磨详细过程流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1和图2所示，本实用新型提出的一种大型叶片类工件机器人协同打磨系统，包括：叶片翻转夹紧模块301、水平导轨302、N个机器人打磨单元303、与机器人打磨单元分别相对应的N个测量模块304、控制模块306和上位机模块307；其中N为正整数；需要说明的是，机器人打磨单元303的具体数量可以根据叶片308的长度及所需要的打磨效率灵活增减；每个机器人打磨单元303上均配有一个测量模块304；

控制模块306包括一个工装控制子模块309和N个机器人打磨单元控制子模块313；

待打磨叶片308安装在叶片翻转夹紧模块301上；叶片翻转夹紧模块301能够带动叶片308绕其长轴方向旋转一定角度并夹紧固定叶片308；叶片翻转夹紧模块301上的夹紧机构可以防止叶片308在加工压力下产生变形；叶片翻转夹紧模块301安装在地面，其启停、旋转角度和旋转速度均受控于工装控制子模块309；

两条水平导轨302沿叶片长轴方向布置在叶片两侧，每条水平导轨302上至少设一个机器人打磨单元303；优选地，机器人打磨单元303相对于叶片308对称布设在叶片308两侧；

每个机器人打磨单元303包括机器人314、配套的机器人控制器310、打磨装置311、吸尘装置312；机器人打磨单元303能够沿着水平导轨302移动；打磨装置311上设有打磨头，打磨装置311安装在与其对应的机器人314末端，吸尘装置312安装在与其对应的机器人旁侧314，吸尘装置312的接口安装在对应的打磨装置311上，吸附打磨过程中产生的粉尘等有害物质；每个测量模块304安装在对应的机器人314末端，通常位于打磨装置311的侧面，测量模块304主要用于测量标定叶片工件坐标系和补偿打磨加工过程中的误差；

每个机器人打磨单元控制子模块313和对应的机器人打磨单元303一起安装在水平导轨302上；机器人打磨单元控制子模块313与对应的机器人打磨单元303和测量模块304相连，控制与机器人打磨单元303相关的操作，如机器人打磨单元303在水平导轨上的运动，打磨装置311的启停、转速，吸尘装置312的启停、吸尘功率以及测量模块304的运行、测量信息的采集等；

工装控制子模块309与叶片翻转夹紧模块301连接，控制叶片308的翻转方向、转角与夹紧操作；

上位机模块307与机器人控制器310和控制模块306（包括工装控制子模块309和各机器人打磨单元控制子模块313）连接，接受用户输入的指令，生成的操作指令传输给机器人控制器310和控制模块306实现相应的操作功能，同时上位机模块307还具有对测量模块304测量信息的处理与匹配功能；

更优地，所述大型叶片类工件机器人协同打磨系统还包括一周边安全检测装置，当有人进入系统工作区域时，系统自动停止打磨，以免造成安全事故，人离开工作区域后，系统可从停机的位置开始继续打磨；

更优地，所述大型叶片类工件机器人协同打磨系统还包括快换模块305，快换模块305安装在水平导轨302两侧，其上布置有不同类型的打磨装置311，可以在加工过程中根据需要更换打磨装置311；

该大型叶片类工件机器人协同打磨系统采用机器人水平移动与叶片翻转相结合的整体布局方案，使整个叶片表面都能被打磨；机器人安装在水平导轨302上，可沿导轨水平移动，叶片308安装在翻转夹紧模块上，可绕其长轴方向旋转；

该大型叶片类工件机器人协同打磨系统采用分工域、分工段的打磨方式打磨加工整个叶片308；

首先根据机器人型号确定机器人打磨空间，然后根据待打磨叶片308的叶片模型和机器人打磨空间确定叶片翻转夹紧模块301即叶片的旋转角度；将叶片308表面划分为若干工域（工作区域的简称），如图3所示，某个叶片表面被划分为三个工域：第一工域401、第二工域402、第三工域403，工域划分是叶片旋转周向上的划分；每个工域根据机器人在单一位置的工作空间划分为若干个工段，以第二工域402为例，将其划分为12个工段，如图3中的工段404、405……415所示；由机器人打磨单元303的数量来确定每个机器人打磨单元303具体对应哪些工段；根据划分不同工域和不同工段来生成合理的打磨路径；其中机器人打磨单元的数量可以根据需要打磨的叶片长度和打磨效率要求而增减；叶片翻转夹紧模块301控制叶片沿其长轴方向旋转，使不同的工域进入机器人打磨空间，机器人在水平导轨上移动，使该工域内的不同工段依次进入机器人工作空间，进行打磨加工；该工域内的所有工段全部打磨完毕之后，叶片旋转到另一角度，进行下一工域的打磨。

上述机器人工作空间是指机器人停留在一个位置时仅靠其关节的运动能够打磨达到的空间，其左右横向与周向均有限制；机器人打磨空间是指机器人在水平导轨上移动，加上机器人关节的运动，所能打磨达到的空间，因此通常而言，机器人打磨空间主要在周向存在限制，例如在周向上只能达到90度范围内的空间，因此需要划分工域和叶片旋转；

划分的工域与叶片的旋转角度对应，且具有一定的重叠区域，以保证打磨区域能覆盖整个叶片表面；

机器人打磨单元303每次在水平导轨302上移动的距离和当前打磨工段的长度相等，确保每次移动后，下一工段全部进入机器人工作空间；

机器人打磨单元303在加工每个工域之前，由机器人带动测量模块304对待加工工域进行测量，并将测量结果传输给上位机模块，由上位机模块将测量结果与叶片理论模型进行匹配，得到实际叶片与机器人之间的相对位置关系，消除由叶片的装夹、旋转等带来的误差；在加工过程中，测量模块304测量打磨单元附近的叶片局部形貌，对打磨轨迹进行补偿，消除由叶片的变形等造成的误差；

所述上位机模块307与机器人打磨单元303和控制模块306（包括工装控制子模块309和各机器人打磨单元控制子模块313）相连，当一个工段打磨完成且打磨装置311脱离叶片后，机器人打磨单元303与机器人打磨单元控制子模块313通讯，通过机器人打磨单元控制子模块313控制机器人打磨单元在水平导轨302上运动，进入下一打磨工段；当一个工域打磨完、所有打磨装置311脱离叶片并且机器人移至安全位置后，机器人打磨单元303与上位机模块307通讯，上位机模块307向控制模块中工装控制子模块309的发出指令，控制叶片翻转到下一角度，使下一个工域进入打磨空间；如此重复，直至整个叶片打磨完毕。

基于上述大型叶片类工件机器人协同打磨系统，本实用新型还提供了一种大型叶片类工件机器人协同打磨方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据叶片模型（CAD模型）及机器人工作空间，规划打磨路径；如图4所示，加工前合理规划打磨路径以确定机器人打磨单元数量和打磨的工域，以及打磨叶片的时间和效率等；为叶片满足打磨要求提供保证；步骤S1具体包括：

步骤S101，根据叶片模型、叶片长度和实际需求的打磨效率确定机器人打磨单元数量；

步骤S102，根据机器人型号与数量确定叶片转角以及每台机器人对应的工域；

步骤S103，根据机器人工作空间确定每个工域内的工段数目；

步骤S104，路径规划，得到每个工段内的打磨路径，计算机器人在打磨每个工段时在水平导轨上的理论打磨位置；

步骤S105，在仿真软件中根据规划的路径进行仿真打磨加工；

步骤S106，根据仿真判断是否发生干涉，叶片是否能被完全打磨，理论打磨位置是否合理、当前工域划分方式是否为时间最优方式，进而优化打磨轨迹；

步骤S2，通过调整叶片的角度和机器人位置，打磨叶片各工域的不同工段，按步骤S1中规划的打磨路径完成对叶片所有工段的打磨；如图5所示，步骤S2具体包括：

步骤S201，翻转叶片，使第i工域进入机器人打磨空间；

步骤S202，每个机器人带动其末端的测量模块对对应的当前工域进行测量；

步骤S203，将测量结果与叶片的理论模型进行匹配，标定出叶片的工件坐标系，得到机器人与实际叶片之间的相对位置关系，计算机器人在打磨每个工段时在水平导轨上的实际打磨位置；

步骤S204，调整机器人在水平导轨上的位置，根据工件坐标系与打磨前标定好的打磨装置工具坐标系，打磨当前工域的第j工段；

步骤S205，第j工段打磨完毕后，移动机器人，进入第j+1工段，打磨第j+1工段，重复操作，直至当前工域所有工段打磨完毕，收回打磨装置的打磨头，并将机器人移至安全位置；

步骤S206，当所有机器人移至安全位置之后，翻转叶片至下一角度，使第i+1工域进入打磨空间；

步骤S207，重复上述步骤S202～S206，直至叶片的所有工域全被打磨完毕；

步骤S208，检测叶片打磨结果，判断是否合格，若不合格，则根据缺陷进行局部打磨调整；

步骤S209，叶片打磨合格后，自动生成加工报告和检测报告。

上述大型叶片类工件机器人协同打磨系统以及打磨方法的优点主要有

（1）机器人打磨采用测量标定加测量补偿的模式进行，可以减小叶片装夹与旋转带来的位置误差以及叶片局部变形带来的形状误差对打磨效果的影响，提高打磨质量和一致性。

（2）系统采用模块化设计，根据叶片长度和打磨效率要求，可以采用不同数量的机器人打磨单元，应用灵活。

（3）叶片翻转加机器人在水平导轨上移动的整体运动方式，增加了系统的灵活性和打磨范围，极大满足了大型风电叶片的打磨要求。