具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置

摘要

本发明公开了一种具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置，包括三自由度驱动装置、旋转云台、机械抓手、抓手气缸、摄像头、研磨盘、加工工位和自修复工位，三自由度驱动装置设置在加工工位和自修复工位之间，旋转云台设置在三自由度驱动装置的活动端，机械抓手设置在旋转云台的旋转端，抓手气缸连接机械抓手并驱动机械抓手的开合，摄像头设置在连接机械抓手的旋转云台的旋转端；本发明通过将液态金属和磨粒均匀混合，将液态金属与磨粒的混合物注入到磨具中，通过冷却模块使液态金属慢慢的凝固成固体，实现研磨盘的制作。由于液态金属低熔点的特性，研抛盘成型较快，且通过自流平技术能实现极高的表面平整度。

权利要求

1.一种具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置，其特征在于：包括三自由度驱动装置（1）、旋转云台（3）、机械抓手（2）、抓手气缸（4）、摄像头（5）、研磨盘（6）、加工工位和自修复工位，所述三自由度驱动装置（1）设置在加工工位和自修复工位之间，旋转云台（3）设置在三自由度驱动装置（1）的活动端，机械抓手（2）设置在旋转云台（3）的旋转端，抓手气缸（4）连接机械抓手（2）并驱动机械抓手（2）的开合，摄像头（5）设置在连接机械抓手（2）的旋转云台（3）的旋转端，摄像头（5）的镜头朝向为竖直向下，摄像头（5）拍摄研磨盘（6）的位置，并将位置信息传输给控制系统，控制系统驱动三自由度驱动装置（1）运动，将旋转云台（3）运动到研磨盘（6）上方，利用抓手气缸（4）控制机械抓手（2）的开合，实现研磨盘（6）的抓取，并将研磨盘（6）在加工工位和自修复工位之间来回运送；

所述三自由度驱动装置（1）固定安装在地面上，加工工位和自修复工位对称设置在三自由度驱动装置（1）的两侧；所述加工工位包括加工平台和磨盘旋转驱动装置，磨盘旋转驱动装置设置在加工平台内，研磨盘（6）放置到加工平台上后，底部连接磨盘旋转驱动装置并受磨盘旋转驱动装置的驱动进行转动；

所述自修复工位包括出料装置和除料装置，所述出料装置设置在研磨盘（6）侧面，出料装置包括丝杠驱动电机、滚珠丝杠、直线滑轨、活动滑台、出料电机和出料斗，丝杠驱动电机的输出轴连接水平设置的滚珠丝杠的一端，直线滑轨平行于滚珠丝杠设置且设置在滚珠丝杠的下方，活动滑台套装在滚珠丝杆和直线滑轨上并随着滚珠丝杠的运动左右移动，出料电机和出料斗固定在活动滑台上，出料电机连接出料斗的料斗盖，出料电机运动时控制料斗盖从料斗的进料口处移开；所述除料装置也设置在活动滑台上，所述除料装置包括吸气口、气管、储尘桶、除尘电机和风扇，所述除尘电机设置在储尘桶内部，所述气管的一端连接除尘筒，气管的另一端连接吸气口，除尘电机的输出轴连接风扇，除尘电机运动时带动风扇进行转动，使气管另一端的吸气口产生吸力，将研磨盘（6）上方的灰尘或物料吸走；

所述研磨盘包括圆筒状外壳、圆锥形凹槽（7）、半导体制冷片、磨粒滤网、电极组（8）、移动板（9）、电刷支撑架（10）和电刷，所述圆筒状外壳上端设置圆锥形凹槽（7），圆锥形凹槽（7）的最下端设置有通孔，通孔上固定有磨粒滤网，磨粒滤网的边缘与通孔的边缘紧密配合，圆锥形凹槽（7）的侧壁下端面上均匀布置有半导体制冷片；所述移动板（9）为水平设置的活塞型圆板，移动板（9）的四周通过O型密封圈与圆筒状外壳的内壁密封连接；所述圆锥形凹槽（7）与移动板（9）之间的圆筒状外壳内装有液态金属抛光液；圆筒状外壳的底板上设置有进气孔；进气孔通过进气管连接外置气泵；当气泵工作时通过进气管进行供气，推动移动板（9）向上移动，进而推动液态金属抛光液向上移动，使液态金属抛光液穿过磨粒滤网进入圆锥形凹槽（7）中；半导体制冷片制冷后将圆锥形凹槽（7）中的液态金属抛光液凝固成固态。

2.根据权利要求1所述的具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置，其特征在于：所述底板上还固定有电刷支撑架（10），电刷安装在电刷支撑架（10）上，电刷为半导体制冷片和电极组（8）进行供电。

3.根据权利要求2所述的具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置，其特征在于：所述机械抓手（2）设置有两个，两个机械抓手（2）之间通过抓手气缸（4）连接，通过抓手气缸（4）的运动控制两个机械抓手（2）的开合。

4.根据权利要求3所述的具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置，其特征在于：所述三自由度驱动装置（1）包括旋转驱动装置（12）、竖直驱动装置（13）和水平驱动装置（14），水平驱动装置（14）安装在旋转驱动装置（12）的活动端，竖直驱动装置（13）设置在水平驱动装置（14）的活动滑块上，旋转云台（3）设置在竖直驱动装置（13）的活动滑块上，旋转驱动装置（12）运动时驱动水平驱动装置（14）、竖直驱动装置（13）和旋转云台（3）组成的整体进行转动，水平驱动装置（14）运动时驱动竖直驱动装置（13）和旋转云台（3）组成的整体沿着水平方向直线运动，竖直驱动装置（13）运动时驱动旋转云台（3）上下运动。

5.根据权利要求4所述的具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置，其特征在于：所述进气口（11）的接头通过气浮轴承连接在圆筒状外壳下端的底板上，进气管不会随着研磨盘（6）的转动而转动。

6.根据权利要求5所述的具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置，其特征在于：所述圆锥形凹槽（7）下方设置有电极层，电极层中部设置有与圆锥形凹槽（7）的最下端的通孔相连通且等大的圆孔，电极层的边缘固定在圆筒状外壳的内壁上，电极层的包括带有正电极的扇形正电极和带有负电极的扇形负电极，扇形正电极和扇形负电极的数量相等，扇形正电极和扇形负电极依次交替分布组成整个电极组（8）。

说明书

具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置

技术领域

[0001] 本发明涉及液态金属抛光领域，更具体的说，尤其涉及一种具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置。

背景技术

[0002] 研磨是利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工(如切削加工)。研磨盘磨料颗粒压入到研磨盘表面，用
露出的磨粒尖端对工件表面进行刻划，实现微切削加工。当磨料颗粒尖锐部分磨秃了之后，
需要更换新的研磨片，被替换的研磨片直接废弃处理，浪费材料，不利于材料回收与利用。
现有研磨片在研磨工件时会与工件表面摩擦，产生大量的热，大量的热容易导致工件表面
软化与变形，破坏工件结构，会产生许多废弃件。

[0003] 现有研磨片的制作一般采用磨料、填料和胶液作为混合液，经过烧制或者压制制成研磨片。加工环境差，加工温度高，加工设备要求高，研磨盘的生长制作时间长，导致制作
出来的研磨盘精度差，偏差较高。

[0004] 液态金属通常是指是一种低熔点合金材料。液态金属强度很高，其强度为不锈钢的3倍，铝、镁合金的10倍以上，钛合金的1.5倍以上。液态金属有很强的硬度，使得液态金属
在耐磨或抗划痕的领域能够得到广泛的应用。液态金属通常是指在常温下呈液态的合金功
能材料，如熔点在30℃以下的金属及其合金材料，也包括在40℃～300℃工作温区内呈液态
的低熔点合金材料。液态金属研磨盘指使用液态金属制作的研磨盘，由液态金属制成的研
磨盘熔点低，研磨盘上磨料颗粒磨秃后，可融化研磨盘回收液态金属再制成新的研磨盘。

[0005] 用液态金属制成抛光盘时通常此采用锡锌合金，熔点选用100℃。液态金属为大密度金属，因此为了将磨粒能够均匀混合进液态金属中，采用分散剂十二烷基硫酸钠，十二烷
基硫酸钠能够在液态金属分散后阻止液态金属相互融合，是较好的分散剂。然后将液态金
属加入离子水和磨粒。在超声仪中进行磨粒的超声分散，当分散完成后，磨粒均匀的混合在
液态金属液体中，由于液态金属密度比水大，能够方便的将液态金属与水进行分离。磨粒经
常采用碳化硅磨粒，由于抛光加工柔性衬底，金刚石与CBN等超硬磨粒适合加工钢铁类材
料，同时CBN成本过高；而刚玉类磨粒的主要成分是氧化铝，氧化铝会与金属中的铬、镍有
“亲和”作用。而碳化硅磨粒能保证此次的加工质量，耐磨性也最好，故选用碳化硅。固结研
磨盘磨粒的比例一般在10％‑50％之间，优选20％的碳化硅磨粒，液态金属通过低熔点的特
性本身就具有凝固成固体的效果且为研磨垫的主要成分，故选用45％，粘结剂的比例为
35％，电子灌封胶性能较高，硬度较高，且具有一定的弹性模量，能起到较好的辅助作用，故
选用35％。

[0006] 现有的研磨盘加工和制取工艺是分开的，一般都是制取完成后再进行加工，两者工序相差很远，很可能是由不同的厂家完成，而这样会导致研磨盘磨损后无法修复，或者仅
能返厂修复。而利用液态金属制成的研磨盘虽然方便修复，但是依旧需要进行返厂操作，无
法在加工时实时修复，而加工偶尔会出现研磨盘磨损严重却没有替代的研磨盘的情况，导
致拉低整体加工效率。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于解决现有研磨盘加工过程中难以自行修复且制作过程中加工工艺复杂、浪费材料、不可回收以及精度差的问题，提出了一种具有自动抓取功能的液态金
属研磨盘自修复装置，能够准确抓取生产过程中的研磨盘，使其并将其运送至修复工位进
行修复，且能自行制作研磨盘，制作研磨盘的工艺简单，不会对材料产生浪费，磨损的研磨
盘也可以回收再次使用，制作出的研磨盘精度更高。

[0008] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置，包括三自由度驱动装置、旋转云台、机械抓手、抓手气缸、摄像头、研磨盘、
加工工位和自修复工位，所述三自由度驱动装置设置在加工工位和自修复工位之间，旋转
云台设置在三自由度驱动装置的活动端，机械抓手设置在旋转云台的旋转端，抓手气缸连
接机械抓手并驱动机械抓手的开合，摄像头设置在连接机械抓手的旋转云台的旋转端，摄
像头的镜头朝向为竖直向下，摄像头拍摄研磨盘的位置，并将位置信息传输给控制系统，控
制系统驱动三自由度驱动装置运动，将旋转云台运动到研磨盘上方，利用抓手气缸控制机
械抓手的开合，实现研磨盘的抓取，并将研磨盘在加工工位和自修复工位之间来回运送；

[0009] 所述三自由度驱动装置固定安装在地面上，加工工位和自修复工位对称设置在三自由度驱动装置的两侧；所述加工工位包括加工平台和磨盘旋转驱动装置，磨盘旋转驱动
装置设置在加工平台内，研磨盘放置到加工平台上后，底部连接磨盘旋转驱动装置并受磨
盘旋转驱动装置的驱动进行转动；

[0010] 所述自修复工位包括出料装置和除料装置，所述出料装置设置在研磨盘侧面，出料装置包括丝杠驱动电机、滚珠丝杠、直线滑轨、活动滑台、出料电机和出料斗，丝杠驱动电
机的输出轴连接水平设置的滚珠丝杠的一端，直线滑轨平行于滚珠丝杠设置且设置在滚珠
丝杠的下方，活动滑台套装在滚珠丝杆和直线滑轨上并随着滚珠丝杠的运动左右移动，出
料电机和出料斗固定在活动滑台上，出料电机连接出料斗的料斗盖，出料电机运动时控制
料斗盖从料斗的进料口处移开；所述除料装置也设置在活动滑台上，所述除料装置包括吸
气口、气管、储尘桶、除尘电机和风扇，所述除尘电机设置在储尘桶内部，所述气管的一端连
接除尘筒，气管的另一端连接吸气口，除尘电机的输出轴连接风扇，除尘电机运动时带动风
扇进行转动，使气管另一端的吸气口产生吸力，将研磨盘上方的灰尘或物料吸走；

[0011] 所述研磨盘包括圆筒状外壳、圆锥形凹槽、半导体制冷片、磨粒滤网、电极组、移动板、电刷支撑架和电刷，所述圆筒状外壳上端设置圆锥形凹槽，圆锥形凹槽的最下端设置有
通孔，通孔上固定有磨粒滤网，磨粒滤网的边缘与通孔的边缘紧密配合，圆锥形凹槽的侧壁
下端面上均匀布置有半导体制冷片；所述移动板为水平设置的活塞型圆板，移动板的四周
通过O型密封圈与圆筒状外壳的内壁密封连接；所述圆锥形凹槽与移动板之间的圆筒状外
壳内装有液态金属抛光液；圆筒状外壳的底板上设置有进气孔；进气孔通过进气管连接外
置气泵；当气泵工作时通过进气管进行供气，推动移动板向上移动，进而推动液态金属抛光
液向上移动，使液态金属抛光液穿过磨粒滤网进入圆锥形凹槽中；半导体制冷片制冷后将
圆锥形凹槽中的液态金属抛光液凝固成固态。

[0012] 进一步的，所述底板上还固定有电刷支撑架，电刷安装在电刷支撑架上，电刷为半导体制冷片和电极组进行供电。

[0013] 进一步的，所述机械抓手设置有两个，两个机械抓手之间通过抓手气缸连接，通过抓手气缸的运动控制两个机械抓手的开合。

[0014] 进一步的，所述三自由度驱动装置包括旋转驱动装置、竖直驱动装置和水平驱动装置，水平驱动装置安装在旋转驱动装置的活动端，竖直驱动装置设置在水平驱动装置的
活动滑块上，旋转云台设置在竖直驱动装置的活动滑块上，旋转驱动装置运动时驱动水平
驱动装置、竖直驱动装置和旋转云台组成的整体进行转动，水平驱动装置运动时驱动竖直
驱动装置和旋转云台组成的整体上下运动，竖直驱动装置运动时驱动旋转云台沿着水平方
向直线运动。所述旋转驱动装置采用旋转电机或旋转气缸，旋转电机或旋转气缸固定设置，
旋转平台连接在旋转电机或旋转气缸的旋转轴上；所述竖直驱动装置和水平驱动装置均采
用直线丝杠模组。整个三自由度驱动装置也可以采用常规的三自由度机械手。

[0015] 进一步的，所述进气口的接头通过气浮轴承连接在圆筒状外壳下端的底板上，进气管不会随着研磨盘的转动而转动。

[0016] 进一步的，所述圆锥形凹槽下方设置有电极层，电极层中部设置有与圆锥形凹槽的最下端的通孔相连通且等大的圆孔，电极层的边缘固定在圆筒状外壳的内壁上，电极层
的包括带有正电极的扇形正电极和带有负电极的扇形负电极，扇形正电极和扇形负电极的
数量相等，扇形正电极和扇形负电极依次交替分布组成整个电极组。

[0017] 本发明的有益效果在于：

[0018] 1、本发明通过将液态金属和磨粒均匀混合，设计出所需的研磨垫形状的磨具，将液态金属与磨粒的混合物注入到磨具中，通过冷却模块使液态金属慢慢的凝固成固体，实
现研磨盘的制作。由于液态金属低熔点的特性，研抛盘成型较快，且通过自流平技术能实现
极高的表面平整度。

[0019] 2、本发明通过半导体制冷片实现制冷和制热，通过半导体制冷片的制冷及制热作用实现了液态金属研抛盘硬度的调整，使得研抛盘在不同的加工阶段可以通过温度转变成
三种形态，分别为固态加工，半固态加工和液态加工。

[0020] 3、本发明通过半固态和液态研抛盘对工件进行加工，由于固态加工时会对工件表面造成凹坑、划痕、凸点等表面缺陷，而在半固态和液态加工时，磨粒可以在一定范围内进
行位置的调整，使得单颗粒磨粒上加工压力减小，实现高效高精无损伤加工，去除表面缺
陷。

[0021] 4、本发明利用三自由度驱动装置使得研磨装置在加工工位和自修复工位之间自由切换，研磨盘不需要返厂维修，仅依靠本装置即可实现研磨装置的自由修复，灵活性高。

[0022] 5、本发明设置有除料装置，驱动电机带动风扇运转，通过吸气口将气缸板上方的灰尘和废料吸走，减少研抛盘在加工过程误差，提高工件表面质量。

[0023] 6、本发明有自修锐功能，液态金属研抛盘在抛光一段时间后表面磨粒会发生钝化，根据液态金属低熔点的特性，利用半导体制冷片制热使研磨盘表面的液态金属融化成
液态，通过在液态金属研抛盘中的电极组提供电场进而生成磁场，磁场利用电极带动磁场
旋转，由于电刷的存在可实现电极旋转，使液态金属在电磁中收到洛伦磁力产生自转，从而
带动液态金属中的磨粒翻滚，露出新刃，延长抛光时间。

[0024] 7、本发明可以将抛光完成后的液态金属进行回收，通过电磁分离技术得到干净的液态金属，方便下次继续制作液态金属研抛盘，提高了材料利用率，降低了生产成本。

[0025] 8、本发明设置有丝杠滑台的模块来控制出料装置和除料装置，出料装置和除料装置能够进行快速的移动和定位，方便液态金属研抛盘的自平整功能的实现，使液态金属自
动补平，达到较高的平整度，保证工件表面加工质量。

附图说明

[0026] 图1是本发明一种具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置的整体结构示意图。

[0027] 图2是本发明研磨盘的剖视示意图。

[0028] 图3是本发明三自由度驱动装置的结构示意图。

[0029] 图中，1‑三自由度驱动装置、2‑机械抓手、3‑旋转云台、4‑抓手气缸、5‑摄像头、6‑研磨盘、7‑圆锥形凹槽、8‑电极组、9‑移动板、10‑电刷支撑架、11‑进气口、12‑旋转驱动装
置、13‑竖直驱动装置、14‑水平驱动装置。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图对本发明作进一步说明：

[0031] 如图1～3所示，一种具有自动抓取功能的液态金属研磨盘自修复装置，包括三自由度驱动装置1、旋转云台3、机械抓手2、抓手气缸4、摄像头5、研磨盘6、加工工位和自修复
工位，所述三自由度驱动装置1设置在加工工位和自修复工位之间，旋转云台3设置在三自
由度驱动装置1的活动端，机械抓手2设置在旋转云台3的旋转端，抓手气缸4连接机械抓手2
并驱动机械抓手2的开合，摄像头5设置在连接机械抓手2的旋转云台3的旋转端，摄像头5的
镜头朝向为竖直向下，摄像头5拍摄研磨盘6的位置，并将位置信息传输给控制系统，控制系
统驱动三自由度驱动装置1运动，将旋转云台3运动到研磨盘6上方，利用抓手气缸4控制机
械抓手2的开合，实现研磨盘6的抓取，并将研磨盘6在加工工位和自修复工位之间来回运
送。

[0032] 所述三自由度驱动装置1固定安装在地面上，加工工位和自修复工位对称设置在三自由度驱动装置1的两侧；所述加工工位包括加工平台和磨盘旋转驱动装置，磨盘旋转驱
动装置设置在加工平台内，研磨盘6放置到加工平台上后，底部连接磨盘旋转驱动装置并受
磨盘旋转驱动装置的驱动进行转动。

[0033] 所述自修复工位包括出料装置和除料装置，所述出料装置设置在研磨盘6侧面，出料装置包括丝杠驱动电机、滚珠丝杠、直线滑轨、活动滑台、出料电机和出料斗，丝杠驱动电
机的输出轴连接水平设置的滚珠丝杠的一端，直线滑轨平行于滚珠丝杠设置且设置在滚珠
丝杠的下方，活动滑台套装在滚珠丝杆和直线滑轨上并随着滚珠丝杠的运动左右移动，出
料电机和出料斗固定在活动滑台上，出料电机连接出料斗的料斗盖，出料电机运动时控制
料斗盖从料斗的进料口处移开；所述除料装置也设置在活动滑台上，所述除料装置包括吸
气口、气管、储尘桶、除尘电机和风扇，所述除尘电机设置在储尘桶内部，所述气管的一端连
接除尘筒，气管的另一端连接吸气口，除尘电机的输出轴连接风扇，除尘电机运动时带动风
扇进行转动，使气管另一端的吸气口产生吸力，将研磨盘上方的灰尘或物料吸走。

[0034] 所述研磨盘包括圆筒状外壳、圆锥形凹槽7、半导体制冷片、磨粒滤网、电极组8、移动板9、电刷支撑架10和电刷，所述圆筒状外壳上端设置圆锥形凹槽7，圆锥形凹槽7的最下
端设置有通孔，通孔上固定有磨粒滤网，磨粒滤网的边缘与通孔的边缘紧密配合，圆锥形凹
槽7的侧壁下端面上均匀布置有半导体制冷片；所述移动板9为水平设置的活塞型圆板，移
动板9的四周通过O型密封圈与圆筒状外壳的内壁密封连接；所述圆锥形凹槽7与移动板9之
间的圆筒状外壳内装有液态金属抛光液；圆筒状外壳的底板上设置有进气孔；进气孔通过
进气管连接外置气泵；当气泵工作时通过进气管进行供气，推动移动板9向上移动，进而推
动液态金属抛光液向上移动，使液态金属抛光液穿过磨粒滤网进入圆锥形凹槽7中；半导体
制冷片制冷后将圆锥形凹槽7中的液态金属抛光液凝固成固态。

[0035] 所述底板上还固定有电刷支撑架10，电刷安装在电刷支撑架10上，电刷为半导体制冷片和电极组8进行供电。

[0036] 所述机械抓手2设置有两个，两个机械抓手2之间通过抓手气缸4连接，通过抓手气缸4的运动控制两个机械抓手2的开合。

[0037] 所述三自由度驱动装置1包括旋转驱动装置12、竖直驱动装置13和水平驱动装置14，水平驱动装置14安装在旋转驱动装置12的活动端，竖直驱动装置13设置在水平驱动装
置14的活动滑块上，旋转云台3设置在竖直驱动装置13的活动滑块上，旋转驱动装置12运动
时驱动水平驱动装置14、竖直驱动装置13和旋转云台3组成的整体进行转动，水平驱动装置
14运动时驱动竖直驱动装置13和旋转云台3组成的整体沿着水平方向直线运动，竖直驱动
装置13运动时驱动旋转云台3上下运动。

[0038] 所述进气口11的接头通过气浮轴承连接在圆筒状外壳下端的底板上，进气管不会随着研磨盘6的转动而转动。

[0039] 所述圆锥形凹槽7下方设置有电极层，电极层中部设置有与圆锥形凹槽7的最下端的通孔相连通且等大的圆孔，电极层的边缘固定在圆筒状外壳的内壁上，电极层的包括带
有正电极的扇形正电极和带有负电极的扇形负电极，扇形正电极和扇形负电极的数量相
等，扇形正电极和扇形负电极依次交替分布组成整个电极组8。

[0040] 上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利
的权利保护范围内。