宝石加工机械手机械结构的设计与实现

陈炳忠，邓小林

（1.2.梧州学院，广西 梧州 543002）

宝石加工机械手机械结构的设计与实现

陈炳忠1，邓小林2

（1.2.梧州学院，广西 梧州 543002）

传统刻面宝石加工主要以手工加工为主，其精度主要由技术工人的经验和熟练程度来控制，自动化程度较低。针对上述不足，开发出一种能实现宝石全自动加工的宝石加工机械手。对该宝石加工工艺进行了介绍，对该机械手的结构组成进行了详细阐述。经过样机测试表明，该机械手能实现宝石的研磨和抛光的全自动操作，加工出来的产品质量好、精度高，能达到预定的工作要求。

宝石加工；机械手；研磨和抛光；全自动化

1 引言

传统刻面宝石加工主要以手工加工为主，自动化程度低，加工精度主要靠技术工人的经验和熟练程度来控制，加工速度慢、效率低、产品质量难以控制。针对上述不足，开发出一种能实现宝石全自动加工的宝石加工机械手。该机械手基于DSP处理器模仿人工刻磨宝石加工动作进行宝石研磨抛光，集机械技术、微电子技术、自动化技术于一体，采用遥控器输入刻面宝石的设计参数。通过存储和调用设计好的参数，机械手能根据参数的指令自动完成56个小翻面刻磨和抛光动作。该机械手具有远距离控制、液晶屏幕显示、操作方便、加工效率高、加工的产品精度高、质量好等特点，对推动人工宝石加工产业的升级具有积极的意义。

2 刻面型宝石加工工艺简介

刻面型宝石加工工艺具体流程主要由出坯、上杆、圈形、冠部研磨、冠部抛光、上杆、亭部研磨、亭部抛光、拆胶清洗等几部分组成[1-2]。本机械手主要实现冠部研磨、冠部抛光、亭部研磨、亭部抛光的工序操作，故下面仅对冠部研磨、冠部抛光、亭部研磨、亭部抛光的工艺进行简单介绍。

图1所示为圆钻式冠部的研磨步骤图[1]。首先将宝石粗坯的台面磨整。把上了宝石粗坯的粘杆固定于夹具上，使台面朝下平行于磨盘，然后将台面磨整，图1-a所示为将台面磨平整后的状态。然后，把粘杆直接上于夹具上，以冠部角度40度切磨第一层8个主小面，切磨后的状态如图1-b所示。再采用角度为25度，磨出8个星小面，如图1-c所示。最后研磨16个腰小面,角度为43度-45度，如图1-d所示。

3 人工宝石机械手系统结构设计

3.1 宝石机械手总体结构

宝石机械手系统总体结构如下页图2所示。宝石粘在宝石杆顶端与磨盘靠近。M1、M4、M5为直线步进电机，可通过丝杆做直线运动。M2、M3为普通的两相步进电机。J1~J5代表M1~M5的5个动作。M3带动上转盘做J3方向旋转，从而带动双工位宝石杆进行研磨动作 （J3）。每研磨一次，由M2带动宝石换一个圆周角度切面 （J2）。与此同步进行的是M4进行伸缩动作，保持换圆周角度切面时宝石离开盘面，研磨时宝石接触盘面 （J4）。M1升降 （J1）和M4伸缩 （J4）组合运动用于转换研磨水平角度。M5通过连杆带动下转盘做转动 （J5），以实现研磨和抛光工序的转换，以达到在一台机上同时实现研磨和抛光的功能。步进电机通过遥控器输入刻面宝石的设计参数，实现灵活多样化宝石加工动作。文献 [3]对该机械手控制系统进行了详细的说明，本文主要阐述和分析该机械手的机械结构组成。

3.2 宝石机械手结构组成

该宝石机械手主要由圆周分度系统、升降系统、刻磨抛光盘以及刻磨抛光系统4大部分组成。

3.2.1 圆周分度系统结构组成

圆周分度系统主要实现刻面宝石的360°任意分度。圆周分度系统由步进电机、联轴器和铁棒锁紧机构等组成，步进电机的一端联接有联轴器，另一端联接小轴，小轴用两个轴承支承在轴套上，小轴的另一端安装有铁棒锁紧机构，粘有宝石的铁棒插入锁紧机构孔中实现锁紧。通过控制步进电机，可实现刻面宝石的360°任意分度。

3.2.2 升降系统的结构组成

升降系统的作用是为了控制粘杆与磨盘的角度。当两平面平行，且距离一定时，两平面间任意一条直线在长度长相等的前提下，这些线与两平面的夹角相等。该机械手采用57型步进电机，步进电机一端安装联轴器，另一端安装滚珠丝杆，滚珠丝杆的螺母安装在圆周分度机构支承台上，圆周分度机构支承台的两端安装有滚珠直线导轨，导轨固定在圆盘上。通过控制步进电机，就能实现上下移动升降台，并磨出不同层的小面。

3.2.3 刻磨抛光盘的结构组成

刻磨抛光盘实现对刻面宝石进行粗磨、精磨、粗抛光、精抛光。宝石刻磨和抛光是完成宝石小刻面的关键。按传统刻磨宝石方式，在一台电机主轴上安装有轴头，轴头上安装砂盘和抛光盘，刻磨时砂盘在上面，抛光盘在底面。当刻磨完成后，将砂盘和抛光盘反过来，即砂盘在底面、抛光盘在上面，重复刻磨以进行抛光。该设备采用双电机，即一个电机安装砂盘，另一电机安装抛光盘，可以同时实现宝石的刻磨和抛光要求，克服传统刻磨宝石需要反盘的不足。

3.2.4 刻磨抛光系统的结构组成

刻磨抛光系统主要由一个往复运动的偏心结构来实现。该系统采用57型步进电机带动，步进电机主轴上安装有小齿轮，小齿轮与扇形齿轮啮合，扇形齿轮安装在摆动头上，小齿轮走的齿数是摆动头摆的距离，通过由DSP发出的控制指令控制步进电机，从而控制小齿轮作往复运动，带动摆动头在盘上作往复运动以实现刻磨。

4 结论

针对现有传统刻面宝石加工速度慢、产品质量不高的缺点，开发出了一种能实现宝石全自动加工的机械手。该机械手以DSP为核心处理器，辅以专用步进电机驱动芯片，配合传感器，液晶显示和遥控技术，可以远距输入宝石设计参数，控制机械手进行宝石研磨和抛光动作。本文对该机械手的机械结构和应用特点进行了详细说明，开发出的样机测试表明，该机械手能减少人工加工高精度宝石的误差，提高加工效率和产品质量。

[1]吕新彪.宝石款式设计与加工工艺[M].武汉：中国地质大学出版社，2006.

[2]John Sinkankas.GemCutting,VAN.N[M].ostrand Reinhold Co.,Newyork,1984.

[3]熊毅，玉振明，陈炳忠.基于DSP宝石加工机械手控制系统设计与实现[J].组合机床与自动化加工技术，2011（8）：56-59.

Designing and Realizing of Manipulator Mechanical Structure for Gemstone Processing

Chen Bingzhong1,Deng Xiaolin2
（1.2.Wuzhou University,Wuzhou 543002,China）

Traditional-faceted gem processing is mainly by hand,therefore,its accuracy is largely determined by the experience and proficiency of technical workers and its automation is low.For the above-mentioned shortcomings,a gem processing robot for gem automatic processing is developed hereby.This article introduces the gem processing and describes the structure of the manipulator compositions in details.Prototype tests show that the robot can realize the automatic operation of the grinding and polishing of gemstones,which enables the processed products to have high quality and precision,achieving the desired requirements.

gemstone processing;manipulator;grinding and polishing;automation

TH122

A

1673-8535（2012）03-0036-04

2012-03-12

陈炳忠（1955-），男，梧州学院艺术系高级工程师，主要研究方向：珠宝首饰设计与加工。

邓小林（1984-），男，梧州学院电子信息工程系讲师，主要研究方向：产品数字化设计、大批量定制技术。

高 坚）