寶石加工機械手機械結構的設計與實現

陳炳忠，鄧小林

（1.2.梧州學院，廣西 梧州 543002）

寶石加工機械手機械結構的設計與實現

陳炳忠1，鄧小林2

（1.2.梧州學院，廣西 梧州 543002）

傳統刻面寶石加工主要以手工加工為主，其精度主要由技術工人的經驗和熟練程度來控制，自動化程度較低。針對上述不足，開發出一種能實現寶石全自動加工的寶石加工機械手。對該寶石加工工藝進行了介紹，對該機械手的結構組成進行了詳細闡述。經過樣機測試表明，該機械手能實現寶石的研磨和拋光的全自動操作，加工出來的產品質量好、精度高，能達到預定的工作要求。

寶石加工；機械手；研磨和拋光；全自動化

1 引言

傳統刻面寶石加工主要以手工加工為主，自動化程度低，加工精度主要靠技術工人的經驗和熟練程度來控制，加工速度慢、效率低、產品質量難以控制。針對上述不足，開發出一種能實現寶石全自動加工的寶石加工機械手。該機械手基于DSP處理器模仿人工刻磨寶石加工動作進行寶石研磨拋光，集機械技術、微電子技術、自動化技術于一體，采用遙控器輸入刻面寶石的設計參數。通過存儲和調用設計好的參數，機械手能根據參數的指令自動完成56個小翻面刻磨和拋光動作。該機械手具有遠距離控制、液晶屏幕顯示、操作方便、加工效率高、加工的產品精度高、質量好等特點，對推動人工寶石加工產業的升級具有積極的意義。

2 刻面型寶石加工工藝簡介

刻面型寶石加工工藝具體流程主要由出坯、上桿、圈形、冠部研磨、冠部拋光、上桿、亭部研磨、亭部拋光、拆膠清洗等幾部分組成[1-2]。本機械手主要實現冠部研磨、冠部拋光、亭部研磨、亭部拋光的工序操作，故下面僅對冠部研磨、冠部拋光、亭部研磨、亭部拋光的工藝進行簡單介紹。

圖1所示為圓鉆式冠部的研磨步驟圖[1]。首先將寶石粗坯的臺面磨整。把上了寶石粗坯的粘桿固定于夾具上，使臺面朝下平行于磨盤，然后將臺面磨整，圖1-a所示為將臺面磨平整后的狀態。然后，把粘桿直接上于夾具上，以冠部角度40度切磨第一層8個主小面，切磨后的狀態如圖1-b所示。再采用角度為25度，磨出8個星小面，如圖1-c所示。最后研磨16個腰小面,角度為43度-45度，如圖1-d所示。

3 人工寶石機械手系統結構設計

3.1 寶石機械手總體結構

寶石機械手系統總體結構如下頁圖2所示。寶石粘在寶石桿頂端與磨盤靠近。M1、M4、M5為直線步進電機，可通過絲桿做直線運動。M2、M3為普通的兩相步進電機。J1~J5代表M1~M5的5個動作。M3帶動上轉盤做J3方向旋轉，從而帶動雙工位寶石桿進行研磨動作 （J3）。每研磨一次，由M2帶動寶石換一個圓周角度切面 （J2）。與此同步進行的是M4進行伸縮動作，保持換圓周角度切面時寶石離開盤面，研磨時寶石接觸盤面 （J4）。M1升降 （J1）和M4伸縮 （J4）組合運動用于轉換研磨水平角度。M5通過連桿帶動下轉盤做轉動 （J5），以實現研磨和拋光工序的轉換，以達到在一臺機上同時實現研磨和拋光的功能。步進電機通過遙控器輸入刻面寶石的設計參數，實現靈活多樣化寶石加工動作。文獻 [3]對該機械手控制系統進行了詳細的說明，本文主要闡述和分析該機械手的機械結構組成。

3.2 寶石機械手結構組成

該寶石機械手主要由圓周分度系統、升降系統、刻磨拋光盤以及刻磨拋光系統4大部分組成。

3.2.1 圓周分度系統結構組成

圓周分度系統主要實現刻面寶石的360°任意分度。圓周分度系統由步進電機、聯軸器和鐵棒鎖緊機構等組成，步進電機的一端聯接有聯軸器，另一端聯接小軸，小軸用兩個軸承支承在軸套上，小軸的另一端安裝有鐵棒鎖緊機構，粘有寶石的鐵棒插入鎖緊機構孔中實現鎖緊。通過控制步進電機，可實現刻面寶石的360°任意分度。

3.2.2 升降系統的結構組成

升降系統的作用是為了控制粘桿與磨盤的角度。當兩平面平行，且距離一定時，兩平面間任意一條直線在長度長相等的前提下，這些線與兩平面的夾角相等。該機械手采用57型步進電機，步進電機一端安裝聯軸器，另一端安裝滾珠絲桿，滾珠絲桿的螺母安裝在圓周分度機構支承臺上，圓周分度機構支承臺的兩端安裝有滾珠直線導軌，導軌固定在圓盤上。通過控制步進電機，就能實現上下移動升降臺，并磨出不同層的小面。

3.2.3 刻磨拋光盤的結構組成

刻磨拋光盤實現對刻面寶石進行粗磨、精磨、粗拋光、精拋光。寶石刻磨和拋光是完成寶石小刻面的關鍵。按傳統刻磨寶石方式，在一臺電機主軸上安裝有軸頭，軸頭上安裝砂盤和拋光盤，刻磨時砂盤在上面，拋光盤在底面。當刻磨完成后，將砂盤和拋光盤反過來，即砂盤在底面、拋光盤在上面，重復刻磨以進行拋光。該設備采用雙電機，即一個電機安裝砂盤，另一電機安裝拋光盤，可以同時實現寶石的刻磨和拋光要求，克服傳統刻磨寶石需要反盤的不足。

3.2.4 刻磨拋光系統的結構組成

刻磨拋光系統主要由一個往復運動的偏心結構來實現。該系統采用57型步進電機帶動，步進電機主軸上安裝有小齒輪，小齒輪與扇形齒輪嚙合，扇形齒輪安裝在擺動頭上，小齒輪走的齒數是擺動頭擺的距離，通過由DSP發出的控制指令控制步進電機，從而控制小齒輪作往復運動，帶動擺動頭在盤上作往復運動以實現刻磨。

4 結論

針對現有傳統刻面寶石加工速度慢、產品質量不高的缺點，開發出了一種能實現寶石全自動加工的機械手。該機械手以DSP為核心處理器，輔以專用步進電機驅動芯片，配合傳感器，液晶顯示和遙控技術，可以遠距輸入寶石設計參數，控制機械手進行寶石研磨和拋光動作。本文對該機械手的機械結構和應用特點進行了詳細說明，開發出的樣機測試表明，該機械手能減少人工加工高精度寶石的誤差，提高加工效率和產品質量。

[1]呂新彪.寶石款式設計與加工工藝[M].武漢：中國地質大學出版社，2006.

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

[3]熊毅，玉振明，陳炳忠.基于DSP寶石加工機械手控制系統設計與實現[J].組合機床與自動化加工技術，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

陳炳忠（1955-），男，梧州學院藝術系高級工程師，主要研究方向：珠寶首飾設計與加工。

鄧小林（1984-），男，梧州學院電子信息工程系講師，主要研究方向：產品數字化設計、大批量定制技術。

高 堅）