CN113172511A - 一种基于常力机构的机器人打磨执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于常力机构的机器人打磨执行器，包括机器人连接法兰、驱动机构、恒力机构和磨具；所述机器人连接法兰上端固定在工业机器人末端，下端同轴安装有驱动机构，该驱动机构用于为同轴安装在其下端的恒力机构提供动力；在恒力机构的下端安装有磨具；在恒力机构内安装有一体成型的柔顺常力机构，该柔顺常力机构能够在驱动机构的作用下保持输出力的恒定，对工件进行恒力打磨。本发明具有输出恒力值大和恒力区域广的特点，可适应打磨过程中复杂的情况，与气缸相比本发明的柔顺常力机构的结构简单、力控精度高，适用于各种精密加工领域。
Description
技术领域
本发明属于精密加工技术领域，涉及机器人打磨执行器，尤其是一种基于常力机构的机器人打磨执行器。
背景技术
近年来，随着制造业技术的不断发展，人们对于产品表面的打磨、抛光等加工程序的精度也提出了更高的要求。工业机器人凭借其自身的高灵活性和高适应性开始逐步取代传统的人工打磨，传统的人工打磨不仅效率低下而且打磨出来的工件质量不一，很难满足现代制造业对于产品的高要求，而依靠机器人来进行打磨、抛光的工序不仅能提高产品的质量，而且不必再利用人工进行大量的操作，促进了制造业的发展。
一般来说目前用于打磨的末端执行器主要依靠主动柔顺系统和被动柔顺系统来对打磨过程来进行控制。
被动柔顺系统主要使用弹簧等机械结构来对打磨过程进行控制；还有使用气缸，通过控制气动比例阀输出气缸压力，使打磨过程中保持一个恒定的力。相较与弹簧来说，通过气缸来进行控制的方案结构简单，且较为精准。但是被动柔顺系统存在一个问题，其不能根据打磨的情况来实时的调整打磨力，从而导致其只能被使用于一些低精度的场合。
主动柔顺系统通过力传感器、恒力控制器来对打磨过程进行控制，得益于力传感器和恒力控制器，采用主动柔顺系统的工业机器人能够精准的对打磨力进行控制，而且整体结构简单、可靠性强。其可适用于许多场合。但是力传感器和恒力控制器的价格十分昂贵，同时其控制算法较为复杂，这就导致其性价比不高。
目前，打磨执行器按照恒力控制方法可分为机械式、气动式、电驱式和气电混合式。而现有的大部分打磨执行器都采用了气电混合式结构，即由直线电机提供动力而气囊或气缸来输出恒力的方案，相较于传统的结构来说，气电混合式机构大大提高了打磨的效率和精度，但自身也有较大的缺陷例如气缸存在迟滞、整体力控制精度不高、响应速度较慢、噪声大、能耗大和使用维护相对麻烦等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种控制精度高、响应速度快、噪声小、能耗低且使用维护便捷的基于常力机构的机器人打磨执行器。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于常力机构的机器人打磨执行器，包括机器人连接法兰、驱动机构、恒力机构和磨具；所述机器人连接法兰上端固定在工业机器人末端，下端同轴安装有驱动机构，该驱动机构用于为同轴安装在其下端的恒力机构提供动力；在恒力机构的下端安装有磨具；在恒力机构内安装有一体成型的柔顺常力机构，该柔顺常力机构能够在驱动机构的作用下保持输出力的恒定，对工件进行恒力打磨。
而且，所述柔顺常力机构包括：中间柱和径向均布在中间柱四周的三个形变机构，每个形变机构之间的夹角为120度；所述中间柱顶端中心处制有连接孔，该中间柱底端设有用于连接打磨头的连接平台；所述形变机构包括：上稳态梁、折页机构、下稳态梁和边柱；所述上稳态梁、折页机构和下稳态梁从上至下依次连接在中间柱和边柱之间，该上稳态梁和下稳态梁与中间柱呈85度角；所述折页机构呈2字型结构，包括首尾依次相连的柔性横杆、竖杆、横杆、竖杆和横杆。
而且，在所述柔顺常力机构上安装有力传感器，所述力传感器安装在柔顺常力机构的任意一形变机构的下稳态横梁上靠近中间柱侧；所述力传感器为电阻应变式传感器，用于实时监测打磨过程中的压力，并将打磨过程中力信号反馈给安装在音圈电机末端的控制器，再由控制器对驱动机构进行控制来实现输出力的调整。
而且，所述机器人连接法兰采用刚性法兰，所述机器人连接法兰下端通过固定螺钉与驱动机构相连接。
而且，所述驱动机构包括音圈电机，该音圈电机安装在驱动机构顶板上，其末端固定连接一柔性细杆，当音圈电机驱动时能够带动柔性细杆一起向下运动，使柔性细杆末端插入常力机构的中间柱顶部的连接孔中，进而使中间柱产生向下位移。
而且，所述恒力机构包括上底板、下底板、外壳及固装在外壳内部的柔顺常力机构；所述上底板、下底板通过螺钉固定在外壳上；所述柔顺常力机构的边柱侧端面分别通过螺钉固定在外壳内壁上。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明结合了主动柔顺控制和被动柔顺结构的方案，使用力传感器和控制器来精确控制力的输出，同时在打磨头与驱动机构中间加入恒力机构以控制输出力的恒定。本发明的打磨执行器可以通过机器人连接法兰连接与工业机器人的末端，由机器人自主规划路径，通过恒力机构来保证与打磨件的接触力，实现恒力打磨。在恒力机构内设有新型的柔顺常力机构，该新型的柔顺常力机构而没有选择传统的气缸，而是采用均布在中间柱四周的三个一体制成的形变机构，包括上稳态梁、折页机构和下稳态梁，该形变机构采用铝合金7075—T6柔性材料制成，当常力机构末端受力时，中间柱向前移动而边柱保持固定，则上稳态梁和下稳态梁形成波浪形状的梁，而折页机构的竖直部分收拢，水平部分弯曲，使本发明的柔顺常力机构具有输出恒力值大和恒力区域广的特点，可适应打磨过程中复杂的情况，与气缸相比本发明的柔顺常力机构的结构简单、力控精度高，适用于各种精密加工领域。
2、本发明的柔顺常力机构可一体化加工成型，避免了装配带来的误差。
3、本发明的柔顺常力机构采用均布在中间柱四周的三个一体制成的形变机构，包括上稳态梁、折页机构和下稳态梁，该形变机构采用铝合金7075—T6材料制成，当常力机构末端受力时，中间柱向前移动而边柱保持固定，则上稳态梁和下稳态梁形成波浪形状的梁，而折页机构的竖直部分收拢，水平部分弯曲，其结构简单、可靠性强、可适用于多种场合。且在运动过程中有着无摩擦磨损、振动小和噪声小的特点，提高了打磨的精度。
4、本发明的驱动机构中的音圈电机与恒力机构中的常力机构相结合，音圈电机具有响应快、灵敏度高的特点，而常力机构相较于传统的气缸又有运动精度高和不易损坏的特点，这二者相结合使得打磨过程高效和可靠。
5、本发明的柔顺常力机构的边柱侧端面分别通过螺钉固定在外壳内壁上，以保证柔顺常力机构只会向一个方向进行运动，从而保证恒力机构的输出力恒定且误差较小。
6、本发明的机器人连接法兰采用刚性法兰，保证连接的可靠性，所述机器人连接法兰下端通过固定螺钉与驱动机构相连接，使得机器人同打磨执行器整体位于同一竖直平面。而且法兰的同轴度可以保证力传感器测得数值为打磨面上的正压力，使测量的力的精准度有了保证。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的的内部结构示意图；
图3是本发明的柔顺常力机构结构示意图；
图4是柔顺常力机构受力变形的结构图；
图5是本发明的柔顺常力机构力与位移的输出曲线图。
附图标记说明：
图中：1-机器人连接法兰；2-驱动机构；3-恒力机构；4-磨具；
100-控制器；101-音圈电机；102-柔性细杆；103-固定螺钉；104-上顶板；105-柔顺常力机构；106-外壳；107-下底板；108-打磨头；
109-上稳态横梁；110-边柱；111-折页机构；112-力传感器；113-连接平台；114-中间柱；115-下稳态横梁；116-中间孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种基于常力机构的机器人打磨执行器，如图1和图2所示，包括机器人连接法兰、驱动机构、恒力机构和磨具；所述机器人连接法兰上端固定在工业机器人末端，由机器人自主规划打磨路径；其下端同轴安装有驱动机构，用于为同轴安装在其下端的恒力机构提供动力；在恒力机构的下端安装有磨具；在恒力机构内安装有一体成型的柔顺常力机构，该柔顺常力机构能够在驱动机构的作用下保持输出力的恒定，对工件进行恒力打磨。
在本实施例中，如图3和图4所示，所述柔顺常力机构包括：中间柱和径向均布在中间柱四周的三个形变机构，每个形变机构之间的夹角为120度；所述中间柱顶端中心处制有连接孔，该中间柱底端设有用于连接打磨头的连接平台；所述形变机构包括：上稳态梁、折页机构、下稳态梁和边柱；所述上稳态梁、折页机构和下稳态梁从上至下依次连接在中间柱和边柱之间，该上稳态梁和下稳态梁与中间柱呈85度角；所述折页机构呈2字型结构，包括首尾依次相连的柔性横杆、竖杆、横杆、竖杆和横杆。
本发明的柔顺常力机构的工作原理为：
本发明的柔顺常力机构整体由6根柔性杆和、3个折页机构和三个边柱组成，该柔顺常力机构整体材料为7075铝合金。它们之间呈120度角，等距离径向分布于中间柱四周。其中在同一形变机构内的两根柔性杆，即：上稳态梁和下稳态梁所组成的结构为双稳态梁，因其负刚度区间占有较大比例，且线性度较好。其中两根柔性杆与中间柱的夹角为85度，一般来说夹角越小机构整体常力范围也就越大，但考虑到材料的拉伸强度负刚度曲线的线性度，角度的取值范围在75度至85度之间，其均可较好的满足需求，本发明采用85度既保证了常力机构的常力范围足够大也保证了整体线性度的平稳。
本发明的折页机构可看作由3根横杆和2根竖直杆组成的结构，相比于传统由横杆组成的正刚度结构，折页机构不仅和横杆机构一样为正刚结构且其正刚度范围更大所以它能很好的满足机构设计的要求。从整体来说当常力机构的末端受到力时，中间柱向前运动同时双稳态梁和折页结构发生变形在结构整体同时产生负刚度和正刚度特性，根据刚度叠加原理，整体机构会呈现零刚度的特性。从而完成恒力的输出。相比气缸，常力机构产生的恒力稳定且运动过程中没有摩擦磨损，因此可以更好的完成打磨工序。
在本实施例中，所述中间柱底部设有一连接平台，该连接平台与打磨头通过固定螺钉进行连接，当常力机构运动时将带动打磨头一起运动。
在本实施例中，在所述柔顺常力机构上安装有力传感器，所述力传感器安装在柔顺常力机构的任意一形变机构的下稳态横梁上靠近中间柱侧；所述力传感器为电阻应变式传感器，可以实时监测打磨过程中的压力，根据打磨过程中力的变化，作为力信号反馈给安装在音圈电机末端的控制器，再由控制器对驱动机构进行精准控制来实现输出力的调整。
在本实施例中，所述机器人连接法兰采用刚性法兰，保证连接的可靠性，所述机器人连接法兰下端通过固定螺钉与驱动机构相连接，使得机器人同打磨执行器整体位于同一竖直平面。而且法兰的同轴度可以保证力传感器测得数值为打磨面上的正压力，使测量的力的精准度有了保证。
在本实施例中，所述驱动机构包括音圈电机，该音圈电机安装在驱动机构顶板上，其末端固定连接一柔性细杆，当音圈电机驱动时能够带动柔性细杆一起向下运动，使柔性细杆末端插入常力机构的中间柱顶部的连接孔中，进而使中间柱产生向下位移。
当音圈电机驱动时柔性细杆向前推动常力机构进行变形，而由于常力机构具备能够弹性形变的特性，其在一定的力驱动下，输入位移和输出力保持着恒定的关系，所以在一定的范围内，恒力机构可以保持输出力的恒定从而完成打磨工序。
在本实施例中，所述恒力机构包括上底板、下底板、外壳及固装在外壳内部的柔顺常力机构；所述上底板、下底板通过螺钉固定在外壳上；所述柔顺常力机构的边柱侧端面分别通过螺钉固定在外壳内壁上，以保证柔顺常力机构只会向一个方向进行运动，从而保证恒力机构的输出力恒定且误差较小。
在本实施例中，所述控制器采用市购芯片型号为：TI公司生产的TMSF28335 DSP芯片。
本发明的工作原理为：
首先将机器人连接法兰与工业机器人末端相连，使得工业机器人可以带动整个执行器可以按照规划路径进行运动。打磨头接触工件所产生的力则通过力传感器进行监测后传输至控制器，而控制器可以计算出打磨不同位置所需的打磨力随后控制音圈电机进行输出，紧接着音圈电机为恒力机构提供动力，而柔顺常力机构则输出一个恒力给打磨头完成打磨。所述柔顺常力机构顶端中央处制有一连接孔，当音圈电机驱动时.音圈电机上固定连接的柔性细杆同时也会一起运动，柔性细杆使用的材料为7075铝合金，在运动过程中柔性细杆插入连接孔之中，推动常力机构一起运动，刚好可以使打磨头获得一个恒定的力。
如图5所示，本发明的柔顺常力机构在一定的位移条件下可以保持输出力的恒定。折页机构为正刚度结构，输出力与输入位移之间呈线性关系。双稳杆为负刚度结构，输出力与输入位移之间呈非线性关系。根据刚度叠加原理，正负刚度组合会产生零刚度区域，即在这一段区域内，输入位移增加而输出力保持恒定。
本发明所提出的基于柔顺常力机构的机器人打磨执行器，适应范围广、操作便捷，通过力传感器和控制器对打磨力进行控制，同时柔顺常力机构给打磨头输出一个恒定的力使得打磨过程打磨力保持恒定，可有效地提高表面打磨质量。同时恒力装置采用了柔顺常力机构的机械结构，其具有结构简单、输出精确且无摩擦的优点。有效解决打磨过程中由于各种不确定因素造成打磨质量差、损伤零件等问题。为实际加工提供了一种稳定、高效的打磨方案。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
Claims (6)
1.一种基于常力机构的机器人打磨执行器，其特征在于：包括机器人连接法兰、驱动机构、恒力机构和磨具；所述机器人连接法兰上端固定在工业机器人末端，下端同轴安装有驱动机构，该驱动机构用于为同轴安装在其下端的恒力机构提供动力；在恒力机构的下端安装有磨具；在恒力机构内安装有一体成型的柔顺常力机构，该柔顺常力机构能够在驱动机构的作用下保持输出力的恒定，对工件进行恒力打磨。
2.根据权利要求1所述的一种基于常力机构的机器人打磨执行器，其特征在于：一种基于常力机构的机器人打磨执行器，其特征在于：所述柔顺常力机构包括：中间柱和径向均布在中间柱四周的三个形变机构，每个形变机构之间的夹角为120度；所述中间柱顶端中心处制有连接孔，该中间柱底端设有用于连接打磨头的连接平台；所述形变机构包括：上稳态梁、折页机构、下稳态梁和边柱；所述上稳态梁、折页机构和下稳态梁从上至下依次连接在中间柱和边柱之间，该上稳态梁和下稳态梁与中间柱呈85度角；所述折页机构呈2字型结构，包括首尾依次相连的柔性横杆、竖杆、横杆、竖杆和横杆。
3.根据权利要求1所述的一种基于常力机构的机器人打磨执行器，其特征在于：在所述柔顺常力机构上安装有力传感器，所述力传感器安装在柔顺常力机构的任意一形变机构的下稳态横梁上靠近中间柱侧；所述力传感器为电阻应变式传感器，用于实时监测打磨过程中的压力，并将打磨过程中力信号反馈给安装在音圈电机末端的控制器，再由控制器对驱动机构进行控制来实现输出力的调整。
4.根据权利要求1所述的一种基于常力机构的机器人打磨执行器，其特征在于：所述机器人连接法兰采用刚性法兰，所述机器人连接法兰下端通过固定螺钉与驱动机构相连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于常力机构的机器人打磨执行器，其特征在于：所述驱动机构包括音圈电机，该音圈电机安装在驱动机构顶板上，其末端固定连接一柔性细杆，当音圈电机驱动时能够带动柔性细杆一起向下运动，使柔性细杆末端插入常力机构的中间柱顶部的连接孔中，进而使中间柱产生向下位移。
6.根据权利要求1所述的一种基于常力机构的机器人打磨执行器，其特征在于：所述恒力机构包括上底板、下底板、外壳及固装在外壳内部的柔顺常力机构；所述上底板、下底板通过螺钉固定在外壳上；所述柔顺常力机构的边柱侧端面分别通过螺钉固定在外壳内壁上。
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