CN100488726C - 大型曲面自主研抛作业的微小机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型曲面自主研抛作业的微小机器人，属于机械制造领域。包括行走模块和研抛工具模块。行走模块的结构是：机体上固定连接主动轮系统和被动轮系统，转向装置与机体连接，该转向装置与主动轮系统中的转向传动被动轮皮带连接。研抛工具模块包括力控制汽缸、支架、主轴电机、主轴通过角接触球轴承与支架连接，万向节研抛头与主轴固定连接，导向轴通过导向直线轴承与导向轴座滑动连接。有益效果是，可以利用微小机器人在模具大型曲面上，自主定位规划，实现由小型设备对大型曲面的光整加工。不仅可以降低人工劳动强度、加工成本，还可提高加工的柔性、加工表面稳定性。

Description

大型曲面自主研抛作业的微小机器人

技术领域

本发明属于机械制造领域。

背景技术

近十几年来，随着计算机技术和现代控制理论等相关技术的迅猛发展，以数控加工为代表的柔性加工手段日趋完善，已经可以实现模具自由曲面的自动化形状加工，但形状加工后的表面仍需经过研磨、抛光等光整加工工序，才能获得预期的表面质量。

研抛光整加工的目的是在不改变模具表面形状精度的前提下，去除形状加工在表面残留的刀痕或变质层，以降低表面粗糙度，提高表面质量。以精密模具为例，自由曲面的手工研抛加工工时，在美国、日本和德国等发达工业国家约占总工时的37～42％，我国则达50％以上。手工研抛加工一方面不仅费时、费力、效率低下，且难以保证形状精度，加工质量不稳定，这与模具现代生产、制造的低成本、短周期、高质量的要求难以相适应。自由曲面的研抛加工是模具生产、制造中的薄弱环节，成为制约模具制造业发展的瓶颈。

为了降低模具的制造成本，缩短制造周期，避免人为因素对于模具生产的不利影响，20世纪80年代末期，工业发达国家竞相开展模具自由曲面研抛加工自动化的研究工作，将专门设计的研抛装置安装在数控机床或工业机器人上来代替工人的手工操作，开发基于数控机床或工业机器人的自动研抛加工系统是较为普遍的做法。长期以来，有关自由曲面研抛加工自动化的研究，主要集中在各种新颖研抛方法的提出与各种试验装置的开发、研抛轨迹生成方法与轨迹规划、研抛干涉检验、研抛工艺规律与控制策略、控制算法的研究等。目前，模具自由曲面自动研抛加工研究的现状是：(1)对于大型面自由曲面来说，其自动研抛加工受到研抛设备加工范围的局限。依据传统的加工模式，大型自由曲面必须采用大型研抛设备加工，而大型研抛设备造价昂贵，同时存在着加工范围与精度、刚度，运动快速性与稳定性等诸多技术难题。依据传统的模式解决大型自由曲面精密研抛问题需要付出太大的代价，因此必须另辟蹊径，寻求全新的技术途径。(2)关于各种研抛方法与研抛装置的开发研究较多，这方面的专利技术不少。比如，通过压缩空气推动安装于机器人腕部和工具之间的活塞沿直线导轨移动，来调节研抛接触压力的气动研抛装置；利用杯形铁磁研抛轮内部的永磁体产生的磁场生成研抛压力的磁压式研抛装置；通过专门设计的空间机构使研抛轮绕模具自由曲面附近虚拟的中心点做回转运动，根据研抛工具与模具自由曲面接触区域的几何特性以及研抛工具端部的受力情况，调整研抛轨迹的被动柔顺研抛装置等。但以全局的发展眼光看，该领域的研究尚有许多技术问题没有解决，如大型面自由曲面的自动研抛加工技术问题。(3)模具曲面的多样化和不规则性要求研抛工具随着加工轮廓形状的改变而改变自己的运动轨迹和姿态，这给研抛工具运动控制带来很大的麻烦，虽然使用现代的数控加工技术可以控制工具的运动，但数控程序的编制会遇到很大的困难，因此，传统的数控系统难以在模具自由曲面自动研抛加工中发挥作用，目前开发针对自由曲面研抛加工的专用数控系统的研究很少，使得自动研抛技术向现实生产力转化受到某些关键技术的挑战。(4)采用工业机器人可以较好地进行力、位的主动轨迹/压力混合适应控制，但难以像数控机床那样进行自由曲面表面生成轨迹的精密规划与跟踪，因而轨迹误差较大。而且使用机器人研抛加工自由曲面过程中，要求研抛工具按预定的轨迹运动，同时必须保持正确的姿态。保持正确的姿态，往往会牺牲一定的作业空间；为增加作业空间而增加机器人的手臂长度又会引起精度和刚度的不足。所以，单纯采用传统工业机器人实现模具自由曲面自动研抛加工，存在着作业空间与精度、刚度的矛盾。

发明内容

本发明提供一种大型曲面自主研抛作业的微小机器人，以解决目前大型曲面研抛作业时存在的加工设备大、作业空间受限的问题。为了能利用机器人技术，以较小的成本完成大型曲面的表面光整加工，本设计的新型微小机器人可以定位于大型曲面上，自主规划曲面加工路径，在对所规划路径的自行跟随移动中顺次完成对大型曲面表面的光整加工。即以较小的设备完成对较大工件表面的研抛加工。

本发明采取的技术方案是：

包括：行走模块和研抛工具模块。

行走模块是机器人运动的执行者，也是研抛工具模块的载体。研抛工具模块则是研抛加工的完成者。行走模块1在控制系统的控制下，实现对加工路径的跟踪、定位和其他辅助运动，同时为研抛加工提供进给运动。研抛模块2被加载在行走模块上，驱动研抛工具对被加工工件进行研抛加工。二者协同工作，即可实现对工件的大型平面、曲面的光整加工。

本发明中，行走模块的结构是，机体3上固定连接主动轮系统1和被动轮系统2，转向装置4与机体3连接，该转向装置与主动轮系统中的转向传动被动轮皮带连接。

该行走模块的工作原理是：机器人的运动驱动由前后共两套主动轮系统1提供，其中的伺服电机根据控制信号经过传动装置，将驱动扭矩和速度输出到运动轮。转向机构4中的伺服电机根据控制信号经过传动带、轮，将驱动扭矩和速度输出到主动轮系统，驱使主动轮产生一个转向角。如此，通过协调控制前后两套主动轮的转速和转角，使之相互配合，既可以实现直线前行、平动斜行和任意半径转弯的机动动作，从而实现高度的机动性运动。

被动轮系统2随主动轮的运动进行运动，其偏心的轮轴布局和与机体的轴承支撑结构使之成为万向轮结构，可随运动需要被动的，随时转向。系统上并联的阻尼汽缸、弹簧装置一方面可以使四轮支撑适应曲面面形变化，同时也对由加工运动产生的高频振动激励产生阻尼，减少其对车体运动稳定性的影响。

机体3是构成车体的基本结构。它为行走机构、工具模块和其它所有需要加载的元件提供了基体。

本发明中，主动轮系统1的结构是：转向传动被动轮101与转向轴104固定连接，推力轴承102与转向轴转动连接，向心球轴承103与转向轴转动连接，转向轴与主动轮架106固定连接，电机105与该主动轮架固定连接，轮轴108与该主动轮架转动连接，轮107与轮轴转动连接，传动主动齿型带轮112与电机轴固定连接，传动被动齿型带轮109与轮轴固定连接，传动齿形带111与传动主动齿型带轮、传动被动齿带型轮连接，传动带轮罩110与主动轮架固定连接。

主动轮系统工作原理是：驱动电机105通过同步齿形带组：传动主动齿型带轮112、传动齿形带111、传动被动齿型带轮109将扭矩和速度传给轮107，带动机器人行走。整个主动轮系统通过轴承组成的轴承组与机器人机体结构联结，使主动轮机构可以在转向控制被动轮101控制下作转动，从而产生行走的方向角。

本发明中，被动轮系统2结构是：主杆204与推力轴承201固定连接，向心球轴承202与主杆转动连接，活塞207与主杆固定连接，缸体208与活塞滑动连接，缸盖206与缸体固定连接，弹簧205套接在缸体外部，与缸体下部同时作为轮支架，轮轴210通过向心球轴承211与轮支架连接，轮209与轮轴固定连接。

被动轮系统工作原理是：整个被动轮系统通过轴承组成的轴承组与机器人机体结构联结，使被动轮系统可以绕主杆204轴线自由转动。轴承组的布置和轮209轴线相对主杆204轴线的偏置布置可以使整个被动轮系统成为可随系统运动转向的万向轮。

并联的被动轮的悬挂系统由主杆204、汽缸盖206、活塞207、缸体208的汽缸活塞组和弹簧205构成。一方面可以使被动轮支撑适应曲面面形变化，同时也对由加工运动产生的高频振动激励产生阻尼，减少其对车体运动稳定性的影响。

汽缸的活塞和汽缸盖上各有四个空气节流小孔，当活塞随系统施加给被动轮系统的振动激励运动时，可以对之产生阻尼力。因而由汽缸提供给被动轮悬挂系统主要的运动阻尼。标准化后的被动轮系统构成典型的二阶振动系统。

本发明中，转向机构4的结构是转向控制伺服电机401与机体3固定连接，转向传动主动带轮402与该转向控制伺服电机轴固定连接，转向传动齿形带403连接转向传动主动带轮和转向传动被动带轮101。

转向机构工作原理：由转向控制伺服电机401通过转向传动主动轮402、转向传动齿形带403和转向传动被动轮101，向主动轮系统输出运动转角。前后主动轮的转速、运动转角共四个参数相互配合，即可实现各种运动方式。

本发明中，研抛工具模块的结构是：力控制汽缸513与支架501固定连接，电机座504通过直线轴承502与支架滑动连接，主轴电机503与电机座固定连接，电机轴通过联轴器505与主轴506固定连接，主轴通过角接触球轴承507与支架连接，万向节研抛头508与主轴固定连接，导向轴509通过导向直线轴承510与导向轴座511滑动连接，联结杆512分别与力控制汽缸和导向轴连接。

研抛工具模块工作原理：支架501使工具模块连接在行走模块上，同时也是研抛模块的支撑基体。主轴电机503安装在电机座504中，电机座504通过直线轴承502，实现其在轴向上的移动。电机通过联轴器505将驱动力矩传到主轴506。由于主轴506与联轴器是通过键连接，与联轴器505并无轴向上的约束，所以只接受电机轴传来的扭矩而并不把轴向的载荷传给电机。主轴506所受的轴向载荷由支撑主轴的角接触球轴承507承受。主轴506将扭矩传给十字万向节研抛头508。万向节研抛头508的下端用于联结柔性的研抛工具，并可以随研抛工具的受力作适应性的摆动，以保持研抛力对工件表面的均匀性。导向轴509可以防止工具在加工扭矩作用下转动。导向直线轴承510和固定于行走机构的导向轴座511保证了导向轴508直线运动的顺利。

联结杆512用于联结导向轴509和力控制汽缸513与工具的电机座504相联。力控制汽缸513是一个短行程汽缸。通过对气压的检测和控制，使汽缸活塞杆上下移动，以保证加工压力的恒定。达到柔顺控制的目的。

本发明优点是：本发明独辟蹊径，提出全新的技术思路以实现用小型装备对大型自由曲面进行光整加工的目标。通过控制系统实现微小机器人灵活地在大型自由曲面的表面移动，依据自由曲面自身的几何信息和工艺信息在行进中对大型自由曲面进行研抛加工。所开发的大型自由曲面微小研抛机器人，采用位置/姿态/压力/速度集成控制，仿人研抛自由曲面的分片规划和区域轨迹规划新技术以及从三维CAD信息自动生成包含分片研抛轨迹优化和工具姿态/压力/速度优化信息的自由曲面自动研抛加工控制软件等，都具有自主知识产权，在国内外属首创。

该技术可以用微小设备研抛加工大型复杂模具自由曲面，突破了研抛大型自由曲面必须用大型设备的传统模式，解决了研抛装备加工范围的瓶颈，填补大型面自由曲面自动研抛加工技术的空白。

本发明的有益效果是，可以利用微小机器人在模具大型曲面上，自主定位规划，实现由小型设备对大型曲面的光整加工。不仅可以降低人工劳动强度、加工成本，还可提高加工的柔性、加工表面稳定性。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明行走模块结构示意图；

图3是图2的左视图；

图4是图2的俯视图；

图5是行走模块的立体图；

图6是本发明主动轮系统结构示意图。

图7是本发明主动轮外形图。

图8是本发明被动轮外形图。

图9是图8的A-A剖视图。

图10是本发明转向机构示意图。

图11是图10的仰视图。

图12是本发明研抛模块结构示意图。

图13是本发明研抛模块外形图。

具体实施方式

包括：行走模块I和研抛工具模块II。

其中行走模块I的结构是：机体3上固定连接主动轮系统1和被动轮系统2，转向机构4与机体3连接，该转向机构与主动轮系统中的转向传动被动轮皮带连接。

其中，主动轮系统1的结构是：转向传动被动轮101与转向轴104固定连接，推力轴承102与转向轴转动连接，向心球轴承103与转向轴转动连接，转向轴与主动轮架106固定连接，电机105与该主动轮架固定连接，轮轴108与该主动轮架转动连接，轮107与轮轴转动连接，传动主动齿型带轮112与电机轴固定连接，传动被动齿型带轮109与轮轴固定连接，传动齿形带111与传动主动齿型带轮、传动被动齿型带轮连接，传动带轮罩110与主动轮架固定连接。

其中，被动轮系统2结构是：主杆204与推力轴承201固定连接，向心球轴承202与主杆转动连接，活塞207与主杆固定连接，缸体208与活塞滑动连接，缸盖206与缸体固定连接，弹簧205套接在缸体外部，与缸体下部同时作为轮支架，轮轴210通过向心球轴承211与轮支架连接，轮209与轮轴固定连接。汽缸的活塞和汽缸盖上各有四个空气节流小孔。

其中，转向机构4的结构是转向控制伺服电机401与机体3固定连接，转向传动主动带轮402与该转向控制伺服电机轴固定连接，转向传动齿形带403连接转向传动主动轮带402和转向传动被动带轮101。

其中，研抛工具模块II的结构是：力控制汽缸513与支架501固定连接，电机座504通过直线轴承502与支架滑动连接，主轴电机503与电机座固定连接，电机轴通过联轴器505与主轴506固定连接，主轴通过角接触球轴承507与支架连接，万向节研抛头508与主轴固定连接，导向轴509通过导向直线轴承510与导向轴座511滑动连接，联结杆512分别与力控制汽缸和导向轴连接。

Claims (5)

1、一种大型曲面自主研抛作业的微小机器人，包括行走模块和研抛工具模块，其特征在于行走模块的结构是：机体(3)上固定连接主动轮系统(1)和被动轮系统(2)，转向装置(4)与机体(3)连接，该转向装置与主动轮系统中的转向传动被动轮皮带连接。

2、根据权利要求1所述的大型曲面自主研抛作业的微小机器人，其特征在于：主动轮系统(1)的结构是：转向传动被动轮(101)与转向轴(104)固定连接，推力轴承I(102)与转向轴转动连接，向心球轴承I(103)与转向轴转动连接，转向轴与主动轮架(106)固定连接，电机(105)与该主动轮架固定连接，轮轴I(108)与该主动轮架转动连接，轮I(107)与轮轴转动连接，传动主动齿型带轮(112)与电机轴I固定连接，传动被动齿型带轮(109)与轮轴固定连接，传动齿形带(111)与传动主动齿型带轮、传动被动齿型带轮连接，传动带轮罩(110)与主动轮架固定连接。

3、根据权利要求1所述的大型曲面自主研抛作业的微小机器人，其特征在于：被动轮系统(2)结构是：主杆(204)与推力轴承II(201)固定连接，向心球轴承II(202)与主杆转动连接，活塞(207)与主杆固定连接，缸体(208)与活塞滑动连接，缸盖(206)与缸体固定连接，弹簧(205)套接在缸体外部，轮支架与缸体下部为一体，轮轴II(210)通过向心球轴承III(211)与轮支架连接，轮II(209)与轮轴固定连接汽缸的活塞和汽缸盖上各有四个空气节流小孔。

4、根据权利要求1所述的大型曲面自主研抛作业的微小机器人，其特征在于：转向装置(4)的结构是转向控制伺服电机(401)与机体(3)固定连接，转向传动主动带轮(402)与该转向控制伺服电机轴固定连接，转向传动齿形带(403)连接转向传动主动带轮(402)和转向传动被动轮(101)。

5、根据权利要求1所述的大型曲面自主研抛作业的微小机器人，其特征在于：研抛工具模块的结构是：力控制汽缸(513)与支架(501)固定连接，电机座(504)通过直线轴承(502)与支架滑动连接，主轴电机(503)与电机座固定连接，电机轴II通过联轴器(505)与主轴(506)固定连接，主轴通过角接触球轴承(507)与支架连接，万向节研抛头(508)与主轴固定连接，导向轴(509)通过导向直线轴承(510)与导向轴座(511)滑动连接，联结杆(512)分别与力控制汽缸和导向轴连接。

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