CN101417348B - 钻孔末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业机器人用的钻孔末端执行器，该末端执行器包括有主轴单元、进给单元、支承单元。主轴单元包括精密主轴头，主轴电机及驱动，ER弹簧夹头刀柄及刀具，同步带及带轮；进给单元包括直线滚珠导套及专用轴，丝杠螺母副，进给电机及驱动，同步带及带轮；支承单元包括基座，轴座，精密主轴头支座，气缸支座，压头管壳，压脚，前板，后板，电磁阀连接板，主轴电机连接板，限位开关连接板。主轴单元实现钻头的切削速度可调，进给单元实现钻头的进给速度和进给行程可调，支承单元保证了末端执行器的整体刚度。本发明结合机器人使用就可以构成柔性钻削系统，可提高钻孔的效率和精度，改善钻孔的质量，减少工人的重复劳动。
Description
技术领域
本发明涉及机器人钻削领域，更特别地说，是指一种适用于工业机器人的钻孔末端执行器。
背景技术
孔加工在航空制造中占有重要地位，有文献报道在一条机翼的装配线上每年约要钻削加工4000万个孔。传统的人工钻孔，工作量大，过程枯燥，钻孔的效率低，孔的精度和质量难以保证一致性，批量化生产人力和物力成本高。随着机器人的位置精度，负载能力的提高以及位置和刚度补偿技术的发展，使得机器人可作为高效的移动平台，再配合钻孔末端执行器，就可以构成柔性钻削系统，提高了生产率，并且体现出了精益系统的理念。末端执行器是钻削机器人系统中直接与工件接触，执行钻孔任务的关键部分。由于工件的形式不同，再加上钻头的不断磨损，这就需要末端执行器能实时改变切削速度和进给量，使得钻头处于最佳的工作状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种工业机器人用的钻孔末端执行器，该末端执行器包括有主轴单元、进给单元、支承单元。主轴单元包括精密主轴头，主轴电机及驱动，ER弹簧夹头刀柄及刀具，同步带及带轮；进给单元包括直线滚珠导套及专用轴，丝杠螺母副，进给电机及驱动，同步带及带轮；支承单元包括基座，轴座，精密主轴头支座，气缸支座，压头管壳，压脚，前板，后板，电磁阀连接板，主轴电机连接板，限位开关连接板。主轴单元实现钻头的切削速度可调，进给单元实现钻头的进给速度和进给行程可调，支承单元保证了末端执行器的整体刚度。随着机器人的位置精度，负载能力的提高以及位置和刚度补偿等技术的发展，使得机器人可作为一种高效灵活的柔性平台，配以不同的末端执行器，就可以构成各种不同的柔性加工系统，本发明结合机器人使用就可以构成柔性钻削系统，可提高钻孔的效率和精度，改善钻孔的质量，减少工人的重复劳动。
本发明的一种工业机器人用的钻孔末端执行器的优点：可一次以不同的切削参数加工层压材料或双金属材料等由不同材料组成的工件。可实时力反馈，用于监测刀具的磨损状况，并绘制力随时间的变化图，这有利于优化刀具结构和切削参数。只有在钻盲孔和锪孔时需输入深度值，钻通孔无需输入进给行程数据。整体结构紧凑，刚度好，能保证作用在机器人上的力恒定。
附图说明
图1是本发明钻孔末端执行器的外部结构图。
图2是本发明支承单元的正视图。
图2A是本发明支承单元的后视图。
图2B是本发明支承单元的分解图。
图3是本发明主轴单元的结构图。
图4是本发明进给单元的结构图。
图中： 1.支承单元 101.基座 101a.安装面 102.主轴头支座
102a.A丝杠孔 102b.轴承孔 103.A气缸支座 104.B气缸支座 105.压头管壳
106.压脚 107.A连接板 108.前板 181.B丝杠孔 182.B通孔
183.A通孔 109.侧板 191.A腰形孔 192.B腰形孔 111.A轴座
112.B轴座 113.C轴座 114.D轴座 121.A光轴 122.B光轴
123.C光轴 124.D光轴 2.主轴单元 201.A电机 202.主动同步带轮
203.从动同步带轮 204.同步带 205.B连接板 3.进给单元
301.B电机 302.主动同步带轮 303.从动同步带轮
304.同步带 305.后板 306.丝杠 307.螺母
11.A行程开关 12.B行程开关 13.A气缸 14.B气缸 15.力传感器
16.电磁阀 17.A节流阀 18.B节流阀 19.C节流阀 20.D节流阀
21.主轴头 22.刀具 23.刀柄
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明的一种工业机器人用的钻孔末端执行器，该钻孔末端执行器包括有支承单元1、主轴单元2和进给单元3；进给单元3的后板305上连接有支承单元1的四根光轴(A光轴121、B光轴122、C光轴123、D光轴124)，主轴单元2安装在支承单元1的主轴头支座102上。
参见图2、图2A、图2B所示，支承单元1包括有基座101、四个轴座(A轴座111、B轴座112、C轴座113、D轴座114)、四根光轴(A光轴121、B光轴122、C光轴123、D光轴124)、两个气缸支座(A气缸支座103、B气缸支座104)、主轴头支座102、A连接板107、前板108。
主轴头支座102的下方中心设有一个A丝杠孔102a，A丝杠孔102a的四周设有四个轴承孔102b，A丝杠孔102a用于丝杠306穿过，四个轴承孔102b分别用于A光轴121、B光轴122、C光轴123、D光轴124穿过，主轴头支座102上安装有主轴单元2的主轴头21。
前板108安装在基座101的安装面101a的左端，前板108上的压头管壳105用于在加工中起到排屑的作用，前板108上的压脚106用于安装力传感器15(该力传感器15用于检测两个气缸输出的压紧力，压紧力是作用到工具上的)。前板108上设有四个A通孔183、一个B通孔182、一个B丝杠孔181，四个A通孔183设置在B丝杠孔181的四周；在前板108的外侧设有压头管壳105、压脚106，压头管壳105设在压脚106的端部；B丝杠孔181内安装有丝杠轴承，该丝杠轴承套接在丝杠306的左端上；四个A通孔183供A光轴121、B光轴122、C光轴123、D光轴124通过。B通孔182用于刀柄23的穿过。
A轴座111、B轴座112、C轴座113、D轴座114分别安装在基座101的安装面101a的四个角上，且该四个轴座为两两平行布局；A轴座111与B轴座112相对放置，C轴座113与D轴座114相对放置；A光轴121与D光轴124平行安装在A轴座111与D轴座114之间，且A光轴121与D光轴124的一端安装在后板305上，A光轴121与D光轴124另一端安装在前板108上；B光轴122与C光轴123平行安装在B轴座112与C轴座113之间，且B光轴122与C光轴123的一端安装在后板305上，B光轴122与C光轴123另一端安装在前板108上。
A气缸支座103与B气缸支座104相对放置，安装在基座101的安装面101a上，且位于C轴座113、D轴座114的内侧；A气缸支座103上安装有A气缸13，B气缸支座104上安装有B气缸14，A气缸支座103与B气缸支座104的顶端安装有A连接板107，A连接板107上安装有电磁阀16。在本发明中，A气缸13、B气缸14提供压力给工件。
侧板109设置在基座101的安装面101a一侧边上，侧板109上开有A腰孔191、B腰孔192，A腰孔191用于A行程开关11在孔内运动，B腰孔192用于B行程开关12在孔内运动。A行程开关11与B行程开关12用于限制主轴单元2向左或向右运动的最大间距。
参见图3所示，主轴单元2包括有A电机201、主动同步带轮202、从动同步带轮203、同步带204、B连接板205、主轴头21、ER弹簧夹头刀柄23、刀具22；
A电机201、主轴头21安装在B连接板205的一侧，A电机201的输出轴穿过B连接板205上的一通孔后与主动同步带轮202连接，主轴头21的主轴一端穿过B连接板205上的另一通孔后与从动同步带轮203连接，主动同步带轮202与从动同步带轮203之间套接有同步带204，主轴头21的主轴另一端连接有刀柄23，刀柄23上连接有刀具22。
在本发明中，在A电机201的驱动下，使与主轴头21连接的刀具22完成切削运动，即刀具22的旋转运动。刀具22的切削速度可调是通过A电机201的伺服驱动器中的速度控制实现的。
参见图4所示，进给单元3包括有B电机301、主动同步带轮302、从动同步带轮303、同步带304、后板305、丝杠306、螺母307；
B电机301安装在后板305上，B电机301的输出轴穿过后板305上的一通孔后与主动同步带轮302连接，丝杠306的右端穿过后板305上的另一通孔后与从动同步带轮303连接，主动同步带轮302与从动同步带轮303之间套接有同步带304，丝杠306上套接有螺母307，丝杠306的左端安装在前板108的丝杠孔181内。
在本发明中，通过同步带304、丝杠螺母副(丝杠306与螺母307的组合)将B电机301的旋转运动变为主轴头21的进给运动(向左运动)。刀具22的进给速度和进给行程可调是通过B电机301的伺服驱动器中的位置控制实现的。在孔加工完成后，进给单元3向右运动，使得主轴单元2复位至初始位置下。进给单元3向左、向右的行程间距可以通过A行程开关11与B行程开关12在侧板109上的腰孔长度来调节。
在本发明中，力传感器15、A行程开关11、B行程开关12可以形成传感单元，当工件被压紧在压头管壳105上时，反作用力经压脚106分流，力传感器15就可以检测到压紧力，当钻削开始的时候，切削力作用在前板108上，进而作用在压脚106上，此力和压紧力方向相反，引起压脚106上的力变化，进而被力传感器15捕获，就可以实时的得到压脚106上的力变化，这些数据可以用来判别刀具22是否磨钝，是否断裂，还可以用来优化刀具22设计及切削参数。A行程开关11、B行程开关12主要用来限制主轴单元2的行程，当气缸活塞达到前限位时，使A气缸13、B气缸14即时缩回，用来防止压头管壳105离工件的距离在超过设定的行程时压向工件。B行程开关12用来防止超程，A行程开关11除用来防止超程，还作为原点开关使用。
钻孔末端执行器工作流程描述：电磁阀16接通，A气缸13和B气缸14活塞杆伸出推动前板108，带动主轴单元和进给单元一起做直线运动，其速度调节是通过A气缸13上的D节流阀20和B气缸上的C节流阀19实现的。压头管壳105压紧在工件上，反作用力经压脚106分流，力传感器15就可以检测到压紧力，当压紧力达到某一设定值后，A电机201驱动主轴头21中的主轴旋转，实现与其连接刀具22的切削运动，同时B电机301驱动丝杠螺母副，实现主轴头21的直线运动，即刀具22的进给运动。当工件被钻透后，A电机201停止旋转，刀具22随即停止切削运动，然后B电机301反转，驱动丝杠螺母副，使刀具22退出工件，并完成刀具22的归零运动。当收到归零信号后，电磁阀16接通，气缸活塞杆缩回，带动前板后退，使压头管壳离开工件，其速度调节是通过A气缸13上的A节流阀17和B气缸上的B节流阀18实现的。当活塞缩回到起始位置后，发出信号告知控制系统本孔已加工完毕，可以对下一个孔进行加工。
Claims (3)
1.一种钻孔末端执行器，其特征在于：该钻孔末端执行器包括有支承单元(1)、主轴单元(2)和进给单元(3)；进给单元(3)的后板(305)上连接有支承单元(1)的A光轴(121)、B光轴(122)、C光轴(123)、D光轴(124)的一端，主轴单元(2)安装在支承单元(1)的主轴头支座(102)上；
支承单元(1)包括有基座(101)、A轴座(111)、B轴座(112)、C轴座(113)、D轴座(114)、A光轴(121)、B光轴(122)、C光轴(123)、D光轴(124)、A气缸支座(103)、B气缸支座(104)、主轴头支座(102)、A连接板(107)、前板(108)；A轴座(111)、B轴座(112)、C轴座(113)、D轴座(114)分别安装在基座(101)的安装面(101a)的四个角上，A光轴(121)与D光轴(124)平行安装在A轴座(111)与D轴座(114)之间，且A光轴(121)与D光轴(124)的一端安装在后板(305)上，A光轴(121)与D光轴(124)另一端安装在前板(108)上；B光轴(122)与C光轴(123)平行安装在B轴座(112)与C轴座(113)之间，且B光轴(122)与C光轴(123)的一端安装在后板(305)上，B光轴(122)与C光轴(123)另一端安装在前板(108)上；A气缸支座(103)与B气缸支座(104)相对放置，安装在基座(101)的安装面(101a)上，且位于C轴座(113)、D轴座(114)的内侧；A气缸支座(103)上安装有A气缸(13)，B气缸支座(104)上安装有B气缸(14)，A气缸支座(103)与B气缸支座(104)的顶端安装有A连接板(107)，A连接板(107)上安装有电磁阀(16)；侧板(109)设置在基座(101)的安装面(101a)一侧边上，侧板(109)上开有A腰孔(191)、B腰孔(192)；
主轴单元(2)包括有A电机(201)、A主动同步带轮(202)、A从动同步带轮(203)、A同步带(204)、B连接板(205)、主轴头(21)、ER弹簧夹头刀柄(23)；A电机(201)、主轴头(21)安装在B连接板(205)的一侧，A电机(201)的输出轴穿过B连接板(205)上的一通孔后与A主动同步带轮(202)连接，主轴头(21)的主轴一端穿过B连接板(205)上的另一通孔后与A从动同步带轮(203)连接，A主动同步带轮(202)与A从动同步带轮(203)之间套接有A同步带(204)，主轴头(21)的主轴另一端连接有刀柄(23)，刀柄(23)上连接有刀具(22)；
进给单元(3)包括有B电机(301)、B主动同步带轮(302)、B从动同步带轮(303)、B同步带(304)、后板(305)、丝杠(306)、螺母(307)；B电机(301)安装在后板(305)上，B电机(301)的输出轴穿过后板(305)上的一通孔后与B主动同步带轮(302)连接，丝杠(306)的右端穿过后板(305)上的另一通孔后与B从动同步带轮(303)连接，B主动同步带轮(302)与B从动同步带轮(303)之间套接有B同步带(304)，丝杠(306)上套接有螺母(307)，丝杠(306)的左端安装在前板(108)的丝杠孔(181)内。
2.根据权利要求1所述的钻孔末端执行器，其特征在于：通过B同步带(304)、丝杠螺母副将B电机(301)的旋转运动变为主轴头(21)的进给运动。
3.根据权利要求1所述的钻孔末端执行器，其特征在于：在A电机(201)的驱动下，使与主轴头(21)连接的刀具(22)完成切削运动，即刀具(22)的旋转运动。
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