CN103252702A - 一种基于气动蓄能器的机器人配重方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的机器人竖直方向上运动关节的负载平衡方法采用了气缸来平衡机器人重力方向的负载，气缸内的气压可以根据负载的大小进行灵活调节，达到辅助机器人的关节的驱动的目的。采用大容积的耐压蓄能器确保启动系统中的气压恒定，提高系统的稳定性。与现有技术相比，该方法能够有效地平衡注视方向上的负载重力，可以有效地降低驱动部件的选型功率，既节约成本、提高了可靠性。

Description

一种基于气动蓄能器的机器人配重方法

技术领域

本发明涉及一种基于气动蓄能器的机器人配重方法，该方法尤其适用于竖直方向上的高速度大负载的竖直方向上下运动，利用气动缸的推力作用，平衡加大负载重力，达到用较小驱动电机，驱动较大负载高速运动的目的。

背景技术

随着工业对产品外形和表面质量要求的提高，在产品精加工过程中，经常采用抛光加工。特别对复杂曲面如高档水暖器件、文体用品、航空发动机叶片、水轮机叶片等的抛光加工，一般只能采用手工作业，不仅费时费力，效率低下,而且产品的一致性性差,精度不高。机器人抛光系统等数控抛光系统,使用编程控制，实现抛光自动化作业，它不仅改善了工人的工作条件及提高生产效率，而且加工后工件的表面质量及一致性大大提高。抛光轮一般由多层帆布或者毡布层叠起来，缝合而成，具有很强的柔性。多工位专用抛光机器人在一个加工周期内可以同时对多个同样工件进行加工，生产效率高。

如图1A和1B所示，为典型的两工位抛光机器人系统构型简图和三维图。该机器人具有6个自由度，其中工件夹持子系统具有四个自由度:两个移动自由度（X、Y轴）、两个旋转自由度（B、C轴）；抛光工具子系统具有两个自由度：一个移动自由度（Z轴），一个转动自由度（A轴）。

这种布局的优点是工作空间大，操作臂灵活而且刚度大，特别适合于强力曲面抛光等接触作业任务。抛光轮工具子系统升降移动关节采用齿轮齿条传动形式，抛光轮和抛光主电机安装在抛光轮进给机构的末端，变频器对抛光轮交流电机进行无级调速和转向控制。根据抛光工艺要求，机器人增加了一个局部自由度，即：抛光轮可沿轴向作横向振动。为了满足零件批量加工任务的要求，本系统由两个抛光头组成，也可以根据用户需要定制成四个或者六个抛光头，提高生产效率。

工件进给子系统X轴和Y轴移动关节采用丝杠导轨传动形式。为了增强设备的通用性和灵活性，机器人C轴末端同时能够更换不同的夹具，以适应多品种、小批量的现代加工模式。

抛光工作时，为了得到高质量的抛光效果，必须要满足抛光工件所需要的各项工艺参数，如抛光轮转速、抛光轮与工件的相对速度、机器人各个轴的相互插补运动。这就要求机器人的每个轴的速度和加速度等核心参数达到较高的指标，尤其是当为了提高机器人的加工效率、缩短单个工件的加工周期，而需要将机器人设计成四工位甚至六工位时，对机器人的每个轴的驱动部件是一个严峻的考验，更尤其是对竖直方向上运动的横梁和抛光轮等部件，两工位的重量大约是0.6吨，四工位的大约1.2吨，竖直方向运动的Z轴速度要求0-0.3m/s可调，所以Z轴方向的驱动电机需要达到很高的技术参数要求。选用较大的电机无疑是资源上和能源上的浪费，成本也会大大增加。显然，需要一种方法能够平衡Z轴方向上较大的负载，减轻Z轴方向上电机的负担，达到使用较小电机来驱动加大负载的目的。

典型的通用工业机器人不适用于这种工作环境，因此完全有必要提出一种针对曲面接触作业任务的优选机器人操作臂构型。该操作臂构型适用于各种机器人的接触作业任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于的竖直方向运动的较大负载的机器人操作臂的设计方法，旨在针对由于竖直运动的大负载、高速度、高加速度造成的选用高参数的驱动部件而造成的资源浪费的难题。尤其是对机器人的空间体积要求较小，且负载能力要求较大的情况下，提出一种平衡负载重力的设计方案，采用蓄能器、气缸和齿轮齿条机构的组合，通过调整气压，使气缸的活塞杆平衡负载重力，达到减小负载的目的。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于抛光的机器人，其特征在于包括：

龙门架体，其包括机架部分、升降机构部分和平衡装置部分，

其中所述机架部分包括抛光轮组件，和横梁焊接组件，

所述平衡装置部分用于提供与抛光轮组件和横梁组件的重量相平衡的平衡力，从而使所述升降机构部分只需要克服抛光轮组件，和横梁组件的重量与平衡装置部分所提供的支撑平衡力之差就可以正常工作。

附图说明

图1A和1B是现有技术的抛光轮直径补偿原理图。

图2A和2B是根据本发明的一个实施例的机器人的龙门架体结构。

图3是根据本发明的一个实施例的配重气缸及蓄能器示意图。

具体实施方式

在根据本发明的一个实施例的曲面抛光的机器人包括：

一种串联机器人操作臂构型，其包括工具移动部分和工作台部分，共有6个轴；其中，工具移动部分包括一个垂直移动轴（Z轴）和一个旋转轴（A轴）；工作台部分包括两个移动轴（X轴和Y轴）和两个转动轴（B轴和C轴）；

抛光轮，其安装在工具移动部分的末端，其中工件安装在工作台的末端；抛光轮的旋转作为主运动，主电机用于驱动抛光轮的所述旋转；其中，机器人各轴按照编程轨迹运动，抛光轮与工件接触，从而实现对曲面的抛光作业。

抛光工作时，为了得到高质量的抛光效果，必须要满足抛光工件所需要的各项工艺参数，对机器人的每个轴的驱动部件提出很高的要求，尤其是对竖直方向上运动的负载较大，所以Z轴方向的驱动电机需要达到很高的驱动力。因此，需要一种方法能够平衡Z轴方向上较大的负载，减轻Z轴方向上电机的负担，可以使用较小电机来驱动较大负载。

具体包括以下步骤——

两个抛光轮安装在Z向移动横梁上，具有A向转动自由度。整个抛光轮部件靠支架固定在连接轴上，连接轴A向旋转，整个支架也随着旋转。变频电机固定在支架靠近横梁的位置，这样可以降低悬臂的重心。该自由度由伺服电机通过减速器带动连接轴在竖直平面内运动，两个抛光轮同步旋转，保持两个工位的动作一致。抛光轮的旋转由交流电机通过V带传动实现。

如图2A和2B所示，根据本发明的一个实施例的用于曲面抛光的机器人包括：龙门架体，其包括机架部分和升降机构部分。机架部分由型材焊接而成，主要包括可上下移动的横梁102和分别位于横梁102两侧的立柱组件103；升降部分包括伺服电机212、减速器207、齿轮211、齿条210、平衡气缸202、涨紧套205。升降部分工作时动力由伺服电机212经减速器207后通过连接轴传递给安置在机架部分的两边的齿轮211上，驱动横梁102上下移动。横梁102的升降采用齿轮211－齿条210传动的方式，由伺服电机212提供动力，两侧一共采用四条导轨（未显示）起导向作用，增加导轨的弯扭刚度。

由于横梁203上具有抛光轮101（见图1B）及本身自重等负载，如果直接由伺服电机驱动则需要的扭矩会很大，所以在机架两侧分别配置了平衡气缸202抵消横梁203的自重，气缸202与气源（未显示）相连，通过溢流阀（未显示）控制气缸202的压力，进而控制平衡气缸202的支撑力。为了防止横梁203的重量过大，还增加了蓄能器201，蓄能器201左右各一（见下文结合图3的说明），分别放置于两侧的立柱103中。齿轮211提供的动力只需要克服横梁203的重量与平衡气缸202的支撑力之差。

就可以正常工作。在一个具体实施例中，通过实验确定，当气缸202的压力为0.4Mpa时两侧齿轮211处于悬浮状态，与齿条恰好接触，可视为平衡状态。蜗轮蜗杆减速器207采用了两侧输出方式，在实际工作中容易出现因为装配误差等原因导致的不同步现象产生，所以传动轴206之间仍然采用了前面提到的胀紧套205进行连接，先进行粗装配，待调节消除误差、两传动轴（206）完全同步时再完全锁紧涨紧套205。其中传动轴206分为左右两根，用联轴器208连接，从而降低两轴之间的同轴度误差，提高了装配精度。

如图3所示为各侧立柱内平衡气缸202以及蓄能器201的工作原理示意图。气缸给予抛光轮横梁302向上推力Fa；横梁302、抛光轮301及附属部件受到重力G。对外界气体加压，使其进入蓄能器（储气罐）201。储气罐（蓄能器）201与平衡气缸202相连，气缸顶杆308通过连接块305与齿轮211。连接，起到平衡横梁302及安装在横梁302上的抛光轮301的中立的作用。横梁302上升时，蓄能器201内的气体流入气缸306中，保持气缸内压力近似不变；横梁302下降时，气缸306内气体被压回蓄能器201。由于蓄能器201的体积远大于气缸306体积，所以这一过程中，系统气压可视为不变。

进一步地，上述的机器人竖直方向上运动关节的负载平衡方法，不受各关节的几乎尺寸影响和限制，可以满足机器人操作臂的各项性能指标要求。

更进一步地，上述的机器人竖直方向上运动关节的负载平衡方法，没有使用传感器及电动元器件，且精度和寿命不受现场工况环境的影响，能够大大提高设备的可靠性。

本发明技术方案的优点包括：

本发明涉及的机器人竖直方向上运动关节的负载平衡方法采用了气缸来平衡机器人重力方向的负载，气缸内的气压可以根据负载的大小进行灵活调节，达到辅助机器人的关节的驱动部件的目的。与现有技术相比，该方法能够广泛应用在大负载机器人作业任务上，产生良好的实际意义，社会经济效益显著。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.用于抛光的机器人，其特征在于包括：

龙门架体，其包括机架部分、升降机构部分和平衡装置部分，

所述机架部分包括抛光轮组件（101）和横梁焊接组件（102），

所述平衡装置部分用于提供与抛光轮组件（101）和横梁（102，203，302）的重量相平衡的平衡力，从而使所述升降机构部分只需克服抛光轮组件（101）和横梁（102，203，302）的重量与平衡装置部分所提供的平衡力之差就可以正常工作。

2.根据权利要求1的机器人，其特征在于：

所述机架部分包括可上下移动的横梁（102，203，302）和分别位于所述横梁的两侧的立柱焊接组件（103），

升降机构部分包括：

伺服电机（212），用于提供所述升降部分的工作动力，

减速器（207），用于对伺服电机（212）的转动输出进行减速，

安置在机架部分两边的齿轮（211），用于接收经减速器（207）传来的所述工作动力并驱动齿条（210），

所述齿条（210），用于驱动横梁（203，302）上下移动，

所述平衡装置部分包括：

在机架两侧分别配置的平衡气缸（202），用于抵消横梁（203，302）的自重。

3.根据权利要求2的机器人，其特征在于所述平衡装置部分进一步包括：

分别设置于两侧的立柱组件（103）中的蓄能器（201），

所述蓄能器（201）包括与平衡气缸（202）相连的储气罐（201）。

4.根据权利要求3的机器人，其特征在于

平衡气缸（202）的气缸顶杆（308）通过连接块（305）与齿轮（211）连接，从而起到平衡横梁（203，302）及安装在横梁（203，302）上的抛光轮（301）的中立的作用。

5.根据权利要求4的机器人，其特征在于

当横梁（203，302）上升时，储气罐（201）内的气体流入平衡气缸（202，306）中，保持平衡气缸（202）内压力近似不变；

当横梁（203，302）下降时，平衡气缸（202）内的气体被压回储气罐（201）。

6.根据权利要求4的机器人，其特征在于

储气罐（201）的体积远大于平衡气缸（202）体积。

7.根据权利要求2－6之一的机器人，其特征在于进一步包括：

涨紧套（205），用于在左右两个传动轴（206）一端分别与两侧的齿轮（211）进行连接，用于先进行粗装配，待调节消除误差、两个传动轴（206）与齿轮（211）完全同步时再锁紧涨紧套（205），

其中两个传动轴（206）另一端分别用联轴器（208）与减速器（207）连接，从而降低两个传动轴（206）之间的同轴度误差，提高装配精度。

8.根据权利要求2－6之一的机器人，其特征在于：

两侧的齿条（210）一共采用四条导轨进行导向。

9.根据权利要求2－6之一的机器人，其特征在于：

通过溢流阀控制平衡气缸（202）的压力，进而控制平衡气缸（202）的支撑力。

10.根据权利要求2－6之一的机器人，其特征在于包括至少两个抛光工位。

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