CN105619453A - 碰撞保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动化生产设备技术领域，涉及一种碰撞保护装置，球轴承的导向柱面与多孔柱的导向孔配合组成移动副，滚珠嵌在多孔杆球的锥形孔内，弹簧一端压紧螺柱另一端压紧球轴承的背面，多孔杆球与连接碗球面配合，受外力碰撞时触发杆的触发头触碰中心微动开关的触发板，从而停机。本发明结构简单，使用方便，灵敏度高，能有效避免关键设备受到破坏，能避免轴向力、侧向力和力偶三种破坏力作用，功能齐全，为工厂节约大量维修维护的时间和资金。

Description

碰撞保护装置

技术领域

本发明属于自动化生产设备技术领域，涉及一种当工作机构受强烈碰撞时能避免机械手臂或工作机构损坏的装置，具体涉及一种碰撞保护装置。

背景技术

自动化和智能化生产设备在工厂中普及范围越来越广泛，机械手臂和工作机构的组合的应用也非常广泛。工作机构是指机械夹爪、焊枪或割炬等等。机械手臂能模仿人胳臂和手的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运、焊接或切割工件。

机械手臂是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

在现代生产过程中，机械手臂被广泛的运用于自动化生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴的技术，该行业快速促进了机械手臂的发展，使得机械手臂能更好地实现机械化和自动化的有机结合。机械手臂虽然还不如人手那样灵活，但它能不断地重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比较大，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

人们在生产实践中根据自己的需要设计出各种各样的工作机构，最典型的是机械夹爪、焊枪或割炬。

人们根据工件的形状制作机械夹爪，适用于需要重复劳动、精确运动、危险地区、高温地区、低温地区等。工作机构还可以是真空吸盘，通过真空发生器使吸盘牢牢地吸附在工件表面，从而，在吸盘运动时，工件可以随着运动，撤消真空则工件又脱落下来；还可以是电磁吸盘，里面包括电磁铁，电磁铁通电时产生巨大的磁场，把钢铁工件牢牢吸引住，断开电流则工件脱落下来；还可以是油漆喷枪，工人长期工作在有油漆气味的场合，气味往往对人体有很大的危害，使用机械手臂工作可以避免危害工人身体健康；还可以是检测量具，用来测量工件的尺寸，自动把测量结果传输给计算机系统与标准值进行比对，从而判断该工件是否合格。总之机械手臂和工作机构的组合已经应用于现代化生产中的各行各业的很多工序，发辉着非常重要的作用。

然而，目前使用的机械手臂与工作机构的组合，往往是两者直接连接在一起，生产过程是复杂的，有时会出现突发事件，不可免避地工作机构会受到剧烈碰撞，轻则导致机械手臂与工作机构的定位精度变差，重则导致弯曲变形，甚至导致破坏周围的设备或伤及工作人员，而机构的电控系统不能感知到碰撞的发生，还仍然按照既定的程序工作，破坏动作还会继续，直到人工关停它的电源。生产实践急需要一种能感知剧烈碰撞的装置产生。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的不足之处，提供一种能使机械手臂感知到剧烈碰撞的发生、在受到剧烈碰撞后能使机械手臂自动停机的碰撞保护装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种碰撞保护装置，包括多孔柱、中心微动开关、边微动开关、中触杆球轴承、中压螺柱、中弹簧、边触杆球轴承、边压螺柱、边弹簧、多个实心螺柱、多个无杆球轴承、多个实心柱弹簧和多孔杆球；

多孔柱包括机械臂法兰、导向孔和内螺纹；通过机械臂法兰与机器人或其它自动化生产设备的机械手臂固定连接在一起；导向孔与相对应的内螺纹同轴心线；其中有一组导向孔与内螺纹位于与机械臂法兰相垂直的位置，即中心导向孔与中心内螺纹；

中触杆球轴承是一种万向球，万向球又叫万向输送球、万向滚珠、钢球轮、牛眼轴承等，包括壳体、滚珠和小滚动体，其滚珠滚动灵活，可以在任意方向上滚动，广泛使用于传输系统、进料系统、加工系统、加工机械和打包机构辅助设备中，是工程领域经常使用的通用零件；

中触杆球轴承包括触发杆、壳体和滚珠，壳体上有导向柱面，壳体背面，即滚珠的另一面，固定有触发杆，触发杆的末端是触发头；

中压螺柱上有外螺纹，中心处有小孔；

边触杆球轴承与中触杆球轴承具有相同的结构，包括触发杆、壳体和滚珠，壳体上有导向柱面，壳体背面固定触发杆，触发杆末端有触发头；

边压螺柱与中压螺柱有相同的结构，上面有外螺纹，中心处有小孔；

无杆球轴承与中触杆球轴承相同，包括导向柱面和滚珠，只是不包括触发杆和触发头；

多孔杆球包括球头和摇杆，摇杆的一端和球头固定连接；球头上有多个锥形孔；其中有一个锥形孔位于摇杆的另一侧，与摇杆同轴心线，即中心锥形孔；

连接碗上有连接碗内球面和摇杆孔；

多孔柱和连接碗固定连接，球头与连接碗内球面同球心，组成球面配合；摇杆通过摇杆孔伸到外面；摇杆受到外力时球头绕球心摇动，则球头与连接碗内球面绕球心相互转动，做滑动摩擦；

中触杆球轴承的导向柱面与中心导向孔配合组成移动副，中压螺柱与中心内螺纹配合组成螺纹副，滚珠嵌在中心锥形孔内，中弹簧位于中心导向孔内，一端压紧中压螺柱，另一端压紧中触杆球轴承的背面，触发杆通过小孔，触发头触碰中心微动开关的触发板；在中弹簧的作用下，球头压紧连接碗内球面的中心锥形孔，当摇杆受到剧烈的碰撞沿轴向窜动或受侧向力摇摆时，中心锥形孔的锥形斜面推动滚珠或沿轴向推动滚珠，中触杆球轴承克服中弹簧的压力平移，带动触发头触动中心微动开关，中心微动开关给电控系统传递一个信号，电控系统则关停电源；

边触杆球轴承的导向柱面与其中一个导向孔配合组成移动副，边压螺柱与相对应的内螺纹配合组成螺纹副，边触杆球轴承的滚珠嵌在其中一个锥形孔内，边弹簧位于该导向孔内，一端压紧边压螺柱，另一端压紧边触杆球轴承的背面，边触杆球轴承的触发杆通过该边压螺柱的小孔，触发头触碰边微动开关的触发板；在边弹簧的作用下，球头压紧连接碗内球面，当摇杆受到绕轴旋转的力偶或受侧向力摇摆时，锥形孔的锥形斜面推动滚珠，边触杆球轴承克服边弹簧的压力平移，带动边触杆球轴承的触发头触动边微动开关，边微动开关给电控系统传递一个信号，电控系统则关停电源；

无杆球轴承的导向柱面与其中一个导向孔配合组成移动副，实心螺柱与相应的内螺纹配合组成螺纹副，无杆球轴承的滚珠嵌在其中一个锥形孔内，实心柱弹簧位于该导向孔内，一端压紧实心螺柱，另一端压紧无杆球轴承的背面；在边弹簧的作用下，球头压紧连接碗内球面，当摇杆受到绕轴旋转的力偶或受侧向力摇摆时，锥形孔的锥形斜面推动滚珠，无杆球轴承克服边弹簧的压力平移；

多孔杆球在中触杆球轴承、边触杆球轴承和无杆球轴承的共同作用下处于平衡状态，摇杆受到较大的轴向压力、侧向摇摆力或绕轴心线的力偶矩时，中心微动开关和边微动开关至少有一个被触动，则可以产生一个停机的信号传递给电控系统，电控系统则关停电源；当碰撞外力消失时，在中弹簧和边弹簧的压力作用下，多孔杆球又回复到原来的位置，重新处于平衡状态；根据工作机构可以承受碰撞的能力选择不同弹性系数的弹簧，承受能力较大时选择比较大的弹性系数，承受能力较小时选择比较小的弹性系数，总之受到破坏性的力时总是能及时停机，使工作机构和机械手臂总是能避免碰坏，有效避免关键设备受到破坏，避免受到较大的经济损失，为工厂节约大量维修维护的时间和资金。

另外，调整中压螺柱与中心内螺纹的旋合位置，或者调整边压螺柱/实心螺柱与内螺纹的旋合位置，则中弹簧与边弹簧被压缩的程度变化，其压力大小也随着改变，要使中心微动开关和边微动开关被触发所需要的轴向压力、侧向摇摆力或绕轴心线的力偶矩也变大。

以上所述的锥形孔，包括中心锥形的锥角选用在100至160度之间，锥角较小，则需要在摇杆上施加更大的力偶或侧向力才能触发中心微动开关或边微动开关，锥角越大，则需要在摇杆上施加较小的力偶或侧向力才能触发中心微动开关或边微动开关。

以上所述的多孔柱上面有多个导向孔，是指三至八个，除了中心导向孔，其余的导向孔往往相对于中心导向孔的轴心线均匀圆周阵列布置；要通过施加侧向力触发中心微动开关或边微动开关，孔越多、布置越均匀时，各个方向需要施加的力越趋向于相等，对工作越有利。多孔杆球上的锥形孔与多孔柱上的导向孔往往一一对应。

以上所述的球头与连接碗内球面同球心组成滑动球面配合，其摩擦力较大，为了减小摩擦力，往往在球头与连接碗内球面之间设置多个钢珠，变滑动摩擦为滚动摩擦，摩擦力大幅减小，几乎可以忽略不计，碰撞力的参数更大程度上取决于弹簧的参数，灵敏度大幅提高。

为了防止钢珠脱落，在连接碗内球面上还设有钢珠挡边，钢珠处于球头外表面、连接碗内球面和钢珠挡边所限定的空间内，能更好地工作。

以上所述的摇杆的末端可以直接连接工作机构，也可以再固定连接一个机械手法兰，机械手法兰上有多个孔，可以方便连接工作机构。

本发明的有益效果：本发明一端连接机械手臂，另一端连接工作机构，在工作机构非预期地受到较剧烈的碰撞时能自动停机，结构简单，使用方便，灵敏度高，能有效避免关键设备受到破坏，能避免轴向力、侧向力和力偶三种破坏力作用，功能齐全，为工厂节约大量维修维护的时间和资金。

附图说明

图1是本发明实施例的三维结构示意图，多孔柱1和连接碗9被剖开的状况；

图2是本发明实施例的正视图；

图3是图2中沿A-A线的剖视图，摇杆63不受外力时的状况；

图4是图2中沿A-A线的剖视图，摇杆63受侧向力时的状况；

图5是图2中沿A-A线的剖视图，摇杆63受旋转力偶时的状况；

图6是多孔柱1被剖去四分之一的三维结构示意图；

图7是多孔柱1被剖去四分之一的另一个方向的三维结构示意图；

图8是中压螺柱32的三维结构示意图；

图9是中触杆球轴承31的正视图；

图10是连接碗9的正面剖视图；

图11是五孔杆球6的三维结构示意图，被剖去八分之一球的状况；

图12是五孔杆球6的局部剖视正视图；

图中所示：1.五孔柱；11.机械臂法兰；12.导向孔；121.中心导向孔；13.内螺纹；131.中心内螺纹；14.五孔柱内球面；21.中心微动开关；22.边微动开关；31.中触杆球轴承；311.触发头；312.触发杆；313.导向柱面；314.滚珠；315.背面；32.中压螺柱；321.外螺纹；322.小孔；33.中弹簧；41.边触杆球轴承；42.边压螺柱；43.边弹簧；51.实心螺柱；52.无杆球轴承；53.实心柱弹簧；6.五孔杆球；61.锥形孔；611.中心锥形孔；62.球头；63.摇杆；7.钢珠；8.机械手法兰；9.连接碗；91.连接碗内球面；92.钢珠挡边；93.摇杆孔；B.绕轴旋转的力偶的方向；R.锥形孔的锥角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例：参见图1至图11。

一种碰撞保护装置，包括五孔柱1、中心微动开关21、边微动开关22、中触杆球轴承31、中压螺柱32、中弹簧33、边触杆球轴承41、边压螺柱42、边弹簧43、三个实心螺柱51、三个无杆球轴承52、三个实心柱弹簧53、五孔杆球6、多个钢珠7、机械手法兰8；

五孔柱1包括机械臂法兰11、导向孔12和内螺纹13；通过机械臂法兰11与机器人或其它自动化生产设备的机械手臂固定连接在一起；导向孔12与相对应的内螺纹13同轴心线；其中有一组导向孔与内螺纹位于与机械臂法兰11相垂直的位置，即中心导向孔121与中心内螺纹131；

中触杆球轴承31是一种万向球，万向球又叫万向输送球、万向滚珠、钢球轮、牛眼轴承等，包括壳体、滚珠和小滚动体，其滚珠滚动灵活，可以在任意方向上滚动，广泛使用于传输系统、进料系统、加工系统、加工机械和打包机构辅助设备中，是工程领域经常使用的通用零件，

中触杆球轴承31包括触发杆312、壳体和滚珠314，壳体上有导向柱面313，壳体背面315，即滚珠314的另一面，固定有触发杆312，触发杆312的末端是触发头311；

中压螺柱32上有外螺纹321，中心处有小孔322；

边触杆球轴承41与中触杆球轴承31具有相同的结构，包括触发杆、壳体和滚珠，壳体上有导向柱面，壳体背面固定触发杆，触发杆末端有触发头；

边压螺柱42与中压螺柱32有相同的结构，上面有外螺纹，中心处有小孔；

无杆球轴承52与中触杆球轴承31相同，包括导向柱面和滚珠，只是不包括触发杆和触发头；

五孔杆球6包括球头62和摇杆63，摇杆63的一端和球头62固定连接；球头62上有多个锥形孔61；其中有一个锥形孔位于摇杆63的另一侧，与摇杆63同轴心线，即中心锥形孔611；

连接碗9上有连接碗内球面91、钢珠挡边92和摇杆孔93；

五孔柱1和连接碗9固定连接，球头62与连接碗内球面91同球心；摇杆63通过摇杆孔93伸到外面；多个钢珠7处于球头62外表面、连接碗内球面91和钢珠挡边92所限定的空间内，摇杆63受到外力时球头62摇动，则球头62与连接碗内球面91相互转动，通过钢珠7做滚动摩擦，摩擦力较小；

中触杆球轴承31的导向柱面313与中心导向孔121配合组成移动副，中压螺柱32与中心内螺纹131配合组成螺纹副，滚珠314嵌在中心锥形孔611内，中弹簧33位于中心导向孔121内，一端压紧中压螺柱32，另一端压紧中触杆球轴承31的背面315，触发杆312通过小孔322，触发头311触碰中心微动开关21的触发板；在中弹簧33的作用下，球头62通过钢珠7压紧连接碗内球面91的中心锥形孔，当摇杆63受到剧烈的碰撞沿轴向窜动或受侧向力摇摆时，中心锥形孔611的锥形斜面推动滚珠314或沿轴向推动滚珠314，中触杆球轴承31克服中弹簧33的压力平移，带动触发头311触动中心微动开关21，中心微动开关21给电控系统传递一个信号，电控系统则关停电源；如图3中所示，沿轴向窜动是指五孔杆球6沿摇杆63的轴心线向上窜动；受侧向力摇摆是指如图4中所示摇杆63在侧向力作用下摆向一边；

边触杆球轴承41的导向柱面与其中一个导向孔12配合组成移动副，边压螺柱42与相应的内螺纹13配合组成螺纹副，边触杆球轴承41的滚珠嵌在其中一个锥形孔61内，边弹簧43位于该导向孔12内，一端压紧边压螺柱42，另一端压紧边触杆球轴承41的背面，边触杆球轴承41的触发杆通过该边压螺柱42的小孔，触发头触碰边微动开关22的触发板；在边弹簧43的作用下，球头62通过钢珠7压紧连接碗内球面91，当摇杆63受到绕轴旋转的力偶或受侧向力摇摆时，锥形孔61的锥形斜面推动滚珠314，边触杆球轴承41克服边弹簧43的压力平移，带动边触杆球轴承的触发头触动边微动开关22，边微动开关22给电控系统传递一个信号，电控系统则关停电源；受到绕轴旋转的力偶，是指如图5所示，摇杆63受到箭头B所指示的旋转力偶方向，或者相反的方向；

无杆球轴承52的导向柱面与其中一个导向孔12配合组成移动副，实心螺柱51与相应的内螺纹13配合组成螺纹副，无杆球轴承52的滚珠嵌在其中一个锥形孔61内，实心柱弹簧53位于该导向孔12内，一端压紧实心螺柱51，另一端压紧无杆球轴承52的背面；在边弹簧43的作用下，球头62通过钢珠7压紧连接碗内球面91，当摇杆63受到绕轴旋转的力偶或受侧向力摇摆时，锥形孔61的锥形斜面推动滚珠314，无杆球轴承52克服边弹簧43的压力平移；

五孔杆球6在中触杆球轴承31、边触杆球轴承41和无杆球轴承52的共同作用下处于平衡状态，摇杆63受到轴向压力、侧向摇摆力或绕轴心线的力偶矩时，中心微动开关21和边微动开关22至少有一个被触动，则可以产生一个停机的信号传递给电控系统，电控系统则关停电源；当碰撞外力消失时，在中弹簧33和边弹簧43的压力作用下，五孔杆球6又回复到原来的位置，重新处于平衡状态；根据工作机构可以承受碰撞的能力选择不同弹性系数的弹簧，承受能力较大时选择比较大的弹性系数，承受能力较小时选择比较小的弹性系数，总之受到破坏性的力时总是能及时停机，使工作机构总是能避免碰坏，有效避免关键设备受到破坏，避免受到较大的经济损失，为工厂节约大量维修维护的时间和资金。

另外，调整中压螺柱32与中心内螺纹131的旋合位置，或者调整边压螺柱42/实心螺柱51与内螺纹13的旋合位置，则中弹簧33与边弹簧43被压缩的程度变化，其压力大小也随着改变，承受碰撞的能力也随着改变。

以上所述的锥形孔的锥角R选用140度。

本实施例在球头与连接碗内球面之间设置了多个钢珠，采用的滚动摩擦方式，摩擦力大幅减小，几乎可以忽略不计，碰撞力的参数更大程度上取决于弹簧的参数，灵敏度大幅提高。

以上所述的摇杆63的末端固定连接机械手法兰8，法兰上有多个孔，可以方便连接工作机构。

本实施例的有益效果：本实施一端连接机械手臂，另一端连接工作机构，在工作机构非预期地受到较剧烈的碰撞时能自动停机，结构简单，实用方便，灵敏度高，有效避免关键设备受到破坏，能避免轴向力、侧向力和力偶三种破坏力作用，功能齐全，为工厂节约大量维修维护的时间和资金。

Claims (7)

1.一种碰撞保护装置，其特征在于，包括多孔柱、中心微动开关、边微动开关、中触杆球轴承、中压螺柱、中弹簧、边触杆球轴承、边压螺柱、边弹簧、多个实心螺柱、多个无杆球轴承、多个实心柱弹簧和多孔杆球；

多孔柱包括机械臂法兰、导向孔和内螺纹；导向孔与相对应的内螺纹同轴心线；中心导向孔和中心内螺纹与机械臂法兰相垂直；

中触杆球轴承或边触杆球轴承包括触发杆、壳体和滚珠，壳体上有导向柱面，壳体背面固定有触发杆，触发杆的末端是触发头；

中压螺柱或边压螺柱上有外螺纹，中心处有小孔；

无杆球轴承包括导向柱面和滚珠；

多孔杆球包括球头和摇杆，摇杆的一端和球头固定连接；球头上有多个锥形孔；中心锥形孔位于摇杆的另一侧，与摇杆同轴心线；

连接碗上有连接碗内球面和摇杆孔；

多孔柱和连接碗固定连接，球头与连接碗内球面同球心，组成球面配合；摇杆通过摇杆孔伸到外面，球头绕球心摇动；

中触杆球轴承的导向柱面与中心导向孔配合组成移动副，中压螺柱与中心内螺纹配合组成螺纹副，滚珠嵌在中心锥形孔内，中弹簧位于中心导向孔内，一端压紧中压螺柱，另一端压紧中触杆球轴承的背面，触发杆通过小孔，触发头触碰中心微动开关的触发板；

边触杆球轴承的导向柱面与导向孔配合组成移动副，边压螺柱与相对应的内螺纹配合组成螺纹副，边触杆球轴承的滚珠嵌在其中一个锥形孔内，边弹簧位于该导向孔内，一端压紧边压螺柱，另一端压紧边触杆球轴承的背面，边触杆球轴承的触发杆通过该边压螺柱的小孔，触发头触碰边微动开关的触发板；

无杆球轴承的导向柱面与其中一个导向孔配合组成移动副，实心螺柱与相应的内螺纹配合组成螺纹副，无杆球轴承的滚珠嵌在锥形孔内，实心柱弹簧位于该导向孔内，一端压紧实心螺柱，另一端压紧无杆球轴承的背面。

2.根据权利要求1所述的碰撞保护装置，其特征在于以上所述的锥形孔，包括中心锥形孔，其锥角在100至160度之间。

3.根据权利要求1所述的碰撞保护装置，其特征在于多孔柱上的导向孔，包括中心导向孔，共有三至八个。

4.根据权利要求1或2或3所述的碰撞保护装置，其特征在于，除中心导向孔以外的其余的导向孔相对于中心导向孔的轴心线均匀圆周阵列布置。

5.根据权利要求1或2或3所述的碰撞保护装置，其特征在于球头与连接碗内球面之间设置多个钢珠。

6.根据权利要求5述的碰撞保护装置，其特征在于在连接碗内球面上设有钢珠挡边。

7.根据权利要求1或2或3或6所述的碰撞保护装置，其特征在于摇杆的末端固定连接机械手法兰，机械手法兰上有多个孔。