CN106426175B - 高锁螺栓自动螺接机器人及其末端执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高锁螺栓自动螺接机器人及其末端执行器。所述末端执行器包括螺栓拧紧机构、螺栓定位机构和基座，所述螺栓拧紧机构和螺栓定位机构固定在所述基座上，所述螺栓拧紧机构为中空结构，所述螺栓定位机构同轴地位于所述螺栓拧紧机构的中间空间中。所述高锁螺栓自动螺接机器人包括根据本发明的末端执行器。本发明以简单的结构实现了定位机构与螺栓拧紧机构的旋拧运动的分离。

Description

高锁螺栓自动螺接机器人及其末端执行器
技术领域
本发明涉及工业机器人及其技术应用领域，尤其涉及一种高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器以及一种高锁螺栓自动螺接机器人。
背景技术
数字化自动装配技术已成为飞机制造业发展的必然趋势，国外民机制造公司将之视作一项非常重要的核心技术。由于飞机性能要求不断提高，先进复合材料设计制造技术有了迅猛发展，复合材料在飞机制造中的应用比重愈来愈大。飞机复合材料构件趋向于整体成形，以减少零件和紧固件数量，缩短装配工序，从而达到降低成本的目的。传统的自动化装配以自动化铆接为主，铆钉连接由于采用干涉配合，无法在复合材料中运用。钛合金高锁螺栓广泛应用于我国众多航空器新型号，
由于缺乏相关技术，在复合材料装配过程中，仅在少量单面钉的安装过程中运用自动化装配，急需研究复合材料中常用的螺栓类紧固件的自动化安装方法，以提高复合材料构件的自动化装配效率。
目前国内外公司和研究院尚未推出高锁螺栓的自动化螺接装配的产品。国内外航空制造业高锁螺栓的安装主要是人工操作，借助简单扳手进行人力作业，或者是借助气动或电动安装工具进行作业，效率低下，螺帽断开后容易掉落，很难回收，经常遗落在安装现场，对飞机造成重大安全隐患。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出一种高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器，能以结构简单实现螺栓定位机构与旋拧运动的分离。
本发明的另一个目的是提出一种高锁螺栓自动螺接机器人，以实现高锁螺栓的自动定位以及自动拧紧，有效地提高了高锁螺栓的装配效率。
本发明的高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器，包括螺栓拧紧机构、螺栓定位机构和基座，所述螺栓拧紧机构和螺栓定位机构固定在所述基座上，所述螺栓拧紧机构为中空结构，所述螺栓定位机构同轴地位于所述螺栓拧紧机构的中间空间中。
进一步地，所述螺栓拧紧机构包括DD直驱空心轴伺服电机、中空的连接轴、中空的接头，DD直驱空心轴伺服电机的输出轴与连接轴连接，用于驱动连接轴旋转，在连接轴的背离所述直驱空心轴伺服电机的一端，接头能与连接轴接合或分离，接头在其背离连接轴的末端带有用于固定螺母的卡槽。
进一步地，所述接头包括弹簧座、锁紧弹簧、座套、球体、内轴，所述锁紧弹簧位于所述弹簧座与所述座套之间，用于向所述座套施加推力，所述座套包围所述内轴并且和所述内轴之间形成空隙以容纳所述球体，在锁紧时，所述球体沿径向向内突出所述内轴的壁上的通孔，结合到位于所述连接轴的外侧壁上的相应的槽中，所述球体的径向外部的部分位于所述座套与所述内轴之间的空隙中。
进一步地，所述球体的数量为四个，它们沿环周方向相间90°地分别布置在所述内轴上的四个通孔中。
进一步地，所述螺栓定位机构包括定位杆、连接缓冲座、缓冲弹簧、螺栓定位杆，所述定位杆与所述基座固定连接，并穿过所述DD直驱空心轴伺服电机伸出，所述定位杆在伸出的端部上与所述连接缓冲座固定连接，所述连接缓冲座在内环周上与所述缓冲弹簧固定连接，所述螺栓定位杆在外环周上与所述缓冲弹簧固定连接，所述螺栓定位杆的与所述缓冲弹簧连接的一端形状配合地插入所述连接缓冲座内部。
进一步地，所述连接缓冲座与所述定位杆通过螺纹彼此连接。
进一步地，所述定位杆在外环周上通过轴承支撑在所述螺栓拧紧机构内部。
本发明的高锁螺栓自动螺接机器人，包括机器人本体、机械手，其特征在于，所述高锁螺栓自动螺接机器人还包括根据本发明的末端执行器，该末端执行器安装在所述机械手上。
进一步地，所述末端执行器设有六维力传感器，所述末端执行器用所述六维力传感器与所述机械手连接。
进一步地，所述高锁螺栓自动螺接机器人包括伺服控制器，所述伺服控制器控制所述末端执行器的伺服电机。
本发明的末端执行器以简单的结构实现了螺栓定位机构与螺栓拧紧机构的旋拧运动的分离。
本发明的高锁螺栓自动螺接机器人实现了高锁螺栓的自动定位以及自动拧紧，有效地提高了高锁螺栓的装配效率。
附图说明
图1是本发明实施例的用于高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的用于高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器的分解图；
图3是本发明实施例的用于高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器的半剖视图；
图4是本发明实施例的高锁螺栓自动螺接机器人的结构意图；
图5是本发明实施例的螺接系统的组成示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
图1是本发明实施例的用于高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器的整体结构示意图，图2是本发明实施例的用于高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器的分解图。如图1和2所示，所述末端执行器包括螺栓拧紧机构1、螺栓定位机构2和基座3，所述螺栓拧紧机构1和螺栓定位机构2固定在所述基座3上，所述螺栓拧紧机构1为中空结构，所述螺栓定位机构2同轴地位于所述螺栓拧紧机构1的中间空间中。
该末端执行器通过螺栓定位机构2位于所述螺栓拧紧机构1的中间空间中，实现了与螺栓拧紧机构1的旋拧运动的分离，简化了机械结构。
如图1所示，螺栓拧紧机构1包括DD(direct driver：直接驱动)直驱空心轴伺服电机1-1、中空的连接轴1-2、中空的接头1-3，DD直驱空心轴伺服电机1-1安装在所述基座3上，例如通过末端的法兰与基座3连接。DD直驱空心轴伺服电机1-1的输出轴与连接轴1-2连接，用于驱动连接轴1-2旋转。例如可在DD直驱空心轴伺服电机1-1的输出轴的端面上设置螺纹孔，连接轴1-2通过一端的法兰盘借助与该螺纹孔配合的螺栓固定在DD直驱空心轴伺服电机1-1的输出轴上。在连接轴1-2的背离所述直驱空心轴伺服电机1-1的一端，接头1-3为快换接头，能与连接轴1-2接合或分离，接头1-3在其背离连接轴1-2的末端带有用于固定螺母的卡槽，例如六角卡槽。连接轴1-2为中空轴，所述螺栓定位机构2同轴地穿过连接轴1-2。在DD直驱空心轴伺服电机1-1的朝向基座3的端部上还可设置绝对式增量码盘，用于反馈电机的运行转态。在其它实施方式中，接头1-3也可为不可更换的接头，其直接固定在DD直驱空心轴伺服电机1-1的输出轴，此时无需连接轴1-2。
DD直驱式伺服电机能够增大输出扭矩，从而避免减速器的使用，减轻了结构重量。DD直驱空心轴伺服电机1-1可采用速度控制的方式实现螺栓螺母的慢速定位、快速旋合、慢速贴合，还可通过伺服控制器反馈的电流对拧紧力矩实时检测，检查螺母螺帽是否拧断。通过采用空心轴式电机可以直接让相对固定的螺栓定位机构2从电机内部穿过，从而不用另外添加其他分离机构就能实现旋转部件与固定部件的运动分离。连接轴1-2用于将电机与接头1-3连接起来，让电机带动接头1-3旋转，实现拧紧动作。
图3是本发明实施例的用于高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器的半剖视图。如图3所示，设计为快换接头的接头1-3包括弹簧座1-3-1、锁紧弹簧1-3-2、座套1-3-3、球体1-3-4、内轴1-3-5。锁紧弹簧1-3-2位于弹簧座1-3-1与座套1-3-3之间，用于向座套1-3-3施加推力，座套1-3-3包围内轴1-3-5并且和内轴之间形成空隙以容纳球体1-3-4。优选地，沿环周方向相间90°地均匀布置四个球体1-3-4，球体1-3-4例如为钢球。锁紧时，球体1-3-4沿径向向内突出内轴1-3-5的壁上的通孔，结合到位于连接轴1-2的外侧壁上的相应的槽中，球体1-3-4的径向外部的部分位于座套1-3-3与内轴1-3-5之间的空隙中，在锁紧弹簧1-3-2给座套1-3-3的推力挤压下被锁紧，由此可在连接轴1-2与内轴1-3-5之间传递轴向力与周向力矩。内轴1-3-5的壁上的通孔设计为锥形孔或球形孔，使得球体1-3-4不能够径向向内地从该通孔脱落出去。该接头1-3可实现与连接轴的快速接合和分离，针对不同规格的高锁螺栓，可通过更换不同尺寸的接头1-3来适应。
如图3所示，螺栓定位机构2包括定位杆2-1、连接缓冲座2-2、缓冲弹簧2-3、螺栓定位杆2-4，定位杆2-1与基座3例如通过法兰连接，定位杆2-1穿过DD直驱空心轴伺服电机1-1伸出，并在伸出的端部上与连接缓冲座2-2固定连接。连接缓冲座2-2在内环周上与缓冲弹簧2-3固定连接，例如通过过盈配合与缓冲弹簧2-3连接。螺栓定位杆2-4在外环周上与缓冲弹簧2-3固定连接，例如通过过盈配合与缓冲弹簧2-3连接，螺栓定位杆2-4的与缓冲弹簧2-3连接的一端形状配合地插入连接缓冲座2-2内部，用于周向定位。该形状配合例如可通过螺栓定位杆2-4的六边形端部与连接缓冲座2-2内部的六边形孔来实现。螺栓定位机构2整体地从螺栓拧紧机构1中穿过，二者保持同轴安装。
优选地，所述定位杆2-1通过螺纹配合与连接缓冲座2-2连接。由此，所述螺栓定位杆2-4、缓冲弹簧2-3和连接缓冲座2-2组成一个可更换的整体定位组件模块，针对不同规格的高锁螺栓，更换相应尺寸的定位组件，螺纹连接可实现快速更换。
如图3所示，定位杆2-1与连接轴1-2中间由轴承5例如角接触球轴承支撑，轴承5通过定位杆2-1的凸台和连接轴1-2的内端面轴向定位。安装时保证螺栓定位杆2-4的末端与接头1-3的内轴1-3-5的螺母卡槽内端面齐平。按照以上连接方式，实现了螺栓拧紧机构1、螺栓定位机构2的集成。
本实施例的末端执行器，针对不同规格高锁螺栓，通过整体更换接头1-3和整体更换由连接缓冲座2-2、缓冲弹簧2-3、螺栓定位杆2-4组成的定位组件来适应。参照图3，更换方式具体为：首先卸下接头1-3，沿朝向基座3的方向推动座套1-3-3，使锁紧弹簧1-3-2压缩，由此座套1-3-3和内轴1-3-5之间的空隙增大，不再挤压球体1-3-4，然后整体将接头1-3沿背离基座3的方向拉动，球体1-3-4被向外挤出，与连接轴1-2的外侧壁上的槽脱离配合，从而将接头1-3从连接轴1-2上取下；然后，通过夹持螺栓定位杆2-4并旋拧的方式将定位组件整体地从定位杆2-1上取下，实现定位组件更换。安装新的定位组件时，首先安装定位组件，旋拧螺栓定位杆2-4，将定位组件整体地拧紧到定位杆2-1上；然后，安装接头1-3，单手持弹簧座1-3-1,同时另一只手向基座3方向推动座套1-3-3。然后将接头1-3整体套入连接轴1-2，并且须保证连接轴1-2的外侧壁上的槽与内轴1-3-5的轴壁上的通孔对齐，使得球体1-3-4嵌入该槽中，从而将接头1-3与连接轴1-2固定连接。
本实施例的末端执行器在工作中，DD直驱空心轴伺服电机1-1驱动连接轴1-2旋转，连接轴1-2通过与其结合的球体1-3-4驱动接头1-3旋转，实现螺栓的自动拧紧。
图4是本发明实施例的高锁螺栓自动螺接机器人的结构意图。如图4所示，高锁螺栓自动螺接机器人包括机器人本体、机械手7和根据本发明的末端执行器，该末端执行器通过转接板9安装在机械手7上，机械手7安装在机器人本体上。
如图3所示，所述末端执行器设有六维力传感器，所述末端执行器用所述六维力传感器与所述机械手连接。例如通过基座3上的法兰与六维力传感器连接。六维力传感器用于反馈装配力，实现在自动化螺接过程中基于力反馈进行的主动柔顺控制。所述高锁螺栓自动螺接机器人还可包括伺服控制器，所述伺服控制器控制所述末端执行器的伺服电机。通过伺服控制器反馈的电流实时监测高锁螺栓拧紧力矩的大小，自动螺接机器人的总控制系统通过串口向伺服控制发送指令，对DD直驱空心轴伺服电机1-1进行速度控制，实现螺栓与螺母的慢速定位、快速旋合、慢速贴合，根据反馈拧紧力矩的变化趋势监测到螺母的螺帽断开后，停止拧紧操作。
如图5所示，本发明的高锁螺栓自动螺接机器人可用工控机来控制。工控机可通过以太网与高锁螺栓自动螺接机器人进行通信连接，工控机还与伺服控制器、数据采集卡连接，伺服控制器与末端执行器的伺服电机连接，用于控制伺服电机的运行，数据采集卡与六维力传感器连接，用于收集六维力传感器的传感器信号。
所述高锁螺栓自动螺接机器人工作过程如下：机械手7驱动末端执行器到达料盘8的出料口，夹取螺母6后靠近高锁螺栓并与其发生接触，通过六维力传感器4反馈的装配力信息确定末端执行器的位姿调整量，实现高锁螺栓与螺母6对准，然后启动DD直驱空心轴伺服电机1-1，带动连接轴1-2与接头1-3转动，实现拧紧动作，高锁螺栓与螺母6在开始旋合时周向力矩很小，高锁螺栓在外力作用下压紧，不会被螺母6带动着旋转，在拧紧一段距离后，螺栓定位杆2-4末端与高锁螺栓端面的内孔接触，此时停止拧紧动作，调整末端执行器的姿态直到螺栓定位杆2-4插入高锁螺栓端面的内孔，完成对高锁螺栓的定位，然后再次开始拧紧操作。整个拧紧过程中，通过伺服控制器反馈的电流实时监测高锁螺栓拧紧力矩的大小，高锁螺栓自动螺接机器人的总控制系统通过串口向伺服控制发送指令，对DD直驱空心轴伺服电机1-1进行速度控制，实现高锁螺栓与螺母6的慢速定位、快速旋合、慢速贴合，根据反馈拧紧力矩的变化趋势监测到螺母6的螺帽断开后，停止拧紧操作。然后，机械手7带动末端执行器退回到料盘8的卸料口，将拧断的螺帽卸下，完成一个装配周期。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高锁螺栓自动螺接机器人的末端执行器，其特征在于，所述末端执行器包括螺栓拧紧机构、螺栓定位机构和基座，所述螺栓拧紧机构和螺栓定位机构固定在所述基座上，所述螺栓拧紧机构为中空结构，所述螺栓定位机构同轴地位于所述螺栓拧紧机构的中间空间中；
其中，所述螺栓拧紧机构包括DD直驱空心轴伺服电机，所述DD直驱空心轴伺服电机安装在所述基座上；所述螺栓定位机构包括定位杆、连接缓冲座、缓冲弹簧、螺栓定位杆，所述定位杆与所述基座固定连接，并穿过所述DD直驱空心轴伺服电机伸出，所述定位杆在伸出的端部上与所述连接缓冲座固定连接，所述连接缓冲座在内环周上与所述缓冲弹簧固定连接，所述螺栓定位杆在外环周上与所述缓冲弹簧固定连接，所述螺栓定位杆的与所述缓冲弹簧连接的一端形状配合地插入所述连接缓冲座内部。
2.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述螺栓拧紧机构还包括中空的连接轴、中空的接头，所述DD直驱空心轴伺服电机的输出轴与连接轴连接，用于驱动连接轴旋转，在连接轴的背离所述直驱空心轴伺服电机的一端，接头能与连接轴接合或分离，接头在其背离连接轴的末端带有用于固定螺母的卡槽。
3.根据权利要求2所述的末端执行器，其特征在于，所述接头包括弹簧座、锁紧弹簧、座套、球体、内轴，所述锁紧弹簧位于所述弹簧座与所述座套之间，用于向所述座套施加推力，所述座套包围所述内轴并且和所述内轴之间形成空隙以容纳所述球体，在锁紧时，所述球体沿径向向内突出所述内轴的壁上的通孔，结合到位于所述连接轴的外侧壁上的相应的槽中，所述球体的径向外部的部分位于所述座套与所述内轴之间的空隙中。
4.根据权利要求3所述的末端执行器，其特征在于，所述球体的数量为四个，它们沿环周方向相间90°地分别布置在所述内轴上的四个通孔中。
5.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述连接缓冲座与所述定位杆通过螺纹彼此连接。
6.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述定位杆在外环周上通过轴承支撑在所述螺栓拧紧机构内部。
7.一种高锁螺栓自动螺接机器人，包括机器人本体、机械手，其特征在于，所述高锁螺栓自动螺接机器人还包括根据权利要求1-6中任一项所述的末端执行器，该末端执行器安装在所述机械手上。
8.根据权利要求7所述的高锁螺栓自动螺接机器人，其特征在于，所述末端执行器设有六维力传感器，所述末端执行器用所述六维力传感器与所述机械手连接。
9.根据权利要求7所述的高锁螺栓自动螺接机器人，其特征在于，所述高锁螺栓自动螺接机器人包括伺服控制器，所述伺服控制器控制所述末端执行器的伺服电机。
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