CN106483991B - 力控制设备 - Google Patents
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Abstract
一种力控制设备包括力控制单元及用于控制力控制单元的电控箱，力控制单元包括固定组件、运动组件、力输出件、拉压力传感器、光栅尺位移传感器以及倾角传感器；力输出件连接于固定组件和运动组件之间，拉压力传感器设置于运动组件，用于检测运动组件所受负载施加的拉/压力；光栅尺位移传感器包括标尺光栅和光栅读数头，标尺光栅和光栅读数头两者中一者设置于固定组件上，另一者设置于运动组件上，用于反馈力输出件的位置信息；力输出件、拉力传感器、光栅尺位移传感器、倾角传感器以及电控箱构成全闭环反馈回路。本发明力控制设备能够克服负载的自重实现空间沿任意方向的快速精确力控制，且直接作用于受力控制点，控制简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种力控制设备。
背景技术
在机器人自动化领域，力控制是很多应用场合需要用到的技术，例如自动化抛光及装配等应用。在这类应用中一部分为利用气缸作为驱动，通过控制内部压力实现输出力控制，另一部分为采用六轴通用机器人其末端安装力传感器，根据力反馈来控制各关节电机输出力矩大小，进而控制末端接触力的大小。
然而，采用气缸作为驱动的方式成本较低，在低速应用中且对力控制要求不高的条件下非常合适，缺点是采用气动驱动，输出力会有比较长的滞后，无法适用于相对高速的环境下；采用六轴通用机器人时根据末端力传感器的力反馈来控制各关节电机力矩输出，准确性和速度良好，但其成本非常高，试用于高端自动化装备，对于低端自动化应用成本太高。
因为悬架结构自身的体积较大，而且内部的结构较复杂，从而增加了利用悬架结构而改善车桥和车架之间的位置关系的难度。
发明内容
基于此，有必要提供一种准确性好且适用性广的力控制设备。
一种力控制设备，其特征在于：所述力控制设备包括用于与负载连接的力控制单元及用于控制所述力控制单元的电控箱，所述力控制单元包括固定组件、运动组件、力输出件、拉压力传感器以及、光栅尺位移传感器以及倾角传感器；所述力输出件连接于所述固定组件和所述运动组件之间，用于带动与所述负载接触的所述运动组件相对所述固定组件进行直线伸缩移动；所述拉压力传感器设置于所述运动组件，用于检测所述运动组件所受所述负载施加的拉力或压力；所述光栅尺位移传感器包括标尺光栅和光栅读数头，所述标尺光栅和所述光栅读数头两者中一者设置于所述固定组件上，另一者设置于所述运动组件上，用于反馈所述力输出件的位置信息；所述倾角传感器设置于所述固定组件上，用于检测所述力输出件输出力与重力轴之间的夹角；所述力输出件、所述拉压力传感器、所述光栅尺位移传感器、所述倾角传感器以及所述电控箱构成全闭环反馈回路。
在其中一个实施例中，所述电控箱根据所述负载的自重和所述夹角计算所述力控制单元在输出设定作用力时所述力输出件的相应输出力。
在其中一个实施例中，所述固定组件包括基板、第一固定板、连接柱以及第一直线轴承，所述基板和所述第一固定板相对且间隔设置，所述连接柱连接于所述基板和所述第一固定板之间，所述第一直线轴承沿轴向贯穿设置于所述第一固定板。
在其中一个实施例中，所述倾角传感器为设置于所述基板上的陀螺仪传感器。
在其中一个实施例中，所述运动组件包括第二固定板、底板、导柱以及第二直线轴承，所述第二固定板和所述底板相对且间隔设置，所述第二固定板位于所述第一固定板和所述底板之间，所述底板用于连接所述负载，所述第二直线轴承沿轴向贯穿设置于所述第二固定板，所述导柱的一端设置于所述第二直线轴承，所述导柱的另一端轴向穿设于所述第一直线轴承内，所述拉压力传感器连接于所述第二固定板和所述底板之间。
在其中一个实施例中，所述运动组件包括挡片及缓冲垫，所述挡片设置于所述导柱远离所述第二固定板的末端，所述缓冲垫设置于所述挡片和所述导柱之间。
在其中一个实施例中，所述力输出件为音圈直线电机，其包括定子和转子，所述定子固定设置于所述基板和所述第一固定板之间，所述转子设置于所述第二固定板并沿轴向可移动地套设于所述定子内。
在其中一个实施例中，所述光栅尺位移传感器包括光栅支架，所述光栅支架固定设置于所述第一固定板上，所述光栅读数头固定设置于所述光栅支架上，所述标尺光栅设置于所述导柱远离所述第二固定板的末端。
在其中一个实施例中，所述力控制单元包括限位传感器及与所述限位传感器配合的限位块，所述限位块和所述限位传感器一者设置于所述固定组件，另一者设置于所述运动组件。
在其中一个实施例中，所述力控制设备包括罩体及散热件，所述力控制单元和所述电控箱设置于所述罩体内，所述散热为设置于所述罩体内的散热风扇。
本发明力控制设备能够克服负载的自重实现空间沿任意方向的快速精确力控制，且直接作用于受力控制点，控制简单。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中力控制设备与负载配合的结构示意图；
图2为图1所示力控制设备的力控单元的结构示意图；
图3为图2所示力控制单元中固定组件的结构示意图；
图4为图2所示力控制单元中运动组件的结构示意图；
图5为图2所示力控制单元的剖视图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参看图1，本发明较佳实施例中，力控制设备100包括罩体10、力控制单元20、散热件30、输入终端40、电控箱以及显示屏60。力控制单元20收容于罩体10内，用于与负载200接触并实现对与负载200接触的力进行控制。散热件30在本具体实施例中为设置于罩体10内用于为整个力控制设备100散热的散热风扇。电控箱设置于罩体10内，并与力控制单元20连接，用于根据用户于输入终端40的操作控制整个力控制设备100，使其执行对应操作。显示屏60用于显示力控制设备100的相关信息，例如力控制单元20的参数值、力控制设备100内部的当前温度值等。
在本具体实施例中，负载200为抛光机，输入终端40为设置为罩体10外与电控箱电连接的输入键盘。电控箱内设置有电源、控制主板、力传感器信号放大器及伺服驱动器等。可以理解地，在其它一些实施例中，负载200可为其它需要进行力控制的装置，且输入终端40可为与显示屏60集成于一体的触控显示屏等，在此不作限定。
请参看图2、图3以及图4，力控制单元20包括固定组件21、运动组件22、力输出件23、光栅尺传感器24、拉压力传感器25、倾角传感器26以及限位组件27。
其中，固定组件21包括基板210、第一固定板212、连接柱214以及第一直线轴承216。基板210和第一固定板212相对且间隔设置，连接柱214连接于基板210和第一固定板212之间，第一直线轴承216沿轴向贯穿设置于第一固定板212。
在本具体实施例中，基板210和第一固定板212为平行且相对设置的方形板，连接柱214的数量为四根，四根连接柱214分别连接于基板210和第一固定板212的四周之间。第一直线轴承216为沿轴向贯穿设置于第一固定板212四周角落的四个，使得四根连接柱214和四个第一直线轴承216依次错开分布于基板210和第一固定板212四周。
运动组件22包括第二固定板221、底板223、导柱225以及第二直线轴承227。第二固定板221和底板223相对且间隔设置，且第二固定板221位于靠近第一固定板212的一端，底板223位于远离第一固定板212的一端，用于连接负载200。第二直线轴承227沿轴向贯穿设置于第二固定板221，导柱225沿轴向固定穿设于第二直线轴承227内并凸出第二固定板221背向底板223的表面。
在本具体实施例中，第二固定板221和底板223为平行且相对设置的方形板，第二直线轴承227为沿轴向贯穿设置于第二固定板221四周角落的四个。导柱225的数量为四根，四根导柱225一一对应地设置于四个第二直线轴承227内。
进一步地，运动组件22还包括挡片228及缓冲垫229。挡片228设置于导柱225远离第二直线轴承227的一端，且挡片228的外径大于第一直线轴承216的孔径。缓冲垫229设置于挡片228和导柱225的末端之间，用于对运动组件22起缓冲作用。在本具体实施例中，挡片228和缓冲垫229为成对设置于四根导柱225上的四对。
力输出件23连接于固定组件21和运动组件22之间，用于带动与负载200接触的运动组件22相对固定组件21进行直线伸缩移动。具体地，力输出件23包括定子230和相对定子230作直线伸缩移动的转子232。定子230设置于基板210与第一固定板212之间，转子232设置于第二固定板221上并沿轴向可移动地套设于定子230内。在本具体实施例中，力输出件23为音圈直线电机，因音圈直线电机采用电磁驱动，动态响应速度快且直接作用于受力控制点，控制相对简单。
光栅尺传感器24包括光栅支架241、标尺光栅243和光栅读数头245。其中，光栅支架241固定设置于第一固定板212上，标尺光栅243和光栅读数头245中一者设置于光栅支架241上，另一者设置于运动组件22上，用于实时反馈力输出件23的位置信息。在本具体实施例中，光栅读数头245固定设置于光栅支架241上，标尺光栅243设置于导柱225远离第二固定板221的末端，并可随运动组件22一同相对固定组件21作直线伸缩移动223。
请参看图5拉压力传感器25设置于运动组件22内，并连接于第二固定板221和底板223之间。由于第二固定板221和底板223之间，仅用拉压力传感器25固定连接，如此可直接检测运动组件22所受负载200的拉力/压力，并同时用于对负载200重量的标定。
倾角传感器26设置于固定组件21上，用于检测力输出件23输出力与重力轴之间的夹角。在本具体实施例中，倾角传感器26为设置于基板210上的陀螺仪传感器，且力输出件23、光栅尺位移传感器24、拉压力传感器25、倾角传感器26以及电控箱构成全闭环反馈回路。如此，整个力控制设备100能够克服负载200的自重实现空间沿任意方向的快速精确力控制，同时力控制设备100还配合有独立电控制箱50，可自由安装在所需位置并在短距离内(数厘米)实现任意位置的力控制。
限位组件27包括限位传感器270及与限位传感器270配合的限位块272，限位块272和限位传感器270一者设置于固定组件21，另一者设置于运动组件22。在本具体实施例中，限位传感器270设置于第一固定板212上，限位块272设置于光栅支架241上，并可随运动组件22相对固定组件21沿直线伸缩移动，以控制运动组件22的行程并同时作为外部设备的中断信号。
在组装时，基板210、第一固定板212、第二固定板221和底板223由上至下依次设置，四根导柱225远离对应第二固定板221的一端一一对应地穿出第一直线轴承216外，标尺光栅243设置于其中一个导柱225穿出第一直线轴承216的一端，四对缓冲垫229和挡片228依次设置于四根导柱225的末端，光栅读数头245固定于光栅支架241上并共同固定设置于第一固定板212，并与标尺光栅保持一定间隔。
当需要在预设角度对负载200进行力控制时，将负载200固定于底板223上并放置预设角度，力输出件23输出推力或拉力时，即可带动运动组件22相对固定组件21进行伸缩移动。在此过程中，拉压力传感器25检测底板223所受到的拉力/压力，倾角传感器26检测出力输出件23输出力与重力轴之间的夹角，如此电控箱可根据光栅尺传感器24、拉压力传感器25和倾角传感器26的反馈，计算出力控制单元20对负载200输出设定作用力时，力输出件23的相应输出力。
本发明力控制设备100能够克服负载200的自重实现空间沿任意方向的快速精确力控制，同时力控制设备100还配合有独立电控制箱50，可自由安装在所需位置并在短距离内(数厘米)实现任意位置的力控制。另外，力控制设备100采用音圈直线电机，其动态响应快且直接作用于受力控制点，控制简单。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种力控制设备，其特征在于：所述力控制设备包括用于与负载连接的力控制单元及用于控制所述力控制单元的电控箱，所述力控制单元包括固定组件、运动组件、力输出件、拉压力传感器、光栅尺位移传感器以及倾角传感器；所述力输出件连接于所述固定组件和所述运动组件之间，用于带动与所述负载接触的所述运动组件相对所述固定组件进行直线伸缩移动；所述拉压力传感器设置于所述运动组件，用于检测所述运动组件所受所述负载施加的拉力或压力；所述光栅尺位移传感器包括标尺光栅和光栅读数头，所述标尺光栅和所述光栅读数头两者中一者设置于所述固定组件上，另一者设置于所述运动组件上，用于反馈所述力输出件的位置信息；所述倾角传感器设置于所述固定组件上，用于检测所述力输出件输出力与重力轴之间的夹角；所述力输出件、所述拉压力传感器、所述光栅尺位移传感器、所述倾角传感器以及所述电控箱构成全闭环反馈回路。
2.如权利要求1所述的力控制设备，其特征在于：所述电控箱根据所述负载的自重和所述夹角计算所述力控制单元在输出设定作用力时所述力输出件的相应输出力。
3.如权利要求1所述的力控制设备，其特征在于：所述固定组件包括基板、第一固定板、连接柱以及第一直线轴承，所述基板和所述第一固定板相对且间隔设置，所述连接柱连接于所述基板和所述第一固定板之间，所述第一直线轴承沿轴向贯穿设置于所述第一固定板。
4.如权利要求3所述的力控制设备，其特征在于：所述倾角传感器为设置于所述基板上的陀螺仪传感器。
5.如权利要求3所述的力控制设备，其特征在于：所述运动组件包括第二固定板、底板、导柱以及第二直线轴承，所述第二固定板和所述底板相对且间隔设置，所述第二固定板位于所述第一固定板和所述底板之间，所述底板用于连接所述负载，所述第二直线轴承沿轴向贯穿设置于所述第二固定板，所述导柱的一端设置于所述第二直线轴承，所述导柱的另一端轴向穿设于所述第一直线轴承内，所述拉压力传感器连接于所述第二固定板和所述底板之间。
6.如权利要求5所述的力控制设备，其特征在于：所述运动组件包括挡片及缓冲垫，所述挡片设置于所述导柱远离所述第二固定板的末端，所述缓冲垫设置于所述挡片和所述导柱之间。
7.如权利要求5所述的力控制设备，其特征在于：所述力输出件为音圈直线电机，其包括定子和转子，所述定子固定设置于所述基板和所述第一固定板之间，所述转子设置于所述第二固定板并沿轴向可移动地套设于所述定子内。
8.如权利要求5所述的力控制设备，其特征在于：所述光栅尺位移传感器包括光栅支架，所述光栅支架固定设置于所述第一固定板上，所述光栅读数头固定设置于所述光栅支架上，所述标尺光栅设置于所述导柱远离所述第二固定板的末端。
9.如权利要求1所述的力控制设备，其特征在于：所述力控制单元包括限位传感器及与所述限位传感器配合的限位块，所述限位块和所述限位传感器一者设置于所述固定组件，另一者设置于所述运动组件。
10.如权利要求1所述的力控制设备，其特征在于：所述力控制设备包括罩体及散热件，所述力控制单元和所述电控箱设置于所述罩体内，所述散热为设置于所述罩体内的散热风扇。
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