CN108188912B - 一种气囊辅助式力控抛光系统 - Google Patents

一种气囊辅助式力控抛光系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种气囊辅助式力控抛光系统，属于抛光设备技术领域。它解决了现有抛光头输出的打磨力容易产生波动等技术问题。本气囊辅助式力控抛光系统包括机架、前压板、后压板和控制器，前压板和后压板上分别具有前连杆和后连杆，前连杆和后连杆分别滑动连接在机架的前端部和后端部，前连杆上固定有气动马达，气动马达的输出轴上固定有抛光盘，前压板的前连杆上套设且固定有第一气囊，气动马达与前连杆之间设置有力传感器，抛光系统还包括驱动后压板沿后连杆轴向移动的驱动机构，驱动机构和力传感器均与控制器电连接。抛光系统能够使抛光盘输出稳定的打磨力，恒力打磨可以有效的实现均匀性抛光，提高打磨精度。

Description

一种气囊辅助式力控抛光系统
技术领域
本发明属于抛光设备技术领域，涉及一种气囊辅助式力控抛光系统。
背景技术
目前，机械行业内主要抛磨方式为人工打磨，人工打磨效率低，零件一致性差，工业抛磨机器人的出现逐渐改善这一现状。在自动化机器人抛磨领域中，机器人抛磨对象主要为光学曲面、模具曲面等零件，因此确保复杂零件表面抛磨精度至关重要；而影响抛磨精度即表面粗糙度和磨削深度的主要因素为磨削速度与磨削接触力，磨削速度控制相对简单，打磨力的控制则相对复杂。目前，面向机器人抛磨的力控方式主要有两种：气动式和电磁式。气动力控装置适应性强，应用相对广泛；电磁力控装置精度较高，但成本也较高。引入其他优良的力控方式对解决上述问题具有重要意义。
抛光系统在抛光过程中抛光头与待打磨工件之间的接触力的大小对抛磨表面的磨削深度、表面粗糙度有重要影响，现有技术中的抛光系统，抛光头输出的打磨力容易产生波动，影响打磨精度。
发明内容
本发明针对现有的技术存在的上述问题，提供一种气囊辅助式力控抛光系统，本发明所要解决的技术问题是：如何使抛光盘输出稳定的打磨力。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种气囊辅助式力控抛光系统，包括机架、前压板、后压板和控制器，所述前压板和后压板上分别具有前连杆和后连杆，所述前连杆和后连杆分别滑动连接在所述机架的前端部和后端部，所述前连杆上固定有气动马达，所述气动马达的输出轴上固定有抛光盘，其特征在于，所述前压板的前连杆上套设且固定有第一气囊，所述后压板与前压板相对设置且二者相固连，所述气动马达与前连杆之间设置有力传感器，所述抛光系统还包括驱动所述后压板沿后连杆轴向移动的驱动机构，所述驱动机构和力传感器均与所述控制器电连接。
其工作原理是：气动马达驱动前连杆旋转，从而带动抛光盘旋转，实现对工件的打磨抛光，在驱动机构的驱动下，后压板对前压板施加推力，而前压板对第一气囊进行挤压，该推力即为抛光盘与待打磨工件的接触力，在打磨过程中，力传感器检测抛光盘输出的打磨力并将该测试数据发送至控制器，控制器根据打磨力的大小变化，通过驱动机构控制前压板对第一气囊的压缩量，使第一气囊所受的挤压力相应变化，以此达到使抛光盘输出稳定打磨力的目的。
在上述的一种气囊辅助式力控抛光系统中，所述驱动机构包括伺服电机、丝杆和中间连杆，所述伺服电机固定在所述机架上，所述丝杆绕自轴转动连接在机架上，所述伺服电机的输出轴与丝杆的内端部相固连，所述丝杆的外端部与所述中间连杆的内端部螺纹传动连接，中间连杆的外端部与所述后连杆相固连。根据抛光盘打磨力的大小变化，伺服电机驱动丝杆旋转，丝杆使中间连杆发生移动，中间连杆带动后压板移动，后压板通过挤压气囊来控制气囊的压缩量，从而控制抛光盘的打磨力。
在上述的一种气囊辅助式力控抛光系统中，所述驱动机构还包括联轴器，所述联轴器连接在伺服电机的输出轴与丝杆的内端部之间。
在上述的一种气囊辅助式力控抛光系统中，所述中间连杆的内端部固定有螺帽，所述螺帽与所述丝杆螺纹传动连接，所述机架上固定有第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关和第二限位开关均与控制器电连接，所述螺帽位于所述第一限位开关和第二限位开关之间。螺帽的运动极限位置由第一限位开关和第二限位开关确定，当螺帽达到极限位置时，第一限位开关或第二限位开关发出警报信号给控制器。
在上述的一种气囊辅助式力控抛光系统中，所述前压板和后压板之间还固定有第二气囊。第二气囊起到缓冲作用，电机失控使能够防止抛光系统发生损坏。
在上述的一种气囊辅助式力控抛光系统中，所述机架包括底板，所述底板上固定有相对设置的第一支撑法兰和第二支撑法兰，所述第一气囊和第二气囊的外部固定有气囊导套，所述第一气囊的外表面和第二气囊的外表面均与所述气囊导套的内壁相紧贴，所述气囊导套的两端部分别与所述第一支撑法兰和第二支撑法兰相固连。
在上述的一种气囊辅助式力控抛光系统中，所述后连杆上套设有限位弹簧，所述限位弹簧的两个端部分别与后压板和气囊导套的一个端部相抵靠。设置限位弹簧，能够起到限位和缓冲的作用。
在上述的一种气囊辅助式力控抛光系统中，所述第一气囊和第二气囊上分别开设有第一接口和第二接口，所述机架上固定有用于检测第一气囊的气压的气压计，所述气压计与控制器电连接。当使用较长时间时，通过第一接口和第二接口能够分别对第一气囊和第二气囊进行充气，以补充气压；第一气囊的气室内的气压值通过气压计检测后转换成电信号发送给控制器。
在上述的一种气囊辅助式力控抛光系统中，所述中间连杆上固定有姿态传感器，所述姿态传感器与控制器电连接。姿态传感器固定在中间连杆上，可以检测负载与重力方向的夹角，还可以检测出负载的加速度。
在上述的一种气囊辅助式力控抛光系统中，所述抛光盘由弹性橡胶和羊毛毡制成。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本抛光系统能够使抛光盘输出稳定的打磨力，恒力打磨可以有效的实现均匀性抛光，提高打磨精度。
2、本抛光系统的后连杆上设置有限位弹簧，能够起到限位和缓冲的作用。
附图说明
图1是本抛光系统的结构示意图。
图2是气囊导套与机架相连接的示意图。
图3是驱动机构的结构示意图。
图4是第一气囊和第二气囊相连接的示意图。
图5是第一气囊和第二气囊的剖视图。
图6是前压板的受力示意图。
图7是系统控制原理图。
图中，1、机架；1a、底板；1b、第一支撑法兰；1c、第二支撑法兰；2、前压板；2a、前连杆；3、后压板；3a、后连杆；4、控制器；5、气动马达；6、抛光盘；7、第一气囊；7a、第一接口；8、力传感器；9、伺服电机；10、丝杆；11、中间连杆；12、联轴器；13、螺帽；14、第一限位开关；15、第二限位开关；16、第二气囊；16a、第二接口；17、气囊导套；18、限位弹簧；19、气压计；20、姿态传感器。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
如图1、3、5所示，本气囊辅助式力控抛光系统包括机架1、前压板2、后压板3和控制器4，前压板2和后压板3上分别具有前连杆2a和后连杆3a，前连杆2a和后连杆3a分别滑动连接在机架1的前端部和后端部，前连杆2a上固定有气动马达5，气动马达5的输出轴上固定有抛光盘6，抛光盘6可以由弹性橡胶和羊毛毡制成，前压板2的前连杆2a上套设且固定有第一气囊7，后压板3与前压板2相对设置且二者相固连，气动马达5与前连杆2a之间设置有力传感器8，抛光系统还包括驱动后压板3沿后连杆3a轴向移动的驱动机构，驱动机构和力传感器8均与控制器4电连接。
如图3所示，本实施例中，驱动机构包括伺服电机9、丝杆10和中间连杆11，伺服电机9固定在机架1上，丝杆10绕自轴转动连接在机架1上，伺服电机9的输出轴与丝杆10的内端部相固连，丝杆10的外端部与中间连杆11的内端部螺纹传动连接，中间连杆11的外端部与后连杆3a相固连。根据抛光盘6打磨力的大小变化，伺服电机9驱动丝杆10旋转，丝杆10使中间连杆11发生移动，中间连杆11带动后压板3移动，后压板3通过挤压气囊来控制气囊的压缩量，从而控制抛光盘6的打磨力。
如图3所示，优选的，驱动机构还包括联轴器12，联轴器12连接在伺服电机9的输出轴与丝杆10的内端部之间。
如图2所示，本实施例中，中间连杆11的内端部固定有螺帽13，螺帽13与丝杆10螺纹传动连接，机架1上固定有第一限位开关14和第二限位开关15，第一限位开关14和第二限位开关15均与控制器4电连接，螺帽13位于第一限位开关14和第二限位开关15之间。螺帽13的运动极限位置由第一限位开关14和第二限位开关15确定，当螺帽13达到极限位置时，第一限位开关14或第二限位开关15发出警报信号给控制器4。
如图5所示，作为优选，前压板2和后压板3之间还固定有第二气囊16。第二气囊16起到缓冲作用，电机失控使能够防止抛光系统发生损坏。
如图2所示，机架1包括底板1a，底板1a上固定有相对设置的第一支撑法兰1b和第二支撑法兰1c，第一气囊7和第二气囊16的外部固定有气囊导套17，第一气囊7的外表面和第二气囊16的外表面均与气囊导套17的内壁相紧贴，气囊导套17的两端部分别与第一支撑法兰1b和第二支撑法兰1c相固连。
如图5所示，优选的，后连杆3a上套设有限位弹簧18，限位弹簧18的两个端部分别与后压板3和气囊导套17的一个端部相抵靠。设置限位弹簧18，能够起到限位和缓冲的作用。
如图3、4所示，优选的，第一气囊7和第二气囊16上分别开设有第一接口7a和第二接口16a，机架1上固定有用于检测第一气囊7的气压的气压计19，气压计19与控制器4电连接。当使用较长时间时，通过第一接口7a和第二接口16a能够分别对第一气囊7和第二气囊16进行充气，以补充气压；第一气囊7的气室内的气压值通过气压计19检测后转换成电信号发送给控制器4。
如图3所示，作为优选，中间连杆11上固定有姿态传感器20，姿态传感器20与控制器4电连接。姿态传感器20固定在中间连杆11上，可以检测负载与重力方向的夹角，还可以检测出负载的加速度。
在某一受力时刻t，忽略与滑座之间的摩擦，将末端抛光系统、前压板2和力传感器8假设为一个整体，前压板2(即整体)受力状态简化为如图6所示，我们只考虑X轴方向的受力状态；F1为第二气囊7施加力，F2为第一气囊16施加力，f为摩擦力，μ为摩擦系数，速度v通过对加速度积分得到，F3为力传感器8法向分力(通过力传感器8检测)，Fc为末端法向接触力。
m1a＝F3+F1-F2-f
F2＝pA2
Figure BDA0001587178880000061
m2a＝F3-m2gcosθ-FC
其中，m1为前压板2的质量，m2为负载的整体质量，θ为F3与重力方向夹角(范围0到90度)，a为加速度(通过姿态传感器20检测)。P通过气压计19检测，A2为受力面积，Fx和Fy为力传感器8正交检测分量。
当电机驱动后压板3压缩第二气囊16时，我们无需知道F1的变化情况，但我们知道第一气囊7的压强变化情况(通过气压计19检测)，此时第一气囊7所受的压强变大，则它一定受到压缩，即前压板向X方向移动了，此时由于相对工件表面下压量增大，则F3增大，即F3与F1的变化趋势是一致的。由于F3增大，我们可以知道打磨力可以通过后压板3的移动来控制。打磨力Fc为设定的常量(即期望值)，m1和m2都为已知量，我们可以计算出F3的期望值大小。通过控制电机来调节F3的大小，使力传感器8检测的F3大小逼近期望值。这样我们实现了在时刻ti(对应一个特定的θi和ai)的打磨力控制。考虑到实时性，我们选择相对高效简单的控制算法，如选用抗积分饱和的PID控制策略避免积分饱和现象。如此循环，我们便实现整个打磨周期的恒力控制。我们可以通过改变第一气囊7和第二气囊16所受的原始压强以适应不同工件打磨力范围的要求，常用范围在0-50N。系统控制原理如图7所示。
实施例二
本实施例与实施例一的结构及原理基本相同，不一样的地方在于，驱动机构包括气缸和用于将气缸固定在机架1上的固定件，气缸的活塞杆与后压板3的后连杆3a相固连。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种气囊辅助式力控抛光系统，包括机架(1)、前压板(2)、后压板(3)和控制器(4)，所述前压板(2)和后压板(3)上分别具有前连杆(2a)和后连杆(3a)，所述前连杆(2a)和后连杆(3a)分别滑动连接在所述机架(1)的前端部和后端部，所述前连杆(2a)上固定有气动马达(5)，所述气动马达(5)的输出轴上固定有抛光盘(6)，其特征在于，所述前压板(2)的前连杆(2a)上套设且固定有第一气囊(7)，所述后压板(3)与前压板(2)相对设置且二者相固连，所述气动马达(5)与前连杆(2a)之间设置有力传感器(8)，所述抛光系统还包括驱动所述后压板(3)沿后连杆(3a)轴向移动的驱动机构，所述驱动机构和力传感器(8)均与所述控制器(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种气囊辅助式力控抛光系统，其特征在于，所述驱动机构包括伺服电机(9)、丝杆(10)和中间连杆(11)，所述伺服电机(9)固定在所述机架(1)上，所述丝杆(10)绕自轴转动连接在机架(1)上，所述伺服电机(9)的输出轴与丝杆(10)的内端部相固连，所述丝杆(10)的外端部与所述中间连杆(11)的内端部螺纹传动连接，中间连杆(11)的外端部与所述后连杆(3a)相固连。
3.根据权利要求2所述的一种气囊辅助式力控抛光系统，其特征在于，所述驱动机构还包括联轴器(12)，所述联轴器(12)连接在伺服电机(9)的输出轴与丝杆(10)的内端部之间。
4.根据权利要求2所述的一种气囊辅助式力控抛光系统，其特征在于，所述中间连杆(11)的内端部固定有螺帽(13)，所述螺帽(13)与所述丝杆(10)螺纹传动连接，所述机架(1)上固定有第一限位开关(14)和第二限位开关(15)，所述第一限位开关(14)和第二限位开关(15)均与控制器(4)电连接，所述螺帽(13)位于所述第一限位开关(14)和第二限位开关(15)之间。
5.根据权利要求2所述的一种气囊辅助式力控抛光系统，其特征在于，所述前压板(2)和后压板(3)之间还固定有第二气囊(16)。
6.根据权利要求5所述的一种气囊辅助式力控抛光系统，其特征在于，所述机架(1)包括底板(1a)，所述底板(1a)上固定有相对设置的第一支撑法兰(1b)和第二支撑法兰(1c)，所述第一气囊(7)和第二气囊(16)的外部固定有气囊导套(17)，所述第一气囊(7)的外表面和第二气囊(16)的外表面均与所述气囊导套(17)的内壁相紧贴，所述气囊导套(17)的两端部分别与所述第一支撑法兰(1b)和第二支撑法兰(1c)相固连。
7.根据权利要求6所述的一种气囊辅助式力控抛光系统，其特征在于，所述后连杆(3a)上套设有限位弹簧(18)，所述限位弹簧(18)的两个端部分别与后压板(3)和气囊导套(17)的一个端部相抵靠。
8.根据权利要求5所述的一种气囊辅助式力控抛光系统，其特征在于，所述第一气囊(7)和第二气囊(16)上分别开设有第一接口(7a)和第二接口(16a)，所述机架(1)上固定有用于检测第一气囊(7)的气压的气压计(19)，所述气压计(19)与控制器(4)电连接。
9.根据权利要求2所述的一种气囊辅助式力控抛光系统，其特征在于，所述中间连杆(11)上固定有姿态传感器(20)，所述姿态传感器(20)与控制器(4)电连接。
10.根据权利要求1所述的一种气囊辅助式力控抛光系统，其特征在于，所述抛光盘(6)由弹性橡胶和羊毛毡制成。
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