CN108284316B - 高锁螺母安装机器人末端执行器及其高锁螺母安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高锁螺母安装机器人末端执行器及其高锁螺母安装方法。高锁螺母通过人工来完成装配的劳动强度大、安装效率低。本发明高锁螺母安装机器人末端执行器，包括底座、进给装置、安装装置和螺母输送装置。进给装置包括进给驱动组件、导轨、滚珠丝杆和后滑座。安装装置包括套筒扳手、同步带、旋拧驱动组件、主动同步带轮、从动同步带轮、止动进退板、花键轴、后退气缸、扭矩传感器、止动轴、支撑箱和花键座。螺母输送装置包括气动卡爪、换位气缸、输送管道、装料气缸、套筒支撑座、前滑座、安装板、第一连接板和第二连接板。本发明能够完成高锁螺母的输送、换位、旋拧和六角头卸料动作，自动化程度高。

Description

高锁螺母安装机器人末端执行器及其高锁螺母安装方法

技术领域

本发明属于机械制造及其自动化技术领域，具体涉及一种高锁螺母安装机器人末端执行器及其高锁螺母安装方法。

背景技术

飞机装配连接中，大量应用高锁螺栓和高锁螺母。高锁螺母由圆螺母和六角头两段组成，中间有一细颈断槽。高锁螺母拧紧时，内六角套筒扳手卡在螺母六角头上，外六角止动工具插入高锁螺栓尾部的内六角孔进行止动，套筒扳手旋转拧紧螺母，达到螺母设计预紧力时，螺母上的断颈槽被拧断，高锁螺母安装完成。以往这一任务主要通过人工来完成装配，劳动强度大、安装效率低；也有采用自动化钻铆机来进行安装的，但是设备体型大、对装配空间开敞性要求较高、缺乏灵活性和柔性。借助机器人对高锁螺母进行安装可实现自动化和柔性化，但鉴于高锁螺母安装的复杂性，需要一种巧妙的机器人末端执行器来达到自动化安装的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高锁螺母安装机器人末端执行器及其高锁螺母安装方法。

本发明高锁螺母安装机器人末端执行器，包括底座、进给装置、安装装置和螺母输送装置。所述的进给装置包括进给驱动组件、导轨、滚珠丝杆和后滑座。所述的导轨固定在底座上。所述的滚珠丝杆支承在底座上。所述的后滑座与导轨构成滑动副。固定在后滑座上的螺母与滚珠丝杆构成螺旋副。所述的滚珠丝杆由进给驱动组件驱动。

所述的安装装置包括套筒扳手、同步带、旋拧驱动组件、主动同步带轮、从动同步带轮、止动进退板、花键轴、后退气缸、扭矩传感器、止动轴、支撑箱和花键座。所述的支撑箱固定在后滑座上。所述的主动同步带轮及从动同步带轮均支承在支撑箱内。主动同步带轮与从动同步带轮通过同步带连接。从动同步带轮的中心位置开设有让位通孔。主动同步带轮由旋拧驱动组件驱动。所述的套筒扳手中空设置。套筒扳手的内端与从动同步带轮固定。

所述的止动轴设置在套筒扳手内。止动轴的内端穿过从动同步带轮上的让位通孔，并与扭矩传感器的一根输入轴固定。扭矩传感器的另一根输入轴与花键轴的一端固定。花键轴的中部与花键座通过滑动花键连接。花键轴的另一端与止动进退板固定。后退气缸固定在后滑座上。后退气缸的活塞杆与止动进退板固定。

所述的螺母输送装置包括气动卡爪、换位气缸、输送管道、装料气缸、套筒支撑座、前滑座、安装板、第一连接板和第二连接板。所述的前滑座与导轨构成滑动副，与装料气缸固定。装料气缸的活塞杆与底座固定。套筒支撑座固定在前滑座上。套筒支撑座上的支撑孔与套筒扳手构成圆柱副。所述的换位气缸固定在前滑座上。输送管道的输入端与固定在支撑箱上的第一输送支撑座构成圆柱副，输出端与固定在换位气缸上的第二输送支撑座固定。第二输送支撑座上固定有霍尔传感器。

所述换位气缸的活塞杆与安装板固定。所述的安装板上固定有第一连接板。第一连接板上开设有n个滑孔，n≥2。n个滑孔与n根导向杆分别构成滑动副。导向杆的侧面设置有环形凸起。其中一根导向杆上套置有弹簧。弹簧设置在第一连接板与对应导向杆的环形凸起之间。n根导向杆远离环形凸起的那端均与第二连接板固定。第一连接板上固定有光电传感器。光电传感器的检测头朝向第二连接板。所述的气动卡爪安装在第二连接板上。气动卡爪的两个活动手爪靠近输送管道的侧面上均开设有夹持槽。两个夹持槽与两个活动手爪的夹持面分别连通。

进一步地，所述的进给驱动组件包括进给伺服电机和连接座。所述的连接座固定在导轨的一端。所述的进给伺服电机固定在连接座上。进给伺服电机的输出轴与滚珠丝杆的一端固定。

进一步地，所述的旋拧驱动组件包括减速器和旋拧伺服电机。所述的减速器与支撑箱固定。所述的旋拧伺服电机与减速器固定。旋拧伺服电机的输出轴与减速器的输入口固定。减速器的输出轴与主动同步带轮固定。

进一步地，所述套筒扳手内壁的外端呈正六棱柱状。所述止动轴的外端呈六棱柱状。

进一步地，所述的安装装置还包括抽真空装置。所述抽真空装置的抽气嘴呈圆环形，套置在套筒扳手上，并与支撑箱固定。套筒扳手与抽真空装置的抽气嘴对应的位置沿周向开设有多个进出气孔。所述的抽气嘴与套筒扳手通过固定在抽气嘴上的两个O形密封圈进行密封。

进一步地，所述装料气缸活塞杆的轴线与滚珠丝杆的轴线平行设置。

进一步地，所述的霍尔传感器采用霍尔式环形传感器。所述的输送管道穿过霍尔传感器。

进一步地，气动卡爪位于第一个极限位置的状态下，两个夹持槽均与输送管道的输出端对齐。气动卡爪位于第二个极限位置的状态下，两个夹持槽均与套筒扳手的外端对齐。在气动卡爪张开状态下，两个活动手爪的间距小于高锁螺母的直径，两个夹持槽最内点的间距大于高锁螺母的直径。

该高锁螺母安装机器人末端执行器的高锁螺母安装方法具体如下：

步骤一、将套筒扳手与待拧螺母的高锁螺栓对齐。

步骤二、将高锁螺母送入输送管道。高锁螺母从输送管道滑出到气动卡爪的两个夹持槽之间。气动卡爪夹紧高锁螺母。

步骤三、装料气缸推出，使得前滑座向远离套筒扳手的一侧滑动。

步骤四、换位气缸缩回，使得高锁螺母与套筒扳手的外端对齐。

步骤五、装料气缸缩回，使得高锁螺母与套筒扳手接触。若光电传感器检测不到第二连接板，旋拧伺服电机转动，使得套筒扳手与高锁螺母发生相对转动，直至光电传感器重新检测到第二连接板。

步骤六、气动卡爪松开高锁螺母后，装料气缸推出，使得气动卡爪与高锁螺母分离。

步骤七、换位气缸推出后，装料气缸缩回，使得气动卡爪复位。

步骤八、进给驱动组件启动，套筒扳手带动高锁螺母向高锁螺栓移动，直至止动轴插入高锁螺栓上的内六角槽。

步骤九、旋拧驱动组件及进给驱动组件均启动，且后退气缸逐渐缩回。直至扭矩传感器检测到的扭矩减小为0。

步骤十、进给驱动组件驱动套筒扳手脱离高锁螺母。

进一步地，步骤九中滚珠丝光杆的转速乘以滚珠丝光杆的导程所得值、套筒扳手的转速乘以高锁螺栓的螺距所得值及后退气缸的缩回速度相等。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明能够完成高锁螺母的输送、换位、旋拧和六角头卸料动作，自动化程度高。

2、本发明能够配合机器人及其视觉测量控制系统能够自动完成多个高锁螺母的安装。

3、本发明通过检测第二连接板与第一连接板的相对位置，能够判断高锁螺母与套筒扳手是否精准定位，保证了安装的可靠性。

4、本发明中高锁螺母旋入高锁螺栓的过程中，能够止动轴能够保持静止，保证了高锁螺栓的位置不发生改变。

附图说明

图1为本发明的第一张整体结构示意图；

图2为本发明的第二张整体结构示意图；

图3为图1中A部分的放大视图；

图4为图1中B部分的放大视图；

图5为图1中C部分的放大视图；

图6为图2中D部分的放大视图；

图7为本发明中气动卡爪未夹紧高锁螺母的状态示意图；

图8为本发明中气动卡爪已夹紧高锁螺母的状态示意图；

图9为本发明中套筒扳手未装入高锁螺母的状态示意图；

图10为本发明中套筒扳手已装入高锁螺母的状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，高锁螺母安装机器人末端执行器，包括底座20、进给装置、安装装置和螺母输送装置。进给装置包括进给伺服电机10、连接座11、导轨19、滚珠丝杆21和后滑座18。平行设置的两条导轨19均固定在底座20上。滚珠丝杆21支承在底座20上。后滑座18与导轨19构成滑动副。固定在后滑座18上的螺母与滚珠丝杆21构成螺旋副。连接座11固定在导轨的一端。进给伺服电机10固定在连接座11上。进给伺服电机10的输出轴与滚珠丝杆21的一端固定。

如图1、2、4、5、6、9和10所示，安装装置包括套筒扳手5、同步带7、减速器8、旋拧伺服电机9、主动同步带轮、从动同步带轮、止动进退板12、花键轴13、后退气缸14、联轴器15、扭矩传感器16、止动轴4、支撑箱17、抽真空装置和花键座32。支撑箱17固定在后滑座18上。主动同步带轮及从动同步带轮均支承在支撑箱17内。主动同步带轮与从动同步带轮通过同步带7连接。从动同步带轮的中心位置开设有让位通孔。减速器8与支撑箱固定。旋拧伺服电机9与减速器8固定。旋拧伺服电机9的输出轴与减速器8的输入口固定。减速器8的输出轴与主动同步带轮固定。呈长轴状的套筒扳手5中空设置。套筒扳手5的内端与从动同步带轮同轴固定。套筒扳手5的内腔与从动同步带轮上的让位通孔连通。套筒扳手5内壁的外端呈正六棱柱状，用于旋拧高锁螺母。抽真空装置的抽气嘴6呈圆环形，套置在套筒扳手5上，并与支撑箱17固定。套筒扳手5与抽真空装置的抽气嘴6对应的位置沿周向开设有多个进出气孔。设置在抽气嘴6内侧壁上的气口与套筒扳手5上的进出气孔连通。抽气嘴6与套筒扳手5通过固定在抽气嘴6上的两个O形密封圈进行密封。抽真空装置用于在将高锁螺母装上套筒扳手是时抽气，降低套筒扳手内的气压来吸紧高锁螺母，进而避免高锁螺母从套筒扳手中掉出。同时，抽真空装置还能够在高锁螺母的细颈断槽处被拧断后，喷气，增大套筒扳手内的气压来推出留在套筒扳手上的六角头，保证执行器的持续作业能力。

止动轴4设置在套筒扳手5内。止动轴4的外端呈六棱柱状，用于锁止高锁螺栓上的内六角槽。止动轴4的内端穿过从动同步带轮上的让位通孔，并与扭矩传感器16的一根输入轴固定。扭矩传感器16的另一根输入轴与花键轴13的一端通过联轴器15固定。扭矩传感器，用于检测高锁螺栓受到的扭矩，进而判断高锁螺母是否断颈。花键轴13的中部与花键座32通过滑动花键连接。花键轴13的另一端与止动进退板12固定。后退气缸14通过气缸座固定在后滑座18上。后退气缸14的活塞杆与止动进退板12固定。后退气缸14的推出或缩回用于驱动止动轴4在套筒扳手5内滑动，进而使得套筒扳手5向前进给时，止动轴4能够静止不动。

如图1、2、3、7和8所示，螺母输送装置包括气动卡爪1、换位气缸2、输送管道3、装料气缸22、套筒支撑座23、前滑座24、安装板28、第一连接板26和第二连接板31。前滑座24与导轨19构成滑动副，与装料气缸22固定。装料气缸22的活塞杆与底座20固定。装料气缸22活塞杆的轴线与滚珠丝杆21的轴线平行设置。套筒支撑座23固定在前滑座24上。套筒支撑座23上的支撑孔套置在套筒扳手5的外侧。套筒支撑座23上的支撑孔与套筒扳手5构成圆柱副。套筒支撑座23既起到支撑套筒扳手5的作用，又不会妨碍套筒扳手5的轴向滑动。换位气缸2固定在前滑座24上。输送管道3的输入端与固定在支撑箱17上的第一输送支撑座构成圆柱副，输出端与固定在换位气缸2上的第二输送支撑座固定。由于输送管道3与第一输送支撑座构成圆柱副，故输送管道3在后滑座滑动时不会随之移动。第二输送支撑座上固定有霍尔传感器29。霍尔传感器29采用霍尔式环形传感器。输送管道3穿过霍尔传感器29。

换位气缸2的活塞杆与安装板28固定。安装板28上固定有第一连接板26。第一连接板26上开设有三个滑孔。三个滑孔与三根导向杆27分别构成滑动副。导向杆侧面朝向套筒扳手内端的那端设置有环形凸起。环形凸起用于限位导向杆的限位。其中一根导向杆上套置有弹簧30。弹簧30设置在第一连接板26与对应导向杆27的环形凸起之间。三根导向杆远离环形凸起的那端均与第二连接板31固定。第一连接板26上固定有光电传感器。光电传感器的检测头朝向第二连接板31，用于检测第二连接板31与第一连接板26是否分离。气动卡爪1安装在第二连接板31上。气动卡爪1的两个活动手爪101靠近输送管道3的侧面上均开设有夹持槽102。夹持槽102不贯穿对应活动手爪101。两个夹持槽102与两个活动手爪101的夹持面分别连通。气动卡爪1位于第一个极限位置的状态下，两个夹持槽102均与输送管道3的输出端对齐。气动卡爪1位于第二个极限位置的状态下，两个夹持槽102均与套筒扳手的外端对齐。在气动卡爪1张开状态下，两个活动手爪101的间距小于高锁螺母的直径，两个夹持槽102最内点的间距大于高锁螺母的直径。使得高锁螺母经输送管道3滑动至气动卡爪1处时能够进入两个活动手爪101之间又不会冲出气动卡爪1的夹持范围。

该高锁螺母安装机器人末端执行器的高锁螺母安装方法具体如下：

步骤一、工业机器人带动底座20运动，使得套筒扳手5与待拧螺母的高锁螺栓轴线对齐。

步骤二、将高锁螺母送入输送管道3。高锁螺母从输送管道3滑出到气动卡爪1的两个夹持槽102之间。气动卡爪1夹紧高锁螺母。

步骤三、装料气缸22推出，使得前滑座向远离套筒扳手的一侧滑动，避免高锁螺母撞到套筒扳手或止动轴。

步骤四、换位气缸2缩回，使得高锁螺母与套筒扳手的外端对齐。

步骤五、抽真空装置抽气，装料气缸22缩回，使得高锁螺母与套筒扳手接触。若高锁螺母未卡入套筒扳手外端的内腔，则第二连接板31将在套筒扳手的推力作用下与第一连接板分离。第二连接板31与第一连接板分离后，光电传感器检测不到第二连接板31，旋拧伺服电机转动，使得套筒扳手与高锁螺母发生相对转动，直至高锁螺母上的外六棱柱与套筒扳手外端的内六棱柱对齐，高锁螺母卡入套筒扳手。此时，第二连接板31在弹簧30的弹力作用下重新与第一连接板接触，光电传感器重新检测到第二连接板31。

步骤六、气动卡爪1松开高锁螺母后，装料气缸22推出，使得气动卡爪1与高锁螺母分离。

步骤七、换位气缸2推出后，装料气缸22缩回，使得气动卡爪1复位。

步骤八、进给伺服电机转动，套筒扳手带动高锁螺母向高锁螺栓移动，直至止动轴插入高锁螺栓上的内六角槽。

步骤九、旋拧伺服电机及进给伺服电机均正转，且后退气缸14逐渐缩回，使得滚珠丝光杆的转速乘以滚珠丝光杆的导程所得值、套筒扳手的转速乘以高锁螺栓的螺距所得值及后退气缸14的缩回速度相等。直至扭矩传感器16检测到的扭矩突然减小为0(视为高锁螺母的断颈槽被拧断)。

步骤十、进给伺服电机反转，使得套筒扳手脱离高锁螺母。抽真空装置喷气推出六角头。

Claims (8)

1.高锁螺母安装机器人末端执行器，包括底座、进给装置、安装装置和螺母输送装置；所述的进给装置包括进给驱动组件、导轨、滚珠丝杆和后滑座；所述的导轨固定在底座上；所述的滚珠丝杆支承在底座上；所述的后滑座与导轨构成滑动副；固定在后滑座上的螺母与滚珠丝杆构成螺旋副；所述的滚珠丝杆由进给驱动组件驱动；其特征在于：所述的安装装置包括套筒扳手、同步带、旋拧驱动组件、主动同步带轮、从动同步带轮、止动进退板、花键轴、后退气缸、扭矩传感器、止动轴、支撑箱和花键座；所述的支撑箱固定在后滑座上；所述的主动同步带轮及从动同步带轮均支承在支撑箱内；主动同步带轮与从动同步带轮通过同步带连接；从动同步带轮的中心位置开设有让位通孔；主动同步带轮由旋拧驱动组件驱动；所述的套筒扳手中空设置；套筒扳手的内端与从动同步带轮固定；

所述的止动轴设置在套筒扳手内；止动轴的内端穿过从动同步带轮上的让位通孔，并与扭矩传感器的一根输入轴固定；扭矩传感器的另一根输入轴与花键轴的一端固定；花键轴的中部与花键座通过滑动花键连接；花键轴的另一端与止动进退板固定；后退气缸固定在后滑座上；后退气缸的活塞杆与止动进退板固定；

所述的螺母输送装置包括气动卡爪、换位气缸、输送管道、装料气缸、套筒支撑座、前滑座、安装板、第一连接板和第二连接板；所述的前滑座与导轨构成滑动副，与装料气缸固定；装料气缸的活塞杆与底座固定；套筒支撑座固定在前滑座上；套筒支撑座上的支撑孔与套筒扳手构成圆柱副；所述的换位气缸固定在前滑座上；输送管道的输入端与固定在支撑箱上的第一输送支撑座构成圆柱副，输出端与固定在换位气缸上的第二输送支撑座固定；第二输送支撑座上固定有霍尔传感器；

所述换位气缸的活塞杆与安装板固定；所述的安装板上固定有第一连接板；第一连接板上开设有n个滑孔，n≥2；n个滑孔与n根导向杆分别构成滑动副；导向杆的侧面设置有环形凸起；其中一根导向杆上套置有弹簧；弹簧设置在第一连接板与对应导向杆的环形凸起之间；n根导向杆远离环形凸起的那端均与第二连接板固定；第一连接板上固定有光电传感器；光电传感器的检测头朝向第二连接板；所述的气动卡爪安装在第二连接板上；气动卡爪的两个活动手爪靠近输送管道的侧面上均开设有夹持槽；两个夹持槽与两个活动手爪的夹持面分别连通；

所述的进给驱动组件包括进给伺服电机和连接座；所述的连接座固定在导轨的一端；所述的进给伺服电机固定在连接座上；进给伺服电机的输出轴与滚珠丝杆的一端固定；

所述的旋拧驱动组件包括减速器和旋拧伺服电机；所述的减速器与支撑箱固定；所述的旋拧伺服电机与减速器固定；旋拧伺服电机的输出轴与减速器的输入口固定；减速器的输出轴与主动同步带轮固定。

2.根据权利要求1所述的高锁螺母安装机器人末端执行器，其特征在于：所述套筒扳手内壁的外端呈正六棱柱状；所述止动轴的外端呈六棱柱状。

3.根据权利要求1所述的高锁螺母安装机器人末端执行器，其特征在于：所述的安装装置还包括抽真空装置；所述抽真空装置的抽气嘴呈圆环形，套置在套筒扳手上，并与支撑箱固定；套筒扳手与抽真空装置的抽气嘴对应的位置沿周向开设有多个进出气孔；所述的抽气嘴与套筒扳手通过固定在抽气嘴上的两个O形密封圈进行密封。

4.根据权利要求1所述的高锁螺母安装机器人末端执行器，其特征在于：所述装料气缸活塞杆的轴线与滚珠丝杆的轴线平行设置。

5.根据权利要求1所述的高锁螺母安装机器人末端执行器，其特征在于：所述的霍尔传感器采用霍尔式环形传感器；所述的输送管道穿过霍尔传感器。

6.根据权利要求1所述的高锁螺母安装机器人末端执行器，其特征在于：气动卡爪位于第一个极限位置的状态下，两个夹持槽均与输送管道的输出端对齐；气动卡爪位于第二个极限位置的状态下，两个夹持槽均与套筒扳手的外端对齐；在气动卡爪张开状态下，两个活动手爪的间距小于高锁螺母的直径，两个夹持槽最内点的间距大于高锁螺母的直径。

7.如权利要求1所述的高锁螺母安装机器人末端执行器的高锁螺母安装方法，其特征在于：步骤一、将套筒扳手与待拧螺母的高锁螺栓对齐；

步骤二、将高锁螺母送入输送管道；高锁螺母从输送管道滑出到气动卡爪的两个夹持槽之间；气动卡爪夹紧高锁螺母；

步骤三、装料气缸推出，使得前滑座向远离套筒扳手的一侧滑动；

步骤四、换位气缸缩回，使得高锁螺母与套筒扳手的外端对齐；

步骤五、装料气缸缩回，使得高锁螺母与套筒扳手接触；若光电传感器检测不到第二连接板，旋拧伺服电机转动，使得套筒扳手与高锁螺母发生相对转动，直至光电传感器重新检测到第二连接板；

步骤六、气动卡爪松开高锁螺母后，装料气缸推出，使得气动卡爪与高锁螺母分离；

步骤七、换位气缸推出后，装料气缸缩回，使得气动卡爪复位；

步骤八、进给驱动组件启动，套筒扳手带动高锁螺母向高锁螺栓移动，直至止动轴插入高锁螺栓上的内六角槽；

步骤九、旋拧驱动组件及进给驱动组件均启动，且后退气缸逐渐缩回；直至扭矩传感器检测到的扭矩减小为0；

步骤十、进给驱动组件驱动套筒扳手脱离高锁螺母。

8.根据权利要求7所述的高锁螺母安装机器人末端执行器的高锁螺母安装方法，其特征在于：步骤九中滚珠丝光杆的转速乘以滚珠丝光杆的导程所得值、套筒扳手的转速乘以高锁螺栓的螺距所得值及后退气缸的缩回速度相等。