CN108312010A - 一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置，属于曲面加工技术领域，包括：Z轴移动驱动组件、X轴转动驱动组件、Y轴转动驱动组件和磨头组件。通过Z轴移动驱动组件带动X轴转动驱动组件、Y轴转动驱动组件和磨头组件一起沿Z轴上下移动，通过X轴转动驱动组件带动Y轴转动驱动组件和磨头组件一起绕X轴转动，通过Y轴转动驱动组件带动磨头组件绕Y轴转动，从而实现磨头位姿的三自由度控制。本发明从三个自由度精密调节磨头的轴线与加工曲面的法线的夹角，由此解决现有的单自由度磨轴线与加工曲面的法线不重合导致的打磨一致性差的问题。

Description

一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置

技术领域

本发明属于曲面加工技术领域，更具体地，涉及一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置。

背景技术

风电叶片是风力发电机组的关键部件，尺寸大(≥50米)、自由曲面型面、弱刚性，是典型的大型复杂曲面零件，其型面形位精度和表面粗糙度直接影响着风力发电效率和寿命。注塑成型后的大型风电叶片、需要进行整体一次性光整加工，目前我国主要采用人工和龙门机床磨抛。人工磨抛对工人的技术要求高、劳动强度大、效率低、产品的一致性无法保证，且严重影响人的身心健康；龙门机床磨抛灵活性差，操作复杂，且难以解决中尾部弱刚性区域的高效精密加工。而采用机器人加工则具有灵活性高，工作范围大，成本可控等优势，在风电叶片中具有广阔的应用前景。

机器人在打磨风电叶片等曲面零件的过程中，目前一般采用单自由度柔性磨抛法兰安装于机器人末端进行打磨，在打磨的过程中，安装于机器人末端的单自由度柔性磨抛法兰的轴线与曲面零件的法线方向理论应该重合，但是由于加工环境复杂，机器人自身结构为悬臂梁等导致机器人末端精度较低，单自由度磨头与曲面零件接触时，其轴线与曲面的法线方向不重合，使得曲面零件出现过磨或少磨的区域，一致性较差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置，其目的在于通过移动副与转动副的配合使用，从三个自由度精密调节磨头的轴线与加工曲面的法线的夹角，由此解决现有的单自由度磨轴线与加工曲面的法线不重合导致的打磨一致性差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置，包括：Z轴移动驱动组件、X轴转动驱动组件、Y轴转动驱动组件和磨头组件；

Z轴移动驱动组件包括沿着Z轴移动的第一直线滑块；

X轴转动驱动组件包括X轴转动平台和滑块摇杆机构；滑块摇杆机构包括第二直线滑块、支架及连杆；第二直线滑块沿Z轴可移动地安装于第一直线滑块上；支架一端枢接在X轴转动平台上，枢接部位的旋转轴线平行于X轴，支架另一端固定在第一直线滑块上，以带动X轴转动平台随第一直线滑块沿Z轴移动；连杆一端枢接在第二直线滑块上，另一端枢接在X轴转动平台上与支架不同的位置；当第二直线滑块在第一直线滑块上沿Z轴上下移动时，带动连杆上下偏摆，进而通过连杆带动X轴转动平台绕X轴上下转动；

Y轴转动驱动组件包括Y轴转动平台、Y轴伺服电机和Y轴转动连杆；Y轴伺服电机固定于X轴转动平台上，其输出轴沿Y轴布置；Y轴转动连杆上端枢接于X轴转动平台上且与Y轴伺服电机的输出轴连接，Y轴转动连杆下端固定于Y轴转动平台上表面；磨头组件固定于Y轴转动平台下表面，以在Y轴伺服电机驱动下带动磨头组件绕Y轴转动。

进一步地，包括与磨削机器人对接的外壳；

Z轴移动驱动组件包括Z轴伺服电机、底座、第一直线滑块和第一丝杠；Z轴伺服电机沿Z轴方向固定于外壳内部顶面上；底座安装于Z轴伺服电机下部，底座上设有平行于Z轴伺服电机输出轴的第一直线滑轨；第一丝杠上端与Z轴伺服电机输出轴连接，下端穿过第一直线滑块与第一直线滑块组成第一丝杠滑块机构；第一直线滑块安装于第一直线滑轨上，以在第一丝杠带动下沿第一直线滑轨移动。

进一步地，X轴转动平台包括底盘和X轴转动盘，底盘固定于X轴转动盘下部，Y轴转动驱动组件固定于底盘下部；

滑块摇杆机构包括X轴伺服电机、第二丝杠、第二直线滑块、连杆以及两个支架；

X轴伺服电机平行于Z轴伺服电机，且固定安装于第一直线滑块上；第二丝杠上端连接X轴伺服电机的输出轴，下端穿过第二直线滑块与第二直线滑块组成第二丝杠滑块机构；第二直线滑块安装于第二直线滑轨上，以在第二丝杠带动下沿第二直线滑轨移动；

两个支架的上端分别固定于第一直线滑块运动方向两侧，下端分别与X轴转动盘两侧枢接；

第二直线滑块上设有支座，连杆一端通过铰链与支座连接，另一端通过铰链连接X轴转动盘；

当X轴伺服电机通过第二丝杠驱动第二直线滑块沿着Z轴方向平移时，第二直线滑块通过支座带动连杆做平面运动，连杆带动X轴转动盘绕着X轴方向转动；X轴转动盘带动底盘进而带动Y轴转动驱动组件和磨头组件绕着X轴方向转动。

进一步地，Y轴驱动转动组件包括Y轴伺服电机、并联梯形摇杆机构和Y轴转动平台，Y轴伺服电机沿Y轴方向布置且与底盘固定；

并联梯形摇杆包括两个梯形单元，两个梯形单元结构相同、垂直于Y轴、且在XOZ平面上的投影重合；每个梯形单元的两个腰的顶端铰接于底盘下表面，其中一个腰为Y轴转动连杆；底边为摇杆，铰接于两个腰上，且固定于Y轴转动平台上表面；

工作时，Y轴伺服电机带动并联梯形机构中的Y轴转动连杆旋转，Y轴转动连杆转动带动摇杆进而带动Y轴转动平台以水平方向角度不变的方式绕Y轴转动。

进一步地，磨头组件包括：直线导杆、弹簧、滑动导套、磨头伺服电机、磨头转盘和砂纸；

直线导杆沿Z轴方向设置，其顶端固定于Y轴转动平台下表面；弹簧、滑动导套从上至下依次套在直线导杆上，弹簧上端固定、下端抵接滑动导套，以使弹簧处于压缩状态；直线导杆的下端卡合于直线导套的下端以对滑动导套限位；磨头伺服电机固定于滑动导套下端，磨头转盘固定于磨头伺服电机的输出轴上，砂纸固定于磨头转盘下表面。

进一步地，磨头组件包括力传感器，力传感器固定于滑动导套下端，磨头伺服电机固定于力传感器下端，力传感器用于实时测量及反馈砂纸与加工曲面接触力的大小及方向，X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机用于根据接触力的大小及方向调整磨头转盘的角度，以使磨头转盘的轴线在移动磨削过程中与加工曲面的法线重合。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明采用丝杠滑块机构、滑块摇杆机构、并联梯形连杆机构搭建Z轴直线运动自由度、X轴/Y轴转动运动自由度三个自由度的串联运动机构，能够将伺服电机较大的转动角度，转换为连杆、摇杆微小的摆动角度，从而能够从三个自由度精密调节磨头的轴线与曲面接触面法线夹角，确保磨头移动加工过程中轴线始终与加工曲面法线重合，避免多磨或少磨，从而保证加工一致性。同时，本发明的运动副仅有移动副和转动副两种，运动副简单，具有制造容易、装置结构紧凑、整体体积较小的优点。

附图说明

图1为本发明实施实例提供的一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置的结构示意图

图2为本发明实施实例提供的机构中Z轴直线驱动组件的示意图

图3为本发明实施实例提供的机构中X轴转动驱动组件的示意图

图4为本发明实施实例提供的机构中Y轴转动驱动组件的示意图

图5为本发明实施实例提供的磨头组件的示意图

图6为本发明实施实例提供的磨头组件在绕X轴偏转前后的姿态变化示意图

图7为本发明实施实例提供的磨头组件在绕Y轴偏转前后的姿态变化示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

A-外壳，B-Z轴移动驱动组件，C-X轴转动驱动组件，D-Y轴转动驱动组件，E-磨头组件，1-Z轴伺服电机，2-第一丝杠，3-第一直线滑块，4-底座，5-X轴伺服电机，6-第二直线滑轨，7-固定座，8-支座，9-第二直线滑块，10-连接板，11-转动盘，12-X轴旋转铰链，13-加持件，14-连杆，15-X轴转动盘，16-支架，17-Y轴转动平台，18-固定支架，19-摇杆，20-Y轴转动连杆，21-Y轴伺服电机，22-伺服电机支架，23-驱动轴，24-连杆支座，25-梯形侧腰连杆，26-直线导杆，27-滑动导套，28-力传感器，29-磨头伺服电机，30-磨头转盘，31-弹簧。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、2所示，本发明的三自由度串联柔性磨抛法兰装置包括Z轴移动驱动组件、X轴转动驱动组件、Y轴转动驱动组件、磨头组件。Z轴移动驱动组件包括一维直线模组，其中Z轴伺服电机1与柔性磨抛法兰的外壳A固定，柔性磨抛法兰的外壳A与机器人(未图示)末端固定。底座4与Z轴伺服电机1固定，Z轴伺服电机1和底座4沿Z轴方向放置。Z轴伺服电机轴和滚珠丝杠即第一丝杠2之间通过联轴器连接。Z轴伺服电机1驱动第一丝杠2转动，带动第一直线滑块3顺着底座4上的第一直线滑轨沿Z轴方向移动。第一直线滑块3在Z轴伺服电机1驱动下带动整个X轴转动驱动组件、Y轴转动驱动组件、磨头组件沿着Z轴方向做直线运动。

本发明的柔性磨抛法兰装置通过外壳A安装在机器人的末端，为了展示内部构造，图1中将外壳A局部剖开。在磨削的过程中当柔性磨抛法兰的磨头轴线与曲面零件的法线方向不重合时，柔性磨抛法兰通过Z轴移动驱动组件、X轴转动驱动组件、Y轴转动驱动组件在空间内实现三个自由度的位姿调整，从而调整磨头组件的位姿，使柔性磨抛法兰的磨头轴线与曲面零件的加工表面法线重合，弥补机器人末端精度轴线出现的误差，保证加工一致性。

如图3所示，X轴转动驱动组件中包括X轴转动平台和滑块摇杆机构，其中滑块摇杆机构驱动转动平台绕着X轴方向转动。滑块摇杆机构包括第二直线滑轨6、固定座7、支座8、第二直线滑块9、连接板10、转动盘11、X轴旋转轴12、加持件13、连杆14、X轴转动盘15和支架16。第二直线滑轨6和底座7固定在Z轴移动驱动组件的滑块4上，它们整体和滑块4同步沿着Z轴方向移动。X轴伺服电机5固定在固定座7上，其与滚珠丝杠即第二丝杠之间通过联轴器连接，第二丝杠上设有第二直线滑块9，支座8通过连接板10固定在第二直线滑块9上，连杆14的一端通过铰链与支座8连接，另一端通过铰链与加持件13连接，加持件13与X轴转动盘15固定。支撑转动盘15的两个直角支架16均固定在滑块4上，X轴转动盘15通过X轴旋转铰链12与直角支架16连接。X轴伺服电机5驱动第二丝杠转动进而带动第二直线滑块9沿着Z轴方向移动，第二直线滑块9通过支座8带动连杆14右端上下运动，由于X轴旋转铰链12的限制，连杆14左端带动X轴转动盘15以X轴旋转铰链12为中心绕X轴转动，进而带动柔性磨抛法兰装置中的Y轴转动驱动组件、磨头组件绕着X轴转动。

如图4所示，Y轴转动驱动组件中的并联摇杆机构的两个梯形连杆单元处于Y0Z平面平行的平面内。Y轴伺服电机21通过伺服电机支架22与X轴转动盘15固定，Y轴伺服电机21的输出轴和Y轴转动连杆的驱动轴通过联轴器连接，驱动轴23与Y轴转动连杆20之间通过键连接，驱动轴23的转动将带动Y轴转动连杆20绕Y轴转动。Y轴转动连杆20、梯形侧腰连杆25与摇杆19通过铰链连接，Y轴转动连杆20分别通过对应的连杆支座24与X轴转动盘15连接，且Y轴转动连杆20、梯形侧腰连杆25均与对应的连杆支座24铰接。摇杆19通过固定支架18与绕Y轴转动的Y轴转动平台17连接。另一并联的梯形连杆单元的实现方式与上述方式相同，区别在于不直接通过Y轴伺服电机带动，而是通过转动平台17实现并联联动。Y轴伺服电机21带动驱动轴23转动，进而带动Y轴转动连杆20转动，通过转动平台17的连接与另一个并联的梯形连杆单元一起带动转动平台17绕着Y轴转动，进而带动磨头组件绕着Y轴转动。通过并联摇杆机构可以提高转动平台17转动的稳定性，并且转动平台17在转动过程中的水平角度不变。

如图5所示，磨头组件中的直线导杆26通过螺纹与Y轴转动驱动组件中的Y轴转动平台17连接，滑动导套27与直线导杆26通过滑动副连接，直线导杆26的末端装有螺母，实现对滑动导套27的限位。滑动导套27与转动平台17之间装有压缩的弹簧31，力传感器28固定于滑动导套26的下方，磨头伺服电机29固定于力传感器28的下方，磨头伺服电机的输出轴上固定有磨头转盘30，砂纸通过魔术贴固定在磨头转盘30下表面，便于快速拆装、更换。

当磨头的砂纸接触曲面零件时，力传感器28可以测量接触力的大小及方向，通过处理器转换为控制信号，进而控制三个移动、转动驱动组件中的伺服电机的转动，调整砂纸打磨角度及位置，使得磨削过程中磨头轴线与曲面的法线重合，且使得接触力恒定，保证打磨曲面零件的均匀、一致性。弹簧31能够使得该柔性磨抛法兰具有被动柔性，可以让磨头的砂纸更容易接触曲面零件进行磨抛，减少磨头在曲面上的振动。

本发明的主要工作过程如下：力传感器检测到磨削力的大小和方向发生变化，上传至处理器，处理器解算出磨削力的大小和方向的补偿值，转换为驱动信号分别驱动X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机进行相应的位姿调整。调整过程中，Z轴直线驱动组件中的Z轴伺服电机1驱动第一直线滑块3沿着Z轴方向移动，带动整个X轴转动驱动组件、Y轴转动驱动组件、磨头组件沿着Z轴方向做直线运动。X轴驱动组件中的X轴伺服电机5驱动第二直线滑块9沿着Z轴方向移动，通过滑块摇杆机构带动X轴转动盘15和转动盘11绕着X轴转动，进而带动Y轴转动驱动组件、磨头组件绕着X轴转动。Y轴驱动组件中的Y轴伺服电机21通过并联的梯形连杆机构带动Y轴转动平台17绕Y轴转动，进而带动磨头绕着Y轴方向转动。

以上的沿着Z轴方向移动、沿着X轴、Y轴转动的三个自由度的驱动组件，能控制磨头在空间任意姿态接触曲面零件，弥补机器人末端轴线与曲面零件的法线方向不重合造成的精度误差。当然，在其他实施例中，驱动控制信号也可以手动输入。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置，其特征在于，包括：Z轴移动驱动组件、X轴转动驱动组件、Y轴转动驱动组件和磨头组件；

Z轴移动驱动组件包括沿着Z轴移动的第一直线滑块；

X轴转动驱动组件包括X轴转动平台和滑块摇杆机构；滑块摇杆机构包括第二直线滑块、支架及连杆；第二直线滑块沿Z轴可移动地安装于第一直线滑块上；支架一端枢接在X轴转动平台上，枢接部位的旋转轴线平行于X轴，支架另一端固定在第一直线滑块上，以带动X轴转动平台随第一直线滑块沿Z轴移动；连杆一端枢接在第二直线滑块上，另一端枢接在X轴转动平台上与支架不同的位置；当第二直线滑块在第一直线滑块上沿Z轴上下移动时，带动连杆上下偏摆，进而通过连杆带动X轴转动平台绕X轴上下转动；

Y轴转动驱动组件包括Y轴转动平台、Y轴伺服电机和Y轴转动连杆；Y轴伺服电机固定于X轴转动平台上，其输出轴沿Y轴布置；Y轴转动连杆上端枢接于X轴转动平台上且与Y轴伺服电机的输出轴连接，Y轴转动连杆下端固定于Y轴转动平台上表面；磨头组件固定于Y轴转动平台下表面，以在Y轴伺服电机驱动下带动磨头组件绕Y轴转动。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置，其特征在于，包括与磨削机器人对接的外壳；

Z轴移动驱动组件包括Z轴伺服电机、底座、第一直线滑块和第一丝杠；Z轴伺服电机沿Z轴方向固定于外壳内部顶面上；底座安装于Z轴伺服电机下部，底座上设有平行于Z轴伺服电机输出轴的第一直线滑轨；第一丝杠上端与Z轴伺服电机输出轴连接，下端穿过第一直线滑块与第一直线滑块组成第一丝杠滑块机构；第一直线滑块安装于第一直线滑轨上，以在第一丝杠带动下沿第一直线滑轨移动。

3.根据权利要求1或2所述的一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置，其特征在于，X轴转动平台包括底盘和X轴转动盘，底盘固定于X轴转动盘下部，Y轴转动驱动组件固定于底盘下部；

滑块摇杆机构包括X轴伺服电机、第二丝杠、第二直线滑块、连杆以及两个支架；

X轴伺服电机平行于Z轴伺服电机，且固定安装于第一直线滑块上；第二丝杠上端连接X轴伺服电机的输出轴，下端穿过第二直线滑块与第二直线滑块组成第二丝杠滑块机构；第二直线滑块安装于第二直线滑轨上，以在第二丝杠带动下沿第二直线滑轨移动；

两个支架的上端分别固定于第一直线滑块运动方向两侧，下端分别与X轴转动盘两侧枢接；

第二直线滑块上设有支座，连杆一端通过铰链与支座连接，另一端通过铰链连接X轴转动盘；

当X轴伺服电机通过第二丝杠驱动第二直线滑块沿着Z轴方向平移时，第二直线滑块通过支座带动连杆做平面运动，连杆带动X轴转动盘绕着X轴方向转动；X轴转动盘带动底盘进而带动Y轴转动驱动组件和磨头组件绕着X轴方向转动。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置，其特征在于，Y轴驱动转动组件包括Y轴伺服电机、并联梯形摇杆机构和Y轴转动平台，Y轴伺服电机沿Y轴方向布置且与底盘固定；

并联梯形摇杆包括两个梯形单元，两个梯形单元结构相同、垂直于Y轴、且在XOZ平面上的投影重合；每个梯形单元的两个腰的顶端铰接于底盘下表面，其中一个腰为Y轴转动连杆；底边为摇杆，铰接于两个腰上，且固定于Y轴转动平台上表面；

工作时，Y轴伺服电机带动并联梯形机构中的Y轴转动连杆旋转，Y轴转动连杆转动带动摇杆进而带动Y轴转动平台以水平方向角度不变的方式绕Y轴转动。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置，其特征在于，磨头组件包括：直线导杆、弹簧、滑动导套、磨头伺服电机、磨头转盘和砂纸；

直线导杆沿Z轴方向设置，其顶端固定于Y轴转动平台下表面；弹簧、滑动导套从上至下依次套在直线导杆上，弹簧上端固定、下端抵接滑动导套，以使弹簧处于压缩状态；直线导杆的下端卡合于直线导套的下端以对滑动导套限位；磨头伺服电机固定于滑动导套下端，磨头转盘固定于磨头伺服电机的输出轴上，砂纸固定于磨头转盘下表面。

6.根据权利要求5所述的一种三自由度串联柔性磨抛法兰装置，其特征在于，磨头组件包括力传感器，力传感器固定于滑动导套下端，磨头伺服电机固定于力传感器下端，力传感器用于实时测量及反馈砂纸与加工曲面接触力的大小及方向，X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机用于根据接触力的大小及方向调整磨头转盘的角度，以使磨头转盘的轴线在移动磨削过程中与加工曲面的法线重合。