CN108788705A - 一种力矩可控的拧螺丝机器人 - Google Patents

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陈海波
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Abstract

本发明公开了一种力矩可控的拧螺丝机器人，属于零件自动装配技术领域。包括机械臂和自动拧螺丝机，机械臂带动自动拧螺丝机在空间运动，自动拧螺丝机由动力模块、弹性装置、缓冲装置和夹紧装置依次串联组成；动力模块包括控制器、电机和减速器，提供可控的拧螺丝力矩和转速，控制系统的启停。弹性装置的弹性形变程度反映输出力矩大小，同时增加自动拧螺丝机的旋向柔顺性，可根据不同的预紧力选择；缓冲装置有螺丝进给方向的缓冲作用。本发明通过测量弹性装置输入输出端面角度差来计算输出反馈力矩，通过电机控制改变两端面角度差，将力矩控制转化为弹性体的角位置控制，实现螺丝刀的精确力矩控制，同时可实时监测力矩异常状况。

Description

一种力矩可控的拧螺丝机器人
技术领域
本发明属于零件自动装配技术领域，涉及一种拧螺丝机器人。
背景技术
目前的力矩可调螺丝刀大多通过一定的可变机械结构来限制螺丝刀能产生的最大力矩。螺丝实际的预紧力与螺丝刀设定的最大力矩值有关，还与实际作业时间长度有关。由于无法自动实现停车动作，力矩可调螺丝刀在达到最大力矩后，往往会持续拧紧动作，直到人为关停为止，导致实际的预紧力远远超过预期，情况严重时同样会导致螺丝和螺孔的损害。
螺丝刀的力矩可调范围有限，无法实现连续设定。对于不同场合预紧力要求不同，只能通过经验判断手动调节相应机械部件的位置，来限定最大力矩，无法实现拧紧过程中的力矩调节。此外频繁地调节机械部件和机械振动引发磨损等问题，使得实际力矩限定值与设计值有偏差，造成系统误差。这种传统力矩可调螺丝刀不利于力矩限定的精确性和该工具通用性。
力矩可调螺丝刀没有力矩感知能力，当螺丝没有对准螺丝孔时，力矩出现异常，螺丝刀无法及时感知力矩异常的情况并做出反应，对螺丝和螺丝孔产生破坏，不利于工件的安全。
很多精密设备例如医疗器械、精密测量仪器等对螺丝的拧紧力精度要求很高，一些特殊材质的低强度螺丝对拧紧力矩大小很敏感，常规的力矩螺丝刀无法做到高精度的力矩控制，不能用于高精度设备的自动化装配过程，限制了精密设备的批量自动化装配。
另一方面，市面上的自动拧螺丝机器人采用昂贵的扭矩传感器检测力矩，且扭矩输出部分多为刚性，当螺丝已经被拧紧时，扭矩会陡然上升，此时刚性拧螺丝机器人由于没有足够的时间做出停车响应，很容易使输出扭矩超出螺丝预紧力，损坏工件。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种力矩可控的拧螺丝机器人。为了实现以上目的，本发明提供的具体技术方案如下。
一种力矩可控的拧螺丝机器人，包括机械臂和自动拧螺丝机，机械臂带动自动拧螺丝机在空间运动。自动拧螺丝机由动力模块、弹性装置和夹紧装置依次串联组成。动力模块包括控制器、电机和减速器，提供可控的拧螺丝力矩和转速，控制拧螺丝机器人的启停。通过动力模块和弹性装置的共同作用，使得自动拧螺丝机能输出可控的扭矩，可拧紧或拧松螺丝，同时具有旋向和轴向的柔性，减小对拧螺丝机和工件的破坏。
在一些具体实施方案中，所述弹性装置由输入法兰、盘式编码器I及对应的光电编码器读头I、弹性体、盘式编码器II及对应的光电编码器读头II、输出法兰和固定轴承组成；盘式编码器I与输入法兰同轴固定连接，盘式编码器II与输出法兰同轴固定连接，固定轴承保证同轴度；光电编码器读头I读取盘式编码器I角度值，光电编码器读头II读取盘式编码器II角度值，并反馈给控制器。
进一步地，控制器获取盘式编码器I和盘式编码器II的角度值，用两个盘式编码器角度值之差计算出输出的扭矩，以此作为力矩反馈来实现力矩闭环控制，控制器还通过该扭矩的大小和变化趋势来监测异常情况。
进一步地，所述弹性装置中的弹性体可更换，根据不同使用场合对力矩大小和精度的相应要求，更换对应的弹性体。
上述具体实施方案详述如下。
电机在控制器的驱动下，通过减速器减速后输出一定转速和力矩，以此驱动弹性装置。弹性装置由输入法兰、盘式编码器I及对应的光电编码器读头I、弹性体、盘式编码器II及对应的光电编码器读头II、输出法兰和固定轴承组成。弹性体由于受力形变特性，在被施加力矩的情况下，前后端面会产生扭转变形，输入法兰和输出法兰会存在一定角度差，将盘式编码器I和盘式编码器II分别同轴固定在输入法兰和输出法兰上，用光电编码器读头I读取盘式编码器I角度值θm，光电编码器读头II读取盘式编码器II角度值θl，两者之间的角度差θr反映了弹性体的形变程度。
角度差θr反馈给控制器后，通过一定函数关系T(θr)得到对应的力矩值Tr。T(θr)称为弹性体的刚度，与弹性体的类型、性质、尺寸、扭角大小和环境等因素有关，控制精度要求较低时可以认为刚度T(θr)为常数，精度要求较高时刚度T(θr)为θr的函数。本发明所述弹性体可以根据不同的应用场合来选择替换，当预紧力较大、扭矩精度要求不高时选择刚度较大的弹性体，可以提高响应速度；当预紧力较小、扭矩精度要求高时选择刚度较小的弹性体，可以保证产品质量和安全。弹性体的扭转角度和力矩对应关系T(θr)需要在生产之前进行标定。
弹性体的使用，提高了力矩控制的稳定性和准确性。一方面，输出端的高频力矩扰动会被低刚度弹性体吸收，减小了高频扰动对控制系统带来的冲击，提高了整体稳定性。另一方面，低刚度弹性体放大了传统力矩检测的形变范围，降低力矩检测成本，提高力矩检测的精度。
在一些具体实施方案中，自动拧螺丝机在弹性装置和夹紧装置之间还设置有缓冲装置，所述缓冲装置由固定筒、压簧和限位筒组成，弹性装置的输出法兰和限位筒之间串联压簧，输出法兰通过键与限位筒联结。详述如下。
拧螺丝过程中，螺丝不仅有旋转运动，还有轴向进给运动，自动拧螺丝机只能产生旋转运动，轴向运动只能通过机械臂的延伸运动来完成，由于进给速度通常会变化而且很难控制，机械臂提供的刚性进给运动很容易对螺丝和螺丝孔的螺纹产生破坏，因此需要提高该方向上运动的柔顺性。在自动拧螺丝机上的弹性装置和螺丝夹紧装置之间串联一个缓冲装置，缓冲装置由固定筒、压簧和限位筒组成，弹性装置输出法兰的四个键套到限位筒的滑动卡槽内，输出法兰和限位筒之间串联一个压簧起到轴向缓冲作用，保证了能传递扭矩的同时还能轴向相对滑动。当螺丝拧紧的过程中，机械臂会提供一定的进给力和进给速度，压簧会发生轴向形变，当进给速度大于或小于螺丝所需的速度时，压簧会产生缓冲作用，减小进给速度差对螺纹的破坏作用。
在一些具体实施方案中，自动拧螺丝机的控制系统采用三闭环串级控制：外环为力矩环，中间环为速度环，内环为电流环；力矩环使输出力矩限定在设定范围内，速度环克服电机和减速器的摩擦力与传动机构间隙造成的扰动，电流环防止电机过流。
进一步地，预先设定最大力矩，在拧螺丝过程中，当检测到的输出力矩达到设定最大力矩时，控制器控制拧螺丝机器人立即停车，停止力矩输出。
进一步地，预先设定最大进给行程，在拧螺丝过程中，如果在达到最大进给行程之前出现力矩过大的异常情况，控制器控制拧螺丝机器人立即停车，停止力矩输出，并及时报警。
上述具体实施方案详述如下。
自动拧螺丝机控制系统框图如图4所示。最外环为力矩环，运用积分分离式PID控制，在系统启动短时间内，反馈值与设定值偏差较大，控制器输出也很大，采用PD控制，可以避免积分积累，保证控制量不会超过电机可能允许的最大动作范围，同时也减小了积分累积效应带来的超调量，当反馈值接近设定值时，引入积分环节以消除静态误差，提高控制精度；中间环运用速度环，由于速度环的存在，电机可以看成是一个有效的速度源，可以减小电机和减速器之间库仑摩擦和粘滞摩擦带来的影响，提高系统稳定性；内环运用电流环，限制电机的电流，避免在转速调节的过程中可能出现的电机过流。速度环和电流环提高了系统稳定性和安全性。
图4中的Td为力矩控制器的扭矩设定值，ωd为力矩控制器输出的角速度期望值，Id为速度控制器输出的电流期望值，Vd为电流控制器输出的电机电压控制值。Tr为力矩控制器的力矩反馈，由θr＝θm-θl和Tr＝T(θr)计算得出。ωm为速度控制器的电机输出端的角速度反馈。Im为电机运行时的电流反馈。
当力矩到达设定力矩后，要求力矩停止增大，但是任何电机都存在响应时间τ，不可能立即停止，存在位置超调Δθm，传统的刚性拧螺丝机由于刚度Ks很大，负载端的位置变化率Δθl和电机的位置变化率Δθm基本一致即Δθl≈Δθm，力矩达到设定值时，负载端仍然存在的位置超调Δθl造成的力矩偏差ΔTs＝KsΔθl＝KsΔθm会很大，很容易对螺纹产生破坏；本发明中的柔性拧螺丝机由于弹性体的存在，系统的刚度Kf降低，同时由于弹性体的缓冲作用，负载端的位置变化率Δθl远小于电机的位置变化率Δθm，即Δθl＜＜Δθm，负载的位置超调Δθl造成的力矩偏差ΔTf＝KfΔθl＜＜KfΔθm，比刚性拧螺丝机减小很多，对工件螺纹破坏作用大大降低。当力矩达到设定值时，控制器会控制电机反转直到输出力矩为零，机械臂会带动拧螺丝机回退，使螺丝刀与螺钉分离。
当出现螺丝未对准或者螺丝孔损坏的情况时，在螺丝的进给量还未达到系统设定进给行程时，会出现力矩过大且陡然增加的情况，此时由于输出力矩可能还未达到预紧力矩，传统的拧螺丝机因为缺乏异常检测机制不会有停车、倒车之类的响应，继续增大的力矩极有可能给工件螺纹带来破坏，本发明中存在力矩实时检测和控制机制，如果螺丝的进给量s还未达到系统设定进给行程L时就出现力矩T过大且力矩变化率ΔT过大的情况，则认为拧螺丝过程出现异常，此时控制器会控制电机使输出力矩为零，并发出警报等待处理。
在一些具体实施方案中，所述机械臂包括底盘、旋臂I，旋臂II、旋臂III和手臂，底盘通过水平转动调节手臂的水平角度，旋臂I、旋臂II和旋臂III通过在竖直方向转动调节手臂的高度和水平距离，手臂有上下和左右两个自由度可调节自动拧螺丝机的方向，整个机械臂带动自动拧螺丝机在空间六自由度运动，以此来满足不同工位和方向的螺丝孔。
在一些具体实施方案中，所述夹紧装置由三爪卡盘和螺丝刀组成；三爪卡盘的夹紧口径可调，以夹紧不同直径的螺丝刀；螺丝刀根据不同的应用场合选择对应的刀型和直径。
本发明具有以下有益技术效果：弹性装置的弹性形变程度反映输出力矩大小，同时增加自动拧螺丝机的旋向柔顺性，可根据不同的预紧力选择。缓冲装置有螺丝进给方向的缓冲作用。测量弹性装置输入输出端面的角度差来计算输出反馈力矩，通过电机控制改变两端面角度差，将力矩控制转化为弹性体的角位置控制，实现螺丝刀的精确力矩控制，同时可实时监测力矩异常状况；弹性装置的旋向柔顺性和缓冲装置的进给向柔顺性减小了对拧螺丝机器人和工件的破坏。
附图说明
图1是一种力矩可控的拧螺丝机器人的结构示意图。
图2是自动拧螺丝机模块图。
图3是自动拧螺丝机零件图。
图4是自动拧螺丝机控制系统框图。
图5是自动拧螺丝机工作流程图。
附图标记：1-自动拧螺丝机，2-手臂，3-旋臂III，4-旋臂II，5-旋臂I，6-底盘，7-电机，8-减速器，9-输入法兰，10-盘式编码器I，11-弹性体，12-盘式编码器II，13-输出法兰，14-固定轴承，15-固定筒，16-压簧，17-限位筒，18-三爪卡盘，19-螺丝刀，20-光电编码器读头II，21-光电编码器读头I，22-控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明提供的一种力矩可控的拧螺丝机器人，包括机械臂和自动拧螺丝机1，机械臂带动自动拧螺丝机1在空间运动。机械臂包括底盘6、旋臂I 5，旋臂II 4、旋臂III3和手臂2，底盘6通过水平转动调节手臂2的水平角度，旋臂I 5、旋臂II 4和旋臂III 3通过在竖直方向转动调节手臂2的高度和水平距离，手臂2有上下和左右两个自由度可调节自动拧螺丝机1的方向，整个机械臂带动自动拧螺丝机1在空间六自由度运动，以此来满足不同工位和方向的螺丝孔。
如图2所示，自动拧螺丝机1由动力模块、弹性装置、缓冲装置和夹紧装置依次串联组成。动力模块包括控制器22、电机7和减速器8，提供可控的拧螺丝力矩和转速，控制拧螺丝机器人的启停。
如图3所示，自动拧螺丝机1的弹性装置由输入法兰9、盘式编码器I 10及对应的光电编码器读头I 21、弹性体11、盘式编码器II 12及对应的光电编码器读头II 20、输出法兰13和固定轴承14组成；盘式编码器I 10与输入法兰9同轴固定连接，盘式编码器II 20与输出法兰13同轴固定连接，固定轴承14保证同轴度；光电编码器读头I 21读取盘式编码器I10角度值，光电编码器读头II 20读取盘式编码器II 12角度值，并反馈给控制器22。控制器22获取盘式编码器I 10和盘式编码器II 12的角度值，用两个盘式编码器角度值之差计算出输出的扭矩，以此作为力矩反馈来实现力矩闭环控制，控制器22还通过该扭矩的大小和变化趋势来监测异常情况。所述弹性装置中的弹性体可更换，根据不同使用场合对力矩大小和精度的相应要求，更换对应的弹性体。
自动拧螺丝机1的缓冲装置由固定筒15、压簧16和限位筒17组成，弹性装置的输出法兰13和限位筒17之间串联压簧16，输出法兰13通过键与限位筒17联结。
自动拧螺丝机1的夹紧装置由三爪卡盘18和螺丝刀19组成；三爪卡盘18的夹紧口径可调，以夹紧不同直径的螺丝刀19；螺丝刀19根据不同的应用场合选择对应的刀型和直径。
如图4所示，自动拧螺丝机1的控制系统采用三闭环串级控制：外环为力矩环，中间环为速度环，内环为电流环；力矩环使输出力矩限定在设定范围内，速度环克服电机和减速器的摩擦力与传动机构间隙造成的扰动，电流环防止电机过流。预先设定最大力矩，在拧螺丝过程中，当检测到的输出力矩达到设定最大力矩时，控制器控制拧螺丝机器人立即停车，停止力矩输出。预先设定最大进给行程，在拧螺丝过程中，如果在达到最大进给行程之前出现力矩过大的异常情况，控制器控制拧螺丝机器人立即停车，停止力矩输出，并及时报警。
根据具体的螺丝和预紧力选择合适的螺丝刀头和弹性装置，并安装和装夹完整，包括螺丝刀和螺丝的装夹。安装完成后，拧螺丝机器人按照图5所示的流程图工作。设定自动拧螺丝机控制器22的螺丝预紧力大小Ts，检查异常报警情况。设定工件上螺丝孔的空间位置和方向，控制手臂末端连接自动拧螺丝机1的位置和姿态，以对准工件螺丝孔，设定螺丝进给速度。控制手臂带动自动拧螺丝机1达到指定的空间位置和姿态，使螺丝对准工件螺丝孔。自动拧螺丝机1驱动螺丝发生旋转运动，于此同时机械臂驱动自动拧螺丝机1产生轴向进给运动。控制器22读取编码器的角度值，计算出对应扭矩值，对扭矩值及变化趋势进行判断分析。若产生扭矩异常报警，自动拧螺丝机1停止旋转运动，机械臂停止进给运动，系统停机等待检查。若扭矩达到预紧力，停止旋转运动，机械臂带动自动拧螺丝机1的刀头离开工件。至此，一次自动拧螺丝过程完毕。

Claims (10)

1.一种力矩可控的拧螺丝机器人，包括机械臂和自动拧螺丝机，机械臂带动自动拧螺丝机在空间运动，其特征在于，自动拧螺丝机由动力模块、弹性装置和夹紧装置依次串联组成；动力模块包括控制器、电机和减速器，提供可控的拧螺丝力矩和转速，控制拧螺丝机器人的启停。
2.根据权利要求1所述的拧螺丝机器人，其特征在于，所述弹性装置由输入法兰、盘式编码器I及对应的光电编码器读头I、弹性体、盘式编码器II及对应的光电编码器读头II、输出法兰和固定轴承组成；盘式编码器I与输入法兰同轴固定连接，盘式编码器II与输出法兰同轴固定连接，固定轴承保证同轴度；光电编码器读头I读取盘式编码器I角度值，光电编码器读头II读取盘式编码器II角度值，并反馈给控制器。
3.根据权利要求2所述的拧螺丝机器人，其特征在于，控制器获取盘式编码器I和盘式编码器II的角度值，用两个盘式编码器角度值之差计算出输出的扭矩，以此作为力矩反馈来实现力矩闭环控制，控制器还通过该扭矩的大小和变化趋势来监测异常情况。
4.根据权利要求2所述的拧螺丝机器人，其特征在于，所述弹性装置中的弹性体可更换，根据不同使用场合对力矩大小和精度的相应要求，更换对应的弹性体。
5.根据权利要求1所述的拧螺丝机器人，其特征在于，自动拧螺丝机在弹性装置和夹紧装置之间还设置有缓冲装置，所述缓冲装置由固定筒、压簧和限位筒组成，弹性装置的输出法兰和限位筒之间串联压簧，输出法兰通过键与限位筒联结。
6.根据权利要求1所述的拧螺丝机器人，其特征在于，自动拧螺丝机的控制系统采用三闭环控制：外环为力矩环，中间环为速度环，内环为电流环；力矩环使输出力矩限定在设定范围内，速度环克服电机和减速器的摩擦力与传动机构间隙造成的扰动，电流环防止电机过流。
7.根据权利要求1所述的拧螺丝机器人，其特征在于，预先设定最大力矩，在拧螺丝过程中，当检测到的输出力矩达到设定最大力矩时，控制器控制拧螺丝机器人立即停车，停止力矩输出。
8.根据权利要求1所述的拧螺丝机器人，其特征在于，预先设定最大进给行程，在拧螺丝过程中，如果在达到最大进给行程之前出现力矩过大的异常情况，控制器控制拧螺丝机器人立即停车，停止力矩输出，并及时报警。
9.根据权利要求1所述的拧螺丝机器人，其特征在于，所述机械臂包括底盘、旋臂I，旋臂II、旋臂III和手臂，底盘通过水平转动调节手臂的水平角度，旋臂I、旋臂II和旋臂III通过在竖直方向转动调节手臂的高度和水平距离，手臂有上下和左右两个自由度可调节自动拧螺丝机的方向，整个机械臂带动自动拧螺丝机在空间六自由度运动。
10.根据权利要求1所述的拧螺丝机器人，其特征在于，所述夹紧装置由三爪卡盘和螺丝刀组成；三爪卡盘的夹紧口径可调，以夹紧不同直径的螺丝刀；螺丝刀根据不同的应用场合选择对应的刀型和直径。
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