CN108942679A - 机器人快速换刀多功能自适应力控末端执行器 - Google Patents

Abstract

一种机器人快速换刀自适应力控末端执行装置设计，包括：半球形夹紧器、Z型拉力传感器、压力控制气缸、末端执行器与机械臂之间的接口器。所述半球形夹紧器、Z型拉压力学传感器和压力控制气缸分为上中下三部分组成压力自适应控制器和核心部件，彼此连接布置作为一个整体。所述管对接位点的集合约束作用实现了数据线和气管这类软管状物的对接固连。通过管对接位点的收束，每个压力自适应控制器伸出的数据线和气管都被整齐地整合到对接平面上进行对接。所述末端执行器接口处采取中心斜齿轮带动周围斜齿轮转动拧紧固定螺栓和气孔接口，固定末端执行器的位置同时实现气管的连接。本发明实现了装夹和检测力控操作为一体和实时的三维力控。

Description

机器人快速换刀多功能自适应力控末端执行器

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人快速换刀多功能自适应末端执行器，具体的讲，对增压级进口整流器进行机器人自动化磨削加工。

背景技术

近20年来，磨削技术在航空航天、交通运输机械、船舶制造业、冶金化工及能源等领域的应用越来越广阔。同时，随着制造业的不断发展和进步，对产品加工精度的要求越来越高，一系列的高精度零件的机械自动化加工问题渐渐暴露出来。

以增压级进口整流器加工为例具体说明。增压级进口整流器是增压级风扇部件的重要组成部分，是典型的薄壁、焊接机匣，由增压级进口机匣、增压级进口导叶和增压级进口内环组成,加工方式是电子束焊接的方式。电子束焊接方式的特点在于其加工过后留下的焊缝高度低，在清除过程中极易损伤工件表面。再者，整流器的材质是钛合金，其强度较高，留下的焊缝不易于清除。结合以上三个特点，想要去除焊接过后留下的焊缝又保障不使整流器的表面发生形变是十分困难的。更为困难的加工问题在于导叶两个面的交界处的拐点。由于拐点的几何外形对气流动力性影响很大，所以对加工精度的要求更高。而且由于拐点形面的复杂性和一定的不连续性，需要频繁地更换刀具。换刀过程中刀具移动路径和工件表面极易发生干涉问题。

而与此同时，国外磨削精度已达微米级，表面粗糙度Ra已达到 0.01～0.025um，国内磨削精度和国外相比还存在一定差距，而国产磨床的磨削进给精度较低是造成整距的主要原因之一。

以增压级进口整流器为代表的一类高精密度零部件及仪器的加工过程以及其它加工过程中存在的上述问题对机器人加工的灵活性和末端执行器的自适应能力提出了更高的要求。目前缺乏一种效果较好的加工方式，加工中存在的问题需要用一种能够实现快速精准换刀，并且通过力学传感器的布置实时监测磨头前端所受到的磨削力，进行磨削路径的实时调整，实现高精确度自适应磨削的自动化磨削加工机器人来解决。此设备可有效解决地因工件形状误差引起的加工精度低等问题，并且能够很好地修正自己的特性以适应对象和扰动的变化，可有效地提高加工质量和加工效率。同时，恒力刀具磨削自适应控制技术是自动化较高的加工方式，有利于提高磨床自动化和智能化水平。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够实现高效精准换刀和机器人自适应磨削的末端执行器布置方案。

实现本发明的目的的技术方案如下：一种集装夹和力检测控制功能为一体的压力自适应控制器(36)内部核心结构分为三个部分：半球形夹紧器，S型拉压力学传感器，压力控制气缸。半球形夹紧器(1) 与S型拉压力学传感器(2)顶面通过双头螺柱(3)连接，Z型拉压力学传感器底面的螺纹孔(4)直接与气缸活塞杆前端的螺栓(5)配合。气缸和Z型拉压力学传感器四个棱边处设卡槽(6)与外部厚壳的(7)卡口配合，厚壳的一侧面有豁口(8)，用于引出力学传感器的数据线(9)和气缸的气管(10)(数据线接口和两气管接口处于同一竖直线上)。厚壳顶端的卡口(11)与端盖卡槽(16)配合实现封顶。厚壳底端通过一个圆柱销(13)和一个菱形销(14)的一面两孔定位方式定位，此后通过螺栓螺母(15)连接固定在末端执行器的内壁。

本发明中S型拉压力学传感器型号选取为力智传感器系统有限公司开发的LZ-WS6微型压拉力S型称重传感器，其灵敏度为1.5- 2.0mV/V，迟滞指数为0.2％F·s,在考虑到刀具杆微小形变和微小夹紧器形变影响之后依然能够满足加工精度要求，而且尺寸符合要求。

布置三个拉压力学传感器就可以实现对磨头前端任意一个方向的力的全面检测。若安装数量小于三个，力学传感器对力的捕获完整度就会下降，这意味着存在测力死角，会遗漏某个方向上的分力信息；若安装数量多于三个，就会获取力的重复信息导致增加数据处理难度，并且还会执行器内部结构复杂程度，增大末端执行器载荷。故综合考虑，布置等距的三个力学传感器，也就是三个压力自适应控制器(36)。故设计末端执行器压力内壁为正三棱柱型，三棱柱的三个侧面上固定三个处于同一与中轴线垂直的平面上的互成120°角的压力自适应控制器作为本系统的自适应控制系统。

本发明的力检测原理为：刀具柄与压力自适应控制器的半球形夹紧器接触的位置设置一圈球面凹槽(35)，球面的半径与半球形夹紧器的半径相等，这样半球形夹紧器就能实现对刀具的无缝夹持。同时对于磨头的任意方向的受力F，由于环形凹槽将夹紧器前端包围起来，两者各个方向都有接触，故F沿任意方向的分力都能传递到球形夹紧器上，并进一步通过球形夹紧器传递给力学传感器。这种设计结构特点减小了力传递过程中的系统误差。这里将刀具视为杠杆，夹持装置视为其支点。

用l₁表示磨头到夹持装置的距离，对应力臂矢量为l₂表示夹持装置到力传感器段的距离，对应力臂矢量为

这里设：磨头受到的力矢量为传感器端所受到的支持力为以刀具的指向为x轴方向建立右手坐标系，并将正交分解为：

经过受力分析可以发现，x轴向分力与杠杆共线，而y，z轴向分力与杠杆垂直。

所以杠杆平衡条件为x轴向合外力为0，且y，z轴向分力对应的力矩平衡。令则系统平衡满足如下条件：

解得

根据牛顿第三定律可以求出传感器所受的力

这个合力由三个相距120度的力学传感器的示数共同决定，我们将传感器1置于Z轴，其检测端指向Z轴负方向，其检测值矢量记为将其分别顺、逆时针旋转120°得到传感器2和传感器3，其检测值矢量记为

x轴向的分力在三个传感器上的分布相同即：

下面考虑yOz平面上的分力。所有的传感器都分布在yOz平面上。设这三个传感器所受到这个分力的分量分别为其中我们可以求得三个传感器在世界UCS上的力矢量为

关于从豁口(8)中引出的数据线(9)和气缸的气管(10)，将每个压力自适应控制器中引出的三个管状物由管对接位点(17)约束整合在一起(三个管之间彼此保持相互独立)。管对接位点为一个壳体，前端面为输入端面，后端面为输出端面，内部空腔中安置三个管状物。每个管对接位点由四个双头螺柱(20)固定在末端执行器低端的接口处。管对接位点输出端也有相应的三个孔，与数据线对应的是是数据对接插头(18)，与气管对应的是气管接口(19)。在末端执行器与机械臂对接的过程中，管对接位点的对接完成就代表数据线和气管的对接完成。

连接过程：执行器底端面和电机箱顶端面对接部分有一圈红外线接收与发生装置。红外线发生装置位于电机箱顶端，红外线接收装置位于执行器底端面，共通过4个红外线接收位点(32)，构建红外线矩阵，机械臂控制伺服电机箱(33)通过自我调整的神经网络算法规划出的运动轨迹进行微量运动。当红外线发射装置发射的红外线完全被接收装置接收时，表明两者处于合适的对接位点，机械臂控制电机箱捕获末端执行器。机械臂伺服电机箱前端面布置四个机械爪(34)，每个机械爪有2个自由度，也即两个指节。它由四个螺栓固定在端面，内连控制系统。当机械臂识别定位完成且捕获末端执行器后，四个机械爪勾紧执行器末端的外沿，实现捕获和初步固定。

当末端执行器对接之后，就开始进行紧固过程。由机械臂伺服电机箱底端面平行与转动轴方向固定的辅助电机(27)带动中心大齿轮 (22)运动，中心大齿轮为斜齿齿轮，带动周围的三个分布在同一圆周上的周边斜齿轮(24)高速旋转，周边斜齿轮长度较长，转动过程中旋近，且不会与大齿轮脱离啮合。周边齿轮的自转是依附于其后端连接的固定支架(25)进行的。固定支架固定在机械臂的伺服电机箱内部，通过可径向移动(进退)的转轴(26)与周边齿轮连接，限制延公转轴(28)的公转，约束其只能延自转轴(29)自转。以此实现周边齿轮前端与之一体的螺钉(23)随之旋进旋转，最终旋进末端执行器底端面的三个粗牙普通螺纹孔(21)中，实现固定。管对接位点中气管接口(19)的紧固也是如此，气管接口有内螺纹孔，由旋进的外管螺纹螺栓(31)固定，螺栓中有通孔，后通过软管(30)接机械臂内的通气装置，通过通孔进入出气。

解体过程：当执行器完成指定动作后，机械臂将移动至安放执行器的位置处。位于电机箱的微处理器会传递解体的信号给数据线对接插头(18)，插口得到此信号则就断开开关，实现力传感器信息传输控制的中断。

信息传输控制解体后，位于电机箱的微处理器会得到此信号，并传递机械解体的信号给辅助电机(27)，辅助电机将带动中心大齿轮 (22)运动，中心大齿轮传动带动周围的三个分布在同一圆周上的螺钉(23)反向高速旋转，旋出末端执行器底端面的三个粗牙普通螺纹孔(21)和气管接口(19)，实现解体。

机械解体后，机械解体的信号将会传给五个机械爪，机械爪(34) 将松开执行器末端的外缘，实现完全解体。

有益效果：本发明能够对复杂的增压级进口整流器表面进行流畅高效的高精度打磨，从而实现对其高度自动化的加工制造，其前端的执行器通过与机器人下端的磨削数控系统通信，能精确指导末端执行器对导叶，机匣，内环以及他们交线处不规则形面的磨削，进而保证加工精度。

附图说明

图1为压力自适应控制器的右视图。

图2位压力自适应控制器的(无顶盖)俯视图。

图3为压力自适应控制器顶盖的仰视图。

图4为末端执行器后端面(只画出一个管对接位点)

图5为末端执行器侧面剖视图

图6为机械臂伺服电机箱前端面与末端执行器接口处紧固结构

图7位伺服电机箱前端面构造

图8传感器受力分析图

图9整体示意图

附图中的部件标为：1-半球形夹紧器，2-Z型拉压力学传感器，6、7-槽，8-厚壳侧面的开槽，9-气管，10-数据线，11、16-顶盖槽， 17-管对接位点，18-数据对接插头，19-气管对应的是气管接口，20- 双头螺柱，21-粗牙普通螺纹孔，22-中心斜齿轮，23-螺钉，24-周围斜齿轮，25-固定支架，26-转轴，27-辅助电机，28-公转轴，29-自转轴，30-软管，31-气孔接口，32-红外线接收位点，33-机械臂控制伺服电机箱，34-机械爪，35-凹槽，36-压力自适应控制器。

具体实施方式

本发明的工作原理如下：

在磨削以前，先将待用末端执行器与待用刀具摆放在事先在机械臂磨削数控系统中设定好的坐标位置处。启动机械臂，机械臂自动移动到第一个对接位点，通过红外线识别(32)和机械爪(34)夹紧与螺栓紧固、管对接位点(17)对接过程实现对末端执行器的捕获。捕获末端执行器后，机械臂自动移动到下一个对接位点捕获磨削刀具。当刀具柄触发红外线感应装置时，表明刀具到达夹持位点，此时三个压力自适应控制器(36)通过压力控制气缸的作用加紧刀具。在捕获末端执行器和相应的加工刀具之后，机械臂运行到加工位置，开始对工件进行加工。加工过程中前端受到的磨削力传递给刀具周围布置的力学传感器(2)，传感器将数据反馈给磨削数控系统，数控系统通过优化算法给出调整后的走刀轨迹信息、进给量信息和末端执行器内部的磨削角度调整信息。走刀轨迹信息和进给量信息传递给机械臂的控制系统从而调整机械臂的运动，磨削角度信息传递给末端执行器的气压控制系统从而控制末端执行器内部三个压力控制气缸的动作。三个气缸通过加压减压实现伸长收缩，进而完成对刀具位置的调整从而实现磨削角度的调整。在完成一种刀具的加工任务之后，由于末端执行器对刀具结构有一定的兼容性，故同一种末端执行器可以对接特定型号的不同刀具，但是由于兼容性有限，加之刀具结构特点的复杂性，同一种末端执行器无法对接所有型号的刀具。所以每加工完一部分，机械臂会根据磨削数控系统中的程序指令自动选择只退刀具还是退刀具和末端执行器。退刀的过程与捕获刀具的过程相同，加工完成后机械臂根据磨削数控系统的指令运动到退刀位点，在退刀位点处末端执行器的气压控制系统被触发，控制压力自适应控制器松开刀具。退末端执行器的过程与和末端执行器对接的过程相同，通过管对接位点 (17)分离和螺栓分离两步。

Claims (5)

1.一种机器人快速换刀自适应力控末端执行装置设计，其特征在于：在所述半球形夹紧器(1)、Z型拉压力学传感器(2)和压力控制气缸分为上中下三部分组成压力自适应控制器和核心部件，彼此连接布置作为一个整体。整体连接后与厚壳通过槽(6)(7)和顶盖槽(16)(11)配合固定，厚壳侧面的开槽(8)用于导出力学传感器的数据线和进出气管。

2.根据权利要求1所述的一种机器人快速换刀自适应力控末端执行装置设计，其特征在于：

在所述管对接位点(17)的集合约束作用实现了数据线(9)和气管(10)这类软管状物的对接固连。通过管对接位点的收束，每个压力自适应控制器伸出的数据线和气管都被整齐地整合到对接平面上进行对接。

3.根据权利要求2所述的一种机器人快速换刀自适应力控末端执行装置设计，其特征在于：

在所述末端执行器接口处采取中心斜齿轮(22)带动周围斜齿轮(24)转动拧紧固定螺栓(23)和气孔接口(31)，固定末端执行器的位置同时实现气管的连接。固定支架(25)使得周围齿轮(24)的一个自由度防止其公转。

4.根据权利要求3所述的的一种机器人快速换刀自适应力控末端执行装置设计，其特征在于：

在所述的布置等距的三个力学传感器，也就是三个压力自适应控制器(36)。设计末端执行器压力内壁为正三棱柱型，三棱柱的三个侧面上固定三个处于同一与中轴线垂直的平面上的互成120°角的压力自适应控制器作为本系统的自适应控制系统。刀具夹持部位设置一圈环形球面凹槽，凹槽对应的球面半径与半球形夹紧器球面半径相等，实现半球形夹紧器对刀具的无缝夹持和受力情况的全方位传导检测。

5.一种权利要求1-3任一所述机器人快速换刀自适应末端执行装置设计，其特征在于包括以下步骤：

1)整体末端执行器前端面孔夹持刀具。捕获刀具后刀具被三个压力自适应控制器(图1)通过半球形夹紧器(1)夹持住；

2)每个压力自适应控制器中延伸出两个气缸气管(9)和力传感器数据线(10)最终在管对接位点(17)集中整合并处于可对接状态；

3)末端执行器后端面与机械臂伺服电机箱前端面通过红外线发射接收装置(32)识别，经过设计好的固定装置紧固连接同时实现气管和数据线的对接。完成对接过程；

4)磨头根据传感器提供数据，实现自适应控制力打磨工件；工件部分打磨完成后，末端执行器与机械臂自动解体；

5)重复步骤1)--4)，直至工件全部打磨。