CN110103116A - 一种自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置及磨抛机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置及磨抛机器人，属于智能加工设备领域，包括控制器和从上至下依次设置的一维直线模块、二自由度角度控制模块、主被动柔顺磨抛模块，一维直线模块用于带动另两个模块做上下直线运动，二自由度角度控制模块用于带动磨抛模块做两自由度的旋转运动，两旋转运动的旋转轴正交且与打磨片下表面中心重合；主被动柔顺磨抛模块设于二自由度角度控制模块下方，其上设置有用于实现被动柔顺的弹簧；控制器与一维直线模块、二自由度角度控制模块和六维力传感器相连，根据六维力传感器测量结果控制一维直线模块和二自由度角度控制模块运动调整打磨片的磨抛力和姿态。本发明具有磨抛精度高、磨抛稳定可靠等优点。

Description

一种自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置及磨抛机器人

技术领域

本发明属于智能加工设备领域，更具体地，涉及一种自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置及磨抛机器人。

背景技术

风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。大型风电叶片作为风能转换为机械功的关键组件，其形位精度和表面粗糙度直接影响着风力发电效率和寿命，这对大型风电叶片的表面打磨及磨抛工艺提出了较高的要求。目前，主要采用人工磨抛和龙门机床磨抛，其中，人工磨抛对工人技术要求高、劳动强度大、效率低，产品质量及一致性无法保证，且严重影响人的身心健康；龙门机床磨抛活性差、操作复杂、不具有普适性，且难以解决中、尾部弱刚性区域的高效精密加工。

随着智能制造的迅速发展，工业机器人被广泛应用于焊接、磨抛、喷涂、搬运、装配等领域。机器人应用于磨抛领域具有磨抛效率高、一致性好，成本低等诸多优势。然而，由于大型风电叶片的制造误差和安装变形再加上坐标系的标定误差的影响，可能导致叶片的实际轮廓与机器人的离线编程轨迹存在较大的误差，因此要求磨抛装置的姿态能够自适应以与曲面法向重合，并且具有一定的柔顺性。柔顺性一般分为被动柔顺和主动柔顺，其中，被动柔顺是在机器人末端增加一个柔性关节，通过末端的柔性关节实现接触力的控制，但其无法根除机器人高刚度与高柔顺间的矛盾；主动柔顺是通过工业机器人对接触力的感知和控制，进而实现对力/位混合控制，例如CN108581745A公开的一种三自由度曲面自适应智能力控柔性磨抛末端执行装置，其可以实现柔性磨抛，但是在实际应用中该装置存在以下问题：首先，该装置的二维姿态调整组件设于整个装置的上端，直线伺服力控组件设于整个装置的下端，由于直线伺服力控组件设于整个装置的下端并与磨盘相连，由此使得利用直线伺服力控组件带动磨盘进行直线运动时，将改变磨盘的中心相对于二维姿态调整组件的位置，由此将导致二维姿态调整组件中圆弧齿条的圆心与磨盘中心不一定重合，进而影响磨抛精度；其次，二维姿态调整组件中的旋转调整机构主要由内齿圈实现，倾斜调整机构主要由圆弧齿条实现，在实际运用过程中发现这种结构的调整可靠性和稳定性较差；再次，倾斜调整机构中的执行部件及直线伺服力控组件悬挂于圆弧齿条上，由此使得圆弧齿条将承受较大力矩，经过实际应用发现其使用寿命短、齿条经常报废，另圆弧齿条架设于内齿圈上，为了保证倾斜调整机构的调整角度，对内齿圈的尺寸等方面也具有较多的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置及磨抛机器人，其通过对关键组件如一维直线模块、二自由度角度控制模块和主被动柔顺磨抛模块的具体布置方式以及主被动柔顺磨抛模块具体结构的设计，有效综合了主动柔顺与被动柔顺控制的优点，可消除高刚度与高柔顺间的矛盾，具有磨抛精度高、磨抛稳定可靠等优点，适用于任意大型复杂曲面的高精度磨抛。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其包括一维直线模块、二自由度角度控制模块、主被动柔顺磨抛模块和控制器，其中：

所述一维直线模块、二自由度角度控制模块和主被动柔顺磨抛模块从上至下依次设置，该一维直线模块用于带动所述二自由度角度控制模块和主被动柔顺磨抛模块构成的整体做上下直线运动，所述二自由度角度控制模块用于带动所述主被动柔顺磨抛模块做两个自由度的旋转运动，该两个自由度的旋转运动的旋转轴彼此正交且与所述主被动柔顺磨抛模块中打磨片下表面的中心重合；

所述主被动柔顺磨抛模块包括圆弧齿条、弧形滑块、六维力传感器、旋转电机和打磨片，所述圆弧齿条和弧形滑块安装在传感器上安装法兰上，该圆弧齿条的圆心与所述打磨片下表面的中心重合，其由所述二自由度角度控制模块驱动做旋转运动，该弧形滑块与所述二自由度角度控制模块实现滑动配合，所述六维力传感器设于所述传感器上安装法兰和传感器下承载法兰之间，所述旋转电机设于所述传感器下承载法兰的下方，并安装在旋转电机保护壳内，该旋转电机保护壳与传感器下承载法兰之间设置有弹簧，所述打磨片安装在所述旋转电机的旋转轴上；

所述控制器分别与所述一维直线模块、二自由度角度控制模块和六维力传感器相连，用于根据六维力传感器测得的打磨片与待磨抛曲面间的接触力与力矩信号，控制所述一维直线模块和二自由度角度控制模块运动，以实时调整打磨片的磨抛力和姿态，以此实现自适应姿态的主被动柔顺磨抛。

作为进一步优选的，所述一维直线模块包括直线运动电机、丝杠及从上至下依次设置的安装板、直线运动电机安装板和加固板，所述直线运动电机安装在所述直线运动电机安装板上，所述丝杠穿过所述直线运动电机并与直线运动电机螺纹配合，且该丝杠的两端分别与所述安装板和加固板相连，所述直线运动电机安装板的下方连接所述二自由度角度控制模块。

作为进一步优选的，所述安装板和加固板之间设置有加强件，该加强件通过连接角铝安装在所述安装板和加固板上。

作为进一步优选的，所述一维直线模块还包括滚珠花键轴，该滚珠花键轴穿过所述直线运动电机安装板，且两端分别固定在所述安装板和加固板上。

作为进一步优选的，所述直线运动电机安装板通过支撑柱与所述二自由度角度控制模块相连。

作为进一步优选的，所述二自由度角度控制模块包括竖直布置的偏航电机和水平布置的俯仰电机，所述偏航电机安装在偏航电机安装板上，其输出轴连接有与第一齿轮啮合的第二齿轮，该第一齿轮安装在偏航安装板上，并且其与第一交叉滚子轴承的外圈相连，所述第一交叉滚子轴承的内圈与所述偏航电机安装板相连，所述俯仰电机安装在俯仰电机安装板上，其输出轴连接有与所述圆弧齿条啮合的第三齿轮，该俯仰电机安装板设于所述偏航安装板的下方，其上设置有与所述弧形滑块滑动配合的弧形滑轨。

作为进一步优选的，所述俯仰电机安装板设置有两块，两块俯仰电机安装板左右对称布置在偏航安装板的下方，所述第三齿轮布置在两块俯仰电机安装板的中间，两块俯仰电机安装板之间还设置有支撑铜柱。

作为进一步优选的，所述弧形滑轨设置有两条，两条弧形滑轨对应设置在两块俯仰电机安装板下端的外侧。

作为进一步优选的，所述打磨片利用第二交叉滚子轴承安装在所述旋转电机的旋转轴上，所述第二交叉滚子轴承的外圈安装在轴承安装板上，该轴承安装板安装在所述旋转电机保护壳的下方，所述第二交叉棍子轴承的内圈与所述旋转电机的旋转轴相连，所述打磨片安装在该第二交叉滚子轴承的内圈上。

按照本发明的另一方面，提供了一种磨抛机器人，该磨抛机器人的末端安装有所述自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明磨抛装置中的主被动柔顺磨抛模块中设置有弹簧，通过该弹簧实现被动柔顺控制，增加系统阻尼和响应带宽的同时不引入非线性，并通过一维直线模块、二自由度角度控制模块及主被动柔顺磨抛模块的配合作用实现主动柔顺控制，本发明综合了主动柔顺与被动柔顺控制的优点，可消除高刚度与高柔顺间的矛盾。

2.本发明磨抛装置中的一维直线模块、二自由度角度控制模块和主被动柔顺磨抛模块从上至下依次设置，即一维直线模块设于磨抛装置的上方，二自由度角度控制模块和主被动柔顺磨抛模块设于磨抛装置的下方，由此使得一维直线模块是带动二自由度角度控制模块和主被动柔顺磨抛模块构成的整体做上下直线运动，在直线运动过程中，二自由度角度控制模块和主被动柔顺磨抛模块的相对位置不会发生改变，使得圆弧齿条的圆心始终与打磨片下表面的中心重合，保证磨抛精度。

3.本发明通过将主被动柔顺磨抛模块的两个自由度的旋转运动的旋转轴设计成彼此正交且与主被动柔顺磨抛模块中的打磨片下表面的中心重合，并使圆弧齿条的圆心与打磨片下表面的中心重合，由此使得主被动柔顺磨抛模块在姿态调整过程中打磨片下表面的中心位置始终保持不变，从而保证打磨片与曲面的接触点的位置不改变，实现定心调整，保证磨抛精度。

4.本发明中的二自由度角度控制模块主要由齿轮、俯仰电机和偏航电机实现，可有效保证调节结构的可靠性和稳定性。

5.本发明通过各模块的具体结构及布置方式的设计，避免了现有技术中的倾斜调整执行部件及直线运动部件的重量均由圆弧齿条承担的问题，也避免了内齿圈的使用，可有效提高装置的使用寿命，降低成本。

6.本发明将一维直线模块与二自由度角度控制模块相结合，有效的解决了复杂曲面磨抛过程中，对于姿态及力的高要求，确保磨抛过程复杂曲面仅受到曲面法向的磨削力，实现了高精度磨抛。

7.本发明一维直线运动优选贯穿式直线运动电机，节省空间的同时缩短传动链，提高直线控制精度，与主被动柔顺磨抛模块中的六维力传感器配合实现精准的力控。

8.本发明通过弧形滑轨和弧形滑块的设计，对圆弧齿条的旋转运动进行精确导向，保证圆弧齿条以打磨片下表面的中心为旋转中心，具有承载能力强，控制精度高等优点。

附图说明

图1为本发明优选实施例提供的一种自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置的结构示意图；

图2为本发明优选实施例提供的一维直线模块的结构示意图；

图3为本发明优选实施例提供的二自由度角度控制模块的结构示意图；

图4为本发明优选实施例提供的二自由度角度控制模块中交叉滚子安装细节示意图；

图5为本发明优选实施例提供的主被动柔顺磨抛模块的结构示意图；

图6为本发明优选实施例提供的主被动柔顺磨抛模块的剖视图；

图7为本发明连接机器人的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件和结构，其中：

1-一维直线模块，2-二自由度角度控制模块，3-主被动柔顺磨抛模块，101-安装板，102-加强碳条，103-连接角铝，104-加固板，105-卧式光轴座，106-丝杠，107-滚珠花键轴，108-直线运动电机，109-滚珠花键轴套，110-直线运动电机安装板，111-支撑柱，201-偏航电机安装板，202-第一齿轮，203-俯仰电机，204-弧形滑轨，205-第三齿轮，206-俯仰电机安装板，207-支撑铜柱，208-偏航安装板，209-第二齿轮，210-偏航电机，211-第一交叉滚子轴承，301-圆弧齿条，302-弧形滑块，303-滑块支座，304-传感器上安装法兰，305-六维力传感器，306-传感器下承载法兰，307-旋转电机保护壳，308-打磨片，309-轴承安装板，310-旋转电机，311-弹簧，312-塞打螺栓，313-第二交叉滚子轴承。

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所示，本发明实施例提供的一种自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其包括一维直线模块1、二自由度角度控制模块2、主被动柔顺磨抛模块3和控制器，其中，一维直线模块1、二自由度角度控制模块2和主被动柔顺磨抛模块3从上至下依次设置，该一维直线模块1用于带动二自由度角度控制模块2和主被动柔顺磨抛模块3构成的整体做上下直线运动，以改变主被动柔顺磨抛模块3与待磨抛部件的接触力，即调节磨抛力的大小，二自由度角度控制模块2用于带动主被动柔顺磨抛模块3做两个自由度的旋转运动，该两个自由度的旋转运动的旋转轴彼此正交且与主被动柔顺磨抛模块3中的打磨片308下表面的中心重合，即通过二自由度角度控制模块实现主被动柔顺磨抛模块姿态的调整；主被动柔顺磨抛模块3设于二自由度角度控制模块2的下方，其在一维直线模块1和二自由度角度控制模块2的作用下实现主动柔顺控制，在其自身设置的弹性部件的作用下实现被动柔顺控制；控制器分别与六维力传感器305、二自由度角度控制模块2和主被动柔顺磨抛模块3相连，用于根据六维力传感器305的测量结果控制一维直线模块1和二自由度角度控制模块2运动，以实时调整打磨片308的磨抛力和姿态，以此实现自适应姿态的主被动柔顺磨抛。通过上述各模块的相互配合，可实现磨抛过程的主被动柔顺控制，综合了主动柔顺与被动柔顺两者的优点，同时克服了单独柔顺形式的缺陷。

如图2所示，一维直线模块1包括直线运动电机108、丝杠106及从上至下依次设置的安装板101、直线运动电机安装板110和加固板104，安装板101和加固板104之间设置有加强件，以保证整个直线模块具有较强的抗弯性能，增强结构的稳定性，提高磨抛装置的结构刚度。直线运动电机108安装在直线运动电机安装板110上，丝杠106穿过直线运动电机108并与直线运动电机108螺纹配合，其一端安装在安装板101上，另一端固定在加固板104上，直线运动电机安装板110与下方的二自由度角度控制模块2相连，由此通过直线运动电机108与丝杠106的配合将旋转运动变为直线运动以带动下方的二自由度角度控制模块2上下运动。具体的，丝杠106与直线运动电机108带内螺纹的转子螺纹配合，由于丝杠106的上下两端固定，当转子旋转时，转子会上下运动，而转子与直线运动电机108内的定子配合，由此在转子上下运动时，直线运动电机108也随着上下运动，进而带动与之相连的二自由度角度控制模块2上下运动。

进一步的，一维直线模块1还包括滚珠花键轴107，该滚珠花键轴107穿过直线运动电机安装板110，且两端分别固定在直线运动电机安装板110和加固板104上，直线运动电机安装板110上设置有与滚珠花键轴107配合的滚珠花键轴套109。

该一维直线模块1的工作过程为：直线运动电机108内部转子旋转，与丝杠106配合将旋转运动转换为直线运动，直线运动电机108通过直线运动电机安装板110与二自由度角度控制模块相连接，从而带动二自由度角度控制模块2与主被动柔顺磨抛模块3进行直线运动。

具体的，加强件为加强碳条102，该加强碳条102通过连接角铝103安装在安装板101和加固板104上。进一步的，加固板104上设置有固定丝杠106和滚珠花键轴107的卧式光轴座105。直线运动电机108优选为贯穿式电机，节省空间的同时缩短传动链，提高直线控制精度，与主被动柔顺磨抛模块3中的六维力传感器配合实现精准的力控。如图3所示，直线运动电机安装板110通过支撑柱111与二自由度角度控制模块2相连，具体与二自由度角度控制模块2中的偏航电机安装板201相连。

如图3-4所示，二自由度角度控制模块2包括竖直布置的偏航电机210和水平布置的俯仰电机203，偏航电机210安装在偏航电机安装板201上，其输出轴连接有与第一齿轮202啮合的第二齿轮209，该第一齿轮202安装在偏航安装板208上，并且第一齿轮202与第一交叉滚子轴承211的外圈相连，第一交叉滚子轴承211的内圈与偏航电机安装板201相连，由此由偏航电机210带动第二齿轮209与第一齿轮202啮合，从而完成一个自由度的旋转。俯仰电机203安装在俯仰电机安装板206上，其输出轴连接有第三齿轮205，该第三齿轮205与主被动柔顺磨抛模块3中的圆弧齿条301啮合，通过俯仰电机203带动第三齿轮205与圆弧齿条301啮合，从而完成第二个旋转的自由度。俯仰电机安装板206设于偏航安装板208的下方，其上设置有弧形滑轨204，该弧形滑轨204与主被动柔顺磨抛模块3中的弧形滑块302滑动配合，如此固定了俯仰运动的旋转中心保证了第二个自由度的旋转精度。

上述二自由度角度控制模块2的工作过程如下：

由偏航电机210带动第一齿轮202旋转，第一齿轮202与第二齿轮209啮合，从而带动第一齿轮202旋转，由于第一齿轮202安装在偏航安装板208上，并且第一齿轮202与第一交叉滚子轴承211的外圈相连，第一交叉滚子轴承211的内圈与偏航电机安装板201相连，由此第一齿轮202的旋转可带动偏航安装板208及其下方的部件做旋转运动，完成第一个自由度的旋转，通过俯仰电机203带动第三齿轮205旋转，通过第三齿轮205与圆弧齿条301的啮合，带动圆弧齿条301及其下方的部件做旋转运动，从而完成第二个自由度的旋转。

二自由度角度控制模块2的两个自由度的旋转运动的旋转轴彼此正交且与打磨片308下表面的中心重合，使得对打磨片的姿态进行精密调整时只会改变打磨片的姿态，不会导致打磨片下表面的中心产生额外位移，从而保证姿态调整过程中不改变磨盘与曲面的接触点的位置，以自适应曲面的变化实现磨削面与曲面切平面的重合。具体的，二自由度角度控制模块2的两个自由度的旋转运动中的其中一个旋转运动由竖直布置的偏航电机210及第一齿轮202和第二齿轮209实现，其旋转轴与一维直线模块的直线运动的方向平行，且与打磨片308下表面的中心重合，另一旋转运动由俯仰电机203和第三齿轮205实现，其旋转轴与一维直线模块的直线运动的方向垂直(即与前述旋转运动的旋转轴垂直)，且与打磨片308下表面的中心重合。

优选的，俯仰电机安装板206设置有两块，两块俯仰电机安装板206左右对称布置在偏航安装板208的下方，以均匀承受载荷，第三齿轮205布置在两块俯仰电机安装板206的中间，两块俯仰电机安装板206之间还设置有支撑铜柱207，以加强结构稳定性。优选的，弧形滑轨204设置有两条，两条弧形滑轨204对应设置在两块俯仰电机安装板206下端的外侧。

如图5所示，主被动柔顺磨抛模块3包括圆弧齿条301、弧形滑块302、六维力传感器305、旋转电机310和打磨片308，其中，圆弧齿条301和弧形滑块302安装在传感器上安装法兰304上，弧形滑块302具体通过滑块支座303安装在传感器上安装法兰304上，该圆弧齿条301与第三齿轮205啮合，由第三齿轮205驱动做旋转运动，所述弧形滑块302与弧形滑轨204实现滑动配合，保证旋转的可靠性。六维力传感器305设于传感器上安装法兰304和传感器下承载法兰306之间，实现对打磨过程中接触力和力矩的实时精确控制与反馈，从而实现自适应姿态变力打磨，六维力传感器305具体为ATI六维力传感器。旋转电机310设于传感器下承载法兰306的下方，并安装在旋转电机保护壳307内，该旋转电机保护壳307与传感器下承载法兰306之间设置有弹簧311，通过该弹簧的设置，起到保护传感器和电机以及被动柔顺的效果，具体当打磨片308受到冲击时，弹簧压缩吸收冲击力保护传感器，在正常工作时，弹簧能够对接触力做出瞬时的微小调整，起到被动柔顺的效果。具体的弹簧311通过塞打螺栓312设置在旋转电机保护壳307与传感器下承载法兰306之间，通过塞打螺栓312实现弹簧311的导向，即旋转电机保护壳307与传感器下承载法兰306之间安装有塞打螺栓312，弹簧311套装在该塞打螺栓312上，并位于旋转电机保护壳307与传感器下承载法兰306之间。打磨片308安装在旋转电机310的旋转轴上，通过旋转电机310带动打磨片308旋转进行磨抛。具体的，圆弧齿条301的圆心与打磨片308下表面的中心重合，使得圆弧齿条301和打磨片308整体在旋转过程中，绕打磨片308下表面中心做旋转运动，保证打磨片308下表面的中心位置保持不变。

如图6所示，打磨片308利用第二交叉滚子轴承313安装在旋转电机310的旋转轴上，第二交叉滚子轴承313的外圈安装在轴承安装板309上，该轴承安装板309安装在所述旋转电机保护壳307的下方，所述第二交叉棍子轴承313的内圈与所旋转电机310的旋转轴相连，打磨片308安装在第二交叉滚子轴承313的内圈上。通过交叉滚子轴承的设置，有效的保护了旋转电机不受各向载荷的冲击，并且保证了主动柔顺中的旋转运动的稳定性，提高了磨抛的精度。

下面以大型风电叶片为例对本发明的磨抛装置的工作过程进行介绍，首先对大型风电叶片的某处进行磨抛，当该处磨抛结束后，运行到下一位置进行连续磨抛，由于此时磨抛位置发生改变，曲面的曲率及法线方向也发生了变化，打磨片的旋转轴(即打磨片的法线)不再与当前磨削点的法线重合，如果直接磨抛，磨抛精度及磨抛程度均难以保证。此时，六维力传感器实时采集打磨片与大型风电叶片间的接触力与力矩信号，并将接触力及力矩信号反馈至控制器，控制器根据接收到的接触力大小及力矩信号计算直线运动电机、偏航电机和俯仰电机的运动量，并输出相应的控制信号，以调整打磨片的姿态，使磨盘打磨片的旋转轴重新与磨削曲面接触点的法线重合，同时调节打磨片与工件间的接触力至预设值，实现恒力磨抛，确保磨抛的均匀一致性，具体的控制偏航电机和俯仰电机的运行，从而实时调整打磨片的姿态，使打磨片的磨削面始终与待加工曲面接触点的局部切平面重合，实现待加工曲面自适应，控制直线运动电机的运行，实时调整磨抛力，实现柔性磨抛。

此外，如图7所示，可将本发明的磨抛装置安装在工业磨抛机器人的末端，具体的通过安装板101将磨抛装置整体安装在机器人的末端，利用机器人的运动提供磨抛装置大范围的位置和姿态调节，使本发明的磨抛装置能够快速到达指定位置。本发明的磨抛装置具有恒力、姿态精密调整的特点，能够实现给定位置处的恒力磨抛加工，同时自适应给定位置的曲面进行姿态调整，实现法向接触，防止重复磨抛、保证磨抛均匀一致性。安装有本发明磨抛装置的磨抛机器人的磨抛过程具体为：根据需打磨曲面模型设计磨抛路径，机器人按照规划好的磨抛路径对被加工曲面进行磨抛；当磨抛装置与被加工曲面接触时，被动柔顺弹簧迅速做出响应，六维力传感器实时采集打磨片与曲面间的接触力与力矩信号，控制器根据接收到的接触力大小及力矩信号控制直线运动电机、偏航电机和俯仰电机的运动，以调整打磨片的姿态，使其磨削面始终与待加工曲面磨抛点的局部切平面重合(即打磨片的法线与磨抛点的法线重合)。具体的，当六维力传感器检测到有除Z向(指传感器坐标系的Z向)以外的力和力矩时，经过处理后控制俯仰电机和偏航电机迅速做出响应调整姿态消除除Z向(指传感器坐标系的Z向)以外的力和力矩，当六维力传感器检测到Z向的接触力与目标接触力不相同时，处理Z向的接触力与目标接触力的差值，控制直线运动电机迅速做出响应通过一维直线运动，调整法向接触力达到目标接触力。

本发明通过被动柔顺与主动柔顺相结合能够多接触力的变换做出更快的响应，既有被动柔顺对于接触力突变的迅速响应，又实现了工业机器人高刚度与磨抛装置高柔顺性的相互结合，便于对接触力进行精准控制，大大提高了适应能力。本发明在对大型复杂曲面进行磨抛时可自适应姿态，使磨削法线与复杂曲面的法向重合，同时控制接触力恒定，打磨精度高、实现柔性打磨的同时，防止过磨和磨抛不均匀。本发明通过二自由度角度控制模块实现角度的自适应，并且保证磨抛中心不变，通过一维直线模块配合传感器实现精准力控，最终实现对大型复杂曲面稳定柔顺磨抛，力反馈响应速度快，磨抛精度高。本发明结构紧凑巧妙，整个装置的结构大小可控制在直径190mm的圆柱内，实现了磨抛接触点不动的二自由度姿态调整，用弧形滑轨能够承载更大的磨削力。

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 (10)

1.一种自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其特征在于，包括一维直线模块(1)、二自由度角度控制模块(2)、主被动柔顺磨抛模块(3)和控制器，其中：

所述一维直线模块(1)、二自由度角度控制模块(2)和主被动柔顺磨抛模块(3)从上至下依次设置，该一维直线模块(1)用于带动所述二自由度角度控制模块(2)和主被动柔顺磨抛模块(3)构成的整体做上下直线运动，所述二自由度角度控制模块(2)用于带动所述主被动柔顺磨抛模块(3)做两个自由度的旋转运动，该两个自由度的旋转运动的旋转轴彼此正交且与所述主被动柔顺磨抛模块(3)中打磨片(308)下表面的中心重合；

所述主被动柔顺磨抛模块(3)包括圆弧齿条(301)、弧形滑块(302)、六维力传感器(305)、旋转电机(310)和打磨片(308)，所述圆弧齿条(301)和弧形滑块(302)安装在传感器上安装法兰(304)上，该圆弧齿条(301)的圆心与所述打磨片(308)下表面的中心重合，其由所述二自由度角度控制模块(2)驱动做旋转运动，该弧形滑块(302)与所述二自由度角度控制模块(2)实现滑动配合，所述六维力传感器(305)设于所述传感器上安装法兰(304)和传感器下承载法兰(306)之间，所述旋转电机(310)设于所述传感器下承载法兰(306)的下方，并安装在旋转电机保护壳(307)内，该旋转电机保护壳(307)与传感器下承载法兰(306)之间设置有弹簧(311)，所述打磨片(308)安装在所述旋转电机(310)的旋转轴上；

所述控制器分别与所述一维直线模块(1)、二自由度角度控制模块(2)和六维力传感器(305)相连，用于根据六维力传感器(305)测得的打磨片(308)与待磨抛曲面间的接触力与力矩信号，控制所述一维直线模块(1)和二自由度角度控制模块(2)运动，以实时调整打磨片(308)的磨抛力和姿态，以此实现自适应姿态的主被动柔顺磨抛。

2.如权利要求1所述的自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其特征在于，所述一维直线模块(1)包括直线运动电机(108)、丝杠(106)及从上至下依次设置的安装板(101)、直线运动电机安装板(110)和加固板(104)，所述直线运动电机(108)安装在所述直线运动电机安装板(110)上，所述丝杠(106)穿过所述直线运动电机(108)并与直线运动电机(108)螺纹配合，且该丝杠(106)的两端分别与所述安装板(101)和加固板(104)相连，所述直线运动电机安装板(110)的下方连接所述二自由度角度控制模块(2)。

3.如权利要求2所述的自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其特征在于，所述安装板(101)和加固板(104)之间设置有加强件，该加强件通过连接角铝(103)安装在所述安装板(101)和加固板(104)上。

4.如权利要求2所述的自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其特征在于，所述一维直线模块(1)还包括滚珠花键轴(107)，该滚珠花键轴(107)穿过所述直线运动电机安装板(110)，且两端分别固定在所述安装板(101)和加固板(104)上。

5.如权利要求2所述的自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其特征在于，所述直线运动电机安装板(110)通过支撑柱(111)与所述二自由度角度控制模块(2)相连。

6.如权利要求1-5任一项所述的自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其特征在于，所述二自由度角度控制模块(2)包括竖直布置的偏航电机(210)和水平布置的俯仰电机(203)，所述偏航电机(210)安装在偏航电机安装板(201)上，其输出轴连接有与第一齿轮(202)啮合的第二齿轮(209)，该第一齿轮(202)安装在偏航安装板(208)上，并且其与第一交叉滚子轴承(211)的外圈相连，所述第一交叉滚子轴承(211)的内圈与所述偏航电机安装板(201)相连，所述俯仰电机(203)安装在俯仰电机安装板(206)上，其输出轴连接有与所述圆弧齿条(301)啮合的第三齿轮(205)，该俯仰电机安装板(206)设于所述偏航安装板(208)的下方，其上设置有与所述弧形滑块(302)滑动配合的弧形滑轨(204)。

7.如权利要求6所述的自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其特征在于，所述俯仰电机安装板(206)设置有两块，两块俯仰电机安装板(206)左右对称布置在偏航安装板(208)的下方，所述第三齿轮(205)布置在两块俯仰电机安装板(206)的中间，两块俯仰电机安装板(206)之间还设置有支撑铜柱(207)。

8.如权利要求6或7所述的自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其特征在于，所述弧形滑轨(204)设置有两条，两条弧形滑轨(204)对应设置在两块俯仰电机安装板(206)下端的外侧。

9.如权利要求1-8任一项所述的自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置，其特征在于，所述打磨片(308)利用第二交叉滚子轴承(313)安装在所述旋转电机(310)的旋转轴上，所述第二交叉滚子轴承(313)的外圈安装在轴承安装板(309)上，该轴承安装板(309)安装在所述旋转电机保护壳(307)的下方，所述第二交叉棍子轴承(313)的内圈与所述旋转电机(310)的旋转轴相连，所述打磨片(308)安装在该第二交叉滚子轴承(313)的内圈上。

10.一种磨抛机器人，其特征在于，该磨抛机器人的末端安装有如权利要求1-9任一项所述的自适应姿态的主被动柔顺磨抛装置。