CN110328577A - 一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置 - Google Patents

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朱力军
蔡得领
陈智勇
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Abstract

本发明公开了一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，包括机械臂，所述机械臂的底端安装有控制箱，所述控制箱的下方固定安装有力位补偿装置本体，且控制箱与力位补偿装置本体的连接处安装有导线，所述力位补偿装置本体的底端安装有磨抛工具，所述磨抛工具的下方设置有磨抛工件。本发明结构科学合理，操作方便，通过PCB电路板采集气缸位移传感器给出的上盖板的位移信号，压力传感器给出的上盖板所受压力和倾角传感器给出的补偿装置的倾斜角信号及气体压强传感器给出的气缸进气口气压信号，计算气压比例阀驱动电压和电磁阀电平，并在加工过程中对接触力和位移进行实时动态的记录和补偿，形成加工工艺数据库。

Description

一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置
技术领域
本发明涉及工件加工技术领域，具体是一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置。
背景技术
对于工业构件的表面光整加工(如打磨、抛光)，传统的人工方式对工人技术要求高、劳动强度大、效率低，加工能力不仅严重依赖操作人员的技术水平，产品质量及其一致性均难以保证，人工磨抛方式通常需要多名佩戴专业护具的员工在粉尘密布、噪声严重等极为恶劣的环境中连续高强度作业，极大影响操作人员的身心健康，同时加工质量受到操作人员的主观因素和熟练程度的影响，难以保证表面加工精度和产品质量的一致性，为了提高加工一致性和效率，工业上越来越多地采用机器人代替人工进行自动化表面作业处理，但对于汽车、船舶、航空航天、能源动力、水利水电等制造业的关键零部件的表面加工处理，需要较高的精度和质量要求，为了确保复杂构件工艺过程的加工质量，需要保证对加工过程中的接触力进行实时监测并沿加工轨迹进行期望力跟踪，另外在加工具有弱刚性的工件情况下容易产生形变，因此需要在加工时除了力控制外，还需要实现位移的同步控制。由于一些构件表面曲面复杂、曲率变化大，要求加工工具结构紧凑，可灵活地对复杂曲面特别是内凹曲面进行表面加工，另一方面，由于力控制执行机构在运动时或多或少都具有摩擦力，将较大地影响控制精度，因此执行机构需要对摩擦力进行相应的补偿，才能够真正提高力控制的精度。
但是，目前市场上的抛光打磨装置不具有力位补偿装置，其加工精度较差，无法满足表面曲面复杂、曲率变化大的工件的抛光工作，且不能根据执行机构需要的摩擦力对其进行相应力位补偿，实用性较差，因此，本领域技术人员提供了一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，以解决上述背景技术中提出的不具有力位补偿装置，其加工精度较差，无法满足表面曲面复杂、曲率变化大的工件的抛光工作，且不能根据执行机构需要的摩擦力对其进行相应力位补偿，实用性较差的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，包括机械臂，所述机械臂的底端安装有控制箱，所述控制箱的下方固定安装有力位补偿装置本体，且控制箱与力位补偿装置本体的连接处安装有导线，所述力位补偿装置本体的底端安装有磨抛工具，所述磨抛工具的下方设置有磨抛工件。
作为本发明进一步的方案：所述力位补偿装置本体的外侧安装有壳体，且力位补偿装置本体的顶端安装有工具法兰端，所述力位补偿装置本体的底端安装有下盖板，所述下盖板的一侧开设有第一进、出气孔，另一侧开设有第一十二芯航插接头，且下盖板的底端通过螺栓固定安装有机器人法兰端，所述工具法兰端的底端安装有压力传感器，所述压力传感器的下方安装有上盖板，所述压力传感器与工具法兰端通过螺栓固定连接，且压力传感器的测量面与上盖板通过螺栓固定连接，所述上盖板的底端通过螺栓和定位销固定安装有直线运动轴，所述直线运动轴的下端通过花键配合安装有导向法兰，所述导向法兰的下方固定安装有导向套筒，所述导向套筒与下盖板通过螺栓固定连接。
作为本发明再进一步的方案：所述导向套筒的一侧固定安装有气缸固定板，所述气缸固定板的底端通过螺母固定安装有气缸，所述气缸的推力轴贯穿气缸固定板与上盖板固定连接，且气缸的一侧固定安装有气缸位移传感器，另一侧固定安装有气体压强传感器，所述气体压强传感器的顶部通过螺钉固定安装有气体压强传感器固定板，所述气缸位移传感器的一侧安装有倾角传感器，所述倾角传感器的一侧安装有倾角传感器固定板，且倾角传感器通过螺钉和缓冲垫片固定在倾角传感器固定板上，所述倾角传感器固定板与下盖板通过螺钉固定安装。
作为本发明再进一步的方案：所述气缸位移传感器与气缸采用金属扎带捆绑固定或嵌入缸槽式固定、外部固定方式中的任意一种。
作为本发明再进一步的方案：所述控制箱的外侧安装有控制箱外壳，所述控制箱外壳的一侧开设有第二进、出气孔，另一侧开设有第二十二芯航插接头,所述控制箱外壳的一侧位于第二进、出气孔的下方位置处开设有以太网口，且控制箱外壳的一侧位于第二十二芯航插接头的一侧位置处设置有通气孔，通气孔的一侧连接有空压机，所述控制箱外壳的内部安装有PCB电路板，所述PCB电路板与控制箱外壳的连接处安装有电路板支架，且PCB电路板与电路板支架通过螺钉固定连接，所述PCB电路板的下方设置有电磁阀固定板，所述电磁阀固定板的上方通过螺钉固定安装有电磁阀，且电磁阀固定板的一侧固定安装有比例阀固定板，所述比例阀固定板的上方通过螺钉固定安装有气压比例阀。
作为本发明再进一步的方案：所述气缸、电磁阀、气压比例阀和空压机均通过气管贯通连接。
作为本发明再进一步的方案：所述压力传感器、气体压强传感器、倾角传感器和气缸位移传感器的输出端均与PCB电路板的输入端电性连接，所述PCB电路板的输入端与气压比例阀和电磁阀的输出端电性连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本设计中电磁阀和气压比例阀安装在控制箱内，使得力位补偿装置更加紧凑，更方便于复杂曲面和凹曲面的磨抛加工，提高其实用性。
2、本发明通过设置的气体压强传感器，能够测量气缸进气口气压信号，使得进气口压力实时受到监控，由于气缸进气口与电磁阀和气压比例阀通过气管相连，有流速损耗和压强变化，电磁阀输出气压与气缸进气口气压不一定一致，气体压强传感器将气压信号传送到PCB电路板，PCB电路板通过控制气压比例阀给出相应的气压输出补偿，提高接触力的控制精度。
3、本发明通过设置的压力传感器给出的上盖板所受压力，通过监测施加在上盖板的力，由牛顿力学关系测算出直线运动轴、导向法兰和导向套筒及气缸、气缸位移传感器和压力传感器在运动中的摩擦力，并在PCB电路板输出的对气压比例阀的控制信号中加以输出气压补偿，从而进一步提高了力控的精度。
4、本发明通过PCB电路板采集气缸位移传感器给出的上盖板的位移信号，压力传感器给出的上盖板所受压力和倾角传感器给出的补偿装置的倾斜角信号及气体压强传感器给出的气缸进气口气压信号，经过复杂的信号调理和精密的算法运算，计算得出气压比例阀驱动电压和电磁阀电平，并在整个加工过程中对接触力和位移进行实时动态的记录和补偿，由以太网口传送加工数据至上位机，形成加工工艺数据库。
附图说明
图1为一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置的结构示意图；
图2为一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置中控制箱的安装结构示意图；
图3为一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置中力位补偿装置本体的结构示意图；
图4为一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置中压力传感器和气体压强传感器的安装结构示意图；
图5为一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置中倾角传感器和气缸位移传感器的安装结构示意图；
图6为一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置中控制箱的结构示意图；
图7为一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置中空压机的安装结构示意图。
图中：1、机械臂；2、控制箱；3、导线；4、力位补偿装置本体；5、磨抛工具；6、磨抛工件；10、工具法兰端；11、壳体；12、第一十二芯航插接头；13、机器人法兰端；14、第一进、出气孔；20、压力传感器；21、上盖板；22、气缸固定板；23、气体压强传感器；25、下盖板；26、气体压强传感器固定板；30、直线运动轴；31、导向法兰；32、导向套筒；33、倾角传感器；34、倾角传感器固定板；40、气缸；42、气缸位移传感器；50、电路板支架；51、第二进、出气孔；52、电磁阀；53、电磁阀固定板；60、控制箱外壳；61、PCB电路板；62、第二十二芯航插接头；64、气压比例阀；65、比例阀固定板；67、以太网口；70、空压机。
具体实施方式
请参阅图1～7，本发明实施例中，一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，包括机械臂1，机械臂1的底端安装有控制箱2，控制箱2的下方固定安装有力位补偿装置本体4，且控制箱2与力位补偿装置本体4的连接处安装有导线3，力位补偿装置本体4的底端安装有磨抛工具5，磨抛工具5的下方设置有磨抛工件6，力位补偿装置本体4的外侧安装有壳体11，且力位补偿装置本体4的顶端安装有工具法兰端10，力位补偿装置本体4的底端安装有下盖板25，下盖板25的一侧开设有第一进、出气孔14，另一侧开设有第一十二芯航插接头12，且下盖板25的底端通过螺栓固定安装有机器人法兰端13，工具法兰端10的底端安装有压力传感器20(型号为EE-SX770A)，压力传感器20的下方安装有上盖板21，压力传感器20与工具法兰端10通过螺栓固定连接，且压力传感器20的测量面与上盖板21通过螺栓固定连接，通过设置的压力传感器20能够监测施加在上盖板21上的力。
上盖板21的底端通过螺栓和定位销固定安装有直线运动轴30，直线运动轴30的下端通过花键配合安装有导向法兰31，导向法兰31的下方固定安装有导向套筒32，导向套筒32与下盖板25通过螺栓固定连接，直线运动轴30随着上盖板21进行上下直线运动，且直线运动轴30、导向法兰31和导向套筒32保证上盖板21和下盖板25间只产生相对上下直线运动，不产生相对旋转运动，导向套筒32的一侧固定安装有气缸固定板22，气缸固定板22的底端通过螺母固定安装有气缸40，气缸40的推力轴贯穿气缸固定板22与上盖板21固定连接，且气缸40的一侧固定安装有气缸位移传感器42(型号为KTR-15MM)，另一侧固定安装有气体压强传感器23(型号为MD-W300)，气缸位移传感器42与气缸40采用金属扎带捆绑固定或嵌入缸槽式固定、外部固定方式中的任意一种，且气缸位移传感器42用于测量气缸40推动轴的运动位移，气体压强传感器23的顶部通过螺钉固定安装有气体压强传感器固定板26，气缸40可选择安装两个或一个，当采用双气缸40时，气体压强传感器23安装有两个，当采用单作用气缸40时，只需安装一个气体压强传感器23，气缸位移传感器42的一侧安装有倾角传感器33(型号为GUC360)，倾角传感器33的一侧安装有倾角传感器固定板34，且倾角传感器33通过螺钉和缓冲垫片固定在倾角传感器固定板34上，倾角传感器固定板34与下盖板25通过螺钉固定安装，缓冲垫片的缓冲作用使力位补偿装置本体4在外部振动情况下，仍能提供稳定可靠的倾角测量数据，倾角传感器33用于测量力位补偿装置本体4与竖直面的夹角。
控制箱2的外侧安装有控制箱外壳60，控制箱外壳60的一侧开设有第二进、出气孔51，另一侧开设有第二十二芯航插接头62,控制箱外壳60的一侧位于第二进、出气孔51的下方位置处开设有以太网口67，且控制箱外壳60的一侧位于第二十二芯航插接头62的一侧位置处设置有通气孔，通气孔的一侧连接有空压机70，控制箱外壳60的内部安装有PCB电路板61，PCB电路板61与控制箱外壳60的连接处安装有电路板支架50，且PCB电路板61与电路板支架50通过螺钉固定连接，PCB电路板61的下方设置有电磁阀固定板53，电磁阀固定板53的上方通过螺钉固定安装有电磁阀52，且电磁阀固定板53的一侧固定安装有比例阀固定板65，比例阀固定板65的上方通过螺钉固定安装有气压比例阀64，本设计中电磁阀52和气压比例阀64安装在控制箱2内，使得力位补偿装置本体4更加紧凑，更方便于复杂曲面和凹曲面的磨抛加工。
第二进、出气孔51与力位补偿装置下盖板25侧壁上的第一进、出气孔通过气管连接，第二十二芯航插接头62与第一十二芯航插接头12相连，以太网口67与上位机的以太网接口相连接，气缸40、电磁阀52、气压比例阀64和空压机70均通过气管贯通连接，压力传感器20、气体压强传感器23、倾角传感器33和气缸位移传感器42的输出端均与PCB电路板61的输入端电性连接，PCB电路板61的输入端与气压比例阀64和电磁阀52的输出端电性连接，PCB电路板61内部焊有嵌入式微处理芯片，微处理采集气缸位移传感器42给出的上盖板21的位移信号，压力传感器20给出的上盖板21所受压力，通过监测施加在上盖板21的力，由牛顿力学关系测算出直线运动轴30、导向法兰31和导向套筒32及气缸40、气缸位移传感器42和压力传感器20在运动中的摩擦力，并在PCB电路板61输出的对气压比例阀64的控制信号中加以输出气压补偿，从而进一步提高了力控的精度。
倾角传感器33测量补偿装置的倾斜角信号，通过测量气体压强传感器23给出的气缸40进气口气压信号，气体压强传感器23安装在靠近气缸40进气口的位置，使得进气口压力实时受到监控，用以补偿摩换力和压缩空气在气管内的流速损耗和压强损失，从而达到更精密地调控压力和位移的补偿，输入信号经过微处理器的信号调理，按机器人控制器或者上位机用户程序下发的接触力和位移设定值，经过精密设计的反馈控制算法计算调节气压比例阀64的输入电压，从而控制气压比例阀64的输出气压，压缩空气由气压比例阀64经过电磁阀52到气缸40，当使用双作用气缸40时，按照信号要求电磁阀52可以切换气缸40的进出气端，使得气缸40一侧输入压缩空气，另一侧与外部大气相连，用气缸40两侧压差来实现控制力和位移输出，从而达到给定控制力和位移的输出，在加工过程中，PCB电路板61按实时时间戳记录加工力和加工位移量，在加工完成后，由以太网口67传送加工数据至上位机，形成加工工艺数据库。
本发明的工作原理是：使用过程中，将磨抛工件6放在加工台上，通过磨抛工具5对其进行打磨处理，抛光过程中，通过设置的气体压强传感器23，能够测量气缸40进气口气压信号，使得进气口压力实时受到监控，由于气缸40进气口与电磁阀52和气压比例阀64通过气管相连，有流速损耗和压强变化，电磁阀52输出气压与气缸40进气口气压不一定一致，气体压强传感器23将气压信号传送到PCB电路板61，PCB电路板61通过控制气压比例阀64给出相应的气压输出补偿，提高接触力的控制精度，同时，通过设置的压力传感器20能够监测施加在上盖板21的力，由牛顿力学关系测算出直线运动轴30、导向法兰31和导向套筒32及气缸40、气缸位移传感器42和压力传感器20在运动中的摩擦力，并在PCB电路板61输出的对气压比例阀64的控制信号中加以输出气压补偿，从而进一步提高了力控的精度，抛光过程中，PCB电路板61采集气缸位移传感器42给出的上盖板21的位移信号，压力传感器20给出的上盖板21所受压力和倾角传感器33给出的补偿装置的倾斜角信号及气体压强传感器23给出的气缸40进气口气压信号，经过复杂的信号调理和精密的算法运算，计算得出气压比例阀64驱动电压和电磁阀52电平，并在整个加工过程中对接触力和位移进行实时动态的记录和补偿，由以太网口67传送加工数据至上位机，形成加工工艺数据库。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，包括机械臂(1)，其特征在于，所述机械臂(1)的底端安装有控制箱(2)，所述控制箱(2)的下方固定安装有力位补偿装置本体(4)，且控制箱(2)与力位补偿装置本体(4)的连接处安装有导线(3)，所述力位补偿装置本体(4)的底端安装有磨抛工具(5)，所述磨抛工具(5)的下方设置有磨抛工件(6)，所述力位补偿装置本体(4)的外侧安装有壳体(11)，且力位补偿装置本体(4)的顶端安装有工具法兰端(10)，所述力位补偿装置本体(4)的底端安装有下盖板(25)，所述下盖板(25)的一侧开设有第一进、出气孔(14)，另一侧开设有第一十二芯航插接头(12)，且下盖板(25)的底端通过螺栓固定安装有机器人法兰端(13)，所述工具法兰端(10)的底端安装有压力传感器(20)，所述压力传感器(20)的下方安装有上盖板(21)，所述压力传感器(20)与工具法兰端(10)通过螺栓固定连接，且压力传感器(20)的测量面与上盖板(21)通过螺栓固定连接，所述上盖板(21)的底端通过螺栓和定位销固定安装有直线运动轴(30)，所述直线运动轴(30)的下端通过花键配合安装有导向法兰(31)，所述导向法兰(31)的下方固定安装有导向套筒(32)，所述导向套筒(32)与下盖板(25)通过螺栓固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，其特征在于，所述导向套筒(32)的一侧固定安装有气缸固定板(22)，所述气缸固定板(22)的底端通过螺母固定安装有气缸(40)，所述气缸(40)的推力轴贯穿气缸固定板(22)与上盖板(21)固定连接，且气缸(40)的一侧固定安装有气缸位移传感器(42)，另一侧固定安装有气体压强传感器(23)，所述气体压强传感器(23)的顶部通过螺钉固定安装有气体压强传感器固定板(26)，所述气缸位移传感器(42)的一侧安装有倾角传感器(33)，所述倾角传感器(33)的一侧安装有倾角传感器固定板(34)，且倾角传感器(33)通过螺钉和缓冲垫片固定在倾角传感器固定板(34)上，所述倾角传感器固定板(34)与下盖板(25)通过螺钉固定安装。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，其特征在于，所述气缸位移传感器(42)与气缸(40)采用金属扎带捆绑固定或嵌入缸槽式固定、外部固定方式中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，其特征在于，所述控制箱(2)的外侧安装有控制箱外壳(60)，所述控制箱外壳(60)的一侧开设有第二进、出气孔(51)，另一侧开设有第二十二芯航插接头(62),所述控制箱外壳(60)的一侧位于第二进、出气孔(51)的下方位置处开设有以太网口(67)，且控制箱外壳(60)的一侧位于第二十二芯航插接头(62)的一侧位置处设置有通气孔，通气孔的一侧连接有空压机(70)，所述控制箱外壳(60)的内部安装有PCB电路板(61)，所述PCB电路板(61)与控制箱外壳(60)的连接处安装有电路板支架(50)，且PCB电路板(61)与电路板支架(50)通过螺钉固定连接，所述PCB电路板(61)的下方设置有电磁阀固定板(53)，所述电磁阀固定板(53)的上方通过螺钉固定安装有电磁阀(52)，且电磁阀固定板(53)的一侧固定安装有比例阀固定板(65)，所述比例阀固定板(65)的上方通过螺钉固定安装有气压比例阀(64)。
5.根据权利要求2所述的一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，其特征在于，所述气缸(40)、电磁阀(52)、气压比例阀(64)和空压机(70)均通过气管贯通连接。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑型主动式高精度力位补偿装置，其特征在于，所述压力传感器(20)、气体压强传感器(23)、倾角传感器(33)和气缸位移传感器(42)的输出端均与PCB电路板(61)的输入端电性连接，所述PCB电路板(61)的输入端与气压比例阀(64)和电磁阀(52)的输出端电性连接。
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