CN110509257A - 一种位姿可调吸附式加工机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位姿可调吸附式加工机器人，它包括五自由度并联加工装置、并联吸附支撑装置和机架，机架呈半拱球结构的桁架结构，机架上安装有五自由度并联加工装置，并联吸附支撑装置包括多个支链，支链并联连接在机架上，支链包括吸附盘、滑杆、虎克铰、丝杠、滑杆套筒、电机、电机套和球铰。该机器人吸附支撑装置具有6个自由度，可对五自由度并联加工装置位姿进行灵活调节，具有加工灵活，拆装方便，占地空间小，加工效率高等优点。

Description

一种位姿可调吸附式加工机器人

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，特别涉及一种位姿可调吸附式加工机器人。

背景技术

大型复杂结构件在航空航天、能源和交通等领域具有广泛的应用。典型的大型复杂零件包括大型航空结构件、重型燃气轮机组件、大型风电叶片、船舰螺旋桨等。这类零件加工水平的提高，对于国家航天航空和航海领域的实力提升具有重大意义。但由于大型复杂结构件具有尺寸大，表面结构复杂，对其加工提出了很大的挑战。对于这类大型复杂结构件，现有加工中心难以进行有效加工，且存在安装、拆卸不便的问题，因此大型复杂结构件的加工往往以人工加工为主。人工加工不仅费时费力，而且具有重复性差的缺点，一方面增加了加工成本，另一方面降低了加工效率和加工质量。

现有技术中，并联机构是指动平台与机架间由至少两条独立的运动链相连的闭环机构。相比于串联机构，并联机构具有刚度高、结构紧凑、转动惯量小、承载能力强等一系列特点，在高负载、高速加工中具有一定优势，在不失刚度的前提下，还要增加机器人对加工件加工的灵活度，是我们急需解决的技术问题，因此，设计一种能吸附于大型复杂结构件表面对其进行灵活加工且不失刚度的吸附式加工机器人具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种位姿可调吸附式加工机器人，该加工机器人具有加工灵活、拆装方便、占地空间小、加工效率高等优点。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种位姿可调吸附式加工机器人，它包括五自由度并联加工装置、并联吸附支撑装置和机架，所述机架呈半拱球结构的桁架结构，机架上安装有五自由度并联加工装置，并联吸附支撑装置包括多个支链，所述支链并联连接在机架上，支链包括包括吸附盘、滑杆、虎克铰、丝杠、滑杆套筒、电机、电机套和球铰，所述滑杆一端与吸附盘通过虎克铰或球铰相连，另一端与滑杆套筒通过圆柱副连接，能够沿滑杆套筒的轴向移动，所述滑杆套筒顶部与电机螺纹连接，所述电机套套接在电机上并与滑杆套筒螺纹连接，所述丝杠末端与电机轴固连，且丝杠与滑杆之间通过螺旋副相连，所述球铰或虎克铰与机架连接。

进一步的，所述虎克铰包括十字轴轴架、十字轴和十字轴轴架一。

进一步的，所述五自由度并联加工装置包括第一支链、第二支链、第三支链、第四支链、第五支链和主轴，所述第一支链、第二支链、第三支链、第四支链、第五支链的一端分别与主轴活动连接，另一端分别与机架上开设的通孔连接。

进一步的，所述第三支链包括第三电机，第三虎克铰，第三丝杠和第三转动关节，所述第三电机与第三丝杠通过螺旋副连接，所述第三虎克铰位于第三电机的底部并与第三丝杠连接，所述第三丝杠与主轴之间通过三转动关节活动连接。

进一步的，所述第一支链、第二支链、第四支链和第五支链结构相同，所述第五支链包括第五电机、第五虎克铰、第五丝杠和第五球铰，所述第五电机与第五丝杠通过螺旋副连接，所述第五虎克铰位于第五电机的底部并与第五丝杠连接，所述第五丝杠与主轴之间通过第五球铰活动连接。

进一步的，所述吸附盘为电磁式或者真空式吸附盘。

本发明的优点效果有：通过实施本发明使得并联吸附支撑装置吸附在工作件表面上，并联连接五自由度加工装置上，增加了刚度的同时，支链为6个自由度，增大了支链对五自由度加工装置的调整范围，使得主轴对工件进行加工更加灵活，并且该吸附式加工机器人拆装方便，占地空间小，加工效率高等优点，适用于大型复杂结构件的加工。

附图说明

本发明上述的附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的五自由度并联加工装置的结构示意图；

图3是本发明的五自由度并联加工装置的第一至第五支链、主轴的结构示意图；

图4是本发明实施例1的机架的结构示意图；

图5是本发明实施例1的并联吸附支撑装置的结构示意图；

图6是本发明实施例1的并联吸附支撑装置第一至第五支链的结构示意图；

图7是本发明实施例2的机架的结构示意图；

图8是本发明实施例2的并联吸附支撑装置的结构示意图；

图9是本发明实施例2的并联吸附支撑装置第一至第五支链的结构示意图。

图例：加工件100；五自由度加工装置200；第一支链210；第二支链220；第三支链230；第三电机231；第三虎克铰232；第三丝杠233；第三转动关节234；第四支链240；第五支链250；第五电机251；第五虎克铰252；第五丝杠253；第五球铰254；主轴260；并联吸附支撑装置300；支链310；吸附盘311；滑杆312；虎克铰313；十字轴轴架3131；十字轴3132；十字轴轴架一3133；丝杠314；滑杆套筒315；电机316；电机套317；球铰318；球体3181；球面凹槽3182；机架400；通孔420。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-3所示，本发明公开了一种位姿可调吸附式加工机器人，该机器人用于加工大型复杂结构件，该机器人包括五自由度并联加工装置200、并联吸附支撑装置300和机架400，机架400呈半拱球结构的桁架结构，机架400上安装有五自由度并联加工装置200，并联吸附支撑装置300包括多个支链310，支链310并联连接在机架400上，支链300包括包括吸附盘311、滑杆312、虎克铰313、丝杠314、滑杆套筒315、电机316、电机套317和球铰318，滑杆312一端与吸附盘311通过虎克铰313或球铰318相连，另一端与滑杆套筒315通过圆柱副连接，能够沿滑杆套筒315的轴向移动，滑杆套筒315顶部与电机316螺纹连接，电机套317套接在电机316上并与滑杆套筒315螺纹连接，丝杠314末端与电机316轴固连，且丝杠314与滑杆312之间通过螺旋副相连，球铰318或虎克铰313与机架400连接。

五自由度并联加工装置200包括第一支链210、第二支链220、第三支链230、第四支链240、第五支链250和主轴260，第一支链210、第二支链220、第三支链230、第四支链240、第五支链250的一端分别与主轴260活动连接，另一端分别与机架400上开设的通孔420连接。

第三支链230包括第三电机231，第三虎克铰232，第三丝杠233和第三转动关节234，第三电机231与第三丝杠233通过螺旋副连接，第三虎克铰232位于第三电机231的底部并与第三丝杠233连接，第三丝杠233与主轴260之间通过第三转动关节234活动连接，工作时，第三电机231驱动第三丝杠233移动，通过第三转动关节234带动主轴260移动到加工件100表面合适的位置进行加工。

第一支链210、第二支链220、第四支链240和第五支链250结构相同，第五支链250包括第五电机251、第五虎克铰252、第五丝杠253和第五球铰254，第五电机251与第五丝杠253通过螺旋副连接，第五虎克铰252位于第五电机251的底部并与第五丝杠253连接，第五丝杠253与主轴260之间通过第五球铰254活动连接。

吸附盘311为电磁式或者真空式吸附盘，其中，吸附盘311采用电磁式吸附盘，可以通过电流大小调控吸附力大小，一方面能为加工机器人提供充足的吸附力，另一方面也保证了并联吸附支撑装置安装，拆卸的灵活性。加工非铁磁性材料时，可以替换为真空式吸附盘。

加工前，先通过并联吸附支撑装置300中的吸附盘311吸附在加工件100表面，通过电机316驱动丝杠314，使得滑杆312移动，并将五自由度加工装置200调整到合适的加工位姿，再将并联吸附支撑装置300的驱动关节电机316锁定，利用五自由度加工装置200对加工件100进行加工，通过实施本发明使得并联吸附支撑装置300吸附在工作件100表面上，并联连接机架400上，保证了刚度的同时，支链310为6个自由度，增大了支链310对五自由度加工装置200的调整范围，使得主轴260对加工件100进行加工更加灵活，并且该吸附式加工机器人拆装方便，占地空间小，加工效率高等优点，适用于大型复杂结构件的加工。

本发明是一个两级并联机构，其中并联吸附支撑装置300是加工机器人的一级并联机构，五自由度加工装置200是加工机器人的二级并联机构。二者通过机架400连接，并联吸附支撑装置300具有6个自由度，通过支链310末端的吸附盘311吸附在加工件100上，并能在一定范围内调节机架400的位姿，进而调整五自由度加工装置200的位姿，增大加工机器人工作空间，再将支链310的驱动关节电机316锁定，使五自由度加工装置200在合适的位姿对工件100进行加工。

实施例1

在本实施例中，如图4-图6所示，滑杆312一端与吸附盘311通过虎克铰313相连，另一端与滑杆套筒315通过圆柱副连接，能够沿滑杆套筒315的轴向移动，滑杆套筒315顶部与电机316螺纹连接，电机套317套接在电机316上并与滑杆套筒315螺纹连接，丝杠314末端与电机316轴固连，且丝杠314与滑杆312之间通过螺旋副相连，球铰318与机架400通过球面副相连连接，球铰318中的球面凹槽3182分别设置在机架400边缘为六边形结构的每条边上，球体3181与电机套317通过螺纹连接固连，球面凹槽3182与球体3181构成球面副，工作时，通过电机316驱动丝杠314使得滑杆312移动，调整到合适位值之后，锁定电机316，进而调整五自由度加工装置200中的第一支链210-第五支链250，使得主轴260到达合适的位置对加工件100进行加工，本实施例的支链310具有6个自由度，对五自由度加工装置200的调节范围大，相比串联式，又增加了支链310的刚度，能更加灵活的调整五自由度加工装置200的位姿。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，支链310可以看成是实施例1支链310交换虎克铰313和球铰318的结果。

在本实施例中，如图7-图9所示，机架400边缘为六边形结构，六个边上分布有十字轴轴架一3133，并联吸附支撑装置300的结构，该十字轴轴架3131与十字轴3132和十字轴轴架一3133构成虎克副，实现机架400与并联吸附支撑装置300的六个支链310的连接。

在本实施例中，虎克铰313中的十字轴轴架一3133与机架400固连，十字轴架3131与电机套317，电机套317与滑杆套筒315，电机316与滑杆套筒315之间通过螺纹连接固连，丝杠314与滑杆312之间通过螺旋副相连，丝杠314末端与电机316轴固连，为保证丝杠314与始终与滑杆314相连，丝杠314长度需大于滑杆312的行程，滑杆312与滑杆套筒315通过圆柱副连接，可沿滑杆套筒315的轴向移动，滑杆312与吸附盘311通过球铰318相连，本实施例的支链310具有6个自由度，对五自由度加工装置200的调节范围大，能更加灵活的调整五自由度加工装置200的位姿，球铰318在吸附盘311端，使得相比实施例1，安装适应性更好。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种位姿可调吸附式加工机器人，其特征在于：它包括五自由度并联加工装置(200)、并联吸附支撑装置(300)和机架(400)，所述机架(400)呈半拱球结构的桁架结构，机架(400)上安装有五自由度并联加工装置(200)，并联吸附支撑装置(300)包括多个支链(310)，所述支链(310)并联连接在机架(400)上，支链(300)包括包括吸附盘(311)、滑杆(312)、虎克铰(313)、丝杠(314)、滑杆套筒(315)、电机(316)、电机套(317)和球铰(318)，所述滑杆(312)一端与吸附盘(311)通过虎克铰(313)或球铰(318)相连，另一端与滑杆套筒(315)通过圆柱副连接，能够沿滑杆套筒(315)的轴向移动，所述滑杆套筒(315)顶部与电机(316)螺纹连接，所述电机套(317)套接在电机(316)上并与滑杆套筒(315)螺纹连接，所述丝杠(314)末端与电机(316)轴固连，且丝杠(314)与滑杆(312)之间通过螺旋副相连，所述球铰(318)或虎克铰(313)与机架(400)连接。

2.根据权利要求1所述的位姿可调吸附式加工机器人，其特征在于：所述虎克铰(313)包括十字轴轴架(3131)、十字轴(3132)和十字轴轴架一(3133)。

3.根据权利要求1所述的位姿可调吸附式加工机器人，其特征在于：所述五自由度并联加工装置(200)包括第一支链(210)、第二支链(220)、第三支链(230)、第四支链(240)、第五支链(250)和主轴(260)，所述第一支链(210)、第二支链(220)、第三支链(230)、第四支链(240)、第五支链(250)的一端分别与主轴(260)活动连接，另一端分别与机架(400)上开设的通孔(420)连接。

4.根据权利要求3所述的位姿可调吸附式加工机器人，其特征在于：所述第三支链(230)包括第三电机(231)，第三虎克铰(232)，第三丝杠(233)和第三转动关节(234)，所述第三电机(231)与第三丝杠(233)通过螺旋副连接，所述第三虎克铰(232)位于第三电机(231)的底部并与第三丝杠(233)连接，所述第三丝杠(233)与主轴(260)之间通过三转动关节(234)活动连接。

5.根据权利要求3所述的位姿可调吸附式加工机器人，其特征在于：所述第一支链(210)、第二支链(220)、第四支链(240)和第五支链(250)结构相同，所述第五支链(250)包括第五电机(251)、第五虎克铰(252)、第五丝杠(253)和第五球铰(254)，所述第五电机(251)与第五丝杠(253)通过螺旋副连接，所述第五虎克铰(252)位于第五电机(251)的底部并与第五丝杠(253)连接，所述第五丝杠(253)与主轴(260)之间通过第五球铰(254)活动连接。

6.根据权利要求1所述的位姿可调吸附式加工机器人，其特征在于：所述吸附盘(311)为电磁式或者真空式吸附盘。