CN110919535B - 一种恒力执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒力执行器，包括执行器安装座，设置有中心轴；轴向位移法兰，设置于执行器安装座下方，固定于中心轴上且能够与中心轴一起沿中心轴的中轴线升降；轴向驱动器，用于提供恒力执行器的打磨头的打磨轴向力，轴向驱动器设置于执行器安装座的中心轴一侧，且轴向驱动器的固定端与执行器安装座连接，驱动端通过推拉力传感器与轴向位移法兰连接且驱动轴向位移法兰沿执行器安装座的中心轴轴向移动；输出端法兰，设置于轴向位移法兰下方且与打磨头固定连接；万向浮动摆角装置，设置于轴向位移法兰与输出端法兰之间以实现打磨头在法向任意方向浮动摆动。本公开的方案，可以达到提高打磨精度的目的。

Description

一种恒力执行器

技术领域

本发明涉及加工技术领域，尤其涉及一种恒力执行器。

背景技术

恒力执行器的打磨头在工作时往往需要调整其打磨头的摆角以适应不同的打磨方位。具体地，打磨头通过安装座安装在机器人末端，安装座的中部设有轴向气缸，轴向气缸的活塞杆的端头连接轴向位移法兰，且能够驱动轴向位移法兰沿轴向活动。在轴向位移法兰和输出端法兰之间设有一万向摆角机构，该万向摆角机构包括多个压缩弹簧，各压缩弹簧均匀分布于输出端法兰和轴向位移法兰之间。输出端法兰的另一端与打磨头连接。工作时，轴向气缸驱动轴向位移法兰向下运动，压缩弹簧被压缩的同时使输出端法兰向下运动，使打磨头端面贴合在待加工的零件表面。

打磨头端面贴合在待加工的零件表面进行打磨加工，通过轴向气缸的浮动作用和压缩弹簧的弹簧支撑，使打磨头可实现轴向和摆角双向浮动。但是，该结构的打磨头仅通过压缩弹簧调整摆角，无法使打磨头摆角固定于90度位置，摆角浮动的压力大小不可调整，无法满足各种打磨工艺的要求，影响打磨精度。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是使打磨头的摆角浮动动作可通过程序控制来实现摆角固定、摆角浮动且浮动力大小可调以满足各种打磨工艺需要，提高打磨精度、提高打磨轴向力控精度、缩短力控精度调整的响应时间。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种恒力执行器，包括：执行器安装座，用于与机器人末端连接，设置有中心轴；

轴向位移法兰，设置于所述执行器安装座下方，固定在所述中心轴上且能够与中心轴一起沿中心轴的中轴线升降；

轴向驱动器，用于提供恒力执行器的打磨头的打磨轴向力，所述轴向驱动器设置于所述执行器安装座的中心轴一侧，且所述轴向驱动器的固定端与所述执行器安装座连接，驱动端通过推拉力传感器与所述轴向位移法兰连接且驱动所述轴向位移法兰沿所述执行器安装座的中心轴轴向移动，所述推拉力传感器用于感知所述轴向驱动器的打磨轴向力；

输出端法兰，设置于所述轴向位移法兰下方且与所述打磨头固定连接；

万向浮动摆角装置，设置于所述轴向位移法兰与所述输出端法兰之间以实现打磨头在法向任意方向浮动摆动；所述万向浮动摆角装置包括多个安装在所述轴向位移法兰上的调节驱动器，所述调节驱动器的输出端顶接在所述输出端法兰上；所述调节驱动器通过可编程控制器控制摆角浮动动作和浮动力大小以满足不同打磨工艺要求。

其中，多个调节驱动器在与所述中心轴同轴的圆周上均匀分布。

其中，所述调节驱动器为针型气缸。

其中，所述万向浮动摆角装置还包括一个摆角比例调压阀，用于联动控制多个针型气缸。

其中，所述推拉力传感器一端与所述轴向驱动器的驱动端连接，另一端与所述轴向位移法兰连接。

其中，所述轴向驱动器为双作用低摩擦气缸，所述双作用低摩擦气缸通过轴向控制系统来控制并平衡气缸两侧腔室的气压以使所述双作用低摩擦气缸恒定保持在行程中部。

其中，所述轴向控制系统包括第一气源总控阀、第一电气比例调压阀和第二电气比例调压阀，所述第一电气比例调压阀的输入端和所述第二电气比例调压阀的输入端并联于所述第一气源总控阀的输出端，所述第一电气比例调压阀的输出端和所述第二电气比例调压阀的输出端分别与所述双作用低摩擦气缸的活塞两侧的腔室连通。

其中，所述执行器安装座的中心轴为滚珠花键轴。

其中，所述执行器安装座包括具有开口的容纳空腔，所述滚珠花键轴的一端固定设置于所述容纳空腔内，另一端沿所述打磨头的方向延伸至所述容纳空腔的开口处，所述轴向位移法兰位于所述容纳空腔的开口处且套设于所述滚珠花键轴上。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

轴向位移法兰固定于执行器安装座的中心轴上，轴向驱动器设置于执行器安装座的中心轴一侧，轴向驱动器的固定端与所述执行器安装座连接，驱动端通过推拉力传感器与所述轴向位移法兰连接且驱动所述轴向位移法兰沿所述执行器安装座的中心轴轴向移动，所述推拉力传感器用于感知所述轴向驱动器的打磨轴向力；通过万向浮动摆角装置以实现打磨头在法向任意方向浮动摆动；所述万向浮动摆角装置包括多个安装在所述轴向位移法兰上的调节驱动器，所述调节驱动器的输出端顶接在所述输出端法兰上；所述调节驱动器通过可编程控制器控制摆角浮动动作和浮动力大小以满足不同打磨工艺要求，使打磨头表面随着零件表面形貌自由摆动，解决机器人末端法兰移动精度误差过大不能满足空间曲面零件表面高精度打磨难题。

附图说明

图1为本发明一种恒力执行器的结构示意图；

图2为本发明的恒力执行器的执行器安装座的内部结构示意图；

图3为图2中以中心轴的轴线为基准的剖视示意图。

图中：1、执行器安装座；2、轴向位移法兰；3、轴向驱动器；4、打磨头；5、输出端法兰；6、万向浮动摆角装置；11、中心轴；12、轴座；13、滚珠花键副轴套；14、容纳空腔；21、锥形胀套；31、推拉力传感器；32、轴向控制系统；322、第一电气比例调压阀；323、第二电气比例调压阀；61、调节驱动器；62、调节控制系统； 621、摆角比例调压阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1，本发明提供的一种恒力执行器，应用于飞机等制造领域的曲面或非曲面零件表面打磨加工的场景中。所述恒力执行器包括：

执行器安装座1，用于与机器人末端连接，设置有中心轴11；

轴向位移法兰2，设置于所述执行器安装座1下方，固定在所述中心轴11上且能够与中心轴一起沿中心轴11的中轴线升降。

轴向驱动器3，用于提供恒力执行器的打磨头4的打磨轴向力，所述轴向驱动器3设置于所述执行器安装座的中心轴11一侧，且所述轴向驱动器3的固定端与所述执行器安装座1连接，驱动端通过推拉力传感器31与所述轴向位移法兰2连接且驱动所述轴向位移法兰2沿所述执行器安装座的中心轴11轴向移动，所述推拉力传感器31用于感知所述轴向驱动器的打磨轴向力；

输出端法兰5，设置于所述轴向位移法兰2下方且与所述打磨头4固定连接；

万向浮动摆角装置6，设置于所述轴向位移法兰2与所述输出端法兰5之间以实现打磨头在法向任意方向浮动摆动；所述万向浮动摆角装置6包括多个安装在所述轴向位移法兰2上的调节驱动器61，所述调节驱动器61的输出端顶接在所述输出端法兰5上；所述调节驱动器61通过可编程控制器控制摆角浮动动作和浮动力大小以满足不同打磨工艺要求，使打磨头表面随着零件表面形貌自由摆动，解决机器人末端法兰移动精度误差过大不能满足空间曲面零件表面高精度打磨难题。

具体地，执行器安装座1设有安装端头，用于与工业机器人末端配合连接，将恒力执行器集成于工业机器人上。本实施例中，如图2所示，所述执行器安装座的中心轴为滚珠花键轴。此执行器安装座1上设置有轴座12，该轴座12上设有滚珠花键副轴套13，滚珠花键轴位于滚珠花键副轴套13内且同轴设置。该滚珠花键轴可实现轴向自由滑动并限制绕自身的中轴线转动，滚珠花键副轴套安装于此。相对于其他轴承副，如两根滚珠直线轴承副，滚珠花键轴承副具有摩擦力小，传动精度高的优点。

如图3所示，轴向位移法兰2位于执行器安装座1的下方，且用锥形胀套21套设于所述中心轴11的端部，锥形胀套21能够与中心轴11一起沿中心轴11的中轴线升降。轴向位移法兰2下端安装输出端法兰5，在轴向位移法兰2和输出端法兰5之间安装万向浮动摆角装置6，输出端法兰5下端面安装打磨头4。当轴向位移法兰2作升降运动时，能够带动打磨头4作升降运动。

轴向位移法兰2在轴向驱动器3的驱动力作用下，沿中心轴11的中轴线上下升降，从而带动执行器的打磨头4上下升降。打磨过程中，可根据零件外形变化使打磨头实现轴向的位移浮动，实现柔性打磨，消除机器人运行轨迹精度和零件表面形貌精度对打磨厚度精度的影响。

轴向驱动器3能够为打磨头4提供轴向打磨力。轴向驱动器3位于中心轴11的一侧，偏离执行器安装座的中心位置。也就是，位于轴向位移法兰2的上方，偏离轴向位移法兰2的中轴线。具体地，轴向驱动器3的一端为固定端，另一端为驱动端。此固定端与所述执行器安装座1连接，驱动端与推拉力传感器31连接，推拉力传感器31下端与所述轴向位移法兰2固定连接。工作时，轴向驱动器3的驱动端作升降运动，驱动轴向位移法兰2沿中心轴11的中轴线作升降运动。进一步地，输出端法兰5设置于所述轴向位移法兰2下方且与所述打磨头4固定连接。当轴向位移法兰2作升降运动时，能够带动打磨头4作升降运动。由于轴向位移法兰2能够发生轴向的位移浮动，则带动打磨头4的打磨端面发生轴向的位移浮动。

万向浮动摆角装置6位于轴向位移法兰2与输出端法兰5之间，一端与轴向位移法兰2连接，另一端与通过输出端法兰5与打磨头4连接。当轴向驱动器3驱动轴向位移法兰2作升降运动时，万向浮动摆角装置6、打磨头4均跟随轴向位移法兰2作升降运动。打磨头4安装在输出端法兰5下端面上，进一步驱动打磨头4的打磨端面远离或贴合于零件表面。

可以理解的是，轴向驱动器3产生的轴向力通过轴向位移法兰2、万向浮动摆角装置6、输出端法兰5逐步传递给打磨头4的打磨端面。为减少磨损、提高传动精度，轴向位移法兰2、输出端法兰5和打磨头4的中轴线均重合设置。而轴向驱动器3于轴向位移法兰2上的驱动着力点偏离轴向位移法兰2、输出端法兰5以及打磨头4的中轴线。需要说明的是，轴向位移法兰2只能沿轴向浮动，万向摆转机构6连接的输出端法兰5可根据打磨头4打磨端面与零件表面的法向偏差，实现自适应浮动。万向浮动摆角装置6靠近打磨头4的另一端带动打磨头4摆动的同时，能够控制打磨头4的摆角在预设的数值范围内浮动。万向浮动摆角装置6能够自适应弥补法向误差。针型气缸控制摆角浮动使这种自适应在一定的压力下实现，并且控制这种自适应摆动动作，就是完全固定住角度不变，使打磨头4轴线与中心轴11的中轴线重合，满足特殊位置打磨工艺需要。

上述本公开实施例提供的一种恒力执行器，轴向位移法兰2套设于执行器安装座的中心轴11上，轴向驱动器3设置于执行器安装座的中心轴11一侧，轴向驱动器3驱动轴向位移法兰2升降时，能够使轴向位移法兰2发生轴向的位移浮动，从而带动打磨头4发生轴向的位移浮动。万向浮动摆角装置6位于轴向位移法兰2与输出端法兰5之间，通过输出端法兰5与打磨头4连接。当轴向位移法兰2相对于中心轴11的中轴线摆动时，能够带动万向浮动摆角装置6靠近轴向位移法兰2的一端摆动。本公开的方案，能够实现打磨头4轴向的位移浮动和摆动，以及通过万向浮动摆角装置6控制摆角的浮动程度。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，多个调节驱动器61在与所述中心轴11同轴的圆周上均匀分布，提高打磨精度。针型气缸的缸体远离活塞杆的一端固定连接于轴向位移法兰2上，针型气缸的活塞杆顶在输出端法兰5的端面上。

本实施例中，调节驱动器61为针型气缸。在与中心轴11同轴的圆周上均匀布置四个。万向浮动摆角装置6能够自适应弥补法向误差，增加四个摆转针形气缸的目的是使这种自适应在一定的压力下实现，以及控制这种自适应摆动动作。能够完全固定住角度不变，使打磨头4轴线与中心轴11轴线重合，满足特殊位置打磨工艺需要。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述万向浮动摆角装置6还包括一个摆角比例调压阀621，用于联动控制多个针型气缸。

本实施例中，摆角比例调压阀621通过调节控制系统62控制，所述调节控制系统62包括第一气源总控阀和一摆角比例调压阀621，摆角比例调压阀621设在所述第一气源总控阀的输出端，且摆角比例调压阀621与所有调节驱动器61的输入端串联接通。摆角比例调压阀621调整压缩空气贯通于各调节驱动器61，通过程序控制摆角浮动动作，并控制浮动力大小，来满足不同打磨工艺要求。

具体地，第一气源总控阀位于气源的总路上。以调节驱动器61为针型气缸来具体阐述，其中，万向浮动摆角装置6包括4个针型气缸。相应地，调节控制系统62包括4个与针型气缸对应的摆角比例调压阀621。摆角比例调压阀621的输入端与第一气源总控阀的输出端连通，摆角比例调压阀621的输出端与针型气缸的活塞后腔连通。

可以理解的是，第一气源总控阀保持高压时，与第一气源总控阀连通的摆角比例调压阀621调整到高压。此时，4个针型气缸产生的轴向力大于轴向驱动器3产生的轴向力，打磨头4的摆角固定不动；保持第一气源总控阀的压力不变，调节摆角比例调压阀621，使4个针型气缸产生的轴向力小于轴向驱动器3产生的轴向力，打磨头4摆角可在任意方向随零件形貌摆动，随动压力大小根据打磨质量状况通过比例阀调整，实现一定摆角浮动力下的摆角自适应浮动打磨。第一气源总控阀维持一个固定压力大小的精密调压阀，给摆角比例调压阀621提供相对精度高的高气压。

根据不同的打磨工艺要求和打磨工艺路线，提前预设各打磨时间段内摆角比例调压阀621的输出压力数值。调整各针型气缸的压力，使得打磨头4的摆角可实现功能状态控制（固定角度、在预设压力下自适应摆动、在零压下摆动），满足了各种打磨工艺需要，提高了打磨精度。

本案共采用四个单作用针形气缸CJPS-15-5(SMC)，每个气缸活塞直径15mm。气压通过摆角比例调压阀621串联到四个气缸后腔。比例阀压力为0.5 MPa时，单个气缸产生的轴向力为77.5N，本项目最大打磨轴向力为60N。因此只要针型气缸压力大于0.5MPa, 即可满足打磨头摆角固定不动打磨工艺要求。可根据打磨工艺实际需要，在0-0.5MPa范围内调整摆角比例调压阀621压力，实现不同压力下的打磨头4自适应摆转。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述推拉力传感器31一端与所述轴向驱动器3的驱动端连接，另一端与所述轴向位移法兰5连接。

具体地，推拉力传感器31反映的是轴向驱动器3的轴向打磨力。与传统的比例阀直接控制气缸前后腔相比，采用推拉力传感器31可以提高轴向打磨力的控制精度，缩短力控精度调整的响应时间。

本实施例中，以所述轴向驱动器3为双作用低摩擦气缸为例具体阐述。所述双作用低摩擦气缸通过轴向控制系统32来控制并平衡气缸两侧腔室的气压以使所述双作用低摩擦气缸恒定保持在行程中部。

所述轴向控制系统32包括第一气源总控阀、第一电气比例调压阀322和第二电气比例调压阀323，所述第一电气比例调压阀322的输入端和所述第二电气比例调压阀323的输入端并联于所述第一气源总控阀的输出端，所述第一电气比例调压阀322的输出端和所述第二电气比例调压阀323的输出端分别与所述双作用低摩擦气缸的活塞两侧的腔室连通。

本实施例中，运行时，通过机器人的人机界面调整第一电气比例调压阀322和第二电气比例调压阀323的压力、阀值和时间等参数值。所述第一电气比例调压阀322与双作用低摩擦气缸的第一腔室连通，所述第二电气比例调压阀323与所述双作用低摩擦气缸的第二腔室连通，第一腔室和第二腔室连通且分别位于双作用低摩擦气缸的活塞两侧。当第一腔室内的压力大于第二腔室内的压力时，轴向驱动器3内的活塞杆向下运行，施加轴向的打磨力。

推拉力传感器31感应此轴向的打磨力，并将感应的轴向打磨力的数值反馈给人机界面并显示出来。当显示的数值在预设的范围内时，维持双作用低摩擦气缸的运行状态；当显示的数值不在预设的范围内时，调整第一电气比例调压阀322和第二电气比例调压阀323的参数值，使得双作用低摩擦气缸恒定保持在行程中部，打磨头4能够接触到待加工零件的表面，开始打磨，缩短了打磨力调整到标准力大小的时间。与传统的单比例阀和电磁阀控制气缸前后腔压力的调整方案相比，可使打磨头4离开零件表面时间缩短，提高始磨和止磨时打磨厚度的均匀性。

同时，推拉力传感器31将双作用低摩擦气缸的打磨轴向力直接反映在人机界面上，与双作用低摩擦气缸的控制系统形成一个具有补偿功能的闭环控制回路，缩短打磨力调整的响应时间、提高打磨精度。而只采用两个比例阀控制打磨力，因比例阀自身内部的压力传感器精度相对较低，控制的打磨力精度偏低，且控制到恒定打磨力所用的相应时间相对较长。

具体地，轴向打磨力的控制原理为：对恒力执行器的控制采用双闭环控制，该控制结构是在第一气源总控阀、第一电气比例调压阀322和第二电气比例调压阀323自身的气压进行PID控制算法的基础上，在闭环回路之外增加力控制环，即增加推拉力传感器31反馈双作用低摩擦气缸的作用力。由于控制系统的鲁棒性（抗干扰能力）可有效降低恒力执行器不同角度位置时双作用低摩擦气缸摩擦力对系统的影响。尤其是打磨头4的重力和滚珠花键的摩擦力对打磨力的整体影响。在控制系统中通过反馈控制进行补偿，从而实现打磨力的精确控制。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述执行器安装座1包括具有开口的容纳空腔14，中心轴11为滚珠花键副。所述滚珠花键轴的一端固定设置于所述容纳空腔14内，另一端沿所述打磨头4的方向延伸至所述容纳空腔14的开口处，所述轴向位移法兰5位于所述容纳空腔14的开口处且套设于所述滚珠花键轴上。

可选地，容纳空腔14具有一定的防尘作用。轴向驱动器3位于所述容纳空腔14内远离打磨头4的打磨端面，能够减少打磨过程中粉尘的侵入，提高精度和使用寿命。滚珠花键轴的滚珠花键副位于容纳空腔12内，能够减少打磨过程中粉尘的侵入，减小滚珠花键副的摩擦力，提高精度和使用寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种恒力执行器，其特征在于，包括：

执行器安装座，用于与机器人末端连接，设置有中心轴；所述执行器安装座的中心轴为滚珠花键轴；

轴向位移法兰，设置于所述执行器安装座下方，固定在所述中心轴上且能够与中心轴一起沿中心轴的中轴线升降；

轴向驱动器，用于提供恒力执行器的打磨头的打磨轴向力，所述轴向驱动器设置于所述执行器安装座的中心轴一侧，且所述轴向驱动器的固定端与所述执行器安装座连接，驱动端通过推拉力传感器与所述轴向位移法兰连接且驱动所述轴向位移法兰沿所述执行器安装座的中心轴轴向移动，所述推拉力传感器用于感知所述轴向驱动器的打磨轴向力；

输出端法兰，设置于所述轴向位移法兰下方且与所述打磨头固定连接；

万向浮动摆角装置，设置于所述轴向位移法兰与所述输出端法兰之间以实现打磨头在法向任意方向浮动摆动；所述万向浮动摆角装置包括多个安装在所述轴向位移法兰上的调节驱动器，所述调节驱动器的输出端顶接在所述输出端法兰上；所述调节驱动器通过可编程控制器控制摆角浮动动作和浮动力大小以满足不同打磨工艺要求。

2.如权利要求1所述的恒力执行器，其特征在于：多个调节驱动器在与所述中心轴同轴的圆周上均匀分布。

3.如权利要求1所述的恒力执行器，其特征在于：所述调节驱动器为针型气缸。

4.如权利要求3所述的恒力执行器，其特征在于：所述万向浮动摆角装置还包括一个摆角比例调压阀，用于联动控制多个针型气缸。

5.如权利要求1至4中任一项所述的恒力执行器，其特征在于：所述推拉力传感器一端与所述轴向驱动器的驱动端连接，另一端与所述轴向位移法兰连接。

6.如权利要求1至4中任一项所述的恒力执行器，其特征在于：所述轴向驱动器为双作用低摩擦气缸，所述双作用低摩擦气缸通过轴向控制系统来控制并平衡气缸两侧腔室的气压以使所述双作用低摩擦气缸恒定保持在行程中部。

7.如权利要求6所述的恒力执行器，其特征在于：所述轴向控制系统包括第一气源总控阀、第一电气比例调压阀和第二电气比例调压阀，所述第一电气比例调压阀的输入端和所述第二电气比例调压阀的输入端并联于所述第一气源总控阀的输出端，所述第一电气比例调压阀的输出端和所述第二电气比例调压阀的输出端分别与所述双作用低摩擦气缸的活塞两侧的腔室连通。

8.如权利要求1-4任意一项所述的恒力执行器，其特征在于：所述执行器安装座包括具有开口的容纳空腔，所述滚珠花键轴的一端固定设置于所述容纳空腔内，另一端沿所述打磨头的方向延伸至所述容纳空腔的开口处，所述轴向位移法兰位于所述容纳空腔的开口处且套设于所述滚珠花键轴上。

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