CN112549064A - 一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其包括：外壳、夹紧钳、传动单元和驱动单元，壳体内设置有隔板，且隔板上开设有通孔，夹紧钳安装在外壳上，由夹紧钳限定工件的位置，传动单元安装在外壳上，且传动单元的一端连接于夹紧钳，驱动单元安装在外壳的一端，且驱动单元连接于传动单元，由驱动单元为夹紧单元提供动力，本发明可以不通过与中央主控制器进行数据交换，自主完成工件的抓取、锁定、多档匀速旋转、制动和脱开等动作，同时本发明驱动方式为电动，结构简单，节约空间，能耗低，易维护，且本发明的机械手的传动单元前进即可实现手爪对工件的平行抓取和自锁，操作简单，执行方便。

Description

一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪

技术领域

本发明涉及感应加热技术领域，特别是涉及一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪。

背景技术

机械手系统包括传动机构和手爪，其对应的控制系统的结构主要有中央式和总线分布式两种。

在电磁环境较为复杂的多工位分布式高温超导感应加热应用场合，如果采用中央式集中控制结构，各运动控制单元都依靠中央处理器进行数据处理和控制，由于控制节点和反馈信号众多，导致线路复杂、感应加热系统的可靠性和稳定性得不到保障。而采用现场总线分布式控制体系结构，通过将机械手手爪部分的动作控制功能，例如工件的抓取、锁紧、旋转和制动，转速等参数的控制和反馈，分配给手爪控制器进行智能化的半自治管控，手爪可以半自主作业，中央主控制器只需要通过系统总线与该手爪控制器进行必要的信息或指令的交换，就可以极大的简化控制设备，降低控制系统的复杂性，提高多工位分布式感应加热系统的可靠性和稳定性。

高温超导感应加热系统中，机械手手爪的前端工作在强直磁场环境中，对自重较大、表面较粗糙、运动轨迹简单、同批工件直径较一致的金属棒材工件，循环执行抓取、夹持和驱动旋转、及脱开的操作。高温超导感应加热系统中，现有的手爪均不能在满足夹紧力、径向载荷、工艺性和抗电磁干扰要求的同时，实现智能化半自主作业。因此，研制一种夹紧力和径向载荷较大，工艺性和抗电磁干扰性能较强的机械手智能手爪和半自治控制方法，是高温超导感应加热设备智能制造领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，解决了现有技术中现有的手爪均不能在满足夹紧力、径向载荷、工艺性和抗电磁干扰要求的同时，实现智能化半自主作业的问题。

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其包括：外壳、夹紧钳、传动单元和驱动单元，所述壳体内设置有隔板，且所述隔板上开设有通孔，所述夹紧钳安装在所述外壳上，由所述夹紧钳限定工件的位置，所述传动单元安装在所述外壳上，且所述传动单元的一端连接于所述夹紧钳，所述驱动单元安装在所述外壳的一端，且所述驱动单元连接于所述传动单元，由所述驱动单元为所述夹紧单元提供动力。

优选的，所述传动单元和所述驱动单元之间设置有连杆，且所述连杆穿设于所述通孔，由所述通孔限制所述连杆的位置。

优选的，所述传动单元包括：第一传动部、第二传动部和第三传动部，所述第一传动部固定连接在所述外壳的内壁上，以限定传动单元的位置，所述第二传动部固定连接于所述夹紧钳，所述第三传动部的一端连接于所述连杆的一端，其中，所述第一传动部、第二传动部和所述第三传动部互相连接，以组成传动单元。

优选的，所述传动单元还包括：拉簧和拉杆，所述拉杆的一端连接于所述第三传动部，所述拉杆的另一端连接于所述拉簧的一端，所述拉簧的一端连接于所述连杆的一端。

优选的，所述驱动单元包括：锁止组件、制动组件和控制组件，所述锁止组件的一端连接于所述连杆的另一端，由所述锁止组件限定所述传动单元的锁定和脱开，所述制动组件连接在所述锁止组件另一端，由所述制动组件提供动力，，所述控制组件安装在所述外壳的一侧，且所述控制组件分别电连接于所述锁止组件和所述制动组件。

优选的，所述控制组件包括：支撑架、集电环和传动控制器，所述支撑架上设置有主轴，且所述主轴上安装有编码器和手爪控制器，所述编码器电连接于所述手爪控制器，以监测手爪的运动状态，，所述集电环设置在所述主轴和所述锁止组件之间，且所述集电环分别电连接于所述锁止组件、所述制动组件和所述编码器。

优选的，所述制动组件包括：减速机和驱动电机，所述减速机的高速端安装在主轴上，所述减速机的低速端安装在所述外壳的一端，由所述减速机对主轴进行减速，所述驱动电机安装在所述主轴的一侧，以驱动所述主轴转动。

优选的，所述夹紧钳的数目为多个，多个所述夹紧钳均匀的设置在所述外壳上；所述传动单元的数目为多个，多个所述传动单元安装在所述外壳内，且所述传动单元与所述夹紧钳对应设置。

本发明公开了一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其包括：外壳、夹紧钳、传动单元和驱动单元，壳体内设置有隔板，且隔板上开设有通孔，夹紧钳安装在外壳上，由夹紧钳限定工件的位置，传动单元安装在外壳上，且传动单元的一端连接于夹紧钳，驱动单元安装在外壳的一端，且驱动单元连接于传动单元，由驱动单元为夹紧单元提供动力，本发明可以不通过与中央主控制器进行数据交换，自主完成工件的抓取、锁定、多档匀速旋转、制动和脱开等动作，同时本发明驱动方式为电动，结构简单，节约空间，能耗低，易维护，且本发明的机械手的传动单元前进即可实现手爪对工件的平行抓取和自锁，操作简单，执行方便。

附图说明

图1是本发明一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪的示意图之一；

图2是本发明一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪的驱动单元的示意图；

图3是本发明一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪的示意图之一；

图4是本发明一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪的示意图之一。

附图标记：

100、外壳；110、隔板；200、夹紧钳；300、传动单元；310、第一传动部；320、第二传动部；330、第三传动部；340、拉簧；350、拉杆；400、驱动单元；410、锁止组件；420、制动组件；430、控制组件；500、连杆。

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。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，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申请中的具体含义。

参照图1-3，本发明公开了一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其包括：外壳100、夹紧钳200、传动单元300和驱动单元400，壳体内设置有隔板110，且隔板110上开设有通孔，夹紧钳200 安装在外壳100上，由夹紧钳200限定工件的位置，传动单元300安装在外壳100上，且传动单元300的一端连接于夹紧钳200，驱动单元 400安装在外壳100的一端，且驱动单元400连接于传动单元300，由驱动单元400为夹紧单元提供动力。本发明可以不通过与中央主控制器进行数据交换，自主完成工件的抓取、锁定、多档匀速旋转、制动和脱开等动作，同时本发明驱动方式为电动，结构简单，节约空间，能耗低，易维护，且本发明的机械手的传动单元前进即可实现手爪对工件的平行抓取和自锁，操作简单，执行方便。

优选的，传动单元300和驱动单元400之间设置有连杆500，且连杆500穿设于通孔，由通孔限制连杆500的位置。

在此需要注意的是，本发明通过设置隔板110，限制了连杆的位置的同时避免了工件的过度伸入，保证了操作的安全性。

优选的，传动单元300包括：第一传动部310、第二传动部320 和第三传动部330，第一传动部310固定连接在外壳100的内壁上，以限定传动单元300的位置，第二传动部320固定连接于夹紧钳200，第三传动部330的一端连接于连杆500的一端，其中，第一传动部310、第二传动部320和第三传动部330互相连接，以组成传动单元300。

在此需要注意的是，本发明的传动单元300为双向曲柄连杆结构，便于抓取棒材工件。

优选的，传动单元300还包括：拉簧340和拉杆350，拉杆350 的一端连接于第三传动部330，拉杆350的另一端连接于拉簧340的一端，拉簧340的一端连接于连杆500的一端。

在此需要注意的是，本发明通过设置拉簧340和拉杆350，保证了连接的稳定性的同时便于操作。

优选的，驱动单元400包括：锁止组件410、制动组件420和控制组件430，锁止组件410的一端连接于连杆500的另一端，由锁止组件 410限定传动单元300的锁定和脱开，制动组件420连接在锁止组件 410另一端，由制动组件420提供动力，控制组件430安装在外壳100 的一侧，且控制组件430分别电连接于锁止组件410和制动组件420。

优选的，控制组件430包括：支撑架、集电环和传动控制器，支撑架上设置有主轴，且主轴上安装有编码器和手爪控制器，编码器电连接于手爪控制器，以监测手爪的运动状态，，集电环设置在主轴和锁止组件410之间，且集电环分别电连接于锁止组件410、制动组件 420和编码器。

在此需要注意的是，本发明的手爪控制器通过集电环，与锁止组件410、制动组件420和编码器相连并进行数据的交换和控制，负责实施智能手爪的抓取、锁定、定速旋转、制动和脱开动作的数据处理、协调和控制，实现手爪的半自治作业。

优选的，制动组件420包括：减速机和驱动电机，减速机的高速端安装在主轴上，减速机的低速端安装在外壳100的一端，由减速机对主轴进行减速，驱动电机安装在主轴的一侧，以驱动主轴转动。

优选的，夹紧钳200的数目为多个，多个夹紧钳200均匀的设置在外壳100上；传动单元300的数目为多个，多个传动单元300安装在外壳100内，且传动单元300与夹紧钳200对应设置。

进一步的，本发明的工作原理及方法：

初始化：工件到达工作位后，中央主控制器向手爪控制器发送本工作节拍的初始化指令，并指定工件转速、加热时间等信息；手爪控制器在传动机构的带动下回到待机位，并进行初始化工作，包括：选定缓升、匀速、缓降阶段调速减速机的速比函数并设定初始值，设定加热计时，编码器归零，复位锁止组件410以保证其在拉杆350和拉簧340的作用下张开夹紧钳200；手爪控制器向中央主控制器反馈该手爪初始化完成的确认信息；

抓取和锁紧工件：手爪被传动单元300推动，沿工件的轴线向工件运动；工件一端的端面接触并在反作用力的作用下推动传动单元300，由杠杆原理，第三传动部330推动连杆经过隔板110上的通孔，从而推向锁止组件410构，工件被锁紧；锁止组件410向手爪控制器发送置位成功信号；

启动确认：手爪控制器向中央主控制器发送工件锁紧完成的信号，并等待中央主控制器的启动确认信号，如果在给定的确认时间段内未收到该确认信号，将再次发送锁紧完成的信号，直至成功并正确完整的收到来自中央主控制器的启动确认信号。

转速缓升：手爪控制器开启制动、计时中断；按照升速阶段的速比函数控制减速机在主轴的驱动下，驱动外壳100旋转，通过传动单元300和夹紧钳200，带动棒材工件按照设定的升速曲线进行转速缓升；如收到来自中央主控制器的紧急制动信号，则立即对减速机进行制动，并结束中断。

多档匀速旋转：减速机在主轴的驱动下，按照指定的加热转速，持续控制工件进行匀速旋转；如收到计时终止的中断信号，则进入转速缓降程序；收到来自中央主控制器的紧急制动中断信号，则立即对减速机进行制动，并结束中断。

转速缓降：手爪控制器按照降速阶段的速比函数控制减速机，在主轴的驱动下，驱动外壳100旋转，通过传动单元300和夹紧钳200，带动棒材工件按照设定的降速曲线进行转速缓降，直至转速归零，结束中断；如收到来自中央主控制器的紧急制动中断信号，则立即对减速机进行制动，并结束中断。

脱开确认：手爪控制器向中央主控制器发送加热完成的信号，并等待中央主控制器的确认完成信号，如果在给定的确认时间段内未收到该确认信号，将再次发送加热完成的信号，直至成功并正确完整的收到中央主控制器的确认信号。

脱开工件：手爪控制器向锁止组件410发送复位信号；锁止组件410解除对连杆的锁紧，在拉簧340拉杆350的作用下，夹紧钳200 张开，脱离与工件的接触；锁止组件410向手爪控制器发送复位成功信号；手爪控制器向中央主控制器发送工件解锁成功的信号；手爪被传动单元300拉动，沿工件的轴线背向工件运动，回到待机位。

更进一步的，本发明相对现有技术的有益技术效果

(1)本发明的驱动方式为电动，结构简单，节约空间，能耗低，易维护。

(2)本发明的机械手的传动单元300前进即可实现手爪对工件的平行抓取和自锁，操作简单，执行方便。

(3)本发明的加热过程无需传动单元300长时间施加轴向顶紧力。

(4)本发明采用开放工件腔的爪式结构，工件不易粘结，加热完成后即可自动安全脱开。

(5)本发明的传动单元300的行程较小，系统效率高，且本发明采用前端封闭隔档结构，可抗电磁干扰。

(6)本发明无外部走线，安全可靠，拓展性强，且本发明的径向载荷较大，采用平行夹持结构，保证了对工件的扭矩传输。

(7)本发明的负载、自重比例大，输出效率较高，同时本发明具备缓升和降速功能，降低了对驱动电机的要求。

(8)本发明无需联轴器，结构紧凑，节省了设备的占地面积，且本发明支持工件以多档转速进行感应加热，可调可控性强。

(9)本发明的部件级集中控制器与中央主控制器之间的关键通信环节，采用了“三次握手”的防错方式，有力保障电磁干扰环境下的安全生产。

(10)本发明为智能化半自治自主作业，减少了对中央主处理器的依赖，适用于高可靠性和稳定性的多工位分布式高温超导感应加热系统。

综上，本发明公开了一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其包括：外壳、夹紧钳、传动单元和驱动单元，壳体内设置有隔板，且隔板上开设有通孔，夹紧钳安装在外壳上，由夹紧钳限定工件的位置，传动单元安装在外壳上，且传动单元的一端连接于夹紧钳，驱动单元安装在外壳的一端，且驱动单元连接于传动单元，由驱动单元为夹紧单元提供动力，本发明可以不通过与中央主控制器进行数据交换，自主完成工件的抓取、锁定、多档匀速旋转、制动和脱开等动作，同时本发明驱动方式为电动，结构简单，节约空间，能耗低，易维护，且本发明的机械手的传动单元前进即可实现手爪对工件的平行抓取和自锁，操作简单，执行方便。

以上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替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其特征在于，包括：

外壳，所述壳体内设置有隔板，且所述隔板上开设有通孔；

夹紧钳，所述夹紧钳安装在所述外壳上，由所述夹紧钳限定工件的位置；

传动单元，所述传动单元安装在所述外壳上，且所述传动单元的一端连接于所述夹紧钳；

驱动单元，所述驱动单元安装在所述外壳的一端，且所述驱动单元连接于所述传动单元，由所述驱动单元为所述夹紧单元提供动力。

2.如权利要求1所述的基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其特征在于，所述传动单元和所述驱动单元之间设置有连杆，且所述连杆穿设于所述通孔，由所述通孔限制所述连杆的位置。

3.如权利要求1所述的基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其特征在于，所述传动单元包括：

第一传动部，所述第一传动部固定连接在所述外壳的内壁上，以限定传动单元的位置；

第二传动部，所述第二传动部固定连接于所述夹紧钳；

第三传动部，所述第三传动部的一端连接于所述连杆的一端；

其中，所述第一传动部、第二传动部和所述第三传动部互相连接，以组成传动单元。

4.如权利要求3所述的基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其特征在于，所述传动单元还包括：拉簧和拉杆，所述拉杆的一端连接于所述第三传动部，所述拉杆的另一端连接于所述拉簧的一端，所述拉簧的一端连接于所述连杆的一端。

5.如权利要求4所述的基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其特征在于，所述驱动单元包括：

锁止组件，所述锁止组件的一端连接于所述连杆的另一端，由所述锁止组件限定所述传动单元的锁定和脱开；

制动组件，所述制动组件连接在所述锁止组件另一端，由所述制动组件提供动力；

控制组件，所述控制组件安装在所述外壳的一侧，且所述控制组件分别电连接于所述锁止组件和所述制动组件。

6.如权利要求5所述的基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其特征在于，所述控制组件包括：

支撑架，所述支撑架上设置有主轴，且所述主轴上安装有编码器和手爪控制器，所述编码器电连接于所述手爪控制器，以监测手爪的运动状态；

集电环，所述集电环设置在所述主轴和所述锁止组件之间，且所述集电环分别电连接于所述锁止组件、所述制动组件和所述编码器；

传动控制器，所述传动控制器设置在所述支撑架上，由所述传动控制器将传动结构运动产生的机械信号转化为电信号。

7.如权利要求6所述的基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其特征在于，所述制动组件包括：

减速机，所述减速机的高速端安装在主轴上，所述减速机的低速端安装在所述外壳的一端，由所述减速机对主轴进行减速；

驱动电机，所述驱动电机安装在所述主轴的一侧，以驱动所述主轴转动。

8.如权利要求1所述的基于高温超导感应加热系统的机械手智能手爪，其特征在于，所述夹紧钳的数目为多个，多个所述夹紧钳均匀的设置在所述外壳上；所述传动单元的数目为多个，多个所述传动单元安装在所述外壳内，且所述传动单元与所述夹紧钳对应设置。

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