CN113070743A - 一种机器人末端执行器及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人末端执行器及机器人，属于打磨加工技术领域。该机器人末端执行器用于对工件的打磨加工，包括执行工具、回转单元、旋转单元、超声波振子及恒力控制组件，其中，回转单元的一端与执行工具连接，回转单元用于带动执行工具做回转运动；旋转单元用于带动回转单元做旋转运动，旋转运动方向与回转运动方向不在同一方向；超声波振子与旋转单元连接，超声波振子用于带动回转单元及执行工具做轴向振动；恒力控制组件用于使执行工具与工件保持恒定接触压力。一种机器人包括上述的机器人末端执行器。本发明提供的机器人末端执行器，通过结构设计和恒定接触压力的控制，简化了结构，降低了控制难度，提高了加工质量和工作效率。

Description

一种机器人末端执行器及机器人

技术领域

本发明涉及打磨加工技术领域，尤其涉及一种机器人末端执行器及机器人。

背景技术

目前，飞机机体和大部件的全面加工是民用飞机制造商和维修厂在涂装工艺方面最主要的工作和难度最大的工艺，加工产生的缺陷会直接反映到最终的外观，涂装前飞机的表面加工质量很大程度上决定了飞机最终的涂装质量和效果。目前飞机制造过程中普遍采用手持式气动打磨机，完全依靠人的经验控制打磨力、角度、时间，存在加工质量稳定性差、效率低下等问题，尤其是加工复合材料机身可靠性难以保证，加工过程中大量的粉尘会对操作人员健康造成巨大的伤害。

现有的自动打磨装置中，如无轴向振动的旋转加工末端执行装置，对于像碳纤维复合材料这样的硬脆材料加工，由于需要较大的切削力进行切削，加工过程中会使工件产生较大的表面粗糙度等，工件表面质量效果不理想；对于机器人柔性打磨系统，通过在打磨工具前加装力传感器，捕捉加工压力，根据压力调整机械臂的末端位置，从而实现柔性加工，然而反馈控制系统带有一定的延迟性，这种柔性控制策略保持恒定压力的效果并不理想；对于超声磨削装置，通过在电机与加工工具之间加装超声波振子，实现加工工具的旋转振动加工，但装置体积较大，结构复杂，不适合加装在机器人上。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种机器人末端执行器，简化结构，提高加工质量及工作效率；对执行工具进行多角度调节，增大加工灵活性；并使执行工具相对于工件保持一定的接触压力不变，降低控制难度，提高加工精度，减小执行工具磨损，及提高对材料的适应性。

本发明的第二个目的在于提供一种机器人，简化结构，降低控制难度，提高加工质量和加工效率。

为实现第一个目的，本发明采用以下技术方案：

一种机器人末端执行器，用于对工件的打磨加工，包括：

执行工具；

回转单元，其一端与执行工具连接，回转单元用于带动执行工具做回转运动；

旋转单元，用于带动回转单元做旋转运动，旋转运动方向与回转运动方向不在同一方向；

超声波振子，与旋转单元连接，超声波振子用于带动回转单元及执行工具做轴向振动；

恒力控制组件，用于使执行工具与工件保持恒定的接触压力。

可选地，旋转单元包括旋转气缸，旋转气缸的缸体与超声波振子连接，旋转气缸的活塞杆与回转单元连接。

可选地，恒力控制组件包括：

控制器本体；

力传感器，用于检测执行工具受力大小，并反馈给控制器本体；

位移传感器，用于检测执行工具与工件的间距，并反馈给控制器本体；

比例阀，通过控制器本体主动调整或者根据力传感器和位移传感器反馈的信息以控制旋转气缸。

可选地，回转单元包括电主轴，电主轴与旋转单元连接，电主轴的输出端与执行工具连接。

可选地，电主轴上连接有刀柄,执行工具安装在刀柄上。

可选地，超声波振子包括：

超声波发生器；

换能器，其一端安装在恒力控制组件上，换能器设有接收高频电信号的接收端口，接收端口通过插头连接器连接超声波发生器；

变幅杆，其一端与换能器的另一端连接，变幅杆的另一端与旋转单元连接。

可选地，超声波振子的振幅变换范围为0.05mm-0.15mm，和/或振动频率为16000Hz-25000Hz。

可选地，机器人末端执行器还包括安装在恒力控制组件一端的第一法兰，第一法兰用于与外部执行机构连接；和/或安装在恒力控制组件另一端的第二法兰，第二法兰用于与超声波振子连接。

可选地，机器人末端执行器还包括：

用于连接超声波振子与旋转单元的第三法兰；

和/或用于连接旋转单元和回转单元的第四法兰；

和/或用于连接回转单元和执行工具的第五法兰。

为实现第二个目的，本发明采用以下技术方案：

一种机器人，包括机器人本体，还包括上述的机器人末端执行器，机器人末端执行器安装在机器人本体上。

本发明的有益效果为：

本发明提供的机器人末端执行器，机器人末端执行器用于打磨工件时，回转单元带动执行工具产生回转运动，超声波振子使执行工具产生轴向振动，通过执行工具轴向振动将工件表面材料粉碎成颗粒状，同时通过回转单元的回转运动去除颗粒物，相比传统旋转加工和超声抛光加工，提高了加工效率和精度，降低了加工应力，减小了对执行工具的磨损，增大了加工适用范围；超声波振子与执行工具之间设置回转单元，使执行工具具有回转运动和轴向振动，避免了直接驱动超声波振子做回转运动，从而不再需要电刷供电装置或非接触供电装置来为超声波振子供电，使结构简化；通过旋转单元运动，带动执行工具进行旋转，改变执行工具与工件之间的角度，使工件与执行工具之间的压力方向保持与恒力控制组件的控制方向平行，解决了加工不同材料时需要执行工具以不同角度接触工件，从而保证恒力控制组件使执行工具对于工件可以保持恒定的接触压力；恒力控制组件用于检测和控制工件和执行工件之间的接触压力，实现力的双向控制，使执行工具在结束加工或暂停加工时可以及时脱离工件表面，避免过度加工，提高了加工精度和加工质量，使执行工具磨损小，并提高了对材料的适应性。

本发明提供的机器人，通过采用将上述的机器人末端执行器安装在机器人本体上用于工件的打磨，能够改善加工质量和提高加工效率。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的机器人末端执行器结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的机器人末端执行器旋转单元旋转90度时的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的机器人末端执行器加工工件底面工作原理图；

图4是本发明具体实施方式提供的机器人末端执行器加工工件侧面工作原理图。

图中：

100-工件；1-第一法兰；2-恒力控制组件；3-第二法兰；4-超声波振子；5-第三法兰；6-旋转单元；7-第四法兰；8-回转单元；9-第五法兰；10-刀柄；11-执行工具。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”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。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。

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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在零部件打磨加工的过程中，现有技术普遍采用手持式打磨方式，不但打磨加工效果差，而且加工过程中的大量粉尘会对操作者的健康造成巨大的伤害。为此本实施例提供了一种机器人，包括机器人本体和安装在机器人本体上的机器人末端执行器，避免人工打磨加工，改善加工质量和提高加工效率，且避免了对人身健康造成伤害。现有技术中，机器人末端执行器还存在诸多问题，如对于像碳纤维复合材料等硬脆材料加工效果不理想或者难以保证加工过程中保持恒定的加工压力等。

为解决上述问题，本实施例提供了一种用于对工件100的打磨加工的机器人末端执行器，如图1-4所示，包括执行工具11、回转单元8、旋转单元6、超声波振子4及恒力控制组件2；其中，回转单元8的一端与执行工具11连接，回转单元8用于带动执行工具11做回转运动；旋转单元6用于带动回转单元8做旋转运动，旋转运动方向与回转运动方向不在同一方向；超声波振子4与旋转单元6连接，超声波振子4用于带动回转单元8及执行工具11做轴向振动；恒力控制组件2用于使执行工具11与工件100保持恒定的接触压力。机器人末端执行器用于打磨工件100时，回转单元8带动执行工具11产生回转运动，同时超声波振子4使执行工具11产生轴向振动，通过执行工具4轴向振动将工件100表面材料粉碎成颗粒状，同时通过回转单元8的回转运动去除颗粒物，相比传统旋转加工和超声抛光加工，提高了加工效率和精度，降低了加工应力，减小了对执行工具11的磨损，增大了加工适用范围；超声波振子4与执行工具11之间设置回转单元8，使执行工具22具有回转运动和轴向振动，避免了直接驱动超声波振子4做回转运动，从而不再需要电刷供电装置或非接触供电装置来为超声波振子4供电，使结构简化；通过旋转单元6运动，带动执行工具11进行旋转，改变执行工具11与工件100之间的角度，使工件100与执行工具11之间的压力方向保持与恒力控制组件2的控制方向平行，解决了加工不同材料时需要执行工具11以不同角度接触工件100，从而保证恒力控制组件2使执行工具11对于工件100可以保持恒定的接触压力；同时旋转单元6还能够增大加工角度范围，本实施例中，如图3所示，当需要执行工具11对工件100的底面加工时，旋转单元6转动到图1所示的状态对工件100进行加工；如图4所示，当需要执行工具11对工件100的侧面进行加工时，旋转单元6带动电主轴及执行工具11转动90度如图2所示的状态对工件100进行加工；恒力控制组件2用于检测和控制工件100和执行工具11之间的接触压力，实现力的双向控制，使执行工具在结束加工或暂停加工时可以及时脱离工件表面，避免过度加工，提高了加工精度和加工质量，使执行工具11磨损小并提高了对材料的适应性。

可选地，旋转单元6包括旋转气缸，旋转气缸的缸体与超声波振子4连接，旋转气缸的活塞杆与回转单元8连接，由于旋转气缸具有设计紧凑及安装空间小等优点，将其使用在机器人末端执行器上，能够减小末端执行器整体的结构尺寸和重量，有助于减小机器人末端执行器的负载，更适合应用于机器人上。

可选地，恒力控制组件2包括控制器本体、力传感器、位移传感器和比例阀，其中，力传感器用于检测执行工具11受力大小，并反馈给控制器本体；位移传感器用于检测执行工具11与工件100的间距，并反馈给控制器本体；比例阀通过控制器本体主动调整或者力传感器和位移传感器反馈信息从而做出精准判断来控制旋转气缸及相关连接件；根据实际使用时工件100所需的压力和末端执行器的自重来计算确定比例阀的预定值，使旋转单元6带动执行工具11与工件100之间保持一个角度，使工件100与执行工具11之间的压力方向保持与恒力控制组件2的控制方向平行；加工过程中，通过力传感器和位移传感器共同检测及反馈，从而控制旋转单元带动执行工具11进行伸缩，使旋转单元6带动执行工具11与工件100之间始终保持一个角度，并使工件100与执行工具11之间的压力方向始终保持与恒力控制组件2的控制方向平行，保证该压力恒定。

可选地，恒力控制组件2的一端安装有第一法兰1，第一法兰1用于与外部执行机构连接，本实施例中，第一法兰1用于将恒力控制组件2安装在机器人的末端，从而实现恒力控制组件2与机器人的连接；本实施例中，恒力控制组件2另一端安装有第二法兰3，第二法兰3用于与超声波振子4连接；具体地，在恒力控制组件2上打螺纹孔，第一法兰1和第二法兰3上打通孔，通过紧固件即可实现恒力控制组件2与机器人和超声波振子4的连接，结构简单，安装方便。

具体地，超声波振子4包括超声波发生器、换能器和变幅杆，其中换能器的一端安装在恒力控制组件2上，换能器设有接收高频电信号的接收端口，接收端口通过插头连接器连接超声波发生器，获得高频电信号之后，换能器会产生高频低幅振动；变幅杆的一端与换能器的另一端连接，所述变幅杆部分将振动幅度增大至合理值，变幅杆的另一端与旋转单元6连接。可选地，超声波振子4连接高频电信号信号源，即将超声波发生器的输出端接到超声波振子4的输入接口上，启动超声波发生器，超声波振子4即产生轴向超声波振动，并将该振动向下传递直至执行工具11，使执行工具11在加工过程中具有垂直于工作表面的超声振动，将改善加工质量并提升加工效率。

可选地，超声波振子4与旋转单元6通过第三法兰5连接；具体地，换能器与恒力控制组件2通过第二法兰3连接，变幅杆通过第三法兰5与旋转气缸连接。进一步具体地，变幅杆底部设有螺纹孔，旋转气缸上也设有螺纹孔，第三法兰5上分别设有与变幅杆底部和旋转气缸相对应的通孔，并分别通过螺钉连接，变幅杆将轴向振动传递给第三法兰5。

随着超声振动振幅的增加，切削力会逐渐降低，执行工具11与工件100的实际接触时间减少，在保障一定的实际接触时间的前提下，可以根据不同材料的加工需求，更换不同的变幅杆，以获得执行工具11不同的轴向超声振动振幅；可选地，超声波振子4的振幅变换范围为0.05mm-0.15mm，以满足对工件100加工的最佳切削力的要求。超声振动频率对切削力影响很小，但是过高的振动频率会在工具中产生较大的内应力，严重时将超过工具的疲劳强度，降低其使用寿命，可选地，振动频率为16000-25000Hz。优选地，超声波振子4采用20000Hz振动频率和0.1mm的振幅。

通过在执行工具11回转运动的基础上增加超声波振动，可以使工件100接触表面产生疲劳，增加超声振动可以有效降低切削力、切削温度、表面粗糙度，提高加工表面质量，对于具有硬脆特性的复合材料，如碳纤维复合材料，能够减少其产生的裂纹。可选地，回转单元8包括电主轴，电主轴与旋转单元6连接，电主轴的输出端与执行工具11连接，通过控制驱动器使电主轴旋转，配合超声波振子4产生的超声波振动，可实现执行工具11的回转超声波辅助加工。电主轴具有结构紧凑及重量轻等优点，能减小末端执行器的负载，更适合用于机器人上。

可选地，回转单元8的两端分别连接有第四法兰7和第五法兰9，第四法兰7用于连接旋转单元6和回转单元8，第五法兰9用于连接回转单元8和执行工具11。可选地，电主轴上连接有刀柄10,执行工具11安装在刀柄10上。可选地，刀柄10为标准刀柄以便加装不同执行工具11。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人末端执行器，用于对工件(100)的打磨加工，其特征在于，包括：

执行工具(11)；

回转单元(8)，其一端与所述执行工具(11)连接，所述回转单元(8)用于带动所述执行工具(11)做回转运动；

旋转单元(6)，用于带动所述回转单元(8)做旋转运动，所述旋转运动方向与所述回转运动方向不在同一方向；

超声波振子(4)，与所述旋转单元(6)连接，所述超声波振子(4)用于带动所述回转单元(8)及所述执行工具(11)做轴向振动；

恒力控制组件(2)，用于使所述执行工具(11)与所述工件(100)保持恒定的接触压力。

2.如权利要求1所述的机器人末端执行器，其特征在于，所述旋转单元(6)包括旋转气缸，所述旋转气缸的缸体与所述超声波振子(4)连接，所述旋转气缸的活塞杆与所述回转单元(8)连接。

3.如权利要求2所述的机器人末端执行器，其特征在于，所述恒力控制组件(2)包括：

控制器本体；

力传感器，用于检测所述执行工具(11)受力大小，并反馈给所述控制器本体；

位移传感器，用于检测所述执行工具(11)与所述工件(100)的间距，并反馈给所述控制器本体；

比例阀，通过所述控制器本体主动调整或者根据所述力传感器和所述位移传感器反馈的信息以控制所述旋转气缸。

4.如权利要求1-3任一项所述的机器人末端执行器，其特征在于，所述回转单元(8)包括电主轴，所述电主轴与所述旋转单元(6)连接，所述电主轴的输出端与所述执行工具(11)连接。

5.如权利要求4所述的机器人末端执行器，其特征在于，所述电主轴上连接有刀柄(10),所述执行工具(11)安装在所述刀柄(10)上。

6.如权利要求1-3任一项所述的机器人末端执行器，其特征在于，所述超声波振子(4)包括：

超声波发生器；

换能器，其一端安装在所述恒力控制组件(2)上，所述换能器设有接收高频电信号的接收端口，所述接收端口通过插头连接器连接所述超声波发生器；

变幅杆，其一端与所述换能器的另一端连接，所述变幅杆的另一端与所述旋转单元(6)连接。

7.如权利要求1-3任一项所述的机器人末端执行器，其特征在于，超声波振子(4)的振幅变换范围为0.05mm-0.15mm，和/或振动频率为16000Hz-25000Hz。

8.如权利要求1-3任一项所述的机器人末端执行器，其特征在于，机器人末端执行器还包括安装在所述恒力控制组件(2)一端的第一法兰(1)，所述第一法兰(1)用于与外部执行机构连接；和/或安装在所述恒力控制组件(2)另一端的第二法兰(3)，所述第二法兰(3)用于与所述超声波振子(4)连接。

9.如权利要求1-3任一项所述的机器人末端执行器，其特征在于，所述机器人末端执行器还包括：

用于连接所述超声波振子(4)与所述旋转单元(6)的第三法兰(5)；

和/或用于连接所述旋转单元(6)和所述回转单元(8)的第四法兰(7)；

和/或用于连接所述回转单元(8)和所述执行工具(11)的第五法兰(9)。

10.一种机器人，包括机器人本体，其特征在于，还包括权利要求1-9任一项所述的机器人末端执行器，所述机器人末端执行器安装在所述机器人本体上。

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