CN113601163B - 一种用于指尖陀螺装配的柔性腕关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于指尖陀螺装配的柔性腕关节，针对自动化装配线关节臂定位误差、指尖陀螺捏持姿态误差及装配预紧力不足等问题，设计了用于固定装配夹具的柔性腕关节，包括姿态柔性调整单元和力矩适应单元，以调整陀螺本体装配时的姿态和限制最大装配转矩。捏持螺钉旋入时，定位误差和姿态误差造成捏持螺钉和捏持基盖的轴线不同轴，在柔性支撑垫的弹性形变作用下，使得固定在安装法兰上的装配夹具可根据外部附加力而调整自身姿态，从而自适应地补偿关节臂装配误差。力矩适应单元使用扭簧限制捏持螺钉旋入时的最大转矩，确保装配过程螺纹预紧力一致。本发明解决了指尖陀螺装配过程中装配误差和装配预紧力带来的装配不稳定性问题。

Description

一种用于指尖陀螺装配的柔性腕关节

技术领域

本发明涉及一种用于指尖陀螺装配的柔性腕关节，具体说，涉及柔性腕关节。

背景技术

近年来，在我国制造业转型升级的背景下，自动化装配线作为加速社会生产力发展、改进企业生产技术及减轻工人体力劳动的重要方式，成为了现代生产发展的主要趋势之一。自动化装配线具有装配精度好、生产率较高、占地面积小等特点，可大幅缩短装配周期和降低成本，并保证装配的一致性，在工业生产中得到了越来越广泛的运用。

指尖陀螺作为近年来市场上受到欢迎的一种新兴玩具，其装配的自动化程度尚处于较低水平。目前加工过程通常采用人工将捏持基盖轴与深沟球轴承的内圈配合，随后将捏持螺钉的前端外螺纹与捏持基盖的内螺纹配合，保证捏持基盖和捏持螺钉的配合具有一定预紧力。人工装配线的每一道工序都需要工人介入，效率较低，人力成本的耗费较大。自动化装配线普遍采用气动装置和关节臂替代工人的机械化操作，使用气动装配夹具固定捏持基盖，随后使用关节臂完成捏持基盖与深沟球轴承、捏持螺钉的前端外螺纹与捏持基盖的内螺纹的配合，并放置于传送带对物料进行转运。夹具装卡、零件装配、物料的转移全程可实现无人工介入，大大提高了装配效率，节省人工成本，且能够实现24小时不间断装配。

当前使用自动化装配线装配指尖陀螺的技术难点在于，首先，由于关节臂以及夹具装卡存在误差，旋入捏持螺钉时可能存在不能对准中心，导致螺纹不能很好地导向，螺钉无法正常旋入的情况；其次，由于捏持螺钉旋入时初始角度随机，这导致捏持螺钉与捏持基盖的螺纹配合达到指定预紧力所需要旋入的圈数每次都不同，装配线常采用的固定圈数可能使预紧力过大或过小，严重影响装配过程的一致性。

本专利针对自动化装配线关节臂定位误差、指尖陀螺捏持姿态误差及装配预紧力不足等问题，设计了一种用于指尖陀螺装配的柔性腕关节，分力矩适应单元和姿态柔性调整单元两部分，解决上述装配过程中的两个技术难题，提高了指尖陀螺自动化装配过程中的可靠性和一致性。

发明内容

本发明的目的在于提供用于指尖陀螺装配的柔性腕关节，以实现上述功能和目标。

本发明的实施例提供了一种用于指尖陀螺装配的柔性腕关节，其特征在于，该柔性腕关节包括姿态柔性调整单元和力矩适应单元，具体包括底板、基座、回转轴、轴承、上端盖、限位转盘、柔性支撑垫、安装法兰、扭簧、套筒轴和止动转盘等，该柔性腕关节通过底板安装于装配立柱上，指尖陀螺的装配夹具放置并连接在柔性腕关节的安装法兰上。

进一步，姿态柔性调整单元包括柔性支撑垫、安装法兰、限位转盘等，柔性支撑垫放置在安装法兰和限位转盘之间，螺钉穿过安装法兰和柔性支撑垫，旋入并固定于限位转盘的螺纹孔，螺钉的预紧力控制在100N以内；柔性支撑垫采用软度为50度的软胶材料，柔性支撑垫的外形采用圆盘结构，边缘设计了四个安装孔，安装孔与连接螺钉的单侧间隙不小于0.8mm；安装法兰的边缘设计了用于放置圆柱沉头螺钉的沉孔和通孔，沉孔与螺帽单侧间隙不小于0.6mm，通孔和螺钉的单侧间隙不小于0.6mm。

进一步，力矩适应单元包括底板、基座、回转轴、轴承、上端盖、扭簧、套筒轴和止动转盘等，回转轴由两个轴承支撑，轴承放置于基座内部，上轴承由上端盖压紧，下轴承由底板压紧，回转轴可绕基座轴线转动，回转轴两端均设计有内螺纹和定位凸台；限位转盘安装并固定于回转轴的上部，安装法兰、柔性支撑垫和限位转盘共同随回转轴转动；止动转盘安装在回转轴的下端，采用腔体结构，底部设计了与定位凸台配合的矩形槽，在腔体外圆上设计了用于限制扭簧引脚的凹槽；套筒轴与止动转盘接触，通过螺钉连接的方式，将套筒轴和止动转盘压紧在回转轴下端面；扭簧安装在套筒轴上，止动转盘和底板共同限制扭簧的上下窜动，底板上安装了两个末端凸出的扭簧限位螺钉，扭簧的上引脚限制在止动转盘的凹槽内，下引脚限制于两个扭簧限位螺钉之间，回转轴转动时，通过止动转盘带动上引脚绕扭簧轴线转动，产生相应扭矩；上端盖安装在基座的上部，上端盖具有两个限位槽，在限位转盘上安装两个与限位槽对应的硬限位螺钉，硬限位螺钉插入对应的限位槽中，以限制回转轴和安装法兰的转动范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了自动化装配线关节臂定位精度误差导致捏持螺钉螺纹配合导向困难的问题，和捏持螺钉初始角度不一致导致达到预定预紧力所需旋入圈数不能确定的问题，提高了指尖陀螺自动化装配过程中的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是指尖陀螺装配线的轴侧视图；

图2是指尖陀螺装配线托盘的爆炸视图；

图3是指尖陀螺装配台的爆炸视图；

图4是本发明柔性腕关节的轴测视图；

图5是柔性腕关节的爆炸视图；

图6是柔性腕关节的装配图；

图7a和图7b分别是两个回转轴的轴测视图；

图8a和图8b分别是两个止动转盘的轴测视图；

图9a和图9b分别是扭簧自然状态和受转矩状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本实施例提供了一种用于指尖陀螺装配的柔性腕关节，参图1和图2所示，该柔性腕关节9用于指尖陀螺的自动化装配线。该自动化装配线主要由传送带1、托盘2、陀螺本体装配关节臂3、螺钉装配关节臂38、陀螺本体抓手6、螺钉装配抓手7、柔性腕关节9、装配夹具10、定位气缸11、相机支架12、相机转接板13、相机14、陀螺本体15组成。陀螺本体装配关节臂3和螺钉装配关节臂38采用六自由度关节臂，末端具有安装外部附件的法兰，末端具有转动自由度。传送带1的上部滚动轴均具有动力输出功能，托盘2同时与四根滚动轴接触，在滚动轴的驱动下托盘2可持续向前运动。陀螺本体装配关节臂3 和螺钉装配关节臂38安装在传送带1一侧的左关节臂基座4和右关节臂基座40上，末端最佳操作平面与托盘2和装配夹具10平齐。陀螺本体抓手6和螺钉装配抓手7分别通过气动转接工装5分别安装于陀螺本体装配关节臂3和螺钉装配关节臂38的末端，指尖陀螺本体15放置于安装在托盘2上的三角工装35上，托盘2放置于传送带1的上方。末端装有基盖抓手7的螺钉装配关节臂38自动从安装于托盘2上的基盖固定基座37上夹持捏持基盖33放入装配夹具10中并夹紧，末端装有陀螺本体抓手6的陀螺本体装配关节臂3 再从安装于托盘2上的三角工装35上夹持陀螺本体15对准装配夹具10轴线，使装配夹具10夹紧的捏持基盖33轴部穿过陀螺本体15的轴承孔，捏持基盖33轴肩压紧轴承内圈，末端装有基盖抓手7的螺钉装配关节臂38自动从安装于托盘2上的螺钉固定基座36上夹持捏持螺钉32，旋入捏持基盖33轴部的螺纹孔内，完成对指尖陀螺的装配。末端装有陀螺本体抓手6的陀螺本体装配关节臂3再从装配夹具10夹持装配完成的指尖陀螺放回安装于托盘2上的三角工装35上，并由传送带1运离装配线。

实际装配过程中，由于螺钉装配关节臂38存在一定的定位误差，捏持螺钉32与捏持基盖33进行螺纹连接时会出现不同轴的情况，严重情况下可导致螺钉无法正常旋入。另外，捏持螺钉32旋入时，会因为初始位置不同导致采用旋入固定圈数会使预紧力不足或者过大，不能满足固定预紧力装配要求。基于以上问题设计用于上述自动化装配线的柔性腕关节，实现螺纹装配时姿态的自动调整和力矩的自动适应。

参图3、图4和图5所示，该柔性腕关节9包括姿态柔性调整单元和力矩适应单元，具体包括安装法兰16、柔性支撑垫17、限位转盘18、上端盖20、轴承21、回转轴22、基座23、止动转盘24、套筒轴25、扭簧26、和底板27等，该柔性腕关节9通过底板27 安装于装配立柱8上，指尖陀螺装配夹具10放置并通过螺纹连接在柔性腕关节9的安装法兰16上。

参图5和图6所示，姿态柔性调整单元包括安装法兰16、柔性支撑垫17、限位转盘18等，柔性支撑垫17放置在安装法兰16和限位转盘18之间，姿态柔性调整螺钉29穿过安装法兰16和柔性支撑垫17，旋入并固定于限位转盘18的螺纹孔，姿态柔性调整螺钉 29的预紧力控制在100N以内。柔性支撑垫17采用软度为50度的软胶材料，柔性支撑垫 17的外形采用圆盘结构，边缘设计了四个安装孔，安装孔与姿态柔性调整螺钉29的单侧间隙不小于0.8mm。安装法兰16的边缘设计了用于放置圆柱沉头螺钉的沉孔和通孔，沉孔与螺钉头部单侧间隙不小于0.6mm，通孔和螺钉的单侧间隙不小于0.6mm。捏持螺钉32 与捏持基盖33进行螺纹连接时，当螺钉装配关节臂38自身误差导致捏持螺钉32轴线与捏持基盖33轴线产生偏差时，螺钉装配关节臂38末端下压带动捏持螺钉32顶推陀螺本体15，从而向陀螺本体15施加一定的转矩，陀螺本体15、装配夹具10、安装法兰16可视为固连状态而作为一个整体共同承受转矩，具有一定刚性的柔性支撑垫17在转矩作用下形变，陀螺本体15、装配夹具10、安装法兰16组合体随之旋转，进而补偿螺钉装配关节臂38的位置误差，帮助捏持螺钉32螺纹配合过程顺利导向。

参图6、图7、图8和图9所示,力矩适应单元包括上端盖20、上轴承21、回转轴22、基座23、止动转盘24、套筒轴25、扭簧26、底板27和下轴承39等。回转轴22由两个轴承支撑，轴承放置于基座23内部，上轴承21由上端盖20压紧，下轴承39由底板27压紧，回转轴22可绕基座23轴线转动。回转轴22两端均设计有定位凸台22a和内螺纹22b，限位转盘18通过上轴端螺钉30安装并固定于回转轴22的上部，安装法兰16、柔性支撑垫17和限位转盘18共同随回转轴22转动。止动转盘24安装在回转轴22的下端，采用腔体结构，底部设计了与定位凸台22a配合的矩形槽22a，用于防止回转轴22和套筒轴25的相对转动，在腔体外圆上设计了用于限制扭簧引脚的凹槽24b。套筒轴25与止动转盘24接触，通过下轴端螺钉31，将套筒轴25和止动转盘24压紧在回转轴22下端面。扭簧26安装在套筒轴22上，止动转盘24和底板27共同限制扭簧26的上下窜动。底板27上安装了两个末端凸出的扭簧限位螺钉28，扭簧26的上引脚限制在止动转盘24 的凹槽24b内，下引脚限制于两个扭簧限位螺钉28之间。回转轴22转动时，通过止动转盘24带动上引脚绕扭簧26轴线转动，产生相应扭矩。上端盖20安装在基座23的上部，且具有两个限位槽，在限位转盘18上安装两个与限位槽对应的硬限位螺钉19，硬限位螺钉19插入对应的限位槽中，以限制回转轴22和安装法兰16的转动范围。装有基盖抓手7 的螺钉装配关节臂38末端转动带动捏持基盖33与捏持螺钉32进行螺纹配合。当捏持基盖33与捏持螺钉32配合扭矩大于扭簧26的初始扭矩时，扭簧26开始发生形变，回转轴 22带动安装法兰16开始旋转。随着旋转角度的增大，扭簧26形变产生的扭矩也随之增大，反映在捏持基盖33与捏持螺钉32配合扭矩的增大。当安装法兰16旋转至最大转动范围时，捏持基盖33与捏持螺钉32配合扭矩达到最大，螺钉装配关节臂38此时停止旋转，保证捏持基盖33与捏持螺钉32不发生过度配合。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (2)

1.一种用于指尖陀螺装配的柔性腕关节，该柔性腕关节包括姿态柔性调整单元和力矩适应单元，该柔性腕关节通过底板安装于装配立柱上，指尖陀螺的装配夹具放置并连接在柔性腕关节的安装法兰上；

姿态柔性调整单元包括柔性支撑垫、安装法兰、限位转盘，柔性支撑垫放置在安装法兰和限位转盘之间，螺钉穿过安装法兰和柔性支撑垫，旋入并固定于限位转盘的螺纹孔，螺钉的预紧力控制在100N以内；

力矩适应单元包括底板、基座、回转轴、轴承、上端盖、扭簧、套筒轴和止动转盘，回转轴由两个轴承支撑，轴承放置于基座内部，上轴承由上端盖压紧，下轴承由底板压紧，回转轴可绕基座轴线转动，回转轴两端均设计有内螺纹和定位凸台；限位转盘安装并固定于回转轴的上部，安装法兰、柔性支撑垫和限位转盘共同随回转轴转动；

止动转盘安装在回转轴的下端，采用腔体结构，底部设计了与定位凸台配合的矩形槽，在腔体外圆上设计了用于限制扭簧引脚的凹槽；套筒轴与止动转盘接触，通过螺钉连接的方式，将套筒轴和止动转盘压紧在回转轴下端面；

扭簧安装在套筒轴上，止动转盘和底板共同限制扭簧的上下窜动，底板上安装了两个末端凸出的扭簧限位螺钉，扭簧的上引脚限制在止动转盘的凹槽内，下引脚限制于两个扭簧限位螺钉之间，回转轴转动时，通过止动转盘带动上引脚绕扭簧轴线转动，产生相应扭矩；

上端盖安装在基座的上部，上端盖具有两个限位槽，在限位转盘上安装两个与限位槽对应的硬限位螺钉，硬限位螺钉插入对应的限位槽中，以限制回转轴和安装法兰的转动范围。

2.根据权利要求1所述的一种用于指尖陀螺装配的柔性腕关节，其特征在于，柔性支撑垫采用软度为50度的软胶材料，柔性支撑垫的外形采用圆盘结构，边缘设计了四个安装孔，安装孔与连接螺钉的单侧间隙不小于0.8mm；

安装法兰的边缘设计了用于放置圆柱沉头螺钉的沉孔和通孔，沉孔与螺帽单侧间隙不小于0.6mm，通孔和螺钉的单侧间隙不小于0.6mm。

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