CN114425733A - 一种两自由度力控末端执行器 - Google Patents

一种两自由度力控末端执行器 Download PDF

Info

Publication number
CN114425733A
CN114425733A CN202111524619.9A CN202111524619A CN114425733A CN 114425733 A CN114425733 A CN 114425733A CN 202111524619 A CN202111524619 A CN 202111524619A CN 114425733 A CN114425733 A CN 114425733A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cylinder
wheel
front fork
voice coil
contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111524619.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114425733B (zh
Inventor
张卜鑫
吴淑晶
周舒
谷顾全
张烨锴
朱大伟
孙鹏飞
张�诚
卢琨
王大中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai University of Engineering Science
Original Assignee
Shanghai University of Engineering Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai University of Engineering Science filed Critical Shanghai University of Engineering Science
Priority to CN202111524619.9A priority Critical patent/CN114425733B/zh
Publication of CN114425733A publication Critical patent/CN114425733A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114425733B publication Critical patent/CN114425733B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B21/00—Machines or devices using grinding or polishing belts; Accessories therefor
    • B24B21/16—Machines or devices using grinding or polishing belts; Accessories therefor for grinding other surfaces of particular shape
    • B24B21/165—Machines or devices using grinding or polishing belts; Accessories therefor for grinding other surfaces of particular shape for vanes or blades of turbines, propellers, impellers, compressors and the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B21/00—Machines or devices using grinding or polishing belts; Accessories therefor
    • B24B21/18—Accessories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B21/00—Machines or devices using grinding or polishing belts; Accessories therefor
    • B24B21/18—Accessories
    • B24B21/20—Accessories for controlling or adjusting the tracking or the tension of the grinding belt
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B41/00—Component parts such as frames, beds, carriages, headstocks
    • B24B41/007—Weight compensation; Temperature compensation; Vibration damping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B47/00—Drives or gearings; Equipment therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B51/00—Arrangements for automatic control of a series of individual steps in grinding a workpiece
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/18—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with coil systems moving upon intermittent or reversed energisation thereof by interaction with a fixed field system, e.g. permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/24—Casings; Enclosures; Supports specially adapted for suppression or reduction of noise or vibrations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种两自由度力控末端执行器，包括接触轮、径向微动调姿装置、音圈电机、张紧机构、动力轮装置、十二轴传感器、支架和砂带。音圈电机固定于支架上，音圈电机的伸出杆带动径向微动调姿装置沿着其调姿气缸的轴向运动；动力轮装置包括一步进电机、一谐波减速器和一动力带轮。砂带绕过接触轮、张紧轮和动力带轮形成闭环，并通过张紧轮、接触轮、调姿气缸和音圈电机的作用，张紧在接触轮上；十二轴传感器连接在支架上，十二轴传感器的末端连接机械臂末端；接触轮、张紧轮和动力带轮的旋转轴均相互平行；本发明的执行器采用机气电混合式力控装置，实现两个自由度上的力控制，并实时补偿重力分量，保证抛磨均匀性，提高打磨质量。

Description

一种两自由度力控末端执行器
技术领域
本发明属于航空叶片自动化抛磨加工技术领域，涉及一种两自由度力控末端执行器。
背景技术
航空发动机叶片属于典型的薄壁复杂自由曲面零件，其型面精度和表面完整性及其一致性对服役环境下的疲劳和气流动力学性能影响巨大。其所使用的材料均为难加工材料，加上其薄壁复杂自由曲面的结构特点，使得抛磨过程中易发生受力变形、受热变形、振动变形等，因此需要进行精确的力控制。
目前，国内航空叶片抛磨主要采用传统的手工抛磨方式，这种方式对工人技术及经验要求较高，加工产品表面质量低、加工精度不足、一致性差、加工周期长、生产效率低，严重还会影响发动机动平衡性能，同时工人工作环境差，粉沫飞溅危害身体健康，也不利于环保。现行普遍采用砂带机作为抛磨工具，它具有磨削效率高，系统振动小，磨削温度低，磨削力小和弹性接触等优点，更加适合薄壁零件的抛磨。在先进制造技术领域有着“万能磨削”和“冷态磨削”之称。随着新一代航空航天产品的研制与批产对制造精度与加工质量提出了更高的新要求，以机器人为核心的智能制造技术与装备是解决该难题的有效途径。
在抛光打磨过程中工业机器人与叶片之间的接触力大小直接决定着抛磨质量的好坏，接触力过大或过小会使叶片表面出现过抛或欠抛现象，进一步导致叶片表面质量不均匀。因此需要对工业机器人进行精确的接触力控制。然而，工业机器人自身较低的定位精度与弱刚性结构属性严重制约了其在航空航天部件高精度加工作业中的推广应用，而在机械臂末端安装力控末端执行器可以解决这一难题，并成为实现力控的主流方式。该方法由工业机器人实现位置控制，力控末端执行器实现接触力控制，对工业机器人的位置精度要求较低，既可以降低工业机器人的惯性冲击，又显著提高了其力控制精度和动态响应。
当前普遍应用的力控末端执行器多为机械式或气动式，存在迟滞大、响应速度较慢和力控制精度不高等缺点，且仅能实现单自由度恒力控制。因此，开展高精度、高频响、多自由度的力控装置对于提高机器人连续接触式作业(如抛磨)系统的力控制精度、曲面适应性、加工装配质量和效率具有重要意义，可有效提升机器人智能化作业水平。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种两自由度力控末端执行器。该两自由度力控末端执行器包括接触轮、径向微动调姿装置、音圈电机、张紧机构、动力轮装置、十二轴传感器、支架和砂带；通过径向微动调姿装置的气缸和沿着气缸轴向连接的音圈电机实现接触轮两个自由度上的控制(即实现接触轮的摆动和上下运动)；支架后端连接十二轴传感器，传感器上有连接法兰用于连接机械臂末端。
本发明采用机气电混合式力控装置(机气结合：调姿气缸和弹簧的结合；机电结合：弹簧和音圈电机的结合)，避免单一方式存在的缺点，极大的提高了力控精度；采用十二轴传感器对抛磨过程中力-位实时监测并反馈控制器，使控制器控制调姿气缸、音圈电机动作进行调整与补偿。
本发明具有控制精度高、响应频率快、减振吸振性强的优点，可以明显减少航空叶片抛磨中过抛、欠抛和磨削烧蚀的发生，极大的提高了加工表面的完整性和加工效率。
为达到上述目的，本发明采用的方案如下：
一种两自由度力控末端执行器，包括接触轮、径向微动调姿装置、音圈电机、张紧机构、动力轮装置、十二轴传感器、支架和砂带；
径向微动调姿装置包括前叉、两缓冲弹簧、两调姿气缸、一气缸连接座和一直线球轴承；前叉和气缸连接座可拆卸连接，且二者连接处的两侧对称安装两调姿气缸；调姿气缸的气缸尾端与气缸连接座可拆卸连接，调姿气缸的活塞杆与前叉可拆卸连接；缓冲弹簧套在调姿气缸的表面，且两端分别抵着前叉和气缸连接座；缓冲弹簧处于微压缩状态，依此消除气动装置的阀口死区和非线性工作段；调姿气缸为双作用气缸，双作用气缸的进气口A和进气口B各与一个外置的电磁比例阀连接；通过控制电气比例阀可以精确的控制进气口A和进气口B的空气压力，气缸进气口A的空气压力用于活塞杆的收缩，使接触轮向左偏转，进气口B的空气压力用于活塞杆的伸长，使接触轮向右偏转，同时提供一定的法向抛磨力；气缸连接座上远离前叉的一侧设圆柱状连接件，圆柱状连接件上外套直线球轴承，且二者构成滑动连接；
音圈电机固定于支架上；此处的固定是指：音圈电机不动的部分包括了外磁轭(即音圈电机的外壁)和内磁轭(即底座，由软铁制成)，外壁与底座螺纹连接成为一体，后通过底部螺纹孔连接到支架上；
圆柱状连接件的自由端与音圈电机的伸出杆可拆卸连接(此处的可拆卸连接是指：圆柱状连接件的末端有内螺纹孔与音圈电机的伸出杆螺纹连接)，直线球轴承固定于支架上，音圈电机的伸出杆带动径向微动调姿装置沿着调姿气缸的轴向运动；径向微动调姿装置同时可以起到砂带调偏的作用(当砂带偏向一边，对应边空气压力会变大，通过控制器使调姿气缸动作，使左右气缸压力相等，以起到调偏作用)；
动力轮装置包括一步进电机、一谐波减速器和一动力带轮；步进电机、谐波减速器和动力带轮依次同轴连接，通过谐波减速器上的安装孔固定于支架上(此处的固定是指：谐波减速器上的安装孔用四个螺钉固定在支架上)，动力带轮和谐波减速器的输出轴靠键连接；
张紧机构包括一含有气缸活塞杆的张紧气缸、一张紧轮和一轮架；张紧气缸缸体通过底部螺纹孔固定于支架上，张紧轮通过轮架下端的螺纹孔固定在气缸活塞杆的前端；张紧气缸的进气口和出气口分别连接一个电磁比例阀，通过电磁比例阀控制张紧轮的伸出缩回；张紧气缸为双作用导轨气缸；
接触轮安装在径向微动调姿装置中前叉的轴槽中，接触轮的两侧通过接触轮中的固定心轴紧固，使接触轮可以转动；
砂带绕过接触轮、张紧轮和动力带轮形成闭环，并通过张紧轮、接触轮、调姿气缸和音圈电机的作用，张紧在接触轮上，接触轮抵着砂带接触叶片进行抛磨作业；十二轴传感器通过底部螺纹孔采用螺钉连接在支架上，十二轴传感器的末端有连接法兰用于连接机械臂末端；
接触轮、动力带轮和张紧轮三个转动轴相互平行，成三角形分布。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种两自由度力控末端执行器，所述接触轮包括防尘环、固定心轴、弹性外圈(为橡胶材质，增大接触表面的弹性，以增大抛磨过程中的接触面积)、承托弹性外圈的轮桶(承托是指轮桶外表面与弹性外圈的内侧贴合并实现支撑)、滚动轴承、轴环和圆螺母；轮桶内对称开设阶梯槽用于安装滚动轴承外圈；滚动轴承内圈套在固定心轴上，两端分别套上轴环用于滚动轴承内圈的轴向固定，固定心轴安装于径向微动调姿装置的前叉中，两端用圆螺母紧固。
如上所述的一种两自由度力控末端执行器，弹性外圈的外轮廓为鼓型，可以减少凹曲面抛磨时的干涉，保证足够的接触面积。
如上所述的一种两自由度力控末端执行器，前叉上设前叉主连接孔和前叉连接双耳座，气缸连接座上设气缸连接座主连接孔和气缸连接双耳座；
前叉和气缸连接座可拆卸连接是指：前叉主连接孔与气缸连接座主连接孔采用内旋式连接销c连接；两调姿气缸对称分布在前叉主连接孔与气缸连接座主连接孔的连接处的两侧；
调姿气缸的气缸尾端与气缸连接座可拆卸连接是指：气缸尾端设气缸尾端连接孔，气缸尾端连接孔与气缸连接双耳座采用内旋式连接销a连接；
调姿气缸的活塞杆与前叉可拆卸连接是指：活塞杆上设活塞杆连接孔与前叉连接双耳座采用内旋式连接销b连接。
如上所述的一种两自由度力控末端执行器，所述十二轴传感器是在传统六轴传感器的基础上添加三组力-力矩传感器制备而成；传统六轴传感器包括三个加速度传感器(即加速计)和三个角速度传感器(即陀螺仪)，主要用于机械臂姿态的监测，加上三组力-力矩传感器后，可实现对末端执行器抛磨过程中力-位混合监测。
如上所述的一种两自由度力控末端执行器，所述砂带为X型金刚石砂带，有更好的容屑能力。
如上所述的一种两自由度力控末端执行器，音圈电机包括一伸出杆、一滑动轴套、一内磁轭、一外磁轭、一内磁钢、一外磁钢、一线圈保持架(由非导磁材料制成，如铝合金)、三个线圈、两个缓冲垫圈、三个软铁环、两个石墨导电滑台(对称分布，在图中只能显示一个)、缓冲弹簧C和缓冲弹簧D；
外磁轭为音圈电机的外壳，外壳的内壁装有外磁体，外磁体由软铁环和外磁钢按照Halbach磁极阵列排列；在外磁轭的内壁对称分布有两个石墨导电滑台，分别引出接线端，用于连接外部电源；滑动轴套与外磁轭采用固定螺钉固定；内磁轭的外圈套有软铁环，内磁钢按照Hablach磁极阵列排列；
缓冲弹簧C和缓冲弹簧D套在伸出杆上位于线圈保持架内部的端部，并以轴肩相隔；两侧弹簧均为压缩状态，在轴肩两侧分别受到来自两弹簧的相对的两个力，从而使得伸缩杆悬浮；
伸出杆、内磁轭磁钢、线圈组件、外磁轭磁钢依照从内到外的顺序一次套接，内磁轭与线圈保持架之间有两段压缩弹簧，两弹簧套在伸出杆末端，以轴肩相隔，两弹簧均处于微压缩状态，依此消除音圈电机的非线性工作段；
线圈保持架为上端开放且下底中部设孔的圆桶状结构，圆桶状结构的外壁上设三道凹槽，所述凹槽内缠绕线圈，三道线圈的缠绕方向相反；
伸出杆依次穿过滑动轴套和线圈保持架，并在线圈保持架的上下两面用紧固螺母紧固；
两接线端(三圈线圈绕弯后会有六个接线端，三个为一组，共两组)固定在线圈保持架顶端，靠铜触片和石墨导电滑台接触。
在音圈电机内设有通过伸出杆相互作用的两端弹簧，使得伸出杆处于悬置状体，音圈电机启动时可以抵消运行振动，采用Hablach磁极阵列和三线圈，减少了漏磁、滞环、磁饱和的发生，使得力控精度更高更稳定，减小运行振动和噪声。
如上所述的一种两自由度力控末端执行器，线圈用线为铜铁或铜铝混合线，减小气隙磁阻或动子质量，实现推力的提高。
本发明的原理是：
本发明在径向微动装置和轴向安装的音圈电机的协作下实现接触轮的左右摆动和上下运动；本发明的十二轴传感器实时监测抛磨过程中的受力情况(主要包括沿接触表面法线的接触力，沿接触表面切线的抛磨力和垂直接触轮轴向的力矩)和接触轮的位姿状态，并反馈给控制器，控制器根据预设值进行决策，控制调姿气缸和音圈电机动作进行力与位置的补偿，其中，调姿气缸外套有压缩弹簧，用来抵消气缸启动时非线性工作区，同时可以吸收抛磨过程中的微小振动，提高抛磨精度。
有益效果
(1)本发明的一种两自由度力控末端执行器，接触轮采用鼓型的弹性外圈，增大了抛磨的接触面积，从而提高了抛磨效率；
(2)本发明的一种两自由度力控末端执行器，采用机气电混合式力控装置，实现两个自由度上的力控制；
(3)本发明的一种两自由度力控末端执行器，气缸与弹簧结合消除了气动零部件存在阀口死区和非线性区，音圈电机集成机械弹簧，可以平衡重力和摩擦力，减小了对执行器的出力要求，降低执行器质量；
(4)本发明的一种两自由度力控末端执行器，音圈电机采用Hablach磁极阵列排列和三线圈结构，改善漏磁、滞环、磁饱和等非线性因素，使得力控精度更高更稳定，减小运行振动和噪声；
(5)本发明的一种两自由度力控末端执行器，音圈电机还采用导电滑台，在一定程度上解决了现有音圈电机飞线结构不耐用的问题；
(6)本发明的一种两自由度力控末端执行器，通过十二轴传感器反馈末端执行器实时位姿状态，使接触轮运行轨迹中始终垂直与于接触表面法线，该十二轴传感器通过三组力-力矩传感器实时反馈的法向接触力和接触轮轴端力矩，当监测值不符合要求时，实时反馈给控制器，并控制音圈电机和调姿气缸实时做出调整，假设磨削路径上遇到凸起，所受的法向接触力会增大，这是力传感器检测到的法向接触力比预设值大时，控制器决策需要减小法向接触力，故控制音圈电机缩回微小位移，减少对砂带的支撑；当接触轮遇到左右凸起时对应侧的力矩会增大，力矩传感器监测到左右力矩不相等，控制器决策需要减少对应侧的压力，增加相反侧的压力，顾控制气缸动作，使左右力矩平衡，使叶片受到的抛磨压力恒定；充分考虑在不同位置姿态下对装置的重力补偿(在不同位置姿态下重力补偿不同，如图6所示，当末端执行器姿态发生变化时，中心轴线与水平面间的夹角θ不同，进而导致重力在中心轴线的分量Gsinθ不同，因此需要音圈电机提供一个与Gsinθ相反的力来消除这个力，从而保证法向接触力不受其影响)，计算出在抛磨过程中装置重力在中心轴线上的重力分量(即图6中的Gsinθ)，并实时补偿重力分量，保证抛磨均匀性，提高打磨质量。
附图说明
图1为一种两自由度力控末端执行器的整体结构示意图；
图2为一种两自由度力控末端执行器中接触轮的爆炸视图；
图3为一种两自由度力控末端执行器中径向微动调姿装置的爆炸视图；
图4为一种两自由度力控末端执行器中音圈电机的剖视图；
图5为一种两自由度力控末端执行器与控制器的连接示意图；
图6为重力补偿的原理示意图；
其中，1-接触轮、101-防尘环、102-固定心轴、103-弹性外圈、104-轮桶、105-滚动轴承、106-轴环、107-圆螺母、2-前叉、201-前叉连接双耳座、202-前叉主连接孔、25-内旋式连接销c、3-缓冲弹簧、4-调姿气缸、401-活塞杆连接孔、402-气缸尾端连接孔、403-内旋式连接销a、404-内旋式连接销b、405-进气口A、406-出气口B、5-气缸连接座、501-气缸连接双耳座、502-气缸连接座主连接孔、6-直线球轴承、7-音圈电机、701-伸出杆、702-滑动轴套、703-紧固螺母、704-缓冲垫圈、705-内磁钢、706-线圈、707-外磁钢、708-软铁环、709-缓冲弹簧C、710-内磁轭、711-缓冲弹簧D、712-线圈保持架、713-石墨导电滑台、714-外磁轭、715-固定螺钉、8-张紧气缸、9-气缸活塞杆、10-动力带轮、11-支架、12-十二轴传感器、13-谐波减速器、14-步进电机、15-张紧轮、16-砂带。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种两自由度力控末端执行器，如图1所示，包括接触轮1、径向微动调姿装置、音圈电机7、张紧机构、动力轮装置、十二轴传感器12、支架11和砂带16；
接触轮1，如图2所示，包括防尘环101、固定心轴102、弹性外圈103(为橡胶材质，增大接触表面的弹性，以增大抛磨过程中的接触面积)、承托弹性外圈103的轮桶104(承托是指轮桶104外表面与弹性外圈103的内侧贴合并实现支撑)、滚动轴承105、轴环106和圆螺母107；轮桶104内对称开设阶梯槽用于安装滚动轴承105外圈；滚动轴承105内圈套在固定心轴102上，两端分别套上轴环106用于滚动轴承105内圈的轴向固定；固定心轴102安装于径向微动调姿装置的前叉2中，两端用圆螺母107紧固，使接触轮1可以转动；弹性外圈103的外轮廓为鼓型，可以减少凹曲面抛磨时的干涉，保证足够的接触面积；
径向微动调姿装置，如图3所示，包括前叉2、两缓冲弹簧3、两调姿气缸4、一气缸连接座5和一直线球轴承6；前叉2上设前叉主连接孔202和前叉连接双耳座201；气缸连接座5上设气缸连接座主连接孔502和气缸连接双耳座501；前叉2和气缸连接座5可拆卸连接(前叉主连接孔202与气缸连接座主连接孔502采用内旋式连接销c 25连接)，且二者连接处的两侧对称安装两调姿气缸4；调姿气缸4的气缸尾端与气缸连接座5可拆卸连接(气缸尾端设气缸尾端连接孔402，气缸尾端连接孔402与气缸连接双耳座501采用内旋式连接销a 403连接)，调姿气缸4的活塞杆与前叉2可拆卸连接(活塞杆上设活塞杆连接孔401与前叉连接双耳座201采用内旋式连接销b 404连接)；缓冲弹簧3套在调姿气缸4的表面，且两端分别抵着前叉2和气缸连接座5；缓冲弹簧3处于微压缩状态，依此消除气动装置的阀口死区和非线性工作段；调姿气缸4为双作用气缸，两调姿气缸4的进气口A405和出气口B 406交叉连接，即左右两个气缸，每个都有进气口A和出气口B，左边的进气口A和右边的出气口B连接，左边的出气口B和右边的进气口A连接，再在左侧进气口A和出气口B各引出一根管子分别连接一个电磁比例阀，通过控制电气比例阀可以精确的控制进气口A405和出气口B 406的空气压力，实现两气缸的左右联动；进气口A405的空气压力用于活塞杆的收缩，使接触轮1向左偏转，进气口B 406的空气压力用于活塞杆的伸长，使接触轮1向右偏转，同时提供一定的法向抛磨力；当砂带偏向一边，对应边空气压力会变大，通过控制器使调姿气缸4动作，使左右气缸压力相等，以起到砂带16调偏作用；气缸连接座5上远离前叉2的一侧设圆柱状连接件，圆柱状连接件上外套直线球轴承6，且二者构成滑动连接；圆柱状连接件的自由端与音圈电机7的伸出杆701可拆卸连接(圆柱状连接件的末端有内螺纹孔与音圈电机7的伸出杆701螺纹连接)，直线球轴承6固定于支架11上，音圈电机7的伸出杆701带动径向微动调姿装置沿着调姿气缸4的轴向运动；
音圈电机7，如图4所示，包括一伸出杆701、一滑动轴套702、一内磁轭710、一外磁轭714、一内磁钢705、一外磁钢707、一线圈保持架712(由非导磁材料制成，如铝合金)、三个线圈706(用线为铜铁或铜铝混合线，减小气隙磁阻或动子质量，实现推力的提高)、两个缓冲垫圈704、三个软铁环708、两个石墨导电滑台713(对称分布，在图中只能显示一个)、缓冲弹簧C 709和缓冲弹簧D 711；外磁轭714为音圈电机7的外壳，外壳的内壁装有外磁体，外磁体由软铁环708和外磁钢707按照Halbach磁极阵列排列；在外磁轭714的内壁对称分布有两个石墨导电滑台713，分别引出接线端，用于连接外部电源；滑动轴套702与外磁轭714采用固定螺钉715固定；内磁轭710的外圈套有软铁环708，内磁钢705按照Hablach磁极阵列排列；缓冲弹簧C 709和缓冲弹簧D 711套在伸出杆701上位于线圈保持架712内部的端部，并以轴肩相隔；两侧弹簧均为压缩状态，在轴肩两侧分别受到来自两弹簧的相对的两个力，从而使得伸缩杆悬浮；伸出杆701、内磁轭磁钢、线圈组件、外磁轭磁钢依照从内到外的顺序一次套接，内磁轭与线圈保持架之间有两段压缩弹簧，两弹簧套在伸出杆末端，以轴肩相隔，两弹簧均处于压缩状态，依此消除音圈电机的非线性工作段；线圈保持架712为上端开放且下底中部设孔的圆桶状结构，圆桶状结构的外壁上设三道凹槽，所述凹槽内缠绕线圈706，三道线圈706的缠绕方向相反；伸出杆701依次穿过滑动轴套702和线圈保持架712，并在线圈保持架712的上下两面用紧固螺母703紧固；两接线端(三圈线圈绕弯后会有六个接线端，三个为一组，共两组)固定在线圈保持架712顶端，靠铜触片和石墨导电滑台713接触；音圈电机7上的外磁轭(即音圈电机的外壁)、内磁轭(即底座，由软铁制成)、外壁与底座螺纹连接成为一体，后通过底部螺纹孔连接到支架11上；
动力轮装置，如图1所示，包括一步进电机14、一谐波减速器13和一动力带轮10；步进电机14、谐波减速器13和动力带轮10依次同轴连接，通过谐波减速器13上的安装孔固定于支架11上(此处的固定是指：谐波减速器13上的安装孔用四个螺钉固定在支架11上)，动力带轮10和谐波减速器13的输出轴靠键连接；
张紧机构，如图1所示，包括一含有气缸活塞杆9的张紧气缸8、一张紧轮15和一轮架；张紧气缸8缸体通过底部螺纹孔固定于支架11上，张紧轮15通过轮架下端的螺纹孔固定在气缸活塞杆9的前端；张紧气缸8的进气口和出气口分别连接一个电磁比例阀，通过电磁比例阀控制张紧轮15的伸出缩回；张紧气缸8为双作用导轨气缸；
接触轮1、动力带轮10和张紧轮15的三个转动轴相互平行，成三角形分布；
砂带16(为X型金刚石砂带，有更好的容屑能力)绕过接触轮1、张紧轮15和动力带轮10形成闭环，并通过张紧轮15、接触轮1、调姿气缸4和音圈电机7的作用，张紧在接触轮1上，接触轮1抵着砂带16接触叶片进行抛磨作业。
十二轴传感器12通过底部螺纹孔采用螺钉连接在支架11上，十二轴传感器12的末端有连接法兰用于连接机械臂末端；其中，十二轴传感器12是在传统六轴传感器的基础上添加三组力-力矩传感器制备而成；传统六轴传感器包括三个加速度传感器(即加速计)和三个角速度传感器(即陀螺仪)，主要用于机械臂姿态的监测；加上三组力-力矩传感器后，可实现对末端执行器抛磨过程中力-位混合监测；
将上述两自由度力控末端执行器与带有控制器的机械臂末端连接，且将控制器的输入端通过导线分别连接十二轴传感器中多轴加速度传感器和多轴力/位移传感器的输出端，用于接收信号，控制器一号输出端通过气路分别连接张紧气缸和调姿气缸，控制其运动；二号输出端通过导线连接音圈电机，控制其运动。
将连接好的两自由度力控末端执行器，进行实际打磨加工，具体过程如下：
(1)抛磨开始前，音圈电机7完全伸出，当接触轮1刚刚接触待加工叶片时，音圈电机7缓缓回缩到设定值，此时接触为柔性接触，减少对装置的冲击力，同时避免因定位精度不够导致空抛的发生；
(2)抛磨时，机械臂沿着规划的路径运动，接触轮1中心部分在接触表面的法线上，接触轮1、动力带轮10和张紧轮15的三个转动轴相互平行，成三角形分布，接触轮1抵着砂带16接触叶片进行抛磨作业；
(3)当抛磨表面曲率急剧变化时，接触轮1的两轴端会受到力矩的作用，法向抛磨力沿轴向分布不均匀，此时十二轴传感器12中的测力矩模块监测到偏差，反馈给控制器；如图5所示，控制器控制调姿气缸4的电气比例阀，从而精确的控制进气口A 405和进气口B406的空气压力，使左右气缸压力相等，使得力矩平衡；
同时，控制器控制音圈电机7的伸缩杆701伸出一定距离，使得接触轮1和动力带轮10之间间距增加；因砂带16长度一定，控制器根据偏离值和各轮之间的空间几何关系，计算出张紧气缸8和气缸活塞杆9需要进行缩短的调整距离值，并使得张紧气缸8和气缸活塞杆9按照调整距离值进行调整，保证抛磨过程中叶片受到的法向抛磨力始终相同，确保接触轮1继续进行抛磨作业。

Claims (8)

1.一种两自由度力控末端执行器，其特征是：包括接触轮(1)、径向微动调姿装置、音圈电机(7)、张紧机构、动力轮装置、十二轴传感器(12)、支架(11)和砂带(16)；
径向微动调姿装置包括前叉(2)、两缓冲弹簧(3)、两调姿气缸(4)、一气缸连接座(5)和一直线球轴承(6)；前叉(2)和气缸连接座(5)可拆卸连接，且二者连接处的两侧对称安装两调姿气缸(4)；调姿气缸(4)的气缸尾端与气缸连接座(5)可拆卸连接，调姿气缸(4)的活塞杆与前叉(2)可拆卸连接；缓冲弹簧(3)套在调姿气缸(4)的表面，且两端分别抵着前叉(2)和气缸连接座(5)；缓冲弹簧(3)为微压缩状态；调姿气缸(4)为双作用气缸，双作用气缸的进气口A(405)和进气口B(406)各与一个外置的电磁比例阀连接；气缸连接座(5)上远离前叉(2)的一侧设圆柱状连接件，圆柱状连接件上外套直线球轴承(6)，且二者构成滑动连接；
音圈电机(7)固定于支架(11)上；
圆柱状连接件的自由端与音圈电机(7)的伸出杆(701)可拆卸连接，直线球轴承(6)固定于支架(11)上，音圈电机(7)的伸出杆(701)带动径向微动调姿装置沿着调姿气缸(4)的轴向运动；
动力轮装置包括一步进电机(14)、一谐波减速器(13)和一动力带轮(10)；步进电机(14)、谐波减速器(13)和动力带轮(10)依次同轴连接，通过谐波减速器(13)上的安装孔固定于支架(11)上，动力带轮(10)和谐波减速器(13)的输出轴靠键连接；
张紧机构包括一含有气缸活塞杆(9)的张紧气缸(8)、一张紧轮(15)和一轮架；张紧气缸(8)缸体通过底部螺纹孔固定于支架(11)上，张紧轮(15)通过轮架下端的螺纹孔固定在气缸活塞杆(9)的前端；张紧气缸(8)的进气口和出气口分别连接一个电磁比例阀，通过电磁比例阀控制张紧轮(15)的伸出缩回；张紧气缸(8)为双作用导轨气缸；
接触轮(1)安装在径向微动调姿装置中前叉(2)的轴槽中，接触轮(1)的两侧通过接触轮(1)中的固定心轴(102)紧固，使接触轮(1)可以转动；
砂带(16)绕过接触轮(1)、张紧轮(15)和动力带轮(10)形成闭环，并通过张紧轮(15)、接触轮(1)、调姿气缸(4)和音圈电机(7)的作用，张紧在接触轮(1)上；十二轴传感器(12)连接在支架(11)上，十二轴传感器(12)的末端连接机械臂末端；
接触轮(1)、张紧轮(15)和动力带轮(10)的旋转轴均相互平行。
2.根据权利要求1所述的一种两自由度力控末端执行器，其特征在于，所述接触轮(1)包括防尘环(101)、固定心轴(102)、弹性外圈(103)、承托弹性外圈(103)的轮桶(104)、滚动轴承(105)、轴环(106)和圆螺母(107)；轮桶(104)内对称开设阶梯槽用于安装滚动轴承(105)外圈；滚动轴承(105)内圈套在固定心轴(102)上，固定心轴(102)的两端分别套上轴环(106)用于滚动轴承(105)内圈的轴向固定，固定心轴(102)安装于径向微动调姿装置的前叉(2)中，两端用圆螺母(107)紧固。
3.根据权利要求2所述的一种两自由度力控末端执行器，其特征在于，弹性外圈(103)的外轮廓为鼓型。
4.根据权利要求1所述的一种两自由度力控末端执行器，其特征在于，前叉(2)上设前叉主连接孔(202)和前叉连接双耳座(201)，气缸连接座(5)上设气缸连接座主连接孔(502)和气缸连接双耳座(501)；
前叉(2)和气缸连接座(5)可拆卸连接是指：前叉主连接孔(202)与气缸连接座主连接孔(502)采用内旋式连接销c(25)连接；两调姿气缸(4)对称分布在前叉主连接孔(202)与气缸连接座主连接孔(502)的连接处的两侧；
调姿气缸(4)的气缸尾端与气缸连接座(5)可拆卸连接是指：气缸尾端设气缸尾端连接孔(402)，气缸尾端连接孔(402)与气缸连接双耳座(501)采用内旋式连接销a(403)连接；
调姿气缸(4)的活塞杆与前叉(2)可拆卸连接是指：活塞杆上设活塞杆连接孔(401)与前叉连接双耳座(201)采用内旋式连接销b(404)连接。
5.根据权利要求1所述的一种两自由度力控末端执行器，其特征在于，所述十二轴传感器是在传统六轴传感器的基础上添加三组力-力矩传感器制备而成；传统六轴传感器包括三个加速度传感器和三个角速度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种两自由度力控末端执行器，其特征在于，所述砂带(16)为X型金刚石砂带。
7.根据权利要求1所述的一种两自由度力控末端执行器，其特征在于，音圈电机(7)包括一伸出杆(701)、一滑动轴套(702)、一内磁轭(710)、一外磁轭(714)、一内磁钢(705)、一外磁钢(707)、一线圈保持架(712)、三个线圈(706)、两个缓冲垫圈(704)、三个软铁环(708)、两个石墨导电滑台(713)、缓冲弹簧C(709)和缓冲弹簧D(711)；
外磁钢(707)按照Halbach磁极阵列排列；内磁钢(705)按照Hablach磁极阵列排列；
缓冲弹簧C(709)和缓冲弹簧D(711)套在伸出杆(701)上位于线圈保持架(712)内部的端部，并以轴肩相隔；两侧弹簧均为压缩状态；
两接线端固定在线圈保持架(712)顶端，靠铜触片和石墨导电滑台(713)接触。
8.根据权利要求7所述的一种两自由度力控末端执行器，其特征在于，线圈(706)用线为铜铁或铜铝混合线。
CN202111524619.9A 2021-12-14 2021-12-14 一种两自由度力控末端执行器 Active CN114425733B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111524619.9A CN114425733B (zh) 2021-12-14 2021-12-14 一种两自由度力控末端执行器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111524619.9A CN114425733B (zh) 2021-12-14 2021-12-14 一种两自由度力控末端执行器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114425733A true CN114425733A (zh) 2022-05-03
CN114425733B CN114425733B (zh) 2022-12-06

Family

ID=81310924

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111524619.9A Active CN114425733B (zh) 2021-12-14 2021-12-14 一种两自由度力控末端执行器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114425733B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114954712A (zh) * 2022-06-02 2022-08-30 江苏迈吉易威电动科技有限公司 一种具有步态控制的轮毂电机履带轮
CN118123642A (zh) * 2024-05-07 2024-06-04 华中科技大学 一种二自由度刚柔耦合磨抛力控制装置及其解耦控制方法

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2164949Y (zh) * 1993-05-29 1994-05-18 刘夜颜 导向式气动涡轮研磨机
US6126512A (en) * 1998-07-10 2000-10-03 Aplex Inc. Robust belt tracking and control system for hostile environment
CN101068090A (zh) * 2007-06-01 2007-11-07 华中科技大学 一种直流直线音圈电机
CN101148022A (zh) * 2007-10-16 2008-03-26 廊坊智通机器人系统有限公司 一种通过一维力控制的砂带磨削机
US20110083578A1 (en) * 2009-10-13 2011-04-14 Harsco Corporation Battery-powered rail vehicle
CN102107384A (zh) * 2010-12-21 2011-06-29 席文飞 工业机器人自动砂光抛光装置
CN104551966A (zh) * 2015-01-20 2015-04-29 上海工程技术大学 一种磁流变液自适应平面加工系统
CN104723210A (zh) * 2015-02-14 2015-06-24 广东工业大学 电磁一维恒力装置及其控制方法
CN106392852A (zh) * 2016-10-18 2017-02-15 上海发那科机器人有限公司 一种机器人伺服补偿抛光机构
CN106974696A (zh) * 2010-12-29 2017-07-25 麦迪克企业有限责任公司 用于矫形冲击的电机驱动工具
CN208350367U (zh) * 2018-06-12 2019-01-08 洛阳市铁木肯轴承科技有限公司 一种圆环滚子轴承轴向移动量和转动角度测量装置
CN109986542A (zh) * 2019-05-09 2019-07-09 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器
CN209793475U (zh) * 2019-03-12 2019-12-17 曹建平 一种具有强降温效果的小型环保打磨机
CN110682166A (zh) * 2019-09-05 2020-01-14 上海工程技术大学 一种用于超声振动磨床的超声发生装置
CN112123123A (zh) * 2020-10-19 2020-12-25 上海交通大学 一种机器人末端砂带机

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2164949Y (zh) * 1993-05-29 1994-05-18 刘夜颜 导向式气动涡轮研磨机
US6126512A (en) * 1998-07-10 2000-10-03 Aplex Inc. Robust belt tracking and control system for hostile environment
CN101068090A (zh) * 2007-06-01 2007-11-07 华中科技大学 一种直流直线音圈电机
CN101148022A (zh) * 2007-10-16 2008-03-26 廊坊智通机器人系统有限公司 一种通过一维力控制的砂带磨削机
US20110083578A1 (en) * 2009-10-13 2011-04-14 Harsco Corporation Battery-powered rail vehicle
CN102107384A (zh) * 2010-12-21 2011-06-29 席文飞 工业机器人自动砂光抛光装置
CN106974696A (zh) * 2010-12-29 2017-07-25 麦迪克企业有限责任公司 用于矫形冲击的电机驱动工具
CN104551966A (zh) * 2015-01-20 2015-04-29 上海工程技术大学 一种磁流变液自适应平面加工系统
CN104723210A (zh) * 2015-02-14 2015-06-24 广东工业大学 电磁一维恒力装置及其控制方法
CN106392852A (zh) * 2016-10-18 2017-02-15 上海发那科机器人有限公司 一种机器人伺服补偿抛光机构
CN208350367U (zh) * 2018-06-12 2019-01-08 洛阳市铁木肯轴承科技有限公司 一种圆环滚子轴承轴向移动量和转动角度测量装置
CN209793475U (zh) * 2019-03-12 2019-12-17 曹建平 一种具有强降温效果的小型环保打磨机
CN109986542A (zh) * 2019-05-09 2019-07-09 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器
CN110682166A (zh) * 2019-09-05 2020-01-14 上海工程技术大学 一种用于超声振动磨床的超声发生装置
CN112123123A (zh) * 2020-10-19 2020-12-25 上海交通大学 一种机器人末端砂带机

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张大卫等: "音圈电机的技术原理", 《中北大学学报(自然科学版)》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114954712A (zh) * 2022-06-02 2022-08-30 江苏迈吉易威电动科技有限公司 一种具有步态控制的轮毂电机履带轮
CN118123642A (zh) * 2024-05-07 2024-06-04 华中科技大学 一种二自由度刚柔耦合磨抛力控制装置及其解耦控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114425733B (zh) 2022-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109986542B (zh) 一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器
CN114425733B (zh) 一种两自由度力控末端执行器
CN113172547B (zh) 一种工业机械臂恒力柔性打磨装置
US12049003B2 (en) Movable hybrid machining robot based on three-degree-of-freedom force-controlled parallel module
CN105751218B (zh) 一种用于机器人末端的恒力装置及其控制方法
WO2016155469A1 (zh) 一种应用平行四边形原理的机器人
CN108972256B (zh) 一种面向自由曲面的柔顺砂带打磨装置
CN110103114B (zh) 大型复杂曲面的三自由度自适应柔性磨抛装置及机器人
US5556242A (en) Space frame for a machine tool
CN111745536B (zh) 一种用于机器人的气电混合式力控末端执行器
CN209868599U (zh) 一种气电混合驱动的刚柔混合型力控末端执行器
CN110450136B (zh) 平行驱动四自由度混联式机械手腕摇摆头
US20220362898A1 (en) Apparatus for active contact force control in machining and handling operations
JP2002516186A (ja) 工作機械の平行な運動学的構造
CN113059464A (zh) 一种恒力抛光机构及抛光设备
CN110154057A (zh) 能够实现变位加工的减振末端执行器及变位加工制孔方法
CN112440293B (zh) 一种力控末端执行器及工业机器人
CN206855041U (zh) 一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具及加工装置
CN109333336B (zh) 球铰轴承研磨装置
CN107030995A (zh) 一种具有五自由度的塑件抓取机械手
CN113084701B (zh) 一种变刚度磨抛执行装置及其执行方法
CN215471271U (zh) 一种用于生产线的柔性装配机械手
CN110340874B (zh) 一种三自由度平行驱动并联加工装置
CN112872920B (zh) 基于力反馈的机器人磁流变抛光法向定位执行器及方法
CN108772765A (zh) 一种大型自由曲面加工的吸附移动研抛机器人

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant