CN115816174A - 一种机器人力控超声抛磨末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声磨削技术领域，具体涉及一种机器人力控超声抛磨末端执行器，包括回转机构和直线进给机构，回转机构包括气动马达，用于提供转动动力，气动马达的输出端设置有配合转动的主轴，主轴的中端设置有直线进给机构，主轴的底端设置有解耦机构，主轴通过解耦机构使打磨头转动；直线进给机构包括音圈电机，音圈电机用于提供直线动力，并配合边缘设置的光轴和电机推力板通过解耦机构使得打磨头直线运动。该装置结构紧凑，使用方便，可以同时进行直线进给和旋转运动，实现了运动解耦；通过超声振动大大提高了磨削质量；在磨削的同时将状态参数实时反馈给数据处理系统，通过参数分析及对比，进行磨削运动参数微调，提高精密磨削质量。
Description
技术领域
本发明涉及超声磨削技术领域，具体涉及一种机器人力控超声抛磨末端执行器。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，航空航天、医疗器械、高速列车等高端装备性能不断提高，出现了一大批形状复杂、加工难度大的机械零件，以及各种高性能钛合金、光学玻璃、陶瓷等难加工材料的投入应用，机械制造业迎来了巨大的机遇和挑战。超声振动辅助磨削加工技术是一种将超声振动叠加到工件材料去除过程中的复合加工方法，通过改变磨粒与工件的接触状态，提高加工效率和质量。相比于其它加工方法，超声振动辅助磨削加工具有变形小、加工范围广等特点，加工过程中不会产生热烧伤，不会改变加工材料表面的物理和化学性能，其技术水平高低对高端装备制造质量具有关键影响，因此，对超声振动辅助磨削加工技术展开细致全面的研究具有重要意义。
目前机器人磨削加工主要有以下三点现状：
（1）工业机器人在抛磨作业时，很少采用主动力控制，通常采取离线编程或者示教的方式进行控制。当零件的尺寸差异较大或者刀具磨损程度不一致时，离线编程的标准模型很难适应所有零件的抛磨，产品加工质量不一，甚至会损坏末端刀具。因此，在精密磨削中，必须要求机器人要有较高的力控能力，保证工件的加工质量；
（2）目前大多数机器人抛磨执行器只能进行单一旋转运动，轴向进给运动主要依靠机械臂位姿调整来实现，对机械臂控制要求较高。因此实现末端执行器回转运动时同时进行轴向进给，对降低机械臂控制要求具有较大意义；
（3）目前抛磨执行器总体方案倾向于“桶形封装”式设计，难以加装传感器或者是传感器测量结果受筒壁干扰误差较大。因此有必要改变整体结构设计。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种机器人力控超声抛磨末端执行器。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种机器人力控超声抛磨末端执行器，包括：
回转机构，其包括气动马达，用于提供转动动力，气动马达的输出端设置有配合转动的主轴，所述主轴的中端设置有直线进给机构，所述主轴的底端设置有解耦机构，主轴通过解耦机构使打磨头转动；
直线进给机构，其包括音圈电机，所述音圈电机用于提供直线动力，并配合边缘设置的光轴和电机推力板通过解耦机构使得打磨头直线运动；
超声振动辅助装置，其包括用于将频率在18～30kHz范围内的超声波转换成机械振动的换能器，以及螺纹连接在所述换能器上的变幅杆，所述变幅杆上固定连接有打磨头；
解耦机构，其用于对直线进给机构与回转机构进行解耦操作；
数据处理系统，其用于储存打磨头扭矩和磨削力的预设值并与磨削时产生的实际扭矩和磨削力进行对比，且将修正值转换为音圈电机电压指令，所述数据处理系统通讯连接有六维力传感器，所述六维力传感器设置在直线进给机构内，用于检测磨削过程的磨削力和扭矩力。
进一步地，所述主轴包括传动主轴和花键轴，所述传动主轴通过联轴器固定连接在所述气动马达的输出端，所述传动主轴的底部与所述花键轴的顶端固定连接，所述花键轴设置在所述解耦机构内。
进一步地，所述直线进给机构还包括电机套，其用于安装并保护音圈电机，所述音圈电机的下端设置有用于密封的下连接板，所述光轴可伸缩，所述音圈电机的定子与电机受力板固定，所述音圈电机的动子与电机推力板固定。
进一步地，所述超声振动辅助装置还包括高速滑环，所述高速滑环位于换能器和解耦结构之间，所述高速滑环为旋转的主轴通过电信号。
进一步地，所述解耦机构还包括滚珠花键，所述滚珠花键包括花键套滚珠组，花键套内设置有滚道槽，所述花键轴贯穿所述滚珠组。
进一步地，所述解耦机构包括壳体、上端盖、下端盖、套筒、第一角接触球轴承和第二角接触球轴承，所述套筒配合所述上端盖和下端盖对第一角接触球轴承和第二角接触球轴承进行固定，壳体用于封装上端盖、下端盖、滚珠花键、花键轴、套筒、第一角接触球轴承和第二角接触球轴承，壳体通过螺栓与上端盖和下端盖固定。
进一步地，所述变幅杆与打磨头为一体。
进一步地，所述电机推力板与解耦机构外壳固定，采用螺栓连接。
进一步地，所述气动马达固定连接有马达安装架，所述马达安装架固定连接有上连接板，马达安装架、上连接板、六维力传感器、下连接板和电机受力板自上而下，均采用螺钉两两连接。
本发明具有如下有益效果：
本发明中机器人力控超声抛磨末端执行器集机电于一体，结构紧凑，使用方便，可以同时进行直线进给和旋转运动，实现了运动解耦；通过超声振动大大提高了磨削质量；在磨削的同时将状态参数实时反馈给数据处理系统，通过参数分析及对比，进行磨削运动参数微调，提高精密磨削质量。
附图说明
图1为一种机器人力控超声抛磨末端执行器示意图；
图2为一种机器人力控超声抛磨末端执行器中解耦机构示意图；
图3为一种机器人力控超声抛磨末端执行器中力控示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通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。
请参阅图1至图3，本实施例提供一种机器人力控超声抛磨末端执行器，包括：
回转机构，其包括气动马达1，用于提供转动动力，气动马达1的输出端设置有配合转动的主轴，主轴的中端设置有直线进给机构，主轴的底端设置有解耦机构，主轴通过解耦机构使打磨头转动，主轴包括传动主轴4和花键轴，传动主轴4通过联轴器3固定连接在气动马达1的输出端，传动主轴4的底部与花键轴的顶端固定连接，花键轴设置在解耦机构内，主轴上电机受力板17位置放置轴承14，以保证主轴的刚度。气动马达1通过联轴器3带动主轴旋转，并通过解耦机构形成打磨头的旋转运动。
直线进给机构，其包括音圈电机15，音圈电机15用于提供直线动力，并配合边缘设置的光轴18和电机推力板19通过解耦机构使得打磨头直线运动，直线进给机构还包括电机套，其用于安装并保护音圈电机15，音圈电机15的上端设置有用于密封的下连接板16，电机套边缘有三根光轴18与电机推力板19形成伸缩运动，三根光轴18的顶端与电机受力板17的底部固定连接，音圈电机15的定子与电机受力板17固定，音圈电机15的动子与电机推力板19固定，音圈电机15受到电流激励时动子会带动电机推力板19一起运动，进而通过解耦机构将直线运动传递给打磨头。
超声振动辅助装置，其包括用于将频率在18～30kHz范围内的超声波转换成机械振动的换能器24，以及螺纹连接在换能器24上的变幅杆10，变幅杆10上固定连接有打磨头11，超声振动辅助装置还包括高速滑环23，高速滑环23位于换能器24与解耦机构之间，高速滑环23为旋转的换能器24通过电信号，避免采用输电线在换能器24旋转时发生缠绕扭转，变幅杆10将质点的机械振动或位移变大，原本振幅和能量都很小的超声振动转换成同频率的机械振动后，再通过变幅杆10共振放大，得到足够大的、可以满足加工工件要求的振幅和能量，最后将这部分能量传导至打磨头11上。通过超声振动辅助装置，提高了磨削的效率以及表面质量。
解耦机构，其用于对直线进给机构与回转机构进行解耦操作，解耦机构还包括滚珠花键22，滚珠花键22包括花键套和滚珠组，花键套内设置有滚道槽，花键轴贯穿滚珠组，滚珠组和滚道槽配合，解耦机构包括壳体20、上端盖6、下端盖9、套筒21、第一角接触球轴承7和第二角接触球轴承8，套筒21配合上端盖6和下端盖9对第一角接触球轴承7和第二角接触球轴承8进行固定，壳体20用于封装上端盖6、下端盖9、滚珠花键22、花键轴、套筒21、第一角接触球轴承7和第二角接触球轴承8，壳体20通过螺栓与上端盖6和下端盖9固定，主轴作旋转运动时，通过滚珠组带动花键套回转，花键套与换能器24固定连接带动下端进行回转。
数据处理系统12，其用于储存打磨头扭矩和磨削力的预设值并与磨削时产生的实际扭矩和磨削力进行对比，计算出实际磨削状态与理论最佳磨削状态数值差异，将修正值转换为音圈电机15电压指令，达到精密磨削的目的。具体原理如下：音圈电机15的推力为：
，其中，u为电机输入电压，km为电机的灵敏度系数。而实际抛磨执行力等于音圈电机15推力与执行器惯性载荷的矢量和：
，其中
为惯性载荷。传感器测得的力与扭矩输出为电压信号形成反馈电压，通过标定可得如下关系：
，其中，v为反馈电压，ks为标定的力与电压之比。为保证抛磨质量，假设抛磨力最大不能超过
，则追踪误差为;
。综上，根据PID理论，力控算法的数学模型为：
。
数据处理系统12通讯连接有六维力传感器5，六维力传感器5设置在直线进给机构内，用于检测磨削过程的磨削力和扭矩力。变幅杆10与打磨头为一体。电机推力板19与解耦机构外壳固定，采用螺栓连接。气动马达1固定连接有马达安装架2，马达安装架2固定连接有上连接板13，马达安装架2、上连接板13、六维力传感器5、下连接板19和电机受力板17自上而下，均采用螺钉两两连接。
超声抛磨末端执行器集机电于一体，结构紧凑，使用方便，可以同时进行直线进给和旋转运动，实现了运动解耦；通过超声振动大大提高了磨削质量；在磨削的同时将状态参数实时反馈给数据处理系统12，通过参数分析及对比，进行磨削运动参数微调，提高精密磨削质量。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种机器人力控超声抛磨末端执行器，其特征在于，包括：
回转机构，其包括气动马达（1），用于提供转动动力，气动马达（1）的输出端设置有配合转动的主轴，所述主轴的中端设置有直线进给机构，所述主轴的底端设置有解耦机构，主轴通过解耦机构使打磨头（11）转动；
直线进给机构，其包括音圈电机（15），所述音圈电机（15）用于提供直线动力，并配合边缘设置的光轴（18）和电机推力板（19）通过解耦机构使得打磨头（11）直线运动；
超声振动辅助装置，其包括用于将频率在18～30kHz范围内的超声波转换成机械振动的换能器（24），以及螺纹连接在所述换能器（24）上的变幅杆（10），所述变幅杆（10）上固定连接有打磨头（11）；
解耦机构，其用于对直线进给机构与回转机构进行解耦操作；
数据处理系统（12），其用于储存打磨头扭矩和磨削力的预设值并与磨削时产生的实际扭矩和磨削力进行对比，且将修正值转换为音圈电机（15）电压指令，所述数据处理系统（12）通讯连接有六维力传感器（5），所述六维力传感器（5）设置在直线进给机构内，用于检测磨削过程的磨削力和扭矩力。
2.根据权利要求1所述的一种机器人力控超声抛磨末端执行器，其特征在于：所述主轴包括传动主轴（4）和花键轴，所述传动主轴（4）通过联轴器（3）固定连接在所述气动马达（1）的输出端，所述传动主轴（4）的底部与所述花键轴的顶端固定连接，所述花键轴设置在所述解耦机构内。
3.根据权利要求2所述的一种机器人力控超声抛磨末端执行器，其特征在于：所述直线进给机构还包括电机套，其用于安装并保护音圈电机（15），所述音圈电机（15）的上端设置有用于密封的下连接板（16），所述光轴（18）可伸缩，所述音圈电机（15）的定子与电机受力板（17）固定，所述音圈电机（15）的动子与电机推力板（19）固定。
4.根据权利要求3所述的一种机器人力控超声抛磨末端执行器，其特征在于：所述超声振动辅助装置还包括高速滑环（23），所述高速滑环（23）位于换能器（24）和解耦机构之间，所述高速滑环（23）为旋转的换能器（24）通过电信号。
5.根据权利要求4所述的一种机器人力控超声抛磨末端执行器，其特征在于：所述解耦机构还包括滚珠花键（22），所述滚珠花键（22）包括花键套和滚珠组，花键套内设置有滚道槽，所述花键轴贯穿所述滚珠组。
6.根据权利要求5所述的一种机器人力控超声抛磨末端执行器，其特征在于：所述解耦机构包括壳体（20）、上端盖（6）、下端盖（9）、套筒（21）、第一角接触球轴承（7）和第二角接触球轴承（8），所述套筒（21）配合所述上端盖（6）和下端盖（9）对第一角接触球轴承（7）和第二角接触球轴承（8）进行固定，壳体（20）用于封装上端盖（6）、下端盖（9）、滚珠花键（22）、花键轴、套筒（21）、第一角接触球轴承（7）和第二角接触球轴承（8），壳体（20）通过螺栓与上端盖（6）和下端盖（9）固定。
7.根据权利要求6所述的一种机器人力控超声抛磨末端执行器，其特征在于：所述变幅杆（10）与打磨头（11）为一体。
8.根据权利要求7所述的一种机器人力控超声抛磨末端执行器，其特征在于：所述电机推力板（19）与解耦机构外壳固定，采用螺栓连接。
9.根据权利要求8所述的一种机器人力控超声抛磨末端执行器，所述气动马达（1）固定连接有马达安装架（2），所述马达安装架（2）固定连接有连接板（13），马达安装架（2）、上连接板（13）、六维力传感器（5）、下连接板（16）和电机受力板（19）自上而下，均采用螺钉两两连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20230321 |