CN117140078A - 一种刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置及其方法，包括：机器人以及安装在所述机器人上的钻攻装置，所述钻攻装置上设有至少一惯性力产生装置，所述惯性力产生装置用于所述钻攻装置在钻孔攻螺纹时，产生抵消所述钻攻装置受到的作用力；所述机器人与所述钻攻装置的连接处设有力传感器，所述力传感器用于实时监控所述钻攻装置的反作用力。本发明解决了工业机器人手持电主轴进行机加工作业中遇到的刚性不足的问题，机器人在钻孔或攻螺纹作业的过程中收到的作用力会导致机器人本体形变发生位移，进而导致加工精度、加工效率、刀具寿命达不到理论值。
Description
技术领域
本发明涉及机器人钻孔的技术领域，尤其涉及一种刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置及其方法。
背景技术
传统的大型五轴数控机床，但针对大型工件的钻孔攻螺纹作业可以做到高精度，原因在于机床床身具有高刚性的特点，在钻孔攻螺纹受到较大外力的过程中，床身弹性变形小。系统刚度一般为10KN/mm以上，有的重型机床甚至可以做到900KN/mm。
工业机器人具有柔性高、工作区域大、价格便宜等优点，但刚性较差，典型的工业机器人的系统刚性为1KN/mm以内，机器人在完成铝铸件的钻孔攻螺纹作业的时候受到的作用力一般范围是0.2-1KN，本体会产生0.2-1mm或以上的本体位移，这会对钻孔和攻螺纹的精度产生影响。
在密闭的防水工作房内，两台机器人手持钻攻装置对大型压铸件进行加工作业，钻攻装置用于对工件的钻孔和攻螺纹作业。钻攻装置是一个单轴系统作业，组成部分主要有：电主轴、钻攻滑台，钻攻作业时机器人保持不动。该钻攻装置已经是闭环控制的，经过对该装置的测试，在手持该钻攻装置的系统(比如机器人)刚性足够的情况下，钻孔攻螺纹的精度是足够的。
这样的系统设计有如下局限性：
1.针对高精度的压铸件加工，机器人系统加工精度可能达不到客户的要求；
2.由于在钻攻作用力大的情况下，机器人位移加剧，导致不得不通过抑制加工参数来减少钻攻作用力，最终导致机器人加工效率和数控机床有巨大的差距，虽然机器人加工系统的成本比数控机床低，考虑到设备产出，最终单件加工的设备成本不一定低；
3.在系统刚性不佳的情况下，加工时振动会很大，导致加工刀具寿命难以保证，而刀具寿命大幅降低，可能导致单件实际生产成本并没有大幅下降；
综合上述3点，机器人在加工时收到作用力大的情况下，不一定具备竞争力。
发明内容
针对现有的机器人钻孔装置存在的上述问题，现旨在提供一种刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置及其方法，解决了工业机器人手持电主轴进行机加工作业中遇到的刚性不足的问题，机器人在钻孔或攻螺纹作业的过程中收到的作用力会导致机器人本体形变发生位移，进而导致加工精度、加工效率、刀具寿命达不到理论值。
具体技术方案如下：
一种刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，包括：机器人以及安装在所述机器人上的钻攻装置，所述钻攻装置上设有至少一惯性力产生装置，所述惯性力产生装置用于所述钻攻装置在钻孔攻螺纹时，产生抵消所述钻攻装置受到的作用力；
所述机器人与所述钻攻装置的连接处设有力传感器，所述力传感器用于实时监控所述钻攻装置的反作用力。
上述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其中，还包括：控制器，所述力传感器将所述钻攻装置的加工作用力传输至所述控制器，所述控制器实时调控所述惯性力产生装置的作用力。
上述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其中，所述钻攻装置的两侧对称设有所述惯性力产生装置。
上述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其中，所述钻攻装置包括：钻攻驱动件和电主轴，所述钻攻驱动件安装于所述机器人上，所述钻攻驱动件驱动所述电主轴上下活动。
上述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其中，所述惯性力产生装置包括：驱动组件和惯性块，所述驱动组件设于所述钻攻装置的侧壁，所述驱动组件驱动所述惯性块上下活动。
上述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其中，所述钻攻装置还包括：钻攻滑台，所述钻攻驱动件驱动所述钻攻滑台上下活动，所述电主轴纵向安装于所述钻攻滑台上。
上述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其中，所述驱动组件包括：惯性力驱动件和直线轨道，所述直线轨道设于所述钻攻装置的侧壁，所述惯性块滑动设于所述直线轨道上，所述惯性力驱动件驱动所述惯性块上下活动。
上述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其中，所述驱动组件包括：惯性力驱动件和丝杠，所述丝杠设于所述钻攻装置的侧壁，所述惯性块滑动设于所述丝杠上，所述惯性力驱动件驱动所述惯性块上下活动。
上述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其中，所述钻攻装置还包括：
基座，所述基座安装于所述机器人上，所述钻攻驱动件安装于所述基座上；
光栅尺，所述光栅尺设于所述钻攻滑台上。
一种方法，其中，应用于上述的任意一项所述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，所述方法包括：
步骤S1：所述电主轴开始向下运动，所述力传感器实时采集所述钻攻装置的反作用力数据，在所述电主轴的钻头或者丝锥接触到工件的瞬间，所述力传感器会采集到反作用力的阶跃信号；
步骤S2：所述电主轴进行加工动作时，所述驱动组件驱动所述惯性块向上加速；
步骤S3：直至在钻孔结束，同时所述驱动组件驱动所述惯性块的运动速度降低为0，所述惯性块的减速会产生相反的惯性力，此时所述钻攻驱动件将所述电主轴加速向上拉动所产生的惯性力对消所述惯性块减速的惯性力。
上述技术方案与现有技术相比具有的积极效果是：
本发明增加惯性力产生装置，工业机器人在钻孔或攻螺纹时，将不受到巨大的加工冲击力，通过惯性力对冲抵消加工作用力，有效的抑制了系统振动，确保了系统刚性，最终保证了加工精度。
附图说明
图1为本发明一种刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置的整体结构示意图；
图2为本发明一种刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置的局部放大结构示意图；
图3为本发明一种刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置的局部放大结构示意图；
附图中：1、机器人；11、机器人第六轴；2、钻攻装置；3、惯性力产生装置；4、力传感器；21、钻攻滑台；22、电主轴；23、光栅尺；24、钻攻驱动件；31、惯性块；32、惯性力驱动件；33、直线轨道；34、丝杠。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1至图3所示，示出了一种较佳实施例的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，包括：机器人1以及安装在机器人1上的钻攻装置2，钻攻装置2上设有至少一惯性力产生装置3，惯性力产生装置3用于钻攻装置2在钻孔攻螺纹时，产生抵消钻攻装置2受到的作用力。
进一步，作为一种较佳的实施例，机器人与钻攻装置的连接处设有力传感器4，力传感器4用于实时监控钻攻装置2的反作用力。
进一步，作为一种较佳的实施例，刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，还包括：控制器(图中未示出)，力传感器4将钻攻装置2的加工作用力传输4至控制器，控制器实时调控惯性力产生装置3的作用力。
优选的，控制器通过线路与电主轴22信号连接。
优选的，机器人1上设有机器人第六轴11，钻攻装置2安装于机器人第六轴11上。
优选的，基座安装于机器人第六轴11上。
进一步，作为一种较佳的实施例，钻攻装置2的两侧对称设有惯性力产生装置3。
进一步，作为一种较佳的实施例，钻攻装置2包括：钻攻驱动件24和电主轴22，钻攻驱动件24安装于机器人上，钻攻驱动件24驱动电主轴22上下活动。
进一步，作为一种较佳的实施例，惯性力产生装置3包括：驱动组件和惯性块31，驱动组件设于钻攻装置2的侧壁，驱动组件驱动惯性块31上下活动。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。
本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
本发明的进一步实施例中，请继续参见图1至图3所示，钻攻装置2还包括：钻攻滑台21，钻攻驱动件24驱动钻攻滑台21上下活动，电主轴22纵向安装于钻攻滑台21上。
优选的，钻攻驱动件24为直线电机，直线电机与钻攻滑台21传动连接。
本发明的进一步实施例中，驱动组件包括：惯性力驱动件32和直线轨道33，直线轨道33设于钻攻装置21的侧壁，惯性块31滑动设于直线轨道33上，惯性力驱动件32驱动惯性块31上下活动。
优选的，惯性力驱动件32为直线电机，直线电机的轨道安装在钻攻装置2的基座上，即电主轴22的上下移动，两个惯性块31的上下移动都是独立可实时调控的。
本发明的进一步实施例中，驱动组件包括：惯性力驱动件32和丝杠34，丝杠34设于钻攻装置21的侧壁，惯性块31滑动设于丝杠34上，惯性力驱动件32驱动惯性块31上下活动。
优选的，惯性力驱动件32为伺服电机。
本发明的进一步实施例中，钻攻装置2还包括：基座和光栅尺23，基座安装于机器人1上，钻攻驱动件24安装于基座上，光栅尺23设于钻攻滑台2上。
优选的，直线轨道33设于基座上。
优选的，丝杠34设于基座上。
优选的，两个惯性力产生装置3对称设于钻攻装置2的两侧。有助于减少倾覆力矩，提升系统刚性。惯性块31可以在直线轨道33上可控的滑动，加速度可以实时调控。
本发明的进一步实施例中，直线轨道33纵向设置，丝杠34纵向设置，惯性块31沿纵向滑动。
本发明的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置的方法包括：
步骤S1：电主轴22开始向下运动，力传感器4实时采集钻攻装置2的反作用力数据，在电主轴22的钻头或者丝锥接触到工件的瞬间，力传感器4会采集到反作用力的阶跃信号；
步骤S2：电主轴22进行加工动作时，驱动组件驱动惯性块31向上加速；
步骤S3：直至在钻孔结束，同时驱动组件驱动惯性块31的运动速度降低为0，惯性块31的减速会产生相反的惯性力，此时钻攻驱动件24将电主轴22加速向上拉动所产生的惯性力对消惯性块减速的惯性力。
假设两个惯性块31各20KG重量，如果以1m/s2的加速度计算可以产生40KG的惯性力，足够抵掉20mm直径以内的免热处理压铸件钻孔反作用力。在1s左右的时间，钻攻装置2大约可以钻孔45-50mm。与此同时惯性块运动了500mm；
在钻孔结束后，惯性块31在运动约100mm的距离内速度降低为0，惯性块的减速会导致相反的惯性力，这时钻攻装置将电主轴加速向上拉动，产生惯性力对消滑块减速的惯性力。
本发明解决基于工业机器人钻孔攻螺纹作业中的刚性不足的问题，通过力传感器实时采集钻孔攻螺纹过程中，机器人收到的垂直于工件表面的反作用力。通过惯性力发生装置对冲该反作用力，可以明显抑制反作用力的大小，整套装置的振动也明显减小。通过上述措施，针对同样的孔径和深度的同样材质的工件，在同样的钻孔攻螺纹的速度下，采用该刚性增强系统后，钻孔攻螺纹的过程中机器人受到的反作用力下降了约80％，加工精度大幅提升。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其特征在于，包括：机器人以及安装在所述机器人上的钻攻装置，所述钻攻装置上设有至少一惯性力产生装置，所述惯性力产生装置用于所述钻攻装置在钻孔攻螺纹时，产生抵消所述钻攻装置受到的作用力；
所述机器人与所述钻攻装置的连接处设有力传感器，所述力传感器用于实时监控所述钻攻装置的反作用力。
2.根据权利要求1所述刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其特征在于，还包括：控制器，所述力传感器将所述钻攻装置的加工作用力传输至所述控制器，所述控制器实时调控所述惯性力产生装置的作用力。
3.根据权利要求2所述刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其特征在于，所述钻攻装置的两侧对称设有所述惯性力产生装置。
4.根据权利要求3所述刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其特征在于，所述钻攻装置包括：钻攻驱动件和电主轴，所述钻攻驱动件安装于所述机器人上，所述钻攻驱动件驱动所述电主轴上下活动。
5.根据权利要求4所述刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其特征在于，所述惯性力产生装置包括：驱动组件和惯性块，所述驱动组件设于所述钻攻装置的侧壁，所述驱动组件驱动所述惯性块上下活动。
6.根据权利要求5所述刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其特征在于，所述钻攻装置还包括：钻攻滑台，所述钻攻驱动件驱动所述钻攻滑台上下活动，所述电主轴纵向安装于所述钻攻滑台上。
7.根据权利要求5所述刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其特征在于，所述驱动组件包括：惯性力驱动件和直线轨道，所述直线轨道设于所述钻攻装置的侧壁，所述惯性块滑动设于所述直线轨道上，所述惯性力驱动件驱动所述惯性块上下活动。
8.根据权利要求5所述刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其特征在于，所述驱动组件包括：惯性力驱动件和丝杠，所述丝杠设于所述钻攻装置的侧壁，所述惯性块滑动设于所述丝杠上，所述惯性力驱动件驱动所述惯性块上下活动。
9.根据权利要求5所述刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，其特征在于，所述钻攻装置还包括：
基座，所述基座安装于所述机器人上，所述钻攻驱动件安装于所述基座上；
光栅尺，所述光栅尺设于所述钻攻滑台上。
10.一种方法，其特征在于，应用于如权利要求5-9所述的刚性增强的机器人钻孔攻螺纹装置，所述方法包括：
步骤S1：所述电主轴开始向下运动，所述力传感器实时采集所述钻攻装置的反作用力数据，在所述电主轴的钻头或者丝锥接触到工件的瞬间，所述力传感器会采集到反作用力的阶跃信号；
步骤S2：所述电主轴进行加工动作时，所述驱动组件驱动所述惯性块向上加速；
步骤S3：直至在钻孔结束，同时所述驱动组件驱动所述惯性块的运动速度降低为0，所述惯性块的减速会产生相反的惯性力，此时所述钻攻驱动件将所述电主轴加速向上拉动所产生的惯性力对消所述惯性块减速的惯性力。
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