CN207104953U - 一种可调整刀具轴线的末端执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可调整刀具轴线的末端执行器，包括抓持机构、框架和主轴进给模块，三者之间形成两个旋转关节，即第一轴和第二轴；每个轴均为旋转关节，第一轴是主轴进给模块相对框架的旋转运动，第二轴是框架相对于抓持机构的旋转运动，两轴轴线交于同一点(刀尖)，有助于在调整刀具轴线时仍然能够保证刀尖的位置不变，即执行器始终是绕刀尖在旋转；上述可调整刀具轴线的末端执行器可在制孔操作前精确调整刀具轴线，使刀具的轴线与待制孔曲面的法线重合，同时保证刀尖的位置不变，其制孔精度更高，制孔效果更好。

Description

一种可调整刀具轴线的末端执行器

技术领域

本实用新型涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种可调整刀具轴线的末端执行器。

背景技术

众所周知，在飞机装配中，铆接是应用最广泛的连接方式，在进行铆接前需进行制孔(钻孔)，孔的尺寸和孔壁质量都将严重影响铆缝的强度。

目前，人们采用工业机器人制孔系统代替了传统的手工钻孔，提高了工作效率，但是在机器人制孔中，孔的垂直度对于孔的寿命影响非常大。研究表明当铆钉沿外载荷作用方向倾斜超过2°时，疲劳寿命降低约47％；当倾斜大于5°时，疲劳寿命降低约95％。

现有工业机器人虽然重复定位精度很高，但是其绝对位置精度和姿态精度都较差，如果仅靠机器人带动主轴按照离线编程轨迹运动制孔，很难满足制孔时的法线精度要求，尤其是针对大区率的曲面制孔，其法线偏差可达2°甚至更高。

为解决钻头轴线与曲面法线不重合这一问题，可在末端执行中加入调姿功能使得钻孔前法线精度满足要求，再进行制孔。

依照上述思想，有学者提出了具有调姿功能制孔末端执行器调(具体详见申请号：CN201510975289.3)，见图1，该执行器调姿部分主要由大偏心盘、小偏心盘和尾轴组成，小偏心盘直径为大偏心盘直径的一半，主轴与尾轴固定连接，尾轴通过关节轴承安装在小偏心盘的偏心处，小偏心轮嵌入安装在大偏心轮内部，小偏心轮的几何中心线与大偏心轮的偏心线重合。

该机构采用双偏心盘——球副原理，共有两个转动的关节，小偏心轮绕着大偏心轮偏心线旋转以及大偏心轮绕着自身中心线的旋转。通过大小偏心的旋转运动可实现刀具轴线在5°圆锥范围内的姿态调整。

上述机构从原理上来讲能够实现对钻头轴线调整，但是在实际加工装配过程中任然存在一些客观的技术缺陷，例如：大小偏心盘的传动装置均采用齿轮传动方式，很难保证大小齿轮轴线平行，且大小次轮的啮合间隙比较大，两个双偏心盘的误差进一步叠加，导致末端执行器调姿不准确，制孔效果不理想。

因此，如何克服上述执行器中的技术缺陷是本领域技术人员急需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述技术缺陷，研制出一套能够有效调整刀具轴线的末端执行器。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供了一种可调整刀具轴线的该末端执行器；所述可调整刀具轴线的末端执行器包括抓持机构、框架和主轴进给模块，三者之间形成两个旋转关节，即第一轴和第二轴；每个轴均为旋转关节，第一轴是主轴进给模块相对框架的旋转运动，第二轴是框架相对于抓持机构的旋转运动，两轴轴线交于同一点；

所述框架内设置有第一轴驱动电机、第一轴减速器、第一轴带轮传动组件、第一轴蜗轮蜗杆以及圆弧导轨组件；其中，所述第一轴驱动电机的输出轴与所述第一轴减速器的输入轴键连接；所述第一轴减速器的输出轴与所述第一轴带轮传动组件的输入带轮键连接；所述第一轴带轮传动组件的输出带轮与所述第一轴蜗轮蜗杆键连接；

所述主轴进给模块安装在所述圆弧导轨组件上，且所述主轴进给模块沿着所述圆弧导轨组件滑动配合；所述第一轴蜗轮蜗杆驱动所述主轴进给模块沿着固定半径的圆弧轨迹左右摆动；

所述框架外侧设置有第二轴驱动电机、第二轴减速器、第二轴带轮传动组件、第二轴蜗轮蜗杆；其中，所述第二轴驱动电机的输出轴与所述第二轴减速器的输入轴键连接；所述第二轴减速器的输出轴与所述第二轴带轮传动组件的输入带轮键连接；所述第二轴带轮传动组件的输出带轮与所述第二轴蜗轮蜗杆键连接；所述第二轴蜗轮蜗杆驱动框架相对于抓持机构转动。

优选的，作为一种可实施方案；所述第一轴蜗轮蜗杆包括第一轴蜗杆和基板；所述基板固定连接在所述主轴进给模块的底部；所述基板的底面安装有与所述第一轴蜗杆相配合的蜗轮；所述第一轴蜗杆与所述基板上的蜗轮紧密啮合。

优选的，作为一种可实施方案；所述第二轴蜗轮蜗杆包括第二轴蜗轮和第二轴蜗杆；所述第二轴涡轮与所述第二轴蜗杆紧密啮合。

优选的，作为一种可实施方案；所述圆弧导轨组件包括：两条圆弧导轨、四个圆弧导轨滑块；且所述圆弧导轨滑块在所述圆弧导轨上滑动配合。

优选的，作为一种可实施方案；两条所述圆弧导轨同心配置。

优选的，作为一种可实施方案；所述第一轴带轮传动组件包括两个同步带轮以及一条同步带；两个同步带轮均为圆弧形同步带轮，其直径相同；所述同步带为圆弧形同步带，且所述同步带通过圆弧齿分别与两个所述同步带轮啮合。

优选的，作为一种可实施方案；所述第二轴带轮传动组件包括两个同步带轮和一条同步带；两个同步带轮均为圆弧形同步带轮，其直径相同；所述同步带为圆弧形同步带，且所述同步带通过圆弧齿分别与两个所述同步带轮啮合。

优选的，作为一种可实施方案；所述第一轴带轮传动组件上的两个同步带轮的轴线平行；且所述第二轴带轮传动组件上的两个同步带轮的轴线平行。

优选的，作为一种可实施方案；所述第一轴带轮传动组件上的同步带以及所述第二轴带轮传动组件上的同步带为聚氨脂同步带或橡胶同步带。

优选的，作为一种可实施方案；所述第一轴驱动电机和所述第二轴驱动电机均为伺服电机。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

首先，第一轴由第一轴驱动电机、减速器、带轮传动组件以及蜗轮蜗杆、圆弧导轨组件构成；其中，蜗轮蜗杆的啮合间隙十分微小(小于0.02mm)，保证了传动的可靠性。采用圆弧导轨作为第一轴旋转运动的导向装置，可有效避免旋转时产生的“晃动”。

其次，与第一轴类似，第二轴也由第二轴驱动电机、减速器、带轮传动组件以及蜗轮蜗杆、精密轴承构成，采用精密轴承作为导向装置，使得第二轴的旋转运动只能绕轴承轴线方向进行，效避了“晃动”。

最后，调姿机构的两个轴均采用高精度伺服电机驱动，能够精确控制两个轴的旋转角度，从而实现法线的精确调整。

综上所述，本实用新型提供的可调整刀具轴线的末端执行器，具有如下的优势：机械传动装置的选取更合理、机械结构的设计更佳、驱动电机精度及控制精度更高。因此，该末端执行器可以实现刀具轴线的精确调整，制孔精度更高，制孔效果更好。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型提供的可调整刀具轴线的末端执行器的具体实施方式和技术方案，以下将对该执行的附图作简单地介绍。

图1为现有技术中的以往学者研制的“双偏心盘－球副”末端执行器的立体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的可调整刀具轴线的末端执行器在第一视角下的立体结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的可调整刀具轴线的末端执行器在第二视角下的立体结构示意图；

图4为图3中本实用新型实施例提供的可调整刀具轴线的末端执行器局部放大结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的可调整刀具轴线的末端执行器在第三视角下的立体结构示意图；

图6为图5中本实用新型实施例提供的可调整刀具轴线的末端执行器局部放大结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的可调整刀具轴线的末端执行器刀具轴线的运动轨迹示意图。

附图标记说明：

框架A；

抓持机构B；

主轴进给模块C；

刀具轴线D；

15度的倒立椎体E；

第一轴驱动电机1；

第一轴减速器2；

第一轴带轮传动组件3；同步带轮30；同步带31；

第一轴蜗轮蜗杆4；

圆弧导轨5；圆弧导轨滑块51；

第一轴蜗轮蜗杆6；

第二轴驱动电机7；

第二轴减速器8；

第二轴带轮传动组件9；同步带轮90；同步带91；

第二轴蜗轮蜗杆10。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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实用新型中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

参见图2、图3以及图5，本实用新型实施例提供的一种可调整刀具轴线的末端执行器由抓持机构B、框架A和主轴进给模块C三个部分组成，三者之间形成两个旋转关节，即第一轴和第二轴。每个轴均为旋转关节，第一轴是主轴进给模块C相对框架A的旋转运动，第二轴是框架A相对于抓持机构B的旋转运动，第一轴的旋转轴线和第二轴旋转轴线相互垂直正交于一点(刀尖)，确保调整刀具轴线时仍然能够保证刀尖的位置不变，即执行器始终是绕刀尖在旋转。末端执行器第一轴旋转运动的极限位置为±7.5°，第二轴的旋转运动的极限位置为±180°，通过两个轴旋转运动的组合，可调整刀具轴线到15°椎体内(包括椎体外侧曲面，即第一轴为±7.5°时)任意位置，同时保证刀尖的位置不变，其工作范围如图7所示。

如图2至图6所示，框架A内有第一轴驱动电机1、第一轴减速器2、第一轴带轮传动组件3以及第一轴蜗轮蜗杆4、圆弧导轨组件(其具体包括圆弧导轨5和圆弧导轨滑块51)；其中，第一轴驱动电机1的输出轴与第一轴减速器2的输入轴键连接；第一轴减速器2的输出轴与第一轴带轮传动组件3的输入带轮键连接；第一轴带轮传动组件3的输出带轮与第一轴蜗轮蜗杆4键连接。

主轴进给模块C安装在圆弧导轨组件上(具体实际安装在圆弧导轨滑块51上)；第一轴蜗轮蜗杆6驱动主轴进给模块C沿着固定半径的圆弧轨迹左右滑动(在具体方案中，实际上圆弧导轨滑块51沿着圆弧导轨5滑动)。

框架A外侧有第二轴驱动电机7、第二轴减速器8、第二轴带轮传动组件9、第二轴蜗轮蜗杆10；其中，第二轴驱动电机7的输出轴与第二轴减速器8的输入轴键连接；第二轴减速器8的输出轴与第二轴带轮传动组件9的输入带轮键连接；第二轴带轮传动组件9的输出带轮与第二轴蜗轮蜗杆10键连接；第二轴蜗轮蜗杆10驱动框架A相对于抓持机构B转动。

主轴进给模块C包括高速旋转主轴、进给轴伺服电机、进给轴减速器、直线导轨、滚珠丝杠和刀具。当调姿结束后，进给电机驱动高速主轴沿曲面法向移动，进行制孔。

第一轴蜗轮蜗杆4包括第一轴涡轮、蜗杆和基板；基板的上表面固定连接主轴进给模块C的底部；基板的底面安装有圆弧导轨滑块51和与第一轴蜗杆配合的蜗轮；第一轴蜗杆与蜗轮紧密啮合。第一轴电机的运动经过传动装置后至蜗杆涡轮驱动基板沿着圆弧导轨5的运动。

第二轴蜗轮蜗杆10包括第二轴蜗杆和蜗轮；第二轴蜗杆与蜗轮紧密啮合。

由于第一轴和第二轴的蜗轮蜗杆均采用双导程消隙技术，啮合精度非常高，具有很强的自锁能力。

蜗轮蜗杆工作原理如下：蜗轮的旋转轴线和蜗杆旋转轴线在空间上交叉垂直(即两轴轴线在空间90度交叉)，在啮合时，蜗杆转一圈，蜗轮只会转过一个齿或几个齿，涡轮蜗杆传动具有减速增扭矩的功能。电机的自锁扭矩经过传动装置后放大数倍传至蜗杆，由于涡轮蜗杆精密啮合，经过涡轮蜗杆传动副后，自锁扭矩进一步增加，因此，经过几级传动后，涡轮的自锁扭矩是电机自锁扭矩的几十倍甚至几百倍。

末端执行器可调姿的范围如图7所示，为一个15度的倒立椎体，椎体的顶点为刀尖，在调姿过程中，刀尖的位置始终不变，改变的是刀具的轴线，可理解为整个调姿的动作是在绕刀尖进行旋转运动。

第一轴的旋转轴线和第二轴的旋转垂直正交刀尖，第一轴的旋转范围为±7.5度，第二轴的旋转范围为±180度，执行器调姿范围15度的倒立椎体形成过程如下：

将第一轴绕着其轴线从0度旋转至+7.5度，得到一直角三角形，如图7中的剖面线部分，再将该三角形沿着第二轴的轴线旋转±180度，得到的便是为15度的倒立椎体E(其中D为刀具轴线)。

与齿轮传动相比，该执行器采用蜗轮蜗杆运动副具有如下的技术优势和作用：

1.蜗轮蜗杆的传动比可以很大，啮合间隙很小，传动精确，特别适合本实用新型实施例对于高精度调姿态的技术要求。

2.工作平稳，无噪音；

下面对本实用新型实施例提供的可调整刀具轴线的末端执行器的具体结构以及具体技术效果做一下详细说明：

优选的，作为一种可实施方案；所述圆弧导轨5为至少两条圆弧导轨。(即优选的所述圆弧导轨具体为滚动摩擦式导轨)且两条所述圆弧导轨同心配置。

需要说明的是，2条同心圆弧导轨5为滚动摩擦式导轨，中预压，精度高，不易磨损，通过2条同心圆弧导轨，约束第一轴沿固定圆弧半径摆动。

优选的，作为一种可实施方案；参见图4，第一轴带轮传动组件3包括两个同步带轮30以及一条同步带31，两个同步带轮30均为圆弧形同步带轮，其直径相同，同步带31选用圆弧形同步带，同步带31通过圆弧齿与两个同步带轮30啮合。

优选的，作为一种可实施方案；参见图6，第二轴带轮传动组件9包括两个同步带轮90以及一条同步带91，两个同步带轮90均为圆弧形同步带轮，其直径相同，同步带91选用圆弧形同步带，同步带91通过圆弧齿与两个同步带轮90啮合。

需要说明的是，第一轴带轮传动组件3和第二轴带轮传动组件9可以通过多种传动结构形式进行代替(例如：齿轮传动组、链轮链条传动组件等)，但是结合本实用新型实施例对于传动精度的要求，带轮传动组件为最佳选择。

优选的，作为一种可实施方案；第一轴带轮传动组件上的同步带31以及第二轴带轮传动组件上的同步带91具体为聚氨脂同步带或橡胶同步带。

需要说明的是，同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应齿形的带轮所组成，同步带(即同步齿形带、单面同步齿形带、双面同步齿形带，简称同步带)综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达1：10，允许线速度可达50M/S，传递功率从几瓦到几千瓦，其传动效率高，一般可达98％，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑。

本实用新型实施例中的第一轴带轮传动组件3以及第二轴带轮传动组件9优选上述同步齿形带。

其中，橡胶同步带，它采用氯丁橡胶、玻璃纤维绳和尼龙弹性布三种主要材料制成，是用于各类机械传递动力的一种特种橡胶传动带。利用橡胶同步带传动具有下列优点：传动结构简单、轻型、并无需润滑不需大的初张力，轴负载小、运转噪音低、维护简单，更换方便等。橡胶同步带已在汽车、化纤、纺织机械、卷烟机械、造纸、印刷机械、化工、轻工、粮食、食品、机械、采矿、冶金、钢铁机械、办公室设备、医疗器械、通讯设备以及各种精密机床、精密仪器等方面广泛应用。聚氨脂同步带也广泛应用于各种行业，如陶瓷、食品、石材、烟草、木工、印刷、纺织包装等。

优选的，作为一种可实施方案；第一轴驱动电机和第二轴驱动电机均为高精度的伺服电机。

需要说明的是，第一轴驱动电机以及第二轴驱动电机均可以选择使用多种形式的电机，例如：步进电机和伺服电机等，但是考虑到调姿精度的要求，选择使用伺服电机，其原因如下：

由于步进电机无实时反馈功能，步距角较大，很难做到精确的位置控制。而伺服电机可对速度，位置精确控制，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象；而且伺服电机反应快速灵敏；所以，伺服电机作为高精度刀具轴线调节的驱动设备最为合适。

综上，本实用新型可调整刀具轴线的末端执行器，可以实现刀具轴线的精确调整，其制孔精度高，效果好。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

所述可调整刀具轴线的末端执行器包括抓持机构、框架和主轴进给模块，三者之间形成两个旋转关节，即第一轴和第二轴；每个轴均为旋转关节，第一轴是主轴进给模块相对框架的旋转运动，第二轴是框架相对于抓持机构的旋转运动，两轴轴线交于同一点；

所述框架内设置有第一轴驱动电机、第一轴减速器、第一轴带轮传动组件、第一轴蜗轮蜗杆以及圆弧导轨组件；其中，所述第一轴驱动电机的输出轴与所述第一轴减速器的输入轴键连接；所述第一轴减速器的输出轴与所述第一轴带轮传动组件的输入带轮键连接；所述第一轴带轮传动组件的输出带轮与所述第一轴蜗轮蜗杆键连接；

所述主轴进给模块安装在所述圆弧导轨组件上，且所述主轴进给模块沿着所述圆弧导轨组件滑动配合；所述第一轴蜗轮蜗杆驱动所述主轴进给模块沿着固定半径的圆弧轨迹左右摆动；

所述框架外侧设置有第二轴驱动电机、第二轴减速器、第二轴带轮传动组件、第二轴蜗轮蜗杆；其中，所述第二轴驱动电机的输出轴与所述第二轴减速器的输入轴键连接；所述第二轴减速器的输出轴与所述第二轴带轮传动组件的输入带轮键连接；所述第二轴带轮传动组件的输出带轮与所述第二轴蜗轮蜗杆键连接；所述第二轴蜗轮蜗杆驱动框架相对于抓持机构转动。

2.如权利要求1所述的可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

所述第一轴蜗轮蜗杆包括第一轴蜗杆和基板；所述基板固定连接在所述主轴进给模块的底部；所述基板的底面安装有与所述第一轴蜗杆相配合的蜗轮；所述第一轴蜗杆与所述基板上的蜗轮紧密啮合。

3.如权利要求2所述的可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

所述第二轴蜗轮蜗杆包括第二轴蜗轮和第二轴蜗杆；所述第二轴涡轮与所述第二轴蜗杆紧密啮合。

4.如权利要求1所述的可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

所述圆弧导轨组件包括：两条圆弧导轨、四个圆弧导轨滑块；且所述圆弧导轨滑块在所述圆弧导轨上滑动配合。

5.如权利要求4所述的可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

两条所述圆弧导轨同心配置。

6.如权利要求1所述的可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

所述第一轴带轮传动组件包括两个同步带轮以及一条同步带；两个同步带轮均为圆弧形同步带轮，其直径相同；所述同步带为圆弧形同步带，且所述同步带通过圆弧齿分别与两个所述同步带轮啮合。

7.如权利要求1所述的可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

所述第二轴带轮传动组件包括两个同步带轮和一条同步带；两个同步带轮均为圆弧形同步带轮，其直径相同；所述同步带为圆弧形同步带，且所述同步带通过圆弧齿分别与两个所述同步带轮啮合。

8.如权利要求6或7所述的可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

所述第一轴带轮传动组件上的两个同步带轮的轴线平行；且所述第二轴带轮传动组件上的两个同步带轮的轴线平行。

9.如权利要求8所述的可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

所述第一轴带轮传动组件上的同步带以及所述第二轴带轮传动组件上的同步带为聚氨脂同步带或橡胶同步带。

10.如权利要求1所述的可调整刀具轴线的末端执行器，其特征在于，

所述第一轴驱动电机和所述第二轴驱动电机均为伺服电机。