CN208880471U - 一种机器人抛磨力控末端执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人抛磨力控末端执行器，包括旋转部分、直线运动部分、打磨头部分。执行器采用气动马达为动力源，有效的减小了执行器的总质量。避免使用联轴器从而降低了机构的复杂性，结构更加的紧凑。气动马达的旋转运动通过主轴传递给滚珠花键，滚珠花键将旋转运动传递给打磨头部分。由于滚珠花键具有传递扭矩而又不“紧”连接的作用，这就使得打磨头的两个自由度在滚珠花键处实现了机械解耦。与执行器和宏机器人系统的连接在执行器的顶端实用新型相比而言，本实用新型有效的减小了抛磨表面的倾覆力矩，提高了抛磨的质量。本方案可实现抛磨工具力、抛磨转速等重要的抛磨参数控制，执行器结构简单、质量小，力控精度高，响应速度快。

Description

一种机器人抛磨力控末端执行器

技术领域

本实用新型涉及自动化设备及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人抛磨力控末端执行器。

背景技术

随着工业机器人的快速发展，其在各工业领域的应用越来越广泛。一些接触式作业场合，要求工业机器人具有对接触力的感知与控制能力，以达到精密操作的要求，例如，磨削、抛光和装配作业等。在进行磨抛作业时，加工工具随着使用而发生磨损，产生表面位置误差，使接触力发生变化，进而影响加工效果。因此，实现工具与工件的恒力接触对工业机器人在接触式作业中的应用有着重要的实践意义。

打磨作为接触作业的典型例子，需要对打磨系统实现柔顺控制。机器人在特定接触环境操作时对可以产生任意作用力柔性的高要求和机器人在自由空间操作时对位置伺服刚度及机械结构刚度的高要求之间的矛盾。机器人能够对接触环境顺从的这种能力被称为柔顺性。柔顺性分为主动柔顺性和被动柔顺性两类。机器人凭借一些辅助的柔顺机构,使其在与环境接触时能够对外部作用力产生自然顺从,称为被动柔顺性；机器人系统利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用力,称为主动柔顺性。被动柔顺的方法是：被动柔顺机器人去毛刺，通常是知道工件的3D模型，工件在夹具上固定好位置，机器人末端抛磨工具走工件轮廓，通过工具头的高速旋转达到去除材料的目的，一般没有力控制，也就是说目前大部分打磨案例是通过直接编程实现的。这种方法不能做到碰到切削量大的时候自动降速和变轨。目前被动柔顺的实现方式主要有两种：其一，机器人夹持工件，通过砂带的张紧程度来调节打磨力；其二，机器人夹持工具，工具柔顺采用机械式弹簧实现被动柔顺。主动柔顺从大的方面来分有两种方式，其一，由机器人的控制器实现，代表方法有力/位混合控制的方法。由于该方法需要同时实现力和位置的控制，存在力/位耦合，因而实现较为复杂；其二，基于末端工具的主动力控制。总体上来说，用算法由机器人的控制器实现阻抗控制和力/位混合控制响应速度慢，算法稳定性较差，难以实现工业生产。

以上说明了接触式作业抛光打磨中力控制的技术背景。不难发现在当前技术背景下，开发机器人抛磨力控末端执行器是实现机器人抛磨系统主动柔顺抛磨的合理途径。因此，现有技术需要进一步改进和完善。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机器人抛磨力控末端执行器。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种机器人抛磨力控末端执行器，所述末端执行器主要包括用于打磨工件的打磨头部、驱动打磨头部转动的旋转部、以及驱动打磨头部进给的直线运动部。所述旋转部与机械臂连接，其输出端穿过直线运动部后与打磨头部传动连接。

具体的，所述旋转部包括气动马达、马达支架、L型连接件、主轴、键、以及轴承组件。所述L型连接件的一侧与打磨机械臂固定连接，气动马达通过马达支架固定安装在L型连接件的另一侧上。所述主轴的一端通过所述键与气动马达输出端传动连接，另一端与打磨头部连接。所述轴承组件安装在L型连接件上，其内圈与主轴过盈配合。

具体的，所述直线运动部主要包括拉扭复合力传感器、上环形连接件、电机安装套、直线电机定、直线电机动子、下环形连接件、轴承内圈挡圈、角接触球轴承、以及弹性挡圈。所述拉扭复合力传感器设置在气动马达下方，通过螺栓与L型连接件固定连接。所述拉扭复合力传感器通过上环形连接件和电机安装套与直线电机定子固定连接。所述直线电机动子设置在直线电机定子内，其下端与下环形连接件固定连接。所述轴承内圈挡圈的上端通过螺栓与下环形连接件固定，其下端与弹性挡圈固定连接。所述角接触球轴承设置在轴承内圈挡圈外侧，位于轴承内圈挡圈顶端与弹性挡圈之间。

具体的，所述打磨头部主要包括挡圈、轴承外圈挡圈、滚珠花键、磨料安装盘、以及磨料。所述轴承外圈挡圈的上端通过螺栓与挡圈连接，其内壁与角接触球轴承抵接。所述滚珠花键设置在轴承外圈挡圈内，其底部通过螺栓与轴承外圈挡圈和磨料安装盘固定连接，其内壁与主轴连接，实现主轴驱动滚珠花键转动且滚珠花键可在主轴上轴向滑动。所述磨料安装在磨料安装盘上。

作为本实用新型的优选方案，为了提高角接触球轴承承受载荷的能力，本实用新型所述角接触球轴承设为一对且采用面对面的方式安装，这样设计使角接触球轴承可以承受主轴轴向双向的载荷，从而提高执行器的使用寿命。

作为本实用新型的优选方案，为了使轴承组件在装配和使用时更容易定位和安装，本实用新型所述L型连接件上表面设有型面，所述轴承组件通过型面定位在L型连接件的型面上。

作为本实用新型的优选方案，为了便于直线电机更容易达到装配要求和装配精度，本实用新型所述下环形连接件上设有用于保证直线电机安装对中性的圆台型面，所述直线电机动子安装在下环形连接件的圆台型面上。

作为本实用新型的优选方案，为了确保打磨头部在非工作状态下不会因为重力作用而掉落，本实用新型所述轴承外圈挡圈内设有用于定位角接触球轴承的阶梯圆环面，所述阶梯圆环面的外壁设置在轴承外圈挡圈的内壁上，其内壁与角接触球轴承抵接，这样设计可以使角接触球轴承通过轴承外圈挡圈来托住打磨头部，使其不会掉落。

作为本实用新型的优选方案，为了确保轴承内圈挡圈在轴向作用力下不会向上攒动，本实用新型所述轴承内圈挡圈的上部设有用于定位轴承内圈挡圈的轴肩。

本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型中切削转速由抛磨执行器的气动马达提供，避免采用电机，大大减小了执行器响应部分质量。抛磨执行器可实现抛磨工具力控制，避免通过机器人控制器调节抛磨作业中的参数，提高了抛磨系统的响应性。同时该力也作为一个信号实现机器人的位置控制，实现抛磨作业过程中的进给速度控制。可根据不同的材料的工件和工件切削量的大小改变抛磨力和旋转切削速度。

与现有技术相比，本实用新型还具有以下优点：

(1)本实用新型所提供的机器人抛磨力控末端执行器的动力采用气动马达大大的减小了执行器的总质量、可以满载直到停止。

(2)本实用新型所提供的机器人抛磨力控末端执行器的动力采用气动马达适合应用到机器人抛磨作业中，没有电火花，不会造成抛磨粉尘的爆炸。

(3)本实用新型所提供的机器人抛磨力控末端执行器的气动马达通过键和主轴相连接，主轴和气动马达采用一体式连接，避免使用联轴器从而降低了机构的复杂性，使得结构更加的紧凑。

(4)本实用新型所提供的机器人抛磨力控末端执行器采用轴承组件，简化了主轴轴段的设计，减少了轴承内外圈定位引入的不确定性。

(5)本实用新型所提供的机器人抛磨力控末端执行器采用直线电机实现抛磨作业中的轴向力控制，具有优越的力控性能。

(6)本本实用新型所提供的机器人抛磨力控末端执行器的打磨支点和其他的现有产品比较更低可以保证打磨的表面的偏心转矩较小，保证工件表面的打磨质量。

(7)本本实用新型所提供的机器人抛磨力控末端执行器能够将机构的旋转运动和直线运动解耦，分别单独的控制这两种运动，实现力控制和打磨切削速度的控制。此种在机械结构上实现的解耦比从算法上实现的解耦更适合于任务复杂的抛磨接触作业。

(8)本实用新型所提供的机器人抛磨力控末端执行器采用力传感器实现抛磨执行器范围内抛磨力实时调节，保证抛磨质量。

附图说明

图1是本实用新型所提供的机器人抛磨力控末端执行器的结构示意图。

上述附图中的标号说明：1-拉扭复合力传感器，2-气动马达，3-马达支架，4-L型连接板/L型连接件，5-轴承组件，6-主轴，7-键，8-直线电机动子，9-直线电机定子，10-电机安装套，11-轴承内圈挡圈，12-下环形连接件，13-上环形连接件，14-角接触球轴承，15-轴承外圈挡圈，16-滚珠花键，17-挡圈，18-磨料安装盘，19-磨料，20-弹性挡圈。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开了一种机器人抛磨力控末端执行器，所述末端执行器主要包括用于打磨工件的打磨头部、驱动打磨头部转动的旋转部、以及驱动打磨头部进给的直线运动部。所述旋转部与机械臂连接，其输出端穿过直线运动部后与打磨头部传动连接。

具体的，所述旋转部包括气动马达2、马达支架3、L型连接件4、主轴6、键7、以及轴承组件5。所述L型连接件4的一侧与打磨机械臂固定连接，气动马达2通过马达支架3固定安装在L型连接件4的另一侧上。所述主轴6的一端通过所述键7与气动马达2输出端传动连接，另一端与打磨头部连接。所述轴承组件5安装在L型连接件4上，其内圈与主轴6过盈配合。

具体的，所述直线运动部主要包括拉扭复合力传感器1、上环形连接件13、电机安装套10、直线电机定、直线电机动子8、下环形连接件12、轴承内圈挡圈11、角接触球轴承14、以及弹性挡圈20。所述拉扭复合力传感器1设置在气动马达2下方，通过螺栓与L型连接件4固定连接。所述拉扭复合力传感器1通过上环形连接件13和电机安装套10与直线电机定子9固定连接。所述直线电机动子8设置在直线电机定子9内，其下端与下环形连接件12固定连接。所述轴承内圈挡圈11的上端通过螺栓与下环形连接件12固定，其下端与弹性挡圈20固定连接。所述角接触球轴承14设置在轴承内圈挡圈11外侧，位于轴承内圈挡圈11顶端与弹性挡圈20之间。

具体的，所述打磨头部主要包括挡圈17、轴承外圈挡圈15、滚珠花键16、磨料安装盘18、以及磨料19。所述轴承外圈挡圈15的上端通过螺栓与挡圈17连接，其内壁与角接触球轴承14抵接。所述滚珠花键16设置在轴承外圈挡圈15内，其底部通过螺栓与轴承外圈挡圈15和磨料安装盘18固定连接，其内壁与主轴6连接，实现主轴6驱动滚珠花键16转动且滚珠花键16可在主轴6上轴向滑动。所述磨料19安装在磨料安装盘18上。

作为本实用新型的优选方案，为了提高角接触球轴承14承受载荷的能力，本实用新型所述角接触球轴承14设为一对且采用面对面的方式安装，这样设计使角接触球轴承14可以承受主轴6轴向双向的载荷，从而提高执行器的使用寿命。

作为本实用新型的优选方案，为了使轴承组件5在装配和使用时更容易定位和安装，本实用新型所述L型连接件4上表面设有型面，所述轴承组件5通过型面定位在L型连接件4的型面上。

作为本实用新型的优选方案，为了便于直线电机更容易达到装配要求和装配精度，本实用新型所述下环形连接件12上设有用于保证直线电机安装对中性的圆台型面，所述直线电机动子8安装在下环形连接件12的圆台型面上。

作为本实用新型的优选方案，为了确保打磨头部在非工作状态下不会因为重力作用而掉落，本实用新型所述轴承外圈挡圈15内设有用于定位角接触球轴承14的阶梯圆环面，所述阶梯圆环面的外壁设置在轴承外圈挡圈15的内壁上，其内壁与角接触球轴承14抵接，这样设计可以使角接触球轴承14通过轴承外圈挡圈15来托住打磨头部，使其不会掉落。

作为本实用新型的优选方案，为了确保轴承内圈挡圈11在轴向作用力下不会向上攒动，本实用新型所述轴承内圈挡圈11的上部设有用于定位轴承内圈挡圈11的轴肩。

本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型中切削转速由抛磨执行器的气动马达2提供，避免采用电机，大大减小了执行器响应部分质量。抛磨执行器可实现抛磨工具力控制，避免通过机器人控制器调节抛磨作业中的参数，提高了抛磨系统的响应性。同时该力也作为一个信号实现机器人的位置控制，实现抛磨作业过程中的进给速度控制。可根据不同的材料的工件和工件切削量的大小改变抛磨力和旋转切削速度。

实施例2：

根据抛光工艺，实用新型一种新颖的机器人末端抛磨执行器。本实用新型中切削转速由抛磨执行器的气动马达2提供，避免采用电机，大大减小了执行器响应部分质量。抛磨执行器可实现抛磨工具力控制，避免通过机器人控制器调节抛磨作业中的参数，提高了抛磨系统的响应性。同时该力也作为一个信号实现机器人的位置控制，实现抛磨作业过程中的进给速度控制。可根据不同的材料的工件和工件切削量的大小改变抛磨力和旋转切削速度。

气动马达2的前端用于固定的部分通过马达支架3用螺钉夹持住，马达支架3和L型连接件4通过螺栓连接在一起。主轴6和气动马达2通过键7实现连接。轴承组件5通过型面定位在L型连接件4上，并通过螺钉连接，轴承组件5的内圈和主轴6的采用过盈配合。主轴6和轴承组件5配合到主轴6和滚珠花键16配合之间的主轴6的轴段和其他零件没有配合关系。这是抛磨切削旋转部分的结构描述。

拉扭复合力传感器1和L型连接件4通过均布的6个螺栓连接，拉扭复合力传感器1的内圈和L型连接件4采用过渡配合保证拉扭复合力传感器1安装的同轴度。上环形连接件13与拉扭复合力传感器1通过6个均布的螺钉连接。上环形连接件13的法兰与电机安装套10法兰连接，电机外圈9和电机安装套10通过4个沉头螺钉连接。直线电机动子8通过2个螺钉和下环形连接件12连接，下环形连接件12设有圆台型面保证直线电机安装的对中性。这部分描述的就是实现抛磨力控制的执行器直线运动的结构。

和主轴6配合使用的滚珠花键16与轴承外圈挡圈15以及磨料安装盘18通过螺栓连接，轴承外圈挡圈15内部设有一个阶梯圆环面可用于定位轴承的外圈，轴承外圈挡圈15的法兰和挡圈17通过螺栓连接。轴承内圈挡圈11和下环形连接件12通过均布的螺栓连接。在轴承内圈挡圈11上设有一个定位轴承内圈的轴肩，在轴向作用力下保证轴承不能向上攒动。轴承内圈挡圈11的靠下部分设计有一个弹性挡圈20安装槽用于安装弹性挡圈20，这就保证了在非工作状态下打磨头部分不会因为重力的缘故掉落。磨料安装盘18上局部着4个螺钉孔用于安装磨料19。这部分描述的结构为打磨头部分的结构。

打磨系统具有3个重要的参数，即打磨力、切削转速、进给速度，其中进给速度是由机器人提供。打磨力通过本专利所描述的直线运动提供，旋转切除速度通过本专利描述的旋转运动来提供。从功能实现上将抛磨力控末端执行器分为3个部分：旋转部分、直线运动部分、打磨头部分。

旋转部分主要由气动马达2、主轴6组成。基于目前气动马达2质量的提升，越来越多的机电系统不再使用传动系统。这不仅增加了系统的紧凑性、稳定性，而且减小了系统的质量。直线运动部分主要由直线电机、电机套和环形连接件组成，直线运动部分和旋转部分中间安装有拉扭力复合传感器。旋转部分的下方是打磨头部分，该部分主要由磨料19、磨料安装盘18、轴承的内外挡圈和轴承组成，旋转部分和直线部分的运动都将传递到打磨头，因此打磨头部分存在运动的耦合问题。解耦部分采用的是滚珠花键16将旋转部分和打磨头、直线运动部分和打磨头分别的联系了起来。

本设计中动力采用气动马达2大大的减小了执行器的总质量。气动马达2通过键7和主轴6相连接，主轴6和气动马达2采用一体式连接，避免使用联轴器从而降低了机构的复杂性，使得结构更加的紧凑。本设计中采用轴承组件5，简化了主轴6轴段的设计，减少了轴承内外圈定位引入的不确定性。抛磨系统的力检测传感器选择的是二维拉扭复合传感器，传感器安装于L型连接件的下表面处，可直接测量抛磨作业的法向力。二维拉扭复合力传感器1较六维力传感器大大的减小了设计的成本。为了顺利将直线电机定子9和拉扭复合力传感器1的内圈连接到一起，这里设计了一个过度性零件—上环形连接件13。在众多的直线运动实现方式中本设计选择的是直线电机，是因为直线电机有着优越的力控性能和快去响应的带宽，这些正是抛磨作业和抛磨研究需要的。气动马达2的旋转运动通过主轴6传递给滚珠花键16，滚珠花键16将旋转运动传递给打磨头部分，这就实现了抛磨的切削旋转运动。直线电机内圈通过轴承内圈将直线运动传递给了打磨头，这就实现了法向的抛磨力的控制。由于滚珠花键16具有传递扭矩而又不“紧”连接的作用，所以打磨头可沿轴自由滑动，这就使得打磨头的两个自由度在在滚珠花键16处实现了机械解耦。本设计中一对角接触球轴承14面对面安装，打磨头可承受双向轴向力。轴承的内外圈上下分别有轴承内外挡圈、挡圈17和弹簧卡圈进行轴向定位。抛磨末端执行器的磨料19可统一订购，依据需要本设计中可以设计一系列的磨料安装盘18来安装不同型号和材料的磨料19。另外，目前一般的设计中执行器和宏机器人系统的连接都是在执行器的顶端，这样大大的怎加了抛磨表面的倾覆力矩，影响抛磨的质量。相比较而言，本设计中将抛磨连接点低，更加有利于保证抛磨面的质量。

实施例3：

抛磨力控末端执行器可通过L型连接板4安装到机器人的末端关节上，执行器和机器人共同构成了一个宏微机器人抛磨系统。机器人提供抛磨过程中的进给运动，执行器提供抛磨的转速和抛磨工具力。

开启气泵的开关给气动马达2提供气源，气动马达2的轴转动。主轴6和气动马达2通过键7连接，气动马达2的转速和转矩传递给主轴6，主轴6和滚珠花键16配合使用，主轴6将运动和转矩传递给与滚珠花键16连接16的打磨头，通过磨料19的旋转提供了抛磨的切削转速。

L型连接板4的下表面通过螺栓安装有拉扭复合传感器1，可以实时的检测抛磨过程中的抛磨力。拉扭复合传感器1通过上环形连接件13和电机安装套10与直线电机定子9相连接。直线电机动子8和抛磨头部分连接，动子的位置控制模式可以实现位姿补偿，动子的力矩模式可以实现抛磨工具力调节。

抛磨头在这种情况下既可以通过调节气动马达2的气量实现切削旋转速度的调节，又可通过调节直线电机实现抛磨的位置补偿和调节工具力恒定。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机器人抛磨力控末端执行器，其特征在于，所述末端执行器包括用于打磨工件的打磨头部、驱动打磨头部转动的旋转部、以及驱动打磨头部进给的直线运动部；所述旋转部与机械臂连接，其输出端穿过直线运动部后与打磨头部传动连接；

所述旋转部包括气动马达、马达支架、L型连接件、主轴、键、以及轴承组件；所述L型连接件的一侧与打磨机械臂固定连接，气动马达通过马达支架固定安装在L型连接件的另一侧上；所述主轴的一端通过所述键与气动马达输出端传动连接，另一端与打磨头部连接；所述轴承组件安装在L型连接件上，其内圈与主轴过盈配合；

所述直线运动部包括拉扭复合力传感器、上环形连接件、电机安装套、直线电机定子、直线电机动子、下环形连接件、轴承内圈挡圈、角接触球轴承、以及弹性挡圈；所述拉扭复合力传感器设置在气动马达下方，通过螺栓与L型连接件固定连接；所述拉扭复合力传感器通过上环形连接件和电机安装套与直线电机定子固定连接；所述直线电机动子设置在直线电机定子内，其下端与下环形连接件固定连接；所述轴承内圈挡圈的上端通过螺栓与下环形连接件固定，其下端与弹性挡圈固定连接；所述角接触球轴承设置在轴承内圈挡圈外侧，位于轴承内圈挡圈顶端与弹性挡圈之间；

所述打磨头部包括挡圈、轴承外圈挡圈、滚珠花键、磨料安装盘、以及磨料；所述轴承外圈挡圈的上端通过螺栓与挡圈连接，其内壁与角接触球轴承抵接；所述滚珠花键设置在轴承外圈挡圈内，其底部通过螺栓与轴承外圈挡圈和磨料安装盘固定连接，其内壁与主轴连接，实现主轴驱动滚珠花键转动且滚珠花键可在主轴上轴向滑动；所述磨料安装在磨料安装盘上。

2.根据权利要求1所述的机器人抛磨力控末端执行器，其特征在于，所述角接触球轴承设为一对且采用面对面的方式安装。

3.根据权利要求1所述的机器人抛磨力控末端执行器，其特征在于，所述L型连接件上表面设有型面，所述轴承组件通过型面定位在L型连接件的型面上。

4.根据权利要求1所述的机器人抛磨力控末端执行器，其特征在于，所述下环形连接件上设有用于保证直线电机安装对中性的圆台型面，所述直线电机动子安装在下环形连接件的圆台型面上。

5.根据权利要求1所述的机器人抛磨力控末端执行器，其特征在于，所述轴承外圈挡圈内设有用于定位角接触球轴承的阶梯圆环面，所述阶梯圆环面的外壁设置在轴承外圈挡圈的内壁上，其内壁与角接触球轴承抵接。

6.根据权利要求1所述的机器人抛磨力控末端执行器，其特征在于，所述轴承内圈挡圈的上部设有用于定位轴承内圈挡圈的轴肩。