本發(fā)明涉及一種一體化主動(dòng)式恒力補(bǔ)償裝置，屬于自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

對于機(jī)器代替人工的自動(dòng)化表面作業(yè)處理，例如表面加工(打磨、拋光)以及工件的處理，為確保整個(gè)工藝過程的加工質(zhì)量，需要恒力進(jìn)行加工或按沿加工軌跡進(jìn)行期望力跟蹤。對于傳統(tǒng)的人工方式，技術(shù)工人憑經(jīng)驗(yàn)來保證質(zhì)量，同時(shí)具有人力成本高，工作環(huán)境對人體危害大，加工質(zhì)量一致性差以及效率低等缺點(diǎn)。

對于現(xiàn)代的輸出力控制系統(tǒng)，安裝于機(jī)器人手臂上的加工工具與被加工件進(jìn)行接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種具有沖擊波性狀的接觸力。對于低端加工，此問題可忽略。但對于加工精度要求較高或被加工件表面較為敏感的情況下，會(huì)造成被加工件表面出現(xiàn)瑕疵或者破損的情況。因此這種接觸時(shí)產(chǎn)生的沖擊力是理所應(yīng)當(dāng)被消除的。

另外，現(xiàn)有的輸出力控制系統(tǒng)在高頻率干擾的情況下，往往缺乏高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，因?yàn)槠淇烧{(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)具有一定的慣性，需要相應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間。對于標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)器人，屬于剛性系統(tǒng)，軌跡調(diào)整過程中即使產(chǎn)生微小的誤差，也會(huì)造成接觸力巨大的偏差，產(chǎn)生不被期望的后果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為機(jī)械臂或其他可能的自動(dòng)化裝置提供一種主動(dòng)式的力補(bǔ)償裝置，使加工工具可以在零沖擊的情況下接觸到被加工件表面，同時(shí)在整個(gè)加工過程中能對接觸力進(jìn)行恒定補(bǔ)償或根據(jù)力指令進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

采用的技術(shù)方案是：

一體化主動(dòng)式恒力補(bǔ)償裝置，包括上法蘭、伸縮套、主殼體、主軸、主軸滑道、氣缸總成、pcb電路板、氣壓調(diào)節(jié)閥、電磁閥和傾角傳感器。

主殼體由外殼頂蓋、外殼和下端蓋連接構(gòu)成。伸縮套上端與上法蘭固定連接，伸縮套下端與外殼頂蓋固定連接，下端蓋的側(cè)壁上分別裝設(shè)有五芯接口、四芯接口、消音器、進(jìn)氣管和指示燈。進(jìn)氣管的出氣端與設(shè)置在下端蓋內(nèi)的三通氣道連接，三通氣道由固定在下端蓋內(nèi)的三通支架支撐。氣缸總成包括氣缸和傳動(dòng)連接件，氣缸的活塞桿上端與傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件的下端固定連接，傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件通過傳動(dòng)螺桿與上法蘭連接。傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件與傳動(dòng)螺桿間隙配合。

主軸下部裝設(shè)在主軸滑道內(nèi)，主軸與主軸滑套滑動(dòng)配合。主軸的上端通過漲套與上法蘭的下端面固定連接。主軸滑道下端固定在下端蓋的底壁上。

氣壓調(diào)節(jié)閥通過管路與氣缸連接，該連接管路上裝設(shè)有電磁閥。氣壓調(diào)節(jié)閥和電磁閥分別固定在閥板上，閥板上開設(shè)有多條氣路，閥板下端與閥板轉(zhuǎn)接件連接，閥板轉(zhuǎn)接件固定在下端蓋內(nèi)的一角處。閥板固定板豎直設(shè)置，閥板固定板分別通過螺釘與閥板、閥板轉(zhuǎn)接件及下端蓋固定連接。

角度傳感器通過螺釘固定在傾角器固定板上，傾角器固定板分別通過螺釘與閥板和閥板轉(zhuǎn)接件固定連接。

pcb電路板裝設(shè)在殼體內(nèi)壁開設(shè)的凹槽滑道內(nèi)，pcb電路板下端固定在閥板轉(zhuǎn)接件上，pcb電路板的上端由緩沖墊片和外殼頂蓋壓緊。

滑道內(nèi)腔中裝設(shè)有磁座，磁座上裝設(shè)有磁環(huán)，磁座通過螺釘與主軸下端連接。

見圖1，圖1中的六軸工業(yè)機(jī)器人的手臂1通過法蘭2與圖2中本發(fā)明裝置的下法蘭12緊固相連，發(fā)明裝置再通過上法蘭7與工具法蘭5緊固相連。機(jī)器人通過預(yù)先編程，使機(jī)械臂沿著預(yù)定的軌跡在被加工工件6上移動(dòng)，移動(dòng)過程中所造成的傾角變化，以及被加工工件6表面的凹凸變化所造成的接觸力變化，均由本發(fā)明所提出的恒力補(bǔ)償裝置3予以補(bǔ)償。本發(fā)明裝置的主要工作內(nèi)容是保持加工工具4與被加工工件6的表面具有恒定接觸力，此接觸力可預(yù)先設(shè)置。譬如在打磨領(lǐng)域，需要保證打磨執(zhí)行工具4在高速旋轉(zhuǎn)的情況下仍然可以與被加工工件表面保持恒定的接觸力。

對于機(jī)械臂1這樣的剛性系統(tǒng)，在打磨執(zhí)行工具4剛接觸到被加工工件6表面的時(shí)候，會(huì)無法避免地產(chǎn)生一定沖擊力，如果僅僅通過機(jī)器人來執(zhí)行這種動(dòng)作，則產(chǎn)生的沖擊力很難得到良好控制?？梢院芎玫慕鉀Q這個(gè)問題。

在復(fù)雜加工工藝的情況下，本發(fā)明裝置3在上電后可以對打磨執(zhí)行工具4進(jìn)行自動(dòng)稱重，確保對打磨執(zhí)行工具4有準(zhǔn)確的重力補(bǔ)償。在加工間隙，如果打磨執(zhí)行工具4被工人置換，本裝置在不掉電的情況下，通過手動(dòng)拖拽打磨執(zhí)行工具4到本發(fā)明裝置3最大行程處，可重新觸發(fā)稱重過程，此辦法可有效的節(jié)省用戶時(shí)間，提高工作效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的使用示意圖。

圖2是本發(fā)明的一種實(shí)施例的外部結(jié)構(gòu)圖。

圖3內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置示意圖。

圖4pcb安裝示意圖。

圖5下端蓋內(nèi)布局示意圖。

圖6電路和氣路器件布置示意圖。

圖7內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移檢測示意圖。

圖8是漲套結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件示意圖。

圖10控制原理示意圖。

具體實(shí)施方式

一體化主動(dòng)式恒力補(bǔ)償裝置，包括上法蘭7、伸縮套8、主軸17、主軸滑道20、主殼體、氣缸總成、pcb電路板23、氣壓調(diào)節(jié)閥30、電磁閥32、傾角傳感器31，其特征在于：

主殼體由外殼10、外殼頂蓋9和下端蓋11連接構(gòu)成。伸縮套8上端與上法蘭7固定連接，其下端與外殼頂蓋9固定連接。下端蓋的側(cè)壁上分別裝設(shè)有五芯接口13、四芯接口39、進(jìn)氣管16、消音器15和指示燈14。進(jìn)氣管16與三通氣道26的進(jìn)氣口連接，三通氣道26位于下端蓋11內(nèi)，由固定在下端蓋內(nèi)壁上的三通支撐板27支撐。三通氣道16的出氣口與氣壓調(diào)節(jié)閥30的進(jìn)氣口對應(yīng)連接。

氣缸總成，包括氣缸21和傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件19，氣缸21的活塞桿上端與傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件19下端連接，傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件19通過傳動(dòng)螺桿22與上法蘭7連接，且間隙配合。主軸17下部裝設(shè)在主軸滑道20內(nèi)，上、下滑動(dòng)配合，主軸17的上端通過漲套18與上法蘭7連接。主軸滑道20下端固定在下端蓋11的底壁上。

氣壓調(diào)節(jié)閥30通過管路與氣缸21連接，氣壓調(diào)節(jié)閥30與氣缸21的連接管路上裝設(shè)有電磁閥32。氣壓調(diào)節(jié)閥30與電磁閥32分別固定在閥板33上，閥板33上開設(shè)有多條氣路。閥板33下端與閥板轉(zhuǎn)接件25固定連接，閥板轉(zhuǎn)接件25固定在下端蓋11的底壁上。閥板固定板29分別通過螺釘與閥板33、閥板轉(zhuǎn)接件25及下端蓋11固定連接。傾角傳感器31固定在傾角傳感器支板28上，傳感器支板28通過螺釘固定在閥板固定板29上。

pcb電路板23裝設(shè)在外殼10上開設(shè)的凹槽滑道內(nèi)，pcb電路板23下端固定在閥板轉(zhuǎn)接件25上，pcb電路板上端由緩沖墊片24和外殼頂蓋9壓緊。

所述主軸滑道20下部內(nèi)腔38中裝設(shè)有磁環(huán)座35，磁環(huán)座35上裝設(shè)有磁環(huán)37，磁環(huán)座35通過磁環(huán)螺釘36與主軸17下端連接。主軸滑道20的外壁上固定有位移傳感器34。

位移傳感器34、傾角傳感器31、電磁閥32及氣壓調(diào)節(jié)閥30分別通過導(dǎo)線與pcb電路板23的對應(yīng)接口連接。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以便于理解。

圖2示出了本發(fā)明裝置所要保護(hù)的外觀結(jié)構(gòu)，伸縮套8選擇軟性材質(zhì)(不限于橡膠)，外殼10、外殼頂蓋9及下端蓋11選擇硬性材質(zhì)(不限于塑料、金屬)，這種組合確保了裝置具備ip65的防護(hù)等級(jí)。同時(shí)伸縮套8在機(jī)械臂軸向方向上還具備一定的伸縮能力，這種外部的彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以保證本發(fā)明在工作期間，內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)在行程范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中均可以通過外部結(jié)構(gòu)得到良好的防護(hù)，而不會(huì)有裸露的現(xiàn)象。當(dāng)本發(fā)明被應(yīng)用在打磨、拋光領(lǐng)域的時(shí)候，可有效地防止在加工過程中產(chǎn)生的粉塵、碎屑進(jìn)入裝置內(nèi)部，確保本發(fā)明裝置使用的可靠性。

在下端蓋11表面鑲有電氣接口，其中五芯接口包括電源及繼電器接入端子，四芯接口為供內(nèi)部電路板23和外部人機(jī)交互界面通信的以太網(wǎng)接口。在電氣接口13邊側(cè)還有一顆三色led指示燈14。三色指示燈通過單色、雙色、三色組合可以向操作人員便捷直觀地傳達(dá)信息，操作人員可以通過參照用戶手冊，快速地了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。

在下端蓋的另一側(cè)鑲嵌的進(jìn)氣管16，可將外部氣壓源中的壓縮空氣輸送至內(nèi)部氣壓控制裝置。氣壓控制裝置主要通過消音器15將內(nèi)部氣體排放至外部大氣當(dāng)中。同時(shí)，消音器15在此過程中還起到了很好的消音降噪作用，可有效降低本發(fā)明裝置對周邊環(huán)境造成的噪聲污染。

圖3示出了本發(fā)明裝置的內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)布局，通過氣壓調(diào)節(jié)閥30的控制，氣缸21中的活塞連桿帶動(dòng)上法蘭可以進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在這一過程中，主軸17作為從動(dòng)部件，沿著主軸滑道20起到了限位和承受外部載荷的作用。圖9詳細(xì)示出了漲套18的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖10詳細(xì)給出了傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件19的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件19與傳動(dòng)螺桿22之間有小的間隙，可以使傳動(dòng)轉(zhuǎn)接件19在水平方向上產(chǎn)生與上法蘭7相對小距離的滑動(dòng)，以此來補(bǔ)償加工及安裝過程中引入的誤差和上法蘭7傳遞給氣缸21的荷載。

圖4示出了內(nèi)部pcb電路板23包括一個(gè)微處理器?？紤]到本發(fā)明裝置在某些應(yīng)用場景中上法蘭7會(huì)連接氣動(dòng)打磨工具，打磨工具在加氣打磨期間會(huì)不可避免的產(chǎn)生振動(dòng)，這種長時(shí)間的振動(dòng)傳導(dǎo)到恒力執(zhí)行器會(huì)使螺絲松動(dòng)，所以對于pcb電路板23，本發(fā)明裝置內(nèi)部采用了無螺栓的固定方式。在外殼10的一側(cè)內(nèi)部開了一個(gè)凹槽滑道，并將電路板23安放在凹槽滑道內(nèi)，電路板23下端固定在閥板轉(zhuǎn)接件25上，上端通過外殼頂蓋9和緩沖墊片24壓緊。利用緩沖墊片24的變形可以有效緩解在打磨過程中由氣動(dòng)加工工具造成的pcb電路板振動(dòng)。

圖6示出了本發(fā)明裝置內(nèi)部主要的電路及氣路器件的布局。為了使本發(fā)明裝置能夠?qū)崿F(xiàn)恒力補(bǔ)償，氣壓調(diào)節(jié)閥30和電磁閥32固定在閥板33上，在閥板33上開有多條氣路，可確保氣壓調(diào)節(jié)閥30從外部氣源吸氣，也可以將氣體排出至外部大氣；通過集成氣體壓力控制功能的氣壓調(diào)節(jié)閥30輸出指定的氣壓，達(dá)到恒力控制的功能；之后再通過電磁閥32調(diào)換兩側(cè)氣流方向，使氣缸21連桿既可以向外推動(dòng)上法蘭7，也可以向里拉緊上法蘭7，以此來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明裝置既可輸出指定的推力及拉力功能。

在本發(fā)明裝置使用過程中，機(jī)械臂1可能處于不同角度，角度的變化會(huì)影響執(zhí)行工具4作用在工件6表面的重力分量變化，直接影響了接觸力變化。裝置內(nèi)部集成有傾角傳感器31，可將當(dāng)前傾角信息實(shí)時(shí)傳遞給電路板23上的微控制器，微控制器采集傾角信息進(jìn)行重力補(bǔ)償，確保在本發(fā)明裝置使用過程中，機(jī)械臂1角度變化或者因工件6表面的彎曲變化導(dǎo)致的重力分量變化，不會(huì)改變執(zhí)行工件4作用在工件6表面上的接觸力。

圖6示出了本發(fā)明裝置需要保護(hù)的傾角傳感器31緊固方式。傾角傳感器31通過螺栓固定在傾角傳感器固定板28上，傾角傳感器固定板28又通過螺栓固定在閥板固定板29上，閥板固定板29通過螺栓分別與閥板轉(zhuǎn)接件25、閥板33及下端蓋11相連接，對穩(wěn)定閥板33起到了很好的作用。其目的在于當(dāng)本發(fā)明裝置應(yīng)用在氣動(dòng)打磨領(lǐng)域，因打磨工具振動(dòng)所引起的傾角傳感器31輸出誤差，通過上述的緊固方式，可有效地降低誤差。

圖6示出了本發(fā)明裝置中的一個(gè)重要元件，氣壓調(diào)節(jié)閥30。氣壓調(diào)節(jié)閥30作為一個(gè)可控制的氣壓控制裝置，通過接收微控制器發(fā)出的模擬信號(hào)，按模擬量比例控制輸出端口處氣壓。圖中示出了氣壓調(diào)節(jié)閥30和電磁閥32的固定方式。兩者均固定在閥板33上，并且在閥板33上開有氣路使兩者氣路相連，其優(yōu)點(diǎn)在于，既解決了兩者的緊固問題，又保證兩者以極短的距離連接，節(jié)省了氣管使用。

圖7示出了氣缸21活塞位移檢測原理，磁環(huán)37固定于磁環(huán)座35之上，并通過磁環(huán)螺釘36使其與主軸17固定在一起。當(dāng)主軸17沿著主軸滑道20上下移動(dòng)時(shí)，磁環(huán)37會(huì)隨之一起移動(dòng)。位移傳感器34位于主軸滑道外表面，通過檢測磁環(huán)37引起的磁力線變化來確定磁環(huán)37的位置，從而檢測出裝置內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移。本發(fā)明裝置所采用的位移檢測方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，位移檢測準(zhǔn)確。

圖8示出了本發(fā)明裝置的控制原理，微控制器為焊接在pcb電路板23上的arm芯片，力指令信息由機(jī)器人控制器或者由上位機(jī)用戶界面下發(fā)，微控制器讀取位移傳感器34將采集到的活塞位移信息和傾角傳感器31采集的傾角信息。恒壓力氣源為安裝在工作環(huán)境現(xiàn)場的氣體壓力儲(chǔ)存裝置，可以連續(xù)不斷的輸出已經(jīng)壓縮好且經(jīng)過過濾的壓縮空氣。通過氣管連接到本發(fā)明裝置內(nèi)部的氣壓調(diào)節(jié)閥30，氣壓調(diào)節(jié)閥30經(jīng)過電磁閥32與氣管21一側(cè)相連，微控制器通過調(diào)整模擬量輸出來調(diào)節(jié)氣壓調(diào)節(jié)閥30的出口壓力，既氣缸一側(cè)壓力，氣缸另一側(cè)始終連接外部大氣壓，用氣缸兩側(cè)氣壓差來實(shí)現(xiàn)牛頓力輸出，達(dá)到控制輸出力的目的。其設(shè)計(jì)目的在于，用壓縮空氣作為動(dòng)力來源，具有成本低廉，使用安全可靠，還可以達(dá)到很高的功率/重量比。