CN105081932A - 转塔式机器人抛光机构 - Google Patents

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丁毓峰
武翰
吴永锋
闵强
肖婷
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明是一种转塔式机器人抛光机构，其通过连接支架(7)和法兰盘(29)与工业机器人手臂末端相连，在驱动部分和上位机协同作用下，使工业机器人手臂带动抛光机构刀库中的抛光刀具沿着既定的抛光路径对工件表面进行抛光加工，所述刀库采用圆台型转塔式刀库。本发明将转塔式刀库应用于抛光机构中，抛光机器人能携带更多抛光刀具，能满足对于不同待加工表面的加工需求；同时自动换刀***实现了抛光机器人对于加工不同表面时刀具的自动切换，提高了加工效率；该抛光机构包括连接部件、进给部件、驱动部件和自动换刀部件，通过各部件之间的连接配合，该抛光机构可在不同的抛光工序中自动更换抛光刀具。

Description

转塔式机器人抛光机构
技术领域
本发明涉及工业机器人的应用领域，是一种可供工业机器人进行模具型腔表面抛光加工作业的装置。
背景技术
国内外在工业机器人辅助抛光的研究领域主要分为两个方向，一是机器人抛光***的整体研究；二是机器人抛光机构的设计与研究。
国内对机器人抛光***的整体研究主要集中在高校等科研场所。华中科技大学采用Puma-562型工业机器人执行抛光任务，从工艺过程建模、工艺知识库和数据库的建立、智能工艺规划***的构造、抛光刀具轨迹自动生成等几个方面进行了研究(袁楚明，张雷.机器人辅助模具自动抛光研究及发展趋势[J].中国机械工程，2000,11(12)：1428-1430.)。
上海交通大学采用FAROT-Mb-315型工业机器人、工作站、研抛工具等搭建了机器人研抛***(郎志,李成群,贠超.机器人柔性抛光***研究[J].机械工程师,2006,(6):26-28.)
在机器人抛光机构的设计方面，哈尔滨工业大学对其设计的抛光机构进行了拉格朗日动力学模型构建，从理论角度分析其柔性抛光性能，并为其控制方式的研究提供依据(杜月.机器人辅助抛光***末端抛光工具的优化设计与轨迹规划[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.)。
浙江工业大学设计了一种应用于自由曲面的气囊抛光机构，并根据其结构特点制定了相应的抛光进给方式(金明生,计时鸣,张利.气囊抛光工具的模块化设计及应用[J].机电工程,2012,29(12):1395-1399.)。
通过查阅与机器人抛光领域相关的文献资料可知，现有的机器人抛光机构在使用中会出现诸多不便利的地方。例如，抛光机构多采用单一的抛光工具，难以满足类型复杂、抛光工序复杂的模具型腔表面的抛光加工，只能在完成某一类型的表面或者某一道工序之后让抛光设备停止运行，再由操作工人手动更换抛光工具。这种方式无疑会降低加工效率，同时也不利于产品的批量化、规模化、现代化生产。
综上，国内外对工业机器人自动抛光***的研究大部分还处于实验状态，而且侧重于抛光***的整体研究(苏将兵，廖宏谊，苏卿双.机器人模具抛光的研究现状与发展趋势[J].模具工业，2012,38(6)：63-66.)，对机器人抛光机构的研究略显不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种转塔式机器人抛光机构，以解决现有抛光机不能根据加工表面自动换刀导致的加工效率低下，甚至需要手工操作等技术缺点。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明提供的转塔式机器人抛光机构，包括驱动部分，该抛光机构通过连接支架和法兰盘与工业机器人手臂末端相连，在驱动部分和上位机协同作用下，使工业机器人手臂带动抛光机构刀库中的抛光刀具沿着既定的抛光路径对工件表面进行抛光加工，所述刀库采用圆台型转塔式刀库。
所述的连接支架，由与法兰盘相连的圆台和与底板相连的加强筋两部分组成，其中：圆台上方均布6个通孔，通过螺栓与法兰盘连接；圆台下方为方形，均布四个通孔，通过螺栓与加强筋相连。
所述的底板，是与上端板和下端板相连的平板，其中：底板内部分布若干通孔和沉头孔，为连接支架提供依附，同时对上端板和下端板起固定和支撑作用，底板分别与上端板和下端板通过螺钉连接在一起。
所述的圆台型转塔式刀库中设有根据待加工表面加工要求自动切换的三种规格的抛光刀具，分别适用于平面、自由曲面和微小表面的抛光加工。
所述的圆台型转塔式刀库基体为圆台形状。
所述的圆台型转塔式刀库，其中心轴与驱动部分中的抛光主轴在空间中呈60度夹角。
本发明与现有的机器人抛光机构相比，具有如下有益效果：
1.将加工中心自动换刀***的设计理念与机器人抛光机构的设计相结合，从一定程度上开创了机器人抛光机构新的设计领域，为机器人辅助抛光加工的研究和发展带来了新的可能。
2.转塔式机器人抛光机构具备自动更换抛光刀具的功能，使其可根据平面、曲面以及微小表面等型腔面变化自动更换所需的抛光刀具，或是根据粗抛、半精抛和精抛等不同的工艺流程自动更换相应材质和规格的抛光刀具，使机器人在一个工位上即可完成复杂的抛光工艺，提高机器人的工作量和复杂程度，从而降低生产成本，提高生产效率。
3.将转塔式刀库整体设计为圆台型(图2)，使其在满足安装条件和使用需求的同时，尽可能的减少抛光工具之间可能存在的干涉情况，增大单个抛光工具的可达范围。刀库与抛光主轴在空间中呈60度夹角，在保证工作性能的同时提高机构内部的空间利用率，在一定程度上减轻了对机器人性能的负担，同时特殊角度的设计也为机构的加工和装配提供了便利。
4.本机构的用途和功能是自动换刀、丝杠传动、抛光加工、机械连接、机器人应用等多种功能的综合体现，同时也是多种机械元件不同功能的组合创新。
5.功能更为全面。转塔式刀库可携带三种或三种以上规格的抛光工具，分别适用于平面、自由曲面和微小表面的抛光加工。在对抛光刀具进行校核分析时，通过查阅文献资料接触力的大小为25～60N，在分析时取60N；转速为900～1500rad/min，在分析时取1500rad/min，由有限元得出的计算结果分析可知，三种规格的抛光刀具的结构设计合理，强度满足使用要求。
附图说明
图1是本发明转塔式机器人抛光机构的三维模型***示意图。
图2是本发明转塔式机器人抛光机构的总装及外形的结构示意图。
图3是图1中转塔式刀库三维模型的示意图。
图4是本发明转塔式机器人抛光机构的换刀过程的示意图。
图中：1.推进电机；2.联轴器；3.1#丝杠轴承；4.丝杠端套；5.丝杠；6.底板；7.连接支架；8.上端板；9.丝杠螺母座；10.下端板；11.丝杠螺母；12.2#丝杠轴承；13.抛光主轴；14.刀具轴承；15弹性挡圈；16.抛光刀具；17.摆动气缸；18.转塔式刀库(转塔式刀库体18-0、1#抛光刀具16-1、2#抛光刀具16-2、3#抛光刀具16-3)；19.摆动气缸输出轴；20.抛光电机安装支架；21.滑块；22.抛光电机；23.滑块座；24.黄铜衬套；25.导轨；26.联轴器保护盖；27.推进电机安装支架；28.外壳支架；29.法兰盘；30.机器人第六轴。Ⅰ.连接部分；Ⅱ.进给部分；Ⅲ.驱动部分；Ⅳ.换刀部分。
具体实施方式
本发明将转塔式刀库应用于抛光机构中，通过自动换刀***实现抛光机对于不同加工表面的适应能力，在满足加工要求的同时提高加工效率。在设计中，将转塔式刀库整体设计为圆台型，使其在满足安装条件和使用需求的同时，尽可能的减少抛光工具之间可能存在的干涉情况，增大单个抛光工具的可达范围。刀库中心轴与抛光主轴在空间中呈60度夹角，在保证工作性能的同时提高机构内部的空间利用率，在一定程度上减轻了工业机器人的负担，同时特殊角度的设计也为机构的加工和装配提供了便利。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的一种转塔式机器人抛光机构(简称抛光机构)，其结构如图1至图3所示，包括连接、进给、驱动、自动换刀四个部分，其中：连接部分Ⅰ位于底板6上，进给部分Ⅱ位于上端板8和下端板10上，驱动部分Ⅲ位于滑块座23上，自动换刀部分Ⅳ位于外壳支架28上。
所述连接部分Ⅰ包括连接支架7和法兰盘29，分别用于抛光机构与机器人末端的固定和安装，抛光刀具的运动轨迹由机械手通过刚性连接部分传递，继而达到抛光运动轨迹所需的高精度和高稳定性，整个机构通过螺栓与机器人第六轴30(即工业机器人手臂末端)连接，通过上位机控制工业机器人手臂，继而带动末端抛光机构沿着既定的抛光路径对模具型腔表面进行抛光加工，其中：连接支架7通过螺栓固定在与上端板8和下端板10相连的底板6上，保证足够的强度。
所述连接支架7，由与法兰盘29的相连的圆台和与底板6相连的加强筋两部分组成，其中：圆台上方成圆形，均布6个通孔，通过螺栓与法兰盘连接；圆台下方为方形，均布四个通孔，通过螺栓与加强筋相连。
所述底板6，是与上端板8和下端板10相连的平板，其中：底板6内部分布若干通孔和沉头孔，为连接支架7提供依附，同时对上端板8和下端板10起固定和支撑作用，底板6分别与上端板8和下端板10通过螺钉连接在一起。
所述进给部分Ⅱ主要由推进电机1、联轴器2、轴器保护盖26、丝杠传动装置、导轨25、上端板8、下端板10、黄铜衬套24、滑块21和滑块座23组成，进给部分用以控制抛光主轴13的升降，换刀时需切断动力输入，换刀后又需要接入动力，通过丝杠传动装置实现换刀时刀具与抛光电机22的离合达到动力切断与分离的目的。
所述推进电机1，是具有质量轻、转矩大等特点的步进电机，通过推进电机安装支架27将推进电机1固定并通过联轴器2与丝杠5相连，继而将该电机的旋转运动通过丝杠5转换为抛光电机22的沿导轨25的上下直线运动，实现进给功能。所述推进电机安装支架27，是中心钻孔的平板，通过螺栓固定在上端板8上，为电机提供支撑和固定；所述上端板8是一块中心有孔的平板，与下端板10平行安装，是一种定位与固定装置，起支撑推进电机安装支架27和约束丝杠5，导轨25水平方向自由度的作用，上端板8和下端板10通过螺钉安装在底板6上。
所述联轴器保护盖26，由具有三面薄板的壳体构成，联轴器保护盖26通过螺钉固定在底板6上，为联轴器2和丝杠传动装置提供防尘等保护作用。
所述丝杠传动装置由丝杠端套4、丝杠5、丝杠螺母座9、丝杠螺母11、1#丝杠轴承3和2#丝杠轴承12组成，其中1#丝杠轴承3和2#丝杠轴承12用以实现运动件(丝杠5)与静止件(上端板8、下端板10)之间的连接，其选用深沟球轴承，因为深沟球轴承可承受径向载荷和双轴向载荷、结构简单、使用方便、带有防尘盖、适用于抛光车间等粉尘环境等优点。
所述导轨25，由两根相同的直线圆柱导轨组成，导轨25通过黄铜衬套24与滑块21相连。所述黄铜衬套20与丝杠螺母座11过盈连接，其中黄铜衬套硬度高，润滑效果好，用在导轨处可以提高运动精度和耐磨性。
所述滑块21，分别套装在两根导轨上，并通过滑块座23带动抛光电机22实现进给运动，其中滑块21与滑块座23通过螺钉连接在一起。所述滑块座23，由与抛光电机相连的平板构成，滑块座23与抛光电机22通过螺栓连接，进而带动抛光电机22一起运动。
述驱动部分Ⅲ主要由抛光电机22(直流电机)、抛光电机安装支架20和抛光主轴13组成，为抛光加工提供动力。其中，抛光电机22通过螺栓固定在抛光电机安装支架20上，抛光主轴13通过销轴与抛光电机22的输出轴相连，保证动力输出的稳定性。所述抛光电机安装支架20，是设有中心钻孔的平板，其中：抛光电机安装支架20通过螺栓连接在与滑块21相连的滑块座23上，从而在滑块21的上、下滑动下，带动抛光电机22做上下进给运动。
所述转塔式刀库，位于末端抛光机构处，具有三种规格的抛光刀具，该刀库基体为圆台形状，倾斜角为150°，这种圆台形状的刀库在承载更多的抛光工具的同时节省了空间占有体积，同时更为美观大方。在刀库的表面有三个中心连线为正三角形的轴承座，即为抛光工具的安装位置。抛光工具和深沟球轴承一同安装在转塔式刀库的安装位置上，该模块整体安装在抛光机构的外壳支架24上，并且工具轴轴线方向与抛光主轴11轴线方向成30°夹角。刀库的回转动力来源于摆动气缸，在抛光作业时，其结构整体为中心对称，因此不会产生较大的偏心距，从而保证抛光质量。
所述自动换刀部分Ⅳ主要由转塔式刀库18、抛光刀具16和摆动装置组成，由于转塔式刀库18可承载多种不同规格的抛光刀具，在抛光过程中可根据需要通过上位机控制摆动装置进行自动更换，因此它是实现抛光加工中自动换刀的关键所在，刀库的设计参考加工中心转塔式刀库的设计理念，并进行了改进和创新。
所述转塔式刀库18，由转塔式刀库体18-0、刀具轴承14和弹性挡圈15组成。其中，转塔式刀库体18-0与摆动装置中摆动气缸17通过螺栓连接；刀具轴承12的内圈与抛光刀具16的轴颈通过过盈连接装配在一起，刀具轴承12的外圈与转塔式刀库体18-0的刀具孔通过过盈连接装配在一起；所述弹性挡圈15为标准件，其嵌入转塔式刀库体18-0的对应卡槽中对刀具轴承14起轴向定位作用。
所述摆动装置，由摆动气缸15和摆动气缸输出轴19组成，是一种实现旋转动作的专用马达。其中，摆动气缸15与转塔式刀库体18-0通过螺栓连接，摆动气缸输出轴19穿过转塔式刀库体18-0的中心孔并通过螺钉与外壳支架28相连。
所述抛光刀具16(包括1#抛光刀具16-1、2#抛光刀具16-2、3#抛光刀具16-3共3种型号刀具)是对待加工表面直接作用的零件，其中1#抛光刀具用于抛光工件的平面，2#抛光刀具用于抛光工件的曲面，3#抛光刀具用于抛光工件的微小表面。
所述外壳支架24为支撑装置，由左右对称的两部分弯折连接板和底部的圆台组成，主要对转塔式刀库18起固定和支撑作用，其中，弯折板通过螺钉与底板6相连，圆台四周均布六个通孔通过螺钉与摆动气缸输出轴19顶部连接。
本发明提供的上述的转塔式机器人抛光机构，其工作过程是：在抛光作业时，假定以平面抛光开始：在抛光平面时采用1#抛光刀具，推进电机通过丝杠传动驱动抛光电机下降，电机主轴与抛光刀具轴啮合，带动抛光刀具转动，开始平面抛光作业；在完成平面抛光进行自由曲面抛光时，抛光电机停止转动，推进电机通过丝杠传动使抛光电机上升，主轴与工具轴分离，摆动气缸驱动刀库转动120°，此时2#抛光刀具就移动到了主轴的正下方，再由推进电机和丝杠传动使抛光电机下降，主轴与工具轴啮合，带动抛光刀具转动，开始曲面抛光作业；在完成自由曲面抛光作业进行微小表面抛光时，依据同样的方式，将工作抛光刀具换为3#抛光刀具，即可进行微小表面的抛光作业。
本发明提供的转塔式机器人抛光机构，其换刀过程如图4所示，包括以下步骤：
步骤1：如图4中的图a-图b所示，在开始抛光作业时，抛光电机下降，使抛光主轴11与1#抛光刀具16-1的旋转轴啮合，进行平面的抛光加工。
步骤2：如图4中的图c-图e所示，在完成了平面的抛光加工之后，抛光电机19上升，是抛光主轴11与1#抛光刀具16-1的旋转轴分离，随后转塔式刀库在摆动气缸的驱动下转动120度，使2#抛光刀具16-2处于抛光主轴11的正下方。
步骤3：如图4中的图f-图g所示，在2#抛光刀具16-2到达预期的位置之后，抛光电机19下降，是抛光主轴11与2#抛光刀具16-2的旋转轴啮合，以进行自由曲面的抛光加工。此时一个完整的换刀动作完成，本项发明中所有的换刀工作均按照上述过程进行。

Claims (6)

1.一种转塔式机器人抛光机构，包括驱动部分，其特征在于该抛光机构通过连接支架(7)和法兰盘(29)与工业机器人手臂末端相连，在驱动部分和上位机协同作用下，使工业机器人手臂带动抛光机构刀库中的抛光刀具沿着既定的抛光路径对工件表面进行抛光加工，所述刀库采用圆台型转塔式刀库。
2.如权利要求1所述的转塔式机器人抛光机构，其特征在于所述的连接支架(7)，由与法兰盘(29)相连的圆台和与底板(6)相连的加强筋两部分组成，其中：圆台上方均布6个通孔，通过螺栓与法兰盘连接；圆台下方为方形，均布四个通孔，通过螺栓与加强筋相连。
3.如权利要求1所述的转塔式机器人抛光机构，其特征在于所述的底板(6)，其通过螺钉分别与上端板(8)和下端板(10)连接在一起。
4.如权利要求1所述的转塔式机器人抛光机构，其特征在于所述的圆台型转塔式刀库中设有根据待加工表面加工要求自动切换的三种规格的抛光刀具，分别适用于平面、自由曲面和微小表面的抛光加工。
5.如权利要求1所述的转塔式机器人抛光机构，其特征在于所述的圆台型转塔式刀库基体为圆台形状。
6.如权利要求5所述的转塔式机器人抛光机构，其特征在于所述的圆台型转塔式刀库，其中心轴与驱动部分中的抛光主轴(11)在空间中呈60度夹角。
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