CN105965516A - 适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，包括浮动切削模块、主轴模块和刀具快换模块；浮动切削模块包括刀具、夹头、端盖和刀柄，端盖一端与刀柄连接固定，夹头前端穿出端盖另一端、后端位于端盖内部，刀具固定在夹头前端，夹头与刀柄之间通过套有弹性套的传力销钉连接，夹头后端套有防尘圈和第一碟簧，防尘圈压紧的设在夹头凸缘和端盖之间并将端盖开口堵住，第一碟簧压紧的设在夹头凸缘和刀柄之间。该末端操作器采用纯机械的形式实现了浮动加工，不必设置若干个方位的气（液）动主轴，结构简单，体积小，适用于机器人平台，提高了适用性，成本低。

Description

适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器

技术领域

本发明属于末端操作器领域，具体涉及一种适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器。

背景技术

金属件表面出现的余屑和表面极细小的显微金属颗粒被称为毛刺，毛刺不仅会直接降低零件本身的精度和外观质量，还会削弱其使用性能和寿命，因此将去毛刺作为单独的加工工艺显得格外重要。借助工业机器人实现自动化去毛刺是一种高精度、高效率的去毛刺工艺方法，即，在工业机器人的末端安装末端操作器，工业机器人带动末端操作器按照规定的程序完成指定的去毛刺工作。

末端操作器一般包括切削模块、主轴模块和刀具快换模块，切削模块用于安装刀具，主轴模块用于为刀具提供动力，在刀具快换模块的作用下，切削模块的刀柄可以快速安装在主轴模块的主轴接口上或从主轴接口上拆卸。目前，有的切削模块可以完成浮动加工（浮动加工是指刀具可以沿平行于刀具轴线的轴向浮动或沿垂直空间内角度摆动或同时具备这2种浮动，浮动加工可实现顺随恒力切削，在去毛刺的过程中，可以保证被加工零件的表面形状不被破坏），目前实现浮动加工的方式是安装若干个方位的气（液）动主轴，需要额外安装气（液）动结构，结构复杂，尺寸大，成本高，仅适用于大型设备，局限性大。目前，主轴模块主体是伺服电机，伺服电机通过传动机构与主轴连接，主轴带动刀柄旋转。刀具快换模块的原理是通过拉、送刀柄使其与主轴接口的锥面接触或松开从而实现刀具的快换，目前，刀柄的拉、送由拉杆或拉钉完成，拉杆或拉钉与液压打刀缸连接，需要额外设置液动结构，结构复杂，尺寸大，成本高，仅适用于大型设备，局限性大。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，该末端操作器采用纯机械的形式实现了浮动加工，不必设置若干个方位的气（液）动主轴，结构简单，体积小，适用于机器人平台，提高了适用性，成本低。

本发明所采用的技术方案是：

一种适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，包括浮动切削模块、主轴模块和刀具快换模块；浮动切削模块包括刀具、夹头、端盖和刀柄，端盖一端与刀柄连接固定，夹头前端穿出端盖另一端、后端位于端盖内部，刀具固定在夹头前端，夹头与刀柄之间通过套有弹性套的传力销钉连接，夹头后端套有防尘圈和第一碟簧，防尘圈压紧的设在夹头凸缘和端盖之间并将端盖开口堵住，第一碟簧压紧的设在夹头凸缘和刀柄之间。

进一步地，端盖与刀柄通过螺纹连接。

进一步地，刀具快换模块包括拉力尾盘以及设在主轴中心孔内的拉钉、拉爪和拉杆，刀柄连接端设在主轴接口内，拉钉一端与刀柄通过螺纹连接、另一端设有方形孔，拉杆一端与拉钉的方形孔配合、另一端与拉力尾盘通过螺纹连接，拉力尾盘轴向定位且与主轴通过传力平键连接，拉爪套在拉钉与拉杆的连接处，拉爪上套有弹性环，拉爪的固定端卡在拉杆上的槽内、活动端收缩时能卡在拉钉上的槽内。

进一步地，若干个传力平键在主轴与拉力尾盘之间均匀分布，传力平键与主轴内壁上的传力平键槽和拉力尾盘外壁上的传力平键槽间隙配合，主轴内壁上的传力平键槽的深度不小于传力平键的高度，拉力尾盘外壁上的传力平键槽的深度小于传力平键的高度。

进一步地，拉杆上套有压缩的第二碟簧，第二碟簧一端与拉力尾盘端面接触，拉力尾盘上的传力平键槽为开口槽且开口设在与第二碟簧接触的端面上。

进一步地，拉力尾盘上设有凸缘，凸缘的两侧分别套有轴承，其中，一个轴承通过主轴轴向定位，另一个轴承通过后端盖轴向定位，拉力尾盘的一端支撑在后端盖上。

进一步地，主轴模块包括外壳以及设在外壳内的主轴、转子线圈和定子线圈，定子线圈固定在外壳上，转子线圈固定在电主轴上，主轴与外壳之间设有轴承，外壳外壁设有安装接口。

进一步地，外壳内设有用于测主轴速度的编码器。

本发明的有益效果是：

1.在浮动切削模块中，第一碟簧轴向布置会产生轴向浮动，传力销钉上的弹性套和防尘圈的变形会产生锥向的角度浮动，整体配合实现了刀具的浮动加工，适用于去毛刺加工；浮动切削模块采用纯机械的形式实现了浮动加工，不必设置若干个方位的气（液）动主轴，结构简单，体积小，适用于机器人平台，提高了适用性，成本低。

2.在使用过程中，弹性件（第一碟簧、弹性套和防尘圈）会磨损，为保证浮动刚度的可调性，在端盖和刀柄的连接面处设置螺旋副，可通过调节螺旋副的松紧来实现浮动刚度的调节。

3.刀具快换模块通过增设拉力尾盘，使拉力尾盘与拉杆形成螺旋副，通过该螺旋副完成拉刀和松刀，拉刀过程——主轴正向启动时，刀柄固定在台座上静止不动，拉杆与拉钉通过方形孔配合、相对静止且具有一定的反抗力矩，主轴低速转动，通过传力平键传递扭矩给拉力尾盘，因螺纹副的存在，拉杆产生轴向位移，拉杆移动使得拉爪收缩拉紧拉钉，拉钉随之轴向移动使得刀柄和接口的锥面贴紧产生形变，锥面贴紧形变后产生较大压力使得主轴和刀柄之间可以传递切削力矩；松刀过程——主轴反向启动时，刀柄固定在台座上静止不动，拉杆与拉钉通过方形孔配合、相对静止且具有一定的反抗力矩，主轴低速反向转动，通过传力平键传递反转扭矩给拉力尾盘，因螺纹副的存在，拉杆产生反向轴向位移，并产生轴向推力使得锥面脱开，同时拉杆的反向轴向位移使得弹性环收缩、带动拉爪张开从而松开拉钉使得刀柄脱离。刀具快换模块采用纯机械的形式实现了拉刀和松刀，不必设置液压打刀缸，结构简单，体积小，适用于机器人平台，提高了适用性，成本低。

4.拉刀和松刀过程的动力同切削动力一样直接来源于主轴，如此便会产生一种缺陷，即当正式切削加工时主轴反向加工便可能会使得拉杆旋出而导致刀柄的脱落。通过若干个传力平键与主轴和拉力尾盘间隙配合，即可克服这一缺陷，拉刀时——刀柄固定在刀库中，主轴低速转动，传力平键紧贴拉力尾盘和主轴切面，使得螺旋副之间产生一对反抗力矩而使拉杆旋入将刀柄拉紧，而后将刀柄从刀库中脱出，在加工之前，主轴会处于高速空转状态，此时主轴通过锥面传递力矩给刀柄带动其转动，在传力平键槽处并不传力，所以传力平键会因为高速离心而被甩入主轴体内，从而使得拉力尾盘与主轴脱开，这样即使有冲击载荷使得刀柄周向窜动也不会使螺旋副旋出而使拉刀力减小或更甚者将刀柄推出；松刀时——刀柄固定在刀库中，主轴低速转动，因为主轴加工过程中的周向窜动会使得主轴传力平键槽与拉力尾盘传力平键槽产生周向错位，起初主轴会绕着固定不动的拉力尾盘转动，在传力平键槽对正之后传力平键会再次紧贴在拉力尾盘和主轴切面而传递力矩，从而使得拉杆与拉力尾盘之间产生反抗力矩，拉杆通过螺旋副产生轴向移动而将刀柄推出，而后拉爪张开刀柄脱落，至此完成松刀过程。主轴和拉力尾盘的特殊连接设计，保证了在加工过程中，刀柄锥面承受主要的切削力矩，保证刀柄锥面后端的拉钉和拉杆等部件悬空不会产生反抗力矩，同时拉杆的轴向定位保证拉刀力，实现了主轴低速正转时拉刀，低速反转时松刀，高速转动时则会正常切削加工。

5.拉刀时，刀柄固定在刀库中，主轴低速转动，传力平键因第二碟簧作用而紧贴拉力尾盘和主轴切面，使得螺旋副之间产生一对反抗力矩而使拉杆旋入将刀柄拉紧；松刀时，刀柄固定在刀库中，主轴低速转动，因为主轴加工过程中的周向窜动会使得主轴传力平键槽与拉力尾盘传力平键槽产生周向错位，起初主轴会绕着固定不动的拉力尾盘转动，在传力平键槽对正之后传力平键会因为第二碟簧作用再次紧贴在拉力尾盘和电主轴切面而传递力矩，第二碟簧对传力平键起到了压紧的作用。

6.拉力尾盘通过主轴、轴承（推力球轴承）和后端盖轴向定位。

7.主轴模块采用电主轴的形式，相比传统的伺服电机，结构简单，体积小，适用于机器人平台，提高了适用性。直接在外壳上设置安装接口，便于和机器人对接。

8.主轴通过编码器来测速，从而达到闭环控制的目的。

附图说明

图1是本发明实施例的立体图。

图2是本发明实施例的俯视图。

图3是图2的剖视图。

图4是本发明实施例中浮动切削模块和拉钉的立体图。

图5是图4的剖视图。

图6是本发明实施例中刀具快换模块和刀柄的立体图。

图7是图6的剖视图。

图8是本发明实施例中主轴模块与部分刀具快换模块的立体图。

图9是图8的剖视图。

图中：1-刀具；2-防尘圈；3-第一蝶簧；4-夹头；5-端盖；6-前端盖；7-沉头螺钉；8-深沟球轴承；9-转子线圈；10-外壳；11-定子线圈；12-主轴；13-后端盖；14-编码器；15-轴套；16-拉力尾盘；17-推力球轴承；18-传力平键；19-拉杆；20-挡油盘；21-第二蝶簧；22-弹性环；23-拉爪；24-拉钉；25-刀柄；26-传力销钉；27-弹性套；28-安装接口；A-浮动切削模块；B-主轴模块；C-刀具快换模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本实施例的主要技术参数为：

如图1至图5所示，一种适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，包括浮动切削模块A、主轴模块B和刀具快换模块C；浮动切削模块A包括刀具1、夹头4、端盖5和刀柄25，端盖5一端与刀柄25连接固定，夹头4前端穿出端盖5另一端、后端位于端盖5内部，刀具1固定在夹头4前端，夹头4与刀柄25之间通过套有弹性套27的传力销钉26连接，夹头4后端套有防尘圈2和第一碟簧3（在本实施例中，有20个第一碟簧3串联在一起），防尘圈2压紧的设在夹头4凸缘和端盖5之间并将端盖5开口堵住，第一碟簧3压紧的设在夹头4凸缘和刀柄25之间。

为保证轻质，端盖5采用铝合金，防尘圈2和弹性套27根据计算采用相应的橡胶材质，保证变形合适。夹头4采用类似TRIBOS的力变形三棱夹头4，通过计算得出合理夹头4内腔尺寸和刀具1装卸力。根据夹持力要求，刀具1材料为T8，弹性模量为2.23×1011N/m2，夹头4材料为45钢，弹性模量为2.09×1011N/m2,初步计算夹头4内腔变形量为0.69μm。刀具1根据不同的加工任务和加工状况做出选择和配置，刀具1可选用旋转锉、打磨砂轮、铣刀和磨盘等，可适用于铣削、锉削、磨削、抛光等加工方式。此处根据加工要求选用φ6mm的指状铣刀做为去毛刺刀具1，查询刀具1选购手册得知推荐切削速度为250-350m/min，推荐切削转速为13000-19000r/min,选取最终切削速度为250m/min，切削转速为13000r/min。

在浮动切削模块A中，第一碟簧3轴向布置会产生轴向浮动，传力销钉26上的弹性套27和防尘圈2的变形会产生锥向的角度浮动，整体配合实现了刀具1的浮动加工，适用于去毛刺加工；浮动切削模块A采用纯机械的形式实现了浮动加工，不必设置若干个方位的气（液）动主轴12，结构简单，体积小，适用于机器人平台，提高了适用性，。

如图3和图5所示，在本实施例中，端盖5与刀柄25通过螺纹连接。在使用过程中，弹性件（第一碟簧3、弹性套27和防尘圈2）会磨损，为保证浮动刚度的可调性，在端盖5和刀柄25的连接面处设置螺旋副，可通过调节螺旋副的松紧来实现浮动刚度的调节。

如图3、图6和图7所示，在本实施例中，刀具快换模块C包括拉力尾盘16以及设在主轴12中心孔内的拉钉24、拉爪23和拉杆19，刀柄25连接端设在主轴12接口内，拉钉24一端与刀柄25通过螺纹连接、另一端设有方形孔，拉杆19一端与拉钉24的方形孔配合、另一端与拉力尾盘16通过螺纹连接，拉力尾盘16轴向定位且与主轴12通过传力平键18连接，拉爪23套在拉钉24与拉杆19的连接处，拉爪23上套有弹性环22，拉爪23的固定端卡在拉杆19上的槽内、活动端收缩时能卡在拉钉24上的槽内。

刀具快换模块C通过增设拉力尾盘16，使拉力尾盘16与拉杆19形成螺旋副，通过该螺旋副完成拉刀和松刀，拉刀过程——主轴12正向启动时，刀柄25固定在台座上静止不动，拉杆19与拉钉24通过方形孔配合、相对静止且具有一定的反抗力矩，主轴12低速转动，通过传力平键18传递扭矩给拉力尾盘16，因螺纹副的存在，拉杆19产生轴向位移，拉杆19移动使得拉爪23收缩拉紧拉钉24，拉钉24随之轴向移动使得刀柄25和接口的锥面（在本实施例中采用7:24锥度）贴紧产生形变，锥面贴紧形变后产生较大压力使得主轴12和刀柄25之间可以传递切削力矩；松刀过程——主轴12反向启动时，刀柄25固定在台座上静止不动，拉杆19与拉钉24通过方形孔配合、相对静止且具有一定的反抗力矩，主轴12低速反向转动，通过传力平键18传递反转扭矩给拉力尾盘16，因螺纹副的存在，拉杆19产生反向轴向位移，并产生轴向推力使得锥面脱开，同时拉杆19的反向轴向位移使得弹性环22收缩、带动拉爪23张开从而松开拉钉24使得刀柄25脱离。刀具快换模块C采用纯机械的形式实现了拉刀和松刀，不必设置液压打刀缸，结构简单，体积小，适用于机器人平台，提高了适用性，成本低。

刀柄25与拉钉24螺旋线的旋向和拉杆19与拉力尾盘16螺旋线的旋向相同，以保证其一传力时另一个不会脱开，并且拉刀时主轴12的旋向应配合两个螺旋副的旋向。由于拉刀过程中会有较大的轴向拉力，所以零件（拉钉24、拉爪23、拉杆19和拉力尾盘16）材料选型为40Cr，保证拉刀过程的强度和表面质量要求。

如图3、图7和图9所示，在本实施例中，4个传力平键18在主轴12与拉力尾盘16之间均匀分布，传力平键18与主轴12内壁上的传力平键18槽和拉力尾盘16外壁上的传力平键18槽间隙配合，主轴12内壁上的传力平键18槽的深度不小于传力平键18的高度，拉力尾盘16外壁上的传力平键18槽的深度小于传力平键18的高度。

拉刀和松刀过程的动力同切削动力一样直接来源于主轴12，如此便会产生一种缺陷，即当正式切削加工时主轴12反向加工便可能会使得拉杆19旋出而导致刀柄25的脱落。通过若干个传力平键18与主轴12和拉力尾盘16间隙配合，即可克服这一缺陷，拉刀时——刀柄25固定在刀库中，主轴12低速转动，传力平键18紧贴拉力尾盘16和主轴12切面，使得螺旋副之间产生一对反抗力矩而使拉杆19旋入将刀柄25拉紧，而后将刀柄25从刀库中脱出，在加工之前，主轴12会处于高速空转状态，此时主轴12通过锥面传递力矩给刀柄25带动其转动，在传力平键18槽处并不传力，所以传力平键18会因为高速离心而被甩入主轴12体内，从而使得拉力尾盘16与主轴12脱开，这样即使有冲击载荷使得刀柄25周向窜动也不会使螺旋副旋出而使拉刀力减小或更甚者将刀柄25推出；松刀时——刀柄25固定在刀库中，主轴12低速转动，因为主轴12加工过程中的周向窜动会使得主轴12传力平键18槽与拉力尾盘16传力平键18槽产生周向错位，起初主轴12会绕着固定不动的拉力尾盘16转动，在传力平键18槽对正之后传力平键18会再次紧贴在拉力尾盘16和主轴12切面而传递力矩，从而使得拉杆19与拉力尾盘16之间产生反抗力矩，拉杆19通过螺旋副产生轴向移动而将刀柄25推出，而后拉爪23张开刀柄25脱落，至此完成松刀过程。主轴12和拉力尾盘16的特殊连接设计，保证了在加工过程中，刀柄25锥面承受主要的切削力矩，保证刀柄25锥面后端的拉钉24和拉杆19等部件悬空不会产生反抗力矩，同时拉杆19的轴向定位保证拉刀力，实现了主轴12低速正转时拉刀，低速反转时松刀，高速转动时则会正常切削加工。

如图3、图6和图7所示，在本实施例中，拉杆19上套有压缩的第二碟簧21，第二碟簧21一端与拉力尾盘16端面接触，拉力尾盘16上的传力平键18槽为开口槽且开口设在与第二碟簧21接触的端面上。

拉刀时，刀柄25固定在刀库中，主轴12低速转动，传力平键18因第二碟簧21作用而紧贴拉力尾盘16和主轴12切面，使得螺旋副之间产生一对反抗力矩而使拉杆19旋入将刀柄25拉紧；松刀时，刀柄25固定在刀库中，主轴12低速转动，因为主轴12加工过程中的周向窜动会使得主轴12传力平键18槽与拉力尾盘16传力平键18槽产生周向错位，起初主轴12会绕着固定不动的拉力尾盘16转动，在传力平键18槽对正之后传力平键18会因为第二碟簧21作用再次紧贴在拉力尾盘16和电主轴12切面而传递力矩，第二碟簧21对传力平键18起到了压紧的作用。

如图3、图6和图7所示，在本实施例中，拉力尾盘16上设有凸缘，凸缘的两侧分别套有轴承（推力球轴承17），其中，一个轴承（推力球轴承17）通过主轴12轴向定位，另一个轴承（推力球轴承17）通过后端盖13轴向定位，拉力尾盘16的一端支撑在后端盖13上。拉力尾盘16通过主轴12、轴承（推力球轴承17）和后端盖13轴向定位。

如图3、图8和图9所示，在本实施例中，主轴模块B包括外壳10以及设在外壳10内的主轴12、转子线圈9和定子线圈11，定子线圈11固定在外壳10上，转子线圈9固定在电主轴12上，主轴12与外壳10之间设有轴承（深沟球轴承8），外壳10外壁设有安装接口28。主轴模块B采用电主轴12的形式，相比传统的伺服电机，结构简单，体积小，适用于机器人平台，提高了适用性。直接在外壳10上设置安装接口28，便于和机器人对接。

如图3和图9所示，在本实施例中，外壳10内设有用于测主轴12速度的编码器14。主轴12通过编码器14来测速，从而达到闭环控制的目的。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，包括浮动切削模块、主轴模块和刀具快换模块，其特征在于：浮动切削模块包括刀具、夹头、端盖和刀柄，端盖一端与刀柄连接固定，夹头前端穿出端盖另一端、后端位于端盖内部，刀具固定在夹头前端，夹头与刀柄之间通过套有弹性套的传力销钉连接，夹头后端套有防尘圈和第一碟簧，防尘圈压紧的设在夹头凸缘和端盖之间并将端盖开口堵住，第一碟簧压紧的设在夹头凸缘和刀柄之间。

2.如权利要求1所述的适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，其特征在于：端盖与刀柄通过螺纹连接。

3.如权利要求1所述的适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，其特征在于：刀具快换模块包括拉力尾盘以及设在主轴中心孔内的拉钉、拉爪和拉杆，刀柄连接端设在主轴接口内，拉钉一端与刀柄通过螺纹连接、另一端设有方形孔，拉杆一端与拉钉的方形孔配合、另一端与拉力尾盘通过螺纹连接，拉力尾盘轴向定位且与主轴通过传力平键连接，拉爪套在拉钉与拉杆的连接处，拉爪上套有弹性环，拉爪的固定端卡在拉杆上的槽内、活动端收缩时能卡在拉钉上的槽内。

4.如权利要求3所述的适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，其特征在于：若干个传力平键在主轴与拉力尾盘之间均匀分布，传力平键与主轴内壁上的传力平键槽和拉力尾盘外壁上的传力平键槽间隙配合，主轴内壁上的传力平键槽的深度不小于传力平键的高度，拉力尾盘外壁上的传力平键槽的深度小于传力平键的高度。

5.如权利要求4所述的适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，其特征在于：拉杆上套有压缩的第二碟簧，第二碟簧一端与拉力尾盘端面接触，拉力尾盘上的传力平键槽为开口槽且开口设在与第二碟簧接触的端面上。

6.如权利要求3所述的适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，其特征在于：拉力尾盘上设有凸缘，凸缘的两侧分别套有轴承，其中，一个轴承通过主轴轴向定位，另一个轴承通过后端盖轴向定位，拉力尾盘的一端支撑在后端盖上。

7.如权利要求1所述的适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，其特征在于：主轴模块包括外壳以及设在外壳内的主轴、转子线圈和定子线圈，定子线圈固定在外壳上，转子线圈固定在电主轴上，主轴与外壳之间设有轴承，外壳外壁设有安装接口。

8.如权利要求7所述的适用于去毛刺的浮动快换式末端操作器，其特征在于：外壳内设有用于测主轴速度的编码器。