CN108748086B - 一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，包括：全行程直线导轨，用于实现加工机器人装置的大行程移动；平面两自由度混联机械臂，用于控制平面内两自由度运动，其中，所述平面内两自由度运动由底座上的电机驱动；以及三自由度力控并联加工模块，用于控制一个移动自由度和两个转动自由度，并控制末端执行器上的作用力。该装置将三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂末端配合全行程直线导轨，可以增大机器人优质工作空间范围，在一次装卡过程中即可实现对大尺寸复杂曲面的加工作业，同时机器人装置具备五轴联动加工能力并能够对末端执行器上作用正压力进行控制保证最终加工质量。

Description

一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置

技术领域

本发明涉及数控装置制造技术领域，特别涉及一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置。

背景技术

随着对结构轻量化设计的要求不断提高，航空航天、能源以及汽车行业的具有复杂曲面的大型结构件越来越常见，但是如何对大型复杂结构件进行一体化加工以保证其力学性能与型面精度仍是研究的重要方向。与此同时，化石燃料的大规模应用带来的环境污染问题，促使世界各国开始推进可再生能源的发展。风能作为可再生清洁能源的重要来源之一，由于其技术最为成熟、最具开发规模并且商业化发展前景最好，其合理开发与利用正在日益受到人们的重视。风电叶片作为风力发电机的重要组成部件，由于长时间工作在恶劣环境下，其表面质量常常由于受到风沙侵蚀并吸附空气中的杂质颗粒而破坏，而对风电叶片进行打磨以恢复叶片表面质量是提升与恢复风力发电机组发电效率的常用方法。由于叶片尺寸较大且具有复杂曲面，因此利用机器人装置完成对大型复杂结构件与大型风电叶片的加工作业是大型结构件加工设备技术领域的重要发展趋势，要完成此类加工作业往往要求加工装备具有五轴联动工作能力。

大型复杂结构件与风机叶片尺寸巨大，采用传统机床形式完成加工作业必定导致机床尺寸进一步增大，因此并不现实，从而开发适用的大行程移动加工机器人意义重大。传统的工业机器人通常采用由若干关节、连杆组成的开链式串联机器人，此种机器人具有工作空间大、结构简单并且灵活性高的优点但是同样存在关节误差易积累等不足。而并联机构则与之不同，通过在定平台与动平台之间连接两个及以上的运动学支链构成的闭环来保证结构的紧凑并且能够实现高刚度与良好的动态响应性能。混联机构则是将串联机构与并联机构有机结合，可以融合串联机器人与并联机器人的优点，在保证承载能力与稳定性的同时具有较大的工作空间。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，该装置具有增大机器人优质工作空间范围，实现对大尺寸复杂曲面的加工作业且保证加工质量的优点。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置。

本发明实施例的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，通过将三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂末端配合全行程直线导轨，可以增大机器人优质工作空间范围，在一次装卡过程中即可实现对大尺寸复杂曲面的加工作业，同时机器人装置具备五轴联动加工能力并能够对末端执行器上作用的正压力进行控制保证最终加工质量。

另外，根据本发明上述实施例的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述平面两自由度混联机械臂包括：大臂，第一连杆组和所述机械臂大臂构成平行四边形机构，以实现由底部电机驱动的绕底部转动副转动中心的转动运动；小臂，第二连杆组和所述机械臂小臂构成平行四边形机构，通过外加第三连杆以实现由底部电机驱动的绕转动轴心的转动运动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块包括：并联模块定平台；并联模块动平台；末端执行器；力控制单元；第一支链，所述第一支链通过两个轴线互相垂直的转动副与所述并联模块定平台连接，通过一个转动副与所述并联模块动平台连接，所述第一支链包含一个由输入驱动的丝杠螺母运动副，以控制所述丝杠与所述螺母轴线之间的转动自由度和所述丝杠沿所述第一支链的移动自由度；第二支链和第三支链，所述第二支链和所述第三支链与所述第一支链结构相同，所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链分别连接在所述并联模块定平台和所述并联模块动平台之间，构成闭环并联结构，以保证动平台与末端执行器固定连接后可控制一个移动自由度与两个转动自由度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块安装在所述平面两自由度混联机械臂末端配合全行程直线导轨，以增大机器人工作空间范围；或者采取直接搭载无人搬运车或搭载安装于无人搬运车上直线导轨的形式，以增大机器人装置的移动行程。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一支链包括：第一电机，所述第一电机的一端通过一个虎克铰或两个轴线互相垂直的转动副与所述三自由度力控并联加工模块定平台相连；第一丝杠螺母副，所述第一丝杠螺母副中螺母与第一电机相固结，以构成圆柱运动副，实现丝杠相对于螺母的直线进给自由度与相对转动自由度，所述第一丝杠螺母副中的丝杠通过一个转动副实现与所述并联模块动平台相连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述力控制单元包括：力控制弹簧，所述力控制弹簧在作业过程中通过对位置控制以实现末端正压力的控制；阻尼减振器，所述阻尼减振器可通过与所述力控制弹簧的协调实现力控制条件下的振动抑制；单元外壳，所述单元外壳则可与并联加工模块本体结构相结合克服所述单元不能承受力矩的问题。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述力控制单元设置在所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链中所述丝杠与所述转动副相连接的位置，以实现对所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链的力控制；所述力控制单元还可设置在所述三自由度力控并联加工模块动平台与所述末端执行器相连接的位置，以实现对所述末端执行器上作用力的控制；或者采取无力控制单元的结构形式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三自由度力控并联加工模块可以通过搭载不同形式的末端执行器如电主轴与刀具、焊接执行器或电动打磨头完成如铣钻作业、焊接作业、打磨作业等不同种类的加工作业。

根据本发明的另一个实施例，所述三自由度力控并联加工模块力控制单元还可包括：力传感器，所述力传感器可以在作业过程中对所作用正压力进行反馈；力/位混合控制算法，所述力/位混合控制算法可以根据力传感器反馈数据对三自由度力控并联加工模块末端执行器实现力/位混合控制。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的平面两自由度混联机械臂结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的三自由度力控并联加工模块的结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的三自由度力控并联加工模块的第一支链、定平台和动平台的***示意图；

图7是根据本发明另一个实施例的三自由度力控并联加工模块的第一支链、定平台和动平台的***示意图。

附图标记：

图1中，三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；直线导轨III-1；

图2中，三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；无人搬运车III-2；

图3中，三自由度力控并联加工模块I；平面两自由度混联机械臂II；无人搬运车III-31；直线导轨III-32；

机械臂底座21；机械臂大臂22；小臂驱动臂23；第一连杆组24；姿态调节部件25；机械臂小臂26；第二连杆组27；末端执行器28；

第一支链31；第二支链32；第三支链33；并联加工模块定平台34；并联加工模块动平台35；电动打磨头36；

第一环形转动件411；第一电机412；第一丝杠413；第一力控制单元414；第一U形转动件415；并联模块定平台44；并联模块动平台45；末端电动打磨头46；

第一环形转动件511；第一电机512；第一丝杠513；第一U形转动件514；并联模块定平台54；并联模块动平台55；打磨电机561；动平台力控制单元562；末端执行器安装法兰563；末端执行器564。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置。

在本发明的一个实施例的一种基于平面两自由度混联机械臂的大行程力控加工机器人中，末端执行器以电动打磨头为例，具体实施也可采用电主轴夹持刀具或焊接操作末端执行器等满足对应加工需求。

在本发明的实施例1中，如图1所示，一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置包括三自由度力控并联加工模块I；直线进给驱动混联机械臂II；直线导轨III-1。

在本发明的实施例2中，如图2所示，一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置还可以包括三自由度力控并联加工模块I；直线进给驱动混联机械臂II；无人搬运车III-2。

在本发明的实施例3中，如图3所示，一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置也可以包括三自由度力控并联加工模块I；直线进给驱动混联机械臂II；无人搬运车III-31；直线导轨III-32。

无人搬运车与直线导轨均为成熟的商业化产品，可根据实际使用要求选购或定制，此处不作赘述。

进一步的，如图4所示，两自由度平面并联机械臂包括机械臂底座21、机械臂大臂22、连杆组23、连杆24、姿态调节部件25、机械臂小臂26、连杆组27以及末端执行器28，三自由度力控并联加工模块固定连接于两自由度平面并联机械臂末端执行器28，连杆组23与机械臂大臂22构成平行四边形机构，连杆组27与机械臂小臂26构成平行四边形机构，连杆组23底端转动副连接电机，上端与机械臂小臂26连接，实现由布置在机械臂底座21上的电机驱动机械臂小臂26。

如图5所示，三自由度力控并联加工模块III包括第一支链31、第二支链32、第三支链33、并联加工模块定平台34、并联加工模块动平台35和电动打磨头36。

第一支链31通过两个轴线相互垂直的转动副或一个虎克铰与并联加工模块定平台34相连，通过一个转动副与并联加工模块定平台35连接，并联加工模块动平台35和电动打磨头36固定连接；第二支链，第三支链与第一支链结构相同，三个支链均连接在定平台与动平台之间形成闭环结构，最终实现动平台与电动打磨头的一个平动自由度与两个转动自由度。

具体的，如图6所示，第一支链包括第一环形转动件411、第一电机412、第一丝杠413、第一力控制单元414、第一U形转动件415。第一环形转动件411与并联加工模块定平台44连接，形成一个转动副；第一电机412安装于第一环形转动件411上，形成另一个转动副，两转动副轴线互相垂直形成一虎克铰；第一电机412的转子与第一滚珠丝杠副中的螺母固定连接，使得第一丝杠413具有绕螺母轴线的转动自由度以及沿轴线方向的直线移动自由度，构成圆柱副；第一丝杠413末端与第一力控制单元414固定连接；第一力控制单元414内嵌于第一U形转动件415内与之固定连接，实现对第一支链内力的控制；第一U形转动件415与并联模块动平台45连接形成一个转动副；第二支链、第三支链与第一支链结构相同，均实现各自支链内力的控制并构成并联闭环结构。动平台45与末端电动打磨头46固定连接。

在本发明的一个实施例中，如图7所示，第一支链还可包括第一环形转动件511、第一电机512、第一丝杠513、第一U形转动件514；末端电动打磨头包括打磨电机561；动平台力控制单元562；末端执行器安装法兰563；末端执行器564。第一环形转动件511与并联加工模块定平台54连接，形成一个转动副；第一电机512安装于第一环形转动件511上，形成另一个转动副，两转动副轴线互相垂直形成一虎克铰；第一电机512的转子与第一滚珠丝杠副中的螺母固定连接，使得第一丝杠513具有绕螺母轴线的转动自由度以及沿轴线方向的直线移动自由度，构成圆柱副；第一丝杠513末端与第一U形转动件514固定连接；第一U形转动件514与并联模块动平台55连接形成一个转动副；第二支链、第三支链与第一支链结构相同，实现并联模块定平台54与并联模块动平台55之间的连接并构成并联闭环结构。打磨电机561安装于并联模块动平台55，并联模块动平台55与动平台力控制单元562固定连接实现对末端电动打磨头作用外力的控制，末端执行器安装法兰563实现末端执行器564与打磨电机561之间的安装连接。

具体而言，三自由度力控并联加工模块转角范围大，能够实现对复杂曲面的加工作业。

三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂末端配合全行程直线导轨，增大了机器人工作行程，可以在一次装卡过程中实现对大尺寸复杂曲面的加工作业。

三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂上还可通过配合直线导轨搭载无人搬运车或直接搭载无人搬运车的形式，在一次装卡过程中实现对大尺寸复杂曲面的加工作业。

三自由度力控并联加工模块通过力控制单元可以实现在加工过程中对末端执行器进行力/位混合控制，能够有效提升加工作业质量。

三自由度力控并联加工模块可以通过搭载不同形式的末端执行器完成如打磨作业、焊接作业、铣钻作业等不同种类的加工作业。

此外，在本发明的一个实施例中，可以根据实际使用需要采取无力控制单元的结构形式。

本发明实施例的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，通过将三自由度力控并联加工模块安装在平面两自由度混联机械臂末端配合全行程直线导轨，可以增大机器人优质工作空间范围，在一次装卡过程中即可实现对大尺寸复杂曲面的加工作业，同时机器人装置具备五轴联动加工能力并能够对末端执行器上作用正压力进行控制保证最终加工质量。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，其特征在于，包括：

全行程直线导轨，用于实现机器人装置的大行程移动；

平面两自由度混联机械臂，用于控制平面内两自由度运动，其中，所述平面内两自由度运动由底座上的电机驱动，其中，所述平面两自由度混联机械臂包括：大臂，第一连杆组和大臂构成平行四边形机构，以实现由底部驱动的绕底部转动副转动中心的转动运动；小臂，第二连杆组和小臂构成平行四边形机构，通过外加第三连杆以实现由底部电机驱动的绕转动轴心的转动运动；以及

三自由度力控并联加工模块，用于控制一个移动自由度和两个转动自由度，并控制末端执行器上的作用力，所述三自由度力控并联加工模块安装在所述平面两自由度混联机械臂末端配合全行程直线导轨，以增大机器人工作空间范围；或者直接搭载无人搬运车或搭载安装于无人搬运车上的直线导轨，以增大机器人装置的移动行程，其中，

所述三自由度力控并联加工模块包括：并联模块定平台；并联模块动平台；末端执行器；力控制单元；第一支链，所述第一支链通过两个轴线互相垂直的转动副与所述并联模块定平台连接，通过一个转动副与所述并联模块动平台连接，具体地，所述第一支链包括：第一电机和第一丝杠螺母副，所述第一电机的一端通过一个虎克铰或两个轴线互相垂直的转动副与所述并联模块定平台相连；所述第一丝杠螺母副中螺母与第一电机相固结，以构成圆柱运动副，实现所述第一丝杠螺母副中的丝杠相对于螺母的直线进给自由度与相对转动自由度，所述第一丝杠螺母副中的丝杠通过一个转动副实现与所述并联模块动平台相连；第二支链和第三支链，所述第二支链和所述第三支链与所述第一支链结构相同，所述力控制单元设置在所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链中所述丝杠与所述转动副相连接的位置，以实现对所述第一支链、所述第二支链以及所述第三支链的力控制；或者采取所述力控制单元设置在所述并联模块动平台与所述末端执行器相连接位置的形式，以实现对所述末端执行器上作用力的控制；所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链分别连接在所述并联模块定平台和所述并联模块动平台之间，构成闭环并联结构，以保证动平台与末端执行器固定连接后可控制一个移动自由度与两个转动自由度。

2.根据权利要求1所述的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，其特征在于，所述力控制单元包括：

力控制弹簧，所述力控制弹簧在作业过程中通过对位置控制以实现末端正压力的控制；

阻尼减振器，所述阻尼减振器通过与所述力控制弹簧的协调实现力控制条件下的振动抑制；

单元外壳，所述单元外壳与并联加工模块本体结构相结合克服所述力控制单元不能承受力矩的问题。

3.根据权利要求1所述的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，其特征在于，所述三自由度力控并联加工模块通过搭载不同形式的末端执行器完成打磨作业、焊接作业或铣钻作业。

4.根据权利要求1所述的一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，所述力控制单元还包括：

力传感器，所述力传感器在作业过程中对所作用正压力进行反馈；

力/位混合控制算法，根据所述力传感器反馈的数据给出对应的控制指令对所述三自由度力控并联加工模块末端执行器实现力/位混合控制。

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