CN110977760A - 一种单自由度高带宽力控磨抛装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人零件加工领域，并具体公开了一种单自由度高带宽力控磨抛装置及其应用。该装置包括连接基座、驱动模块、传动模块、测量模块和打磨模块，其中连接基座用于将单自由度高带宽力控磨抛装置与工业机器人的末端连接；驱动模块为竖直放置的音圈电机，其包括静子和动子，静子的上端与连接基座连接，动子的下端与传动模块连接；传动模块的下端与打磨模块连接；测量模块用于测量打磨模块的位移和接触力。本发明的驱动模块采用音圈电机，通过控制音圈电机的输入电流实时调整该音圈电机的位移，从而实时调整打磨模块的位移和接触力，与现有的伺服电机相比具有高相应、高带宽、直线驱动无需转换的优点，保证复杂曲面零件表面的均匀性和一致性。

Description

一种单自由度高带宽力控磨抛装置及其应用

技术领域

本发明属于机器人零件加工领域，更具体地，涉及一种单自由度高带宽力控磨抛装置及其应用。

背景技术

大型复杂曲面零件的磨抛加工过程中，其表面粗糙度直接影响其使用寿命。由于其型面复杂，加工困难，目前常用的方式为人工磨抛和龙门机床磨抛，人工磨抛对工人的技术要求高、劳动强度大、效率低、产品的一致性无法保证，且严重影响人的身心健康；龙门机床磨抛灵活性差，操作复杂，且难以解决中尾部弱刚性区域的高效精密加工。而采用机器人加工则具有灵活性高，工作范围大，成本可控等优势，在复杂曲面零件制造中具有广阔的应用前景。

常用的工业机器人控制***开放性差较差，难以同时实现位置控制和接触力控制。为满足大型复杂曲面磨抛加工的要求，需在机器人的末端搭载被动柔顺或主动力控末端装置，以实现机器人末端轴线方向的恒力控制。其中，在机器人末端搭载主动力控末端主要包括气动和电机驱动两种方式，但是均存在力跟踪响应速度慢的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单自由度高带宽力控磨抛装置及其应用，其中该单自由度高带宽力控磨抛装置采用音圈电机作为驱动模块，结合测量模块反馈的信息能够准确快速调整磨削力的大小和方向，以此实现恒力磨抛，进而有效提高了磨抛加工的响应速度和磨抛精度，尤其适用于工业机器人磨抛的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种单自由度高带宽力控磨抛装置，该装置包括连接基座、驱动模块、传动模块、测量模块和打磨模块，其中：

所述连接基座用于将所述单自由度高带宽力控磨抛装置与工业机器人的末端连接；

所述驱动模块为竖直放置的音圈电机，其包括静子和动子，所述静子的上端与所述连接基座连接，所述动子的下端与所述传动模块连接；

所述传动模块的下端与所述打磨模块连接，用于在所述音圈电机的驱动下带动所述打磨模块进行单自由度的移动；

所述测量模块用于测量所述打磨模块的位移和接触力，并将其反馈给所述驱动模块，从而通过控制所述音圈电机的电流输入实现磨抛工况的高带宽调节。

作为进一步优选地，所述传动模块采用基于柔性铰链结构的柔性变形层，并且该柔性变形层通过柔性梁与所述动子连接。

作为进一步优选地，所述测量模块包括位移传感器和力传感器，所述位移传感器设置在所述连接基座和驱动模块之间，用于实时获取所述打磨模块末端的位置，所述力传感器设置在所述传动模块和打磨模块之间，用于实时测量所述打磨模块与待加工工件的接触力。

作为进一步优选地，所述力传感器的数量优选为1个～6个。

作为进一步优选地，所述打磨模块包括从上到下依次连接的磨抛电机、同心盘和打磨头，工作时，所述磨抛电机启动，并通过所述同心盘带动所述打磨头旋转，以此对所述待加工工件进行打磨。

作为进一步优选地，所述驱动模块与打磨模块之间通过垫块、转接圆盘和电机连接板连接，其中所述驱动模块通过所述垫块与所述转接圆盘连接，所述转接圆盘和电机连接板之间通过所述力传感器连接，所述电机连接板与所述磨抛电机连接。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于磨抛的工业机器人，该工业机器人的末端搭载上述单自由度高带宽力控磨抛装置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提供的单自由度高带宽力控磨抛装置中驱动模块采用音圈电机，工作时能够通过控制音圈电机的输入电流实时调整该音圈电机的位移，从而实时调整打磨模块的位移和接触力，与现有的伺服电机相比具有高相应、高带宽、直线驱动无需转换的优点，从而能够补偿机器人由于刀路规划引起的误差，实现磨抛时与复杂曲面零件的恒力接触，并具有更快的力响应速度，进而有效提高磨抛表面的质量，保证复杂曲面零件表面的均匀性和一致性；

2.同时，本发明提供的单自由度高带宽力控磨抛装置中传感模块采用基于柔性铰链结构的柔性变形层，并通过柔性梁与动子连接，能够在音圈电机移动时带动打磨模块进行单自由度移动，与直线模组相比具有质量轻、无摩擦的优点；

3.此外，本发明通过对各模块的结构及连接方式进行优化，能够保证磨抛装置在动态环境下实现高带宽力控制，并且具有结构紧凑、稳定性高的优点。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的单自由度高带宽力控磨抛装置的结构示意图；

图2是图1提供的单自由度高带宽力控磨抛装置中柔性变形层的结构示意图；

图3是图1提供的单自由度高带宽力控磨抛装置中驱动模块和传动模块的结构示意图；

图4是图1提供的单自由度高带宽力控磨抛装置中力传感器的安装示意图；

图5是图1提供的单自由度高带宽力控磨抛装置中打磨模块的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-连接基座，2-静子，3-动子，4-位移传感器，5-柔性变形层，6-垫块，7-转接圆盘，8-力传感器，9-电机连接板，10-磨抛电机，11-同心盘，12-打磨头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施提供了一种单自由度高带宽力控磨抛装置，该装置包括连接基座1、驱动模块、传动模块、测量模块和打磨模块，其中：

连接基座1用于将单自由度高带宽力控磨抛装置与工业机器人的末端连接；

驱动模块为竖直放置的音圈电机，其输入为电流，输出为音圈电机的位移，与伺服电机相比具有高响应、高带宽、直线驱动无需转换等优点，该音圈电机包括静子2和动子3，静子2的上端与连接基座1连接，动子3的下端与传动模块连接；

传动模块的下端与打磨模块连接，用于在音圈电机的驱动下带动打磨模块进行单自由度的移动，从而实现单自由度运动传导，工作过程中音圈电机为主动控制，传动模块为被动柔顺；

测量模块用于测量打磨模块的位移和接触力，并将其反馈给驱动模块，从而通过控制音圈电机的电流输入实现磨抛工况的高带宽调节。

进一步，如图2和3所示，传动模块采用基于柔性铰链结构的柔性变形层5，其由线切割或增材制造的方式一体加工而成，并且该柔性变形层5通过柔性梁与动子3连接，与直线模具相比具有质量轻、无摩擦等优点；该柔性变形层5包括三组对称布置的柔性铰链，通过这种对称布局保证柔性变形层5仅沿施力方向实现运动传导，同时还能够保持足够的刚度与运动行程。

进一步，测量模块包括位移传感器4和力传感器8，为保证测试的准确性，位移传感器4优选采用激光位移传感器，并且位移传感器4设置在连接基座1和柔性变形层5之间，用于测量打磨模块末端的位移，以此实时获取该打磨模块末端的位置，实现力位双重控制，力传感器8设置在传动模块和打磨模块之间，用于实时测量打磨模块与待加工工件的接触力，磨抛过程中当打磨模块与曲面零件之间的相对位置或接触力不符合设定时，可以通过改变音圈电机的输入电流，驱动动子3运动，柔性变形层5作为传动模块，带动打磨模块在空间内实现单自由度的移动，进而改变打磨模块末端的位置和接触力。

进一步，力传感器8的数量优选为1个～6个，从而在保证测试准确性的前提下降低装置的复杂程度。

进一步，如图5所示，打磨模块包括从上到下依次连接的磨抛电机10、同心盘11和打磨头12，工作时，磨抛电机10启动，并通过同心盘11带动打磨头12旋转，以此对待加工工件进行打磨，打磨头12的砂纸接触到待加工零件时，接触力经由打磨头12和磨抛电机10传递到力传感器8，力传感器8测量出接触力的大小及方向，通过处理器转换为控制信号，进而控制音圈电机的输出位移，使得接触力恒定，保证待加工零件的均匀性和一致性，在本发明的一个优选实施方式中，磨抛电机10选用94mm磨抛电机。

进一步，柔性变形层5与打磨模块之间通过垫块6、转接圆盘7和电机连接板9连接，其中柔性变形层5通过垫块6与转接圆盘7连接，如图4所示，转接圆盘7和电机连接板9之间通过力传感器8连接，电机连接板9与磨抛电机10连接。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于磨抛的工业机器人，该工业机器人的末端搭载上述单自由度高带宽力控磨抛装置，用于补偿工业机器人由于刀路规划所引起的误差，磨抛过程中通过工业机器人的宏观运动和磨抛装置的微观运动共同实现高带宽恒力控制，与现有的伺服电机和直线模组等方式相比具有更快的力响应速度。

本发明提供的单自由度高带宽力控磨抛装置具体工作过程为：若力传感器8检测到打磨头12的接触力大小与方向发生变化，上传至处理器，处理器将其与期望的接触力作差值后通过控制器计算后转换为驱动信号，通过改变音圈电机的输入电流进行调整，从而保证磨削力的恒定。若位移传感器4检测到打磨头12位移大于期望值、力传感器8检测到打磨头12的磨削力大于设定的期望值，处理器减小音圈电机的输入电流，使得推力变小，导致动子3沿竖直方向上升，并通过柔性变形层5带动打磨头12上升，使得位移和磨削力下降；同理，当位移传感器4检测到打磨头12位移低于期望值、力传感器8检测到打磨头12的磨削力低于设定的期望值，音圈电机带动打磨头12下降，使得位移和磨削力增加。

位移传感器能够测量磨头末端的位移，实时获取末端磨头的位置，实现力位双重控制，实现高精度位置与恒力控制。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单自由度高带宽力控磨抛装置，其特征在于，该装置包括连接基座(1)、驱动模块、传动模块、测量模块和打磨模块，其中：

所述连接基座(1)用于将所述单自由度高带宽力控磨抛装置与工业机器人的末端连接；

所述驱动模块为竖直放置的音圈电机，其包括静子(2)和动子(3)，所述静子(2)的上端与所述连接基座(1)连接，所述动子(3)的下端与所述传动模块连接；

所述传动模块的下端与所述打磨模块连接，用于在所述音圈电机的驱动下带动所述打磨模块进行单自由度的移动；

所述测量模块用于测量所述打磨模块的位移和接触力，并将其反馈给所述驱动模块，从而通过控制所述音圈电机的电流输入实现磨抛工况的高带宽调节。

2.如权利要求1所述的单自由度高带宽力控磨抛装置，其特征在于，所述传动模块采用基于柔性铰链结构的柔性变形层(5)，并且该柔性变形层(5)通过柔性梁与所述动子(3)连接。

3.如权利要求1所述的单自由度高带宽力控磨抛装置，其特征在于，所述测量模块包括位移传感器(4)和力传感器(8)，所述位移传感器(4)设置在所述连接基座(1)和驱动模块之间，用于实时获取所述打磨模块末端的位置，所述力传感器(8)设置在所述传动模块和打磨模块之间，用于实时测量所述打磨模块与待加工工件的接触力。

4.如权利要求3所述的单自由度高带宽力控磨抛装置，其特征在于，所述力传感器(8)的数量优选为1个～6个。

5.如权利要求1所述的单自由度高带宽力控磨抛装置，其特征在于，所述打磨模块包括从上到下依次连接的磨抛电机(10)、同心盘(11)和打磨头(12)，工作时，所述磨抛电机(10)启动，并通过所述同心盘(11)带动所述打磨头(12)旋转，以此对所述待加工工件进行打磨。

6.如权利要求1～5任一项所述的单自由度高带宽力控磨抛装置，其特征在于，所述驱动模块与打磨模块之间通过垫块(6)、转接圆盘(7)和电机连接板(9)连接，其中所述驱动模块通过所述垫块(6)与所述转接圆盘(7)连接，所述转接圆盘(7)和电机连接板(9)之间通过所述力传感器(8)连接，所述电机连接板(9)与所述磨抛电机(10)连接。

7.一种用于磨抛的工业机器人，其特征在于，该工业机器人的末端搭载如权利要求1～6任一项所述的单自由度高带宽力控磨抛装置。

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