CN111098327B - 一种电永磁式机械臂工具手快换器 - Google Patents

一种电永磁式机械臂工具手快换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电永磁式机械臂工具手快换器，包括机械臂对接端口模块和工具手对接端口模块；机械臂对接端口模块包括缸体和活塞；缸体侧壁设置有多个沿缸体径向的通孔；每个通孔内设置一个刚性球；缸体的外壁还设置有朝向下端的定位壁面；活塞内设置有永磁芯体；工具手对接端口模块包括U型对接端盖；U型对接端盖的底板上设置有第一电磁铁；第一电磁铁与永磁芯体之间的磁力驱动活塞在缸体内运动；U型对接端盖的侧壁上端面与缸体的定位壁面相接；当活塞运动至下端极限位置，刚性球压紧相接在活塞与U型对接端盖的内侧壁之间。本发明可自适应负载，多级调整锁紧力，且结构简单，安全性高，实现快速对接、锁紧和切换工具手。

Description

一种电永磁式机械臂工具手快换器
技术领域
本发明涉及机械臂领域，具体来说是一种电永磁式机械臂工具手快换器。
背景技术
工业机械臂由于其实用性和高效性，已经广泛运用于各个生产领域。工具手快换器能够使机械臂在短时间内切换末端工具手，以执行所面临的不同工种的任务，这大大提高了工业机械臂的经济性以及生产效率。现有的快换器以气动为主，主要面向固定在地面的大型重载设备，然而，对于移动机器人，额外的气动设备不便搭载，也不利于在空间受限的环境中行走，另一方面，对于轻载小型设备，由于体积受限，其气路结构设计也尤为困难。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种电永磁式机械臂工具手快换器，可自适应负载，多级调整锁紧力，且结构简单，安全性高，实现快速对接、锁紧和切换工具手。
技术方案：本发明提出一种电永磁式机械臂工具手快换器，包括机械臂对接端口模块和工具手对接端口模块；
所述机械臂对接端口模块包括缸体和可在缸体内往复运动的活塞；所述缸体靠近下端的侧壁设置有多个沿缸体径向延伸的通孔；所述多个通孔位于同一缸体横截面上；每个所述通孔内设置一个刚性球；所述刚性球可在通孔内沿缸体径向滑动；所述刚性球的直径大于通孔处的缸体壁厚；所述缸体的外壁还设置有朝向下端的定位壁面；
所述活塞内设置有永磁芯体；所述活塞的下端设置有外锥形端部；
所述工具手对接端口模块包括U型对接端盖；U型对接端盖的底板上设置有第一电磁铁；所述第一电磁铁位于永磁芯体下端，第一电磁铁与永磁芯体之间的磁力驱动活塞在缸体内运动；
所述U型对接端盖的侧壁套装在缸体侧壁外周；U型对接端盖的侧壁上端面与所述缸体的定位壁面相接；U型对接端盖的内侧壁设置有向上端内侧倾斜的内锥形端面；
当活塞在缸体内运动至所述外锥形端部与刚性球的上部内侧压紧相接，刚性球的上部外侧与内锥形端面压紧相接，活塞到达下端极限位置。
进一步，还包括用于控制所述第一电磁铁的线圈电流的控制器；所述控制器的输入端连接有信号电路；当信号电路的信号电流增大，控制器控制第一电磁铁的线圈电流减小；当信号电路的信号电流减小，控制器控制第一电磁铁的线圈电流增大；
所述U型对接端盖的上端面设置有锥形凹槽；所述锥形凹槽与外锥形端部同轴心，且锥形凹槽的锥角大于外锥形端部的锥角；
所述信号电路包括多个环形电阻和多对弹性顶针触点；
所述多个环形电阻设置在活塞的外锥形端部；所述多个环形电阻与外锥形端部同轴心；
所述多对弹性顶针触点并联在信号电路上；所述多对弹性顶针触点设置在锥形凹槽上；每对弹性顶针触点对应布置在一个环形电阻的正下方；
当活塞到达下端极限位置，每个环形电阻均与该环形电阻正下方的一对弹性顶针触点相接。
进一步，所述外锥形端部包括第一外锥面和第二外锥面；所述第一外锥面位于第二外锥面的上方；所述第一外锥面的锥角小于第二外锥面的锥角；所述第一外锥面与刚性球的上部内侧压紧相接；所述多个环形电阻设置在第二外锥面上。
进一步，所述机械臂对接端口模块还包括固定在缸体上端的上端盖；所述上端盖上设置有第二电磁铁；所述第二电磁铁的极性方向与第二电磁铁的极性方向相同。
进一步，所述U型对接端盖包括盖体和固定在盖体上端的弹性锁紧环；所述内锥形端面位于弹性锁紧环上。
进一步，所述U型对接端盖的上端面与所述缸体的定位壁面之间设置有若干定位销。
有益效果：（1）本发明采用电永磁式代替现有的气动式作为动力，能够减少外部搭载，除去气路设计消耗，有效应对气动设施受限的场合，实现快速对接、锁紧和切换工具手；（2）本发明的信号电路通过活塞上的环形电阻和U型对接端盖上的弹性顶针触点，可自适应负载，多级调整第一电磁铁的电磁力，以适应工具手负载，使U型对接端盖的侧壁上端面与所述缸体的定位壁面保持相接状态，使活塞保持下端极限位置状态，保持机械臂与工具手的锁紧状态。（3）本发明由于永磁芯体的磁力，在完全失电情况下使用本发明时，机械臂与工具手依然拥有很高的锁紧力，满足安全需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的活塞与U型对接端盖连接处的局部结构示意图；
图3为本发明的活塞的仰视图；
图4为本发明的U型对接端盖的锥形凹槽处的俯视图；
图5为本发明的信号电路的等效电路图。
具体实施方式
如图1，本发明提出一种电永磁式机械臂工具手快换器，包括机械臂对接端口模块和工具手对接端口模块。
所述机械臂对接端口模块包括缸体1和可在缸体1内往复运动的活塞2。
所述缸体1靠近下端的侧壁设置有多个沿缸体1径向延伸的通孔；所述多个通孔位于同一缸体1横截面上；每个所述通孔内设置一个刚性球101；所述刚性球101可在通孔内沿缸体1径向滑动；所述刚性球101的直径大于通孔处的缸体1壁厚。所述通孔的两端可设置限位结构，防止刚性球101滑出。
所述缸体1的外壁还设置有朝向下端的定位壁面；所述定位壁面位于所述通孔的上方。
所述活塞2内设置有永磁芯体201；所述活塞2的下端设置有外锥形端部202。所述外锥形端部202包括第一外锥面和第二外锥面；所述第一外锥面位于第二外锥面的上方；所述第一外锥面的锥角小于第二外锥面的锥角。
所述工具手对接端口模块包括U型对接端盖；所述U型对接端盖的底板覆盖缸体1的下端面；U型对接端盖的底板上设置有第一电磁铁301；所述第一电磁铁301与永磁芯体201之间的磁力驱动活塞2在缸体1内运动。
所述U型对接端盖的侧壁套装在缸体1侧壁外周；U型对接端盖的侧壁上端面与所述缸体1的定位壁面相接。所述U型对接端盖的上端面与所述缸体1的定位壁面之间设置有用于对接定位的若干定位销102，所述定位销102还用于防止U型对接端盖与所述缸体1之间相对转动。
所述U型对接端盖包括盖体302和固定在盖体302上端的弹性锁紧环303；弹性锁紧环303的内侧壁设置有向上端内侧倾斜的内锥形端面。
机械臂与工具手对接锁紧的工作过程是：第一电磁铁301吸引永磁芯体201，使活塞2在缸体1内向下端运动到达下端极限位置，所述第一外锥面与刚性球101的上部内侧压紧相接，刚性球101施加至第一外锥面的作用力垂直于第一外锥面，可分解为沿气缸径向的第一横向分力和竖直向上端的第一竖向分力，其中第一竖向分力等于第一电磁铁301与永磁芯体201的磁力；则第一外锥面的锥角越小，第一横向分力越大。
同时刚性球101的上部外侧与内锥形端面压紧相接，刚性球101施加至内锥形端面的作用力垂直于内锥形端面，可分解为沿气缸径向的第二横向分力和竖直向上端的第二竖向分力，其中第二横向分力等于第一横向分力；则第一横向分力越大，第二竖向分力也越大，也就是U型对接端盖所受到的锁紧力越大。
因此第一外锥面的锥角应尽量小。同时为防止活塞2在缸体1内向下端运动时，活塞2的外锥形端部202的下端面与刚性球101相撞，产生卡涩，外锥形端部202的下端面直径应尽量小，可穿过缸体1中刚性球101所在的横截面区域；因此，所述第二外锥面的锥角大于第一外锥面的锥角，能够在较短轴向长度下，缩小外锥形端部202的下端面直径，节省了结构空间。
机械臂与工具手对接锁紧后，当工具手对接端口模块无负载或负载较小时，第一电磁铁301可处于失电状态，仅依靠永磁芯体201的磁力与第一电磁铁301的铁芯之间相吸，即可保持锁紧。同时由于永磁芯体201的磁力，在完全失电情况下使用本发明时，机械臂与工具手依然拥有很高的锁紧力，满足安全需求。
当所述工具手对接端口模块受到较大负载时，第一电磁铁301供电，产生磁力，与永磁芯体201相吸，使机械臂与工具手保持锁紧。
本发明还包括用于控制所述第一电磁铁301的线圈电流的控制器；所述控制器的输入端连接有信号电路；当信号电路的信号电流增大，控制器控制第一电磁铁301的线圈电流减小；当信号电路的信号电流减小，控制器控制第一电磁铁301的线圈电流增大。
如图2，所述U型对接端盖的上端面设置有锥形凹槽；所述锥形凹槽与外锥形端部202同轴心，且锥形凹槽的锥角大于外锥形端部202的锥角。
所述信号电路包括多个环形电阻401和多对弹性顶针触点402。
如图3，所述多个环形电阻401设置在活塞2的第二外锥面上；所述多个环形电阻401与外第二外锥面上同轴心。
所述多对弹性顶针触点402并联在信号电路上；如图4，所述多对弹性顶针触点402设置在锥形凹槽上；每对弹性顶针触点402对应布置在一个环形电阻401的正下方。
信号电路的等效电路图如图5所示，本实施例中共计三个环形电阻401，由上端至下端，其等效电阻依次为R1、R2和R3。
当所述工具手对接端口模块受到较大负载时，第一电磁铁301供电，且活塞2位于下端极限位置状态下，每个环形电阻401均与该环形电阻401正下方的一对弹性顶针触点402相接。多个环形电阻均并联至信号电路，并联后的阻值较低，则信号电路的信号电流较大，控制器控制第一电磁铁301的线圈电流减小，第一电磁铁301与永磁芯体201之间的磁力较小。
当所述工具手对接端口模块所受负载进一步增大，使得所述U型对接端盖向下端移动；并且U型对接端盖施加至刚性球101的作用力，使得活塞2向上端移动；则锥形凹槽与第二外锥面分离。因锥形凹槽的锥角大于外锥形端部202的锥角，使位于外圈的弹性顶针触点402与对应的环形电阻401之间的距离，大于内圈的弹性顶针触点402与对应的环形电阻401之间的距离，所以位于外圈的弹性顶针触点402的压缩形变量，小于内圈的弹性顶针触点402的压缩形变量。则随着锥形凹槽与第二外锥面的距离增大，最外圈的弹性顶针触点402与对应的环形电阻401首先分离，R1断开，信号电路的电阻增大，则信号电路的信号电流变小，控制器控制第一电磁铁301的线圈电流增大，第一电磁铁301与永磁芯体201之间的磁力增大；同理，随着锥形凹槽与第二外锥面的距离进一步增大，R2和R3也逐级断开，第一电磁铁301与永磁芯体201之间的磁力逐级增大。本发明中，第一电磁铁301与永磁芯体201之间的磁力可适应负载自动调整，使U型对接端盖的侧壁上端面与所述缸体1的定位壁面保持相接状态，使活塞2保持下端极限位置状态，保持机械臂与工具手的锁紧状态。
当需要切换其他工具手，机械臂与工具手需解锁释放时，调整第一电磁铁301的线圈电流方向，第一电磁铁301与永磁芯体201相斥，使活塞2向上端运动，卸载刚性球101与U型对接端盖的锁紧作用力，使机械臂对接端口模块与工具手对接端口模块脱离。
优选的，本发明中所述机械臂对接端口模块还包括固定在缸体1上端的上端盖5；所述上端盖5上设置有第二电磁铁501；所述第一电磁铁301的极性方向与第二电磁铁501的极性方向相同。第二电磁铁501可与第一电磁铁301同时开启，用于驱动活塞2运动；当机械臂与工具手对接锁紧时，第二电磁铁501可与第一电磁铁301同时开启，增大活塞2受到的向下端的磁力，增大锁紧力；当机械臂与工具手解锁释放后，第二电磁铁501可将活塞2吸附固定，防止活塞2在缸体1内滑动。

Claims (5)

1.一种电永磁式机械臂工具手快换器，其特征在于：包括机械臂对接端口模块和工具手对接端口模块；
所述机械臂对接端口模块包括缸体（1）和可在缸体（1）内往复运动的活塞（2）；所述缸体（1）靠近下端的侧壁设置有多个沿缸体（1）径向延伸的通孔；所述多个通孔位于同一缸体（1）横截面上；每个所述通孔内设置一个刚性球（101）；所述刚性球（101）可在通孔内沿缸体（1）径向滑动；所述刚性球（101）的直径大于通孔处的缸体（1）壁厚；所述缸体（1）的外壁还设置有朝向下端的定位壁面；
所述活塞（2）内设置有永磁芯体（201）；所述活塞（2）的下端设置有外锥形端部（202）；
所述工具手对接端口模块包括U型对接端盖；所述U型对接端盖的底板上设置有第一电磁铁（301）；所述第一电磁铁（301）位于永磁芯体（201）下端，第一电磁铁（301）与永磁芯体（201）之间的磁力驱动活塞（2）在缸体（1）内运动；
所述U型对接端盖的侧壁套装在缸体（1）侧壁外周；U型对接端盖的侧壁上端面与所述缸体（1）的定位壁面相接；U型对接端盖的内侧壁设置有向上端内侧倾斜的内锥形端面；
当活塞（2）在缸体（1）内运动至所述外锥形端部（202）与刚性球（101）的上部内侧压紧相接，刚性球（101）的上部外侧与内锥形端面压紧相接，活塞（2）到达下端极限位置；
还包括用于控制所述第一电磁铁（301）的供电电流的控制器；所述控制器的输入端连接有信号电路；当信号电路的信号电流增大，控制器控制第一电磁铁（301）的供电电流减小；当信号电路的信号电流减小，控制器控制第一电磁铁（301）的供电电流增大；
所述U型对接端盖的上端面设置有锥形凹槽；所述锥形凹槽与外锥形端部（202）同轴心，且锥形凹槽的锥角大于外锥形端部（202）的锥角；
所述信号电路包括多个环形电阻（401）和多对弹性顶针触点（402）；
所述多个环形电阻（401）设置在活塞（2）的外锥形端部（202）；所述多个环形电阻（401）与外锥形端部（202）同轴心；
所述多对弹性顶针触点（402）并联在信号电路上；所述多对弹性顶针触点（402）设置在锥形凹槽上；每对弹性顶针触点（402）对应布置在一个环形电阻（401）的正下方；
当活塞（2）到达下端极限位置，每个环形电阻（401）均与该环形电阻（401）正下方的一对弹性顶针触点（402）相接。
2.根据权利要求1所述的电永磁式机械臂工具手快换器，其特征在于：所述外锥形端部（202）包括第一外锥面和第二外锥面；所述第一外锥面位于第二外锥面的上方；所述第一外锥面的锥角小于第二外锥面的锥角；所述第一外锥面与刚性球（101）的上部内侧压紧相接；所述多个环形电阻（401）设置在第二外锥面上。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的电永磁式机械臂工具手快换器，其特征在于：所述机械臂对接端口模块还包括固定在缸体（1）上端的上端盖（5）；所述上端盖（5）上设置有第二电磁铁（501）；所述第一电磁铁（301）的极性方向与第二电磁铁（501）的极性方向相同。
4.根据权利要求3所述的电永磁式机械臂工具手快换器，其特征在于：所述U型对接端盖的上端面与所述缸体（1）的定位壁面之间设置有若干定位销（102）。
5.根据权利要求4所述的电永磁式机械臂工具手快换器，其特征在于：所述U型对接端盖包括盖体（302）和固定在盖体（302）上端的弹性锁紧环（303）；所述内锥形端面位于弹性锁紧环（303）上。
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