CN208880499U - 一种用于安装打磨头的恒力执行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于安装打磨头的恒力执行器。该设备包括执行器支座、双作用低摩擦气缸、输出端法兰、间隙配合型直线轴承、直线位移传感器、电气控制***和万向活动机构，双作用低摩擦气缸通过缸体安装在执行器支座的中心部位；电气控制***的第一电气比例调压阀和第二电气比例调压阀并联设在气源总控阀的输出端，其输出端分别与双作用低摩擦气缸的活塞两侧的腔室连通；气缸的活塞杆的输出端连接并能驱动输出端法兰轴向活动；间隙配合型直线轴承设在双作用低摩擦气缸的外侧，输出端法兰与执行器支座之间通过间隙配合型直线轴承连接；直线位移传感器设在双作用低摩擦气缸的侧面；万向活动机构连接并设在输出端法兰的下部。

Description

一种用于安装打磨头的恒力执行器

技术领域

本实用新型涉及曲面零件表面打磨技术领域，特别是涉及一种用于安装打磨头的恒力执行器。

背景技术

在工业生产过程中，应用到许多各种类型的大尺寸复杂曲面零件，这些零件在喷涂前需要进行打磨。目前，打磨主要采用手工打磨工艺，噪声污染严重、效率低、人工成本高、打磨质量不稳定，急需解决自动化打磨问题。

例如，在飞机制造技术领域，空间曲面碳纤维复合材料飞机结构件存在薄壁、弱刚性、无准确装夹基准、零件实际尺寸与数学模型尺寸不一致、装夹后易产生形变等特点，该类零件打磨去除厚度小于等于0.03mm, 要求打磨均匀。这就决定了不能通过机器人位置来控制打磨工具直接打磨零件表面(机器人位控精度低)。因此，需要设计开发一种适应曲面类零件特点的能够实现柔性打磨的恒力执行器，来解决机械运行精度与零件本身被打磨表面精度不一致的问题。

因此，发明人提供了一种用于安装打磨头的恒力执行器。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种用于安装打磨头的恒力执行器，能够保证执行器输出的力始终保持恒定，确保在打磨过程中，打磨头能根据零件表面曲率变化调整打磨头角度，使打磨头砂纸与零件表面充分接触，解决了现有恒力执行器满足不了对复合材料零件表面打磨高质量要求的问题。

本实用新型的实施例提出了一种用于安装打磨头的恒力执行器，包括执行器支座、间隙配合型直线轴承、输出端法兰、双作用低摩擦气缸、直线位移传感器、万向活动机构和电气控制***。其中，

执行器支座，用于与机器人末端连接；

双作用低摩擦气缸，通过缸体安装在所述执行器支座的中心部位；

电气控制***，包括气源总控阀、第一电气比例调压阀和第二电气比例调压阀，所述气源总控阀设在气源的输出端的总路上，所述第一电气比例调压阀和所述第二电气比例调压阀并联设在所述气源总控阀的输出端，所述第一电气比例调压阀和所述第二电气比例调压阀的输出端分别与所述双作用低摩擦气缸的活塞两侧的腔室连通，用于控制并平衡气缸两侧腔室的气压，使所述双作用低摩擦气缸保持在行程中部恒定；

输出端法兰，所述双作用低摩擦气缸的活塞杆的输出端连接并能驱动所述输出端法兰轴向活动；

间隙配合型直线轴承，间隙配合型直线轴承设在所述双作用低摩擦气缸的外侧，所述输出端法兰与所述执行器支座之间通过所述间隙配合型直线轴承连接；

直线位移传感器，设在所述双作用低摩擦气缸的侧面，用于检测所述双作用低摩擦气缸的活塞杆的行程；

万向活动机构，连接并设在所述输出端法兰的下部，所述万向活动机构用于连接打磨头。

在第一种可能的实现方式中，所述万向活动机构包括连接件、铰接轴和打磨头安装座，所述连接件与所述输出端法兰连接，所述打磨头安装座通过所述铰接轴与所述连接件铰接，所述铰接轴与所述输出端法兰的轴线相互垂直。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述打磨头安装座通过4个所述铰接轴与所述连接件铰接，4个所述铰接轴为两两同轴相对设置，并且，两对铰接轴的轴线相互垂直。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，在所述执行器支座的上端设有第一倾角传感器，用于检测所述执行器支座的第一绝对倾角，在所述打磨头安装座处设有第二倾角传感器，用于检测所述打磨头安装座或打磨头的第二绝对倾角，从而获得所述打磨头安装座与所述执行器支座的相对倾斜角度。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，在所述双作用低摩擦气缸与所述输出端法兰之间固定设有隔离板，所述直线位移传感器固定在所述执行器支座上，所述隔离板上开有安装孔，所述活塞杆穿过所述安装孔连接所述输出端法兰，在所述执行器支座与所述隔离板之间设有固定防护罩，用于保护所述直线位移传感器、所述双作用低摩擦气缸和所述电气控制***的元器件。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，在所述隔离板与所述打磨头安装座之间设有可伸缩橡胶防护罩，用于保护所述万向活动机构，并与所述万向活动结构随动。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，在所述打磨头安装座的下端设有可视化透明防护罩，用于防护打磨头，并能观察打磨状态。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，在所述可视化透明防护罩上设有粉尘排出口。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述双作用低摩擦气缸上标定有行程限位触发点，所述行程限位触发点与所述直线位移传感器的报警信号相对应标定。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述气源总控阀的输出端还设有连通打磨头的电气控制支路。

综上，本实用新型通过设置双作用低摩擦气缸以及与气缸两个腔室分别连通并单独控制的电气控制***，使气缸始终处于气缸行程中间位置保持恒定，结合位移传感器，确保打磨头在打磨过程中的打磨力恒定，打磨精度稳定，提高打磨质量。本实用新型还设有万向活动机构，通过万向活动结构连同打磨头相对于执行器本体转动，能够随着打磨零件表面不同的曲率相应摆动，以便适应于不同的零件表面形状，提高了打磨效率和质量，本实用新型的恒力执行器满足了复杂曲面零件对打磨质量的严格要求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是大尺寸曲面壁板的打磨示意图。

图2是现有技术的恒力执行器原理示意图。

图3(a)和图3(b)是本实用新型实施例的一种用于安装打磨头的恒力执行器的剖面示意图。

图中：

100-机械臂；200-恒力执行器；300-曲面零件；400-工装；

201-执行器支座；202-间隙配合型直线轴承；203-输出端法兰；204-双作用低摩擦气缸；205-第一电气比例调压阀；206-第二电气比例调压阀； 207-连接件；208-铰接轴；209-打磨头安装座；210-打磨头；211-第一倾角传感器；212-第二倾角传感器；213-隔离板；214-直线位移传感器；215- 固定防护罩；216-可伸缩橡胶防护罩；217-可视化透明防护罩；218-粉尘排出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本实用新型的原理，但不能用来限制本实用新型的范围，即本实用新型不限于所描述的实施例，在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是大尺寸曲面壁板的打磨示意图。如图所示，以大尺寸曲面飞机壁板的打磨为例，通常，打磨机器人的机械臂100的末端连接有恒力执行器200，将曲面零件300装在工装400上，通过控制机器人的机械臂100 位姿和恒力执行器200，实现对曲面零件300的打磨。

图2是现有技术的恒力执行器原理示意图。目前国内外已开发的恒力执行器结构原理如图2所示，图中，2-1为倾角传感器，2-2为双作用气缸，2-3为直线位移传感器，2-4为打磨头，2-5为电磁阀，2-6为比例阀。电磁阀2-5控制双作用气缸2-2前后腔通气，使打磨头2-4沿轴向浮动。气缸下腔通气时，通过比例阀2-6调整气压，基于力学平衡关系，对打磨头2-4悬垂重量进行测量；测重后，电磁阀切换到气缸上腔通气，比例阀调整的气缸压力加上打磨头重量作为打磨轴向力。倾角传感器2-1实时测量执行器摆角位置，实时调整比例阀压力补偿不同摆角位置时重力分力变化。直线位移传感器2-3实时测量气缸行程变化值，以调整机器人位姿，确保气缸在有效行程之内工作。该结构恒力执行器打磨本案复合材料飞机结构件存在问题如下：

1、因为现有执行器的打磨头接触零件表面时气缸下腔气压为零，靠自重下垂到行程下端。而机器人离线编程时设定打磨头应该处于气缸行程中间位置时接触零件。这就存在打磨头进入零件表面的位置与理论值出现偏差。按此结构，打磨头旋转后接触零件时，打磨头处于气缸行程最下端。气缸移动到行程中点过程中，比例阀控制的打磨力精度不会太稳定。

2、现有执行器只有轴向浮动功能，没有角度浮动，机器人轨迹精度不能保证打磨头与零件表面充分贴合，确保打磨表面去除量厚度均匀。

3、打磨前需要测量零件表面形状，进行离线编程和仿真，确保打磨头与零件表面法向垂直，频繁更换零件过程中增加很大工作量，致使设备投入成本增加。

图3(a)和图3(b)是本实用新型实施例的一种用于安装打磨头的恒力执行器的剖面示意图。本实用新型的用于安装打磨头的恒力执行器的应用环境如图1所示，结合图1、图3(a)和图3(b)所示，本实用新型的恒力执行器200包括了执行器支座201、间隙配合型直线轴承202、输出端法兰203、双作用低摩擦气缸204、直线位移传感器214、万向活动机构(包括连接件207、铰接轴208和打磨头安装座209)和电气控制***。其中，执行器支座201用于与机器人末端连接，双作用低摩擦气缸 204通过缸体安装在执行器支座201的中心部位；电气控制***包括气源总控阀、第一电气比例调压阀205和第二电气比例调压阀206，气源总控阀设在气源的输出端的总路上，第一电气比例调压阀205和第二电气比例调压阀206并联设在气源总控阀的输出端，第一电气比例调压阀205和第二电气比例调压阀206的输出端分别与双作用低摩擦气缸204的活塞两侧的腔室连通，用于控制并平衡气缸两侧腔室的气压，使气缸保持在行程中部恒定；双作用低摩擦气缸204的活塞杆的输出端连接并能驱动输出端法兰203轴向活动；至少两个间隙配合型直线轴承202(也可以采用其他形式的间隙配合型直线轴承副，例如是一根带花键的轴线轴承)设在双作用低摩擦气缸204的外侧，输出端法兰203与执行器支座201之间通过间隙配合型直线轴承202连接；直线位移传感器214设在双作用低摩擦气缸 204的侧面，用于检测双作用低摩擦气缸204的活塞杆的行程；万向活动机构连接并设在输出端法兰203的下部，该万向活动机构用于连接打磨头。

本实用新型通过采用并列设置的第一电气比例调压阀205和第二电气比例调压阀206，且分别连通双作用低摩擦气缸204的两个腔室，两个比例调压阀能够各自独立控制气缸的两个腔室的压强，使活塞能始终保持在气缸的中部，从而能保证执行器输出的力恒定平衡。此外，由于输出端法兰203连接万向活动机构，万向活动结构连接打磨头随着打磨零件的表面曲率变化而随动，便于与打磨零件随形并适应性的柔性打磨，确保了打磨头的打磨元件与零件表面充分接触，解决了现有技术存在的问题，满足复合材料零件表明对打磨质量的严格要求。

具体地，采用双比例调压阀分别控制双作用低摩擦气缸204的活塞杆的上、下两腔室的压力，下腔压力单独用来平衡安装在活塞杆以下部分的重量W(包括输出端法兰、万向活动机构和打磨头)。可以在打磨头接触零件表面前，确保气缸活塞处于气缸行程中间位置；接触零件后上腔通气，由于打磨头接触零件时与打磨开始之间的时间段内，气缸行程不需要变化，使得比例调压阀单独控制上腔压力时，能够对打磨头法向压力实现精确控制。尤其是大型零件打磨过程中，频繁更换打磨砂纸，打磨头每次接触离开零件位置的打磨质量很难控制，通过本方案的电气控制***可得到很好解决。

万向活动机构包括连接件207、铰接轴208和打磨头安装座209，连接件207与输出端法兰203连接，打磨头安装座209通过铰接轴208与连接件207铰接，该铰接轴208与输出端法兰203的轴线相互垂直。本实施例中，打磨头安装座209通过4个铰接轴208与连接件207铰接，4个铰接轴208为两两同轴相对设置，并且，两对铰接轴的轴线相互垂直。通过将打磨头安装座209与连接件207铰接，能够使打磨头安装座209相对于执行器本体在预定范围内转动，从而能带动打磨头适应不同打磨曲面，使打磨头与零件表面充分贴合，提高打磨效率、确保打磨厚度均匀。

优选地，在执行器支座201的上端设有第一倾角传感器211，用于检测执行器支座201的第一绝对倾角，在打磨头安装座209处设有第二倾角传感器212，用于检测打磨头安装座209或打磨头的第二绝对倾角，通过对第一绝对倾角合第二绝对倾角的动态监测和比较计算，从而获得打磨头安装座209与执行器支座201的相对倾斜角度，基于该相对倾斜角度，可以通过控制程序实时调整安装本实用新型的恒力执行器的机器人位姿，确保打磨头在气缸的安全行程范围内进行摆动。

需要说明的是，可以设定打磨头安装座209与执行器支座201的相对倾斜角度的安全范围，比如，设定摆动的相对倾斜角度的安全范围为± 4.5°，当超过该安全范围的摆角时发出报警信号，此外还可以设置角度补偿发迅值，比如设定为如±1°，达到该值时，通过控制***的程序及时调整机器人位姿，确保打磨头安装座209与执行器支座201的相对倾斜角度为零。

此外，双作用低摩擦气缸204上标定有行程限位触发点，该行程限位触发点与直线位移传感器214的报警信号相对应标定。具体地，将气缸行程中间点作为0点，在活塞上、下行程终点设置限位触发点，作为安全警报信号，也可以设置行程调整启动信号值±5mm作为启动信号值，当达到 5mm时，机器人位姿上调，行程回到0点，当达到-5mm时，机器人位姿下调，行程回到0点，这样一直保证打磨头处于气缸行程中间位置。

气缸行程直线位移传感器214能够实时感知打磨头轴向浮动值，通过控制程序适时调整机器人位姿，以确保打磨头在气缸安全行程范围内轴向浮动。轴向和法向摆角浮动的自动调整，确保了打磨头能够实现对不同曲面零件表面的高质量柔性加工。打磨前可只根据零件边缘尺寸，快速设定机器人运行轨迹，打磨过程中，机器人可完全根据传感器的位置感知，实现闭环补偿，真正实现智能化仿形的柔性打磨加工，能在不预知零件准确数学模型的基础上实现对零件的精确打磨。

此外，在双作用低摩擦气缸204与输出端法兰203之间还固设有隔离板213，直线位移传感器214固定在执行器支座201上，该隔离板213上开有安装孔，气缸的活塞杆穿过隔离板213上的安装孔连接输出端法兰 203。

在执行器支座201与隔离板213之间设有固定防护罩215，用于保护直线位移传感器214、双作用低摩擦气缸204和电气控制***的元器件 (第一电气比例调压阀205和第二电气比例调压阀206等)。

在隔离板213与打磨头安装座209之间设有可伸缩橡胶防护罩216，用于保护万向活动机构(包括连接件207、铰接轴208和打磨头安装座 209)，可伸缩橡胶防护罩216能够保证与万向活动结构随动，使其摆动时不受防护罩的限制。

在打磨头安装座209的下端设有可视化透明防护罩217，用于防护打磨头，并能通过该可视化透明防护罩217观察打磨状态。在该可视化透明防护罩217上设有粉尘排出口218，粉尘排出口218可以连接专门收集装置，用于将打磨粉尘等排出去并收集，以保证在打磨时，零件表面无粉尘堆积，确保打磨质量，使防尘罩外无粉尘飘逸，对环境无污染，同时也保证了操作者的身体健康。

此外，气源总控阀的输出端还设有连通打磨头的电气控制支路。

采用本实用新型的恒力执行器的工作流程为：机器人自动打磨时，零件装夹在工作台上，根据零件边缘形状，规划机器人打磨轨迹，机器人调整位姿进入零件边缘零点，执行器下腔给定调整好的压力P2，使打磨头停止在气缸行程中间位置,打磨头接触工件上表面，执行器上腔给气P1，打磨头旋转，机器人带动打磨头按规定轨迹沿工件表面移动，依据恒力执行器上直线位移传感器214、第一倾角传感器211和第二倾角传感器212的测量值，对机器人位姿进行微量调整，打磨头到轨迹终点，气缸上腔压力调整为零，恒力执行器带动打磨单元抬起离开工件，打磨结束。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本实用新型并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本实用新型的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，包括：

执行器支座，用于与机器人末端连接；

双作用低摩擦气缸，通过缸体安装在所述执行器支座的中心部位；

电气控制***，包括气源总控阀、第一电气比例调压阀和第二电气比例调压阀，所述气源总控阀设在气源的输出端的总路上，所述第一电气比例调压阀和所述第二电气比例调压阀并联设在所述气源总控阀的输出端，所述第一电气比例调压阀和所述第二电气比例调压阀的输出端分别与所述双作用低摩擦气缸的活塞两侧的腔室连通，用于控制并平衡气缸两侧腔室的气压，使所述双作用低摩擦气缸恒定保持在行程中部；

输出端法兰，所述双作用低摩擦气缸的活塞杆的输出端连接并能驱动所述输出端法兰轴向活动；

间隙配合型直线轴承，设在所述双作用低摩擦气缸的外侧，所述输出端法兰与所述执行器支座之间通过所述间隙配合型直线轴承连接；

直线位移传感器，设在所述双作用低摩擦气缸的侧面，用于检测所述双作用低摩擦气缸的活塞杆的行程；

万向活动机构，连接并设在所述输出端法兰的下部，所述万向活动机构用于连接打磨头。

2.根据权利要求1所述的用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，所述万向活动机构包括连接件、铰接轴和打磨头安装座，所述连接件与所述输出端法兰连接，所述打磨头安装座通过所述铰接轴与所述连接件铰接，所述铰接轴与所述输出端法兰的轴线相互垂直。

3.根据权利要求2所述的用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，所述打磨头安装座通过4个所述铰接轴与所述连接件铰接，4个所述铰接轴为两两同轴相对设置，并且，两对铰接轴的轴线相互垂直。

4.根据权利要求2所述的用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，在所述执行器支座的上端设有第一倾角传感器，用于检测所述执行器支座的第一绝对倾角，在所述打磨头安装座处设有第二倾角传感器，用于检测所述打磨头安装座或打磨头的第二绝对倾角，从而获得所述打磨头安装座与所述执行器支座的相对倾斜角度。

5.根据权利要求2所述的用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，在所述双作用低摩擦气缸与所述输出端法兰之间固定设有隔离板，所述直线位移传感器竖向固定在所述隔离板上，所述隔离板上开有安装孔，所述活塞杆穿过所述安装孔连接所述输出端法兰，在所述执行器支座与所述隔离板之间设有固定防护罩。

6.根据权利要求5所述的用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，在所述隔离板与所述打磨头安装座之间设有可伸缩橡胶防护罩，用于保护所述万向活动机构，并与所述万向活动结构随动。

7.根据权利要求5所述的用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，在所述打磨头安装座的下端设有可视化透明防护罩，用于防护打磨头，并能观察打磨状态。

8.根据权利要求7所述的用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，在所述可视化透明防护罩上设有粉尘排出口。

9.根据权利要求1所述的用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，所述双作用低摩擦气缸上标定有行程限位触发点，所述行程限位触发点与所述直线位移传感器的报警信号相对应标定。

10.根据权利要求1-9任一项所述的用于安装打磨头的恒力执行器，其特征在于，所述气源总控阀的输出端还设有连通打磨头的电气控制支路。