一种被动柔顺机构、磨头组件、接触力计算方法及砂带机与流程

[0001]
本发明涉及材料加工技术领域，特别涉及一种被动柔顺机构、磨头组件、接触力计算方法及砂带机。


背景技术：

[0002]
在材料加工领域，砂带磨削作为一种材料去除加工技术，具有加工效率高、加工表面质量好的优点，被广泛用于多余材料去除与表面修整，如零件去毛刺、飞边及表面抛光，焊缝打磨、抛光等。砂带机作为砂带磨削工艺的核心加工设备，其在打磨、抛光工作站中被广泛采用，砂带机的核心部件是磨头组件，其一般由驱动轮、张紧轮、接触轮、惰轮、砂带及安装板等组成。在机器人砂带磨抛系统中有机器人抓件和抓刀两种加工形式，机器人抓件磨抛时，砂带机往往是固定的，机器人抓取工件往砂带机等工具上加工，适用于加工小尺寸、重量轻、易装夹的工件。机器人抓刀磨抛时，砂带机往往是跟随机器人一起移动的，砂带机的尺寸较小，集成在机器人末端法兰上，模仿人手持工具去打磨工件，特别适合加工尺寸大、重量大、不易装夹的工件。在使用机器人夹持工件往砂带机上打磨时，工件定位精度不高、接触轮弹性变形、零件自身尺寸及缺陷不一致会导致工件和接触轮实际接触点存在位置偏差，造成打磨质量不稳定。在砂带磨削中，接触力对材料去除率起主要作用，因此控制砂带磨削时工件和接触轮的接触力显得至关重要。
[0003]
目前市场上的砂带机多采用固定的接触轮，如专利号cn209936594u、cn208826275u、cn207710497u所述的砂带机，其磨头组件多采用接触轮固定的结构。采用固定的接触轮磨抛时，对机器人示教轨迹点的位姿精度要求高，编程工作耗时且容易出现因加工路径点位姿不准确而导致的过磨或欠磨。虽然市场上也存在接触轮随着整个磨头组件一起浮动的被动式自适应砂带机，如专利号cn206795499u、cn109968161、cn203141270u所述砂带机，采用伺服气缸或伺服电机直接驱动磨头组件做直线运动，从而间接的控制打磨接触力，但由于整个磨头组件的重量大，运动过程中惯性大、摩擦力大，导致工件与接触轮的接触力会发生较大波动，系统响应慢且力控精度低。专利号cn207027177u提出了一种单向压力控制双工位砂带机，其采用比例阀和气缸组合方式控制气缸输出力，其磨头组件中的气缸活塞杆与接触轮的安装滑块直接相连，可以通过调节比例阀设定值来改变接触压力，然而该方法没有考虑系统动力学对接触力的影响，系统力控精度低，并且气缸驱动的响应慢。
[0004]
上述现有技术的砂带机多采用固定接触轮或由气缸驱动的浮动接触轮，固定接触轮不能自适应贴合工件表面，会导致过磨或欠磨，而气缸驱动的浮动接触轮响应慢，力控精度不高；气缸直接驱动的浮动接触轮模块的接触刚度大，浮动接触轮发生小位移波动会产生较大的接触力变化；另外，因为没有采用传感器直接或间接测量实际接触力，不能实现实时监控接触力；缺少独立的控制模块，因此无法实现主动力控，与机器人配合使用时需要做系统集成，搭建磨抛系统的时间长、成本高。
[0005]
基于此，现急需一种能够与机器人配合实现小尺寸工件表面的自适应磨削的被动
柔顺机构、磨头组件、接触力计算方法及砂带机。


技术实现要素：

[0006]
为解决上述问题，本发明旨在提出一种被动柔顺机构、磨头组件、接触力计算方法及砂带机，通过多连杆以及弹簧实现接触轮单方向浮动，通过杠杆原理减小了接触轮和工件之间的接触刚度，采用位移传感器测量浮动位移量并建立动力学模型计算实际接触力或采用单轴力传感器测量实际接触力，实现了浮动接触轮的接触力的实时监控。
[0007]
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0008]
一种被动柔顺机构，包括固定板、浮动接触轮、第一连杆组件、第二连杆组件、第三连杆组件、第一球铰组件、第二球铰组件、拉簧、预紧力调整组件以及位移传感器，所述第三连杆组件前端转动连接浮动接触轮，第三连杆组件的后端设有第一球铰组件，所述第二连杆组件一端连接第一球铰组件，第二连杆组件另一端通过第二球铰组件连接在第一连杆组件上端，所述第一连杆组件中部转动连接于固定板上，所述第一连杆组件下端通过拉簧连接预紧力调整组件，所述位移传感器、预紧力调整组件均安装于固定板上，所述固定板上设有导轨，第三连杆组件通过导轨配合安装在固定板上并可前后移动，所述位移传感器的测量端与第三连杆组件的后端相连用于测量浮动接触轮的位移量。
[0009]
为了实现上述目的，本发明还提供了一种磨头组件，包括如上述的被动柔顺机构、砂带、第一惰轮、张紧装置、调偏装置、张紧轮以及驱动轮；所述张紧轮通过张紧装置、调偏装置与固定板相连，所述驱动轮安装在所述固定板上，所述浮动接触轮、驱动轮、张紧轮上均安装有砂带形成闭合砂带环，所述第一惰轮位于闭合砂带环外侧用于向内压紧砂带，所述第一惰轮安装于所述固定板上。
[0010]
进一步的，还包括第二惰轮，所述第二惰轮位于闭合砂带环内侧用于向外压紧砂带，所述第二惰轮安装于所述固定板上。
[0011]
进一步的，还包括定位基准块，所述定位基准块位于第一连杆组件上端一侧，所述定位基准块安装于固定板上。
[0012]
进一步的，还包括阻尼防撞组件，所述阻尼防撞组件位于第三连杆组件后端下侧，所述阻尼防撞组件安装于固定板上。
[0013]
进一步的，还包括配重块，所述配重块安装于第一连杆组件下端。
[0014]
为了实现上述目的，本发明还提供了一种磨头组件的浮动接触轮的接触力计算方法，计算过程包括：
[0015]
在初始状态时，在砂带张紧力和拉簧的预紧力等外部力作用下，被动柔顺机构处于平衡状态，可以推导出拉簧初始伸长量与砂带张紧力、弹簧刚度系数等参数的的关系，如公式(1)所示，其中，xs0是拉簧初始伸长量，ft0是砂带初始张紧力，α0是接触轮上侧砂带与水平方向的夹角，β0是接触轮下侧砂带与水平方向的夹角，ks是弹簧的有效刚度系数；
[0016]
公式(1)：
[0017]
工作状态时，在接触力、砂带张紧力和拉簧的预紧力等外部力作用下，被动柔顺机构处于平衡状态，可以推导出接触力fc与砂带张紧力、浮动位移量、拉簧有效刚度系数等参
数之间的关系，如公式(2)所示，其中，xf是接触轮浮动位移量，ft0是砂带初始张紧力，ks是弹簧的有效刚度系数，其余参数都是描述初始状态下的几何关系的，如：α0是接触轮上侧砂带与水平方向的夹角，β0是接触轮下侧砂带与水平方向的夹角，l2是连杆2的长度，θ0是连杆2与水平方向的夹角，l3、l4分别是连杆1转动副中心点上、下两段的长度，x1、y1、r1分别是上侧惰轮中心到接触轮中心的水平距离、竖直距离、惰轮半径，x2、y2、r2分别是下侧惰轮中心到接触轮中心的水平距离、竖直距离、惰轮半径，rc为接触轮的半径；
[0018]
公式2：f
c
＝f(x
f
，f
t0
，k
s
，α0，β0，l2，l3，l4，θ0，x1，y1，x2，x2，r
c
，r1，r2)。
[0019]
为了实现上述目的，本发明还提供了一种磨头组件，包括砂带、浮动接触轮、单轴力传感器、位移传感器、第一低摩擦气缸、张紧轮、张紧气缸、驱动轮、第二低摩擦气缸、固定接触轮、压磨板以及磨头安装板，所述磨头安装板上下两端分别安装有浮动接触轮、固定接触轮，所述浮动接触轮的连杆后端安装有位移传感器、单轴力传感器，所述单轴力传感器后端连接第一低摩擦气缸，所述张紧轮通过张紧气缸安装在所述磨头安装板上，所述压磨板位于浮动接触轮与固定接触轮之间，所述压磨板通过第二低摩擦气缸安装在磨头安装板上，所述驱动轮、张紧气缸、位移传感器、单轴力传感器以及第一低摩擦气缸均安装于磨头安装板上，所述浮动接触轮、固定接触轮、驱动轮、张紧轮上配合安装有所述砂带。
[0020]
为了实现上述目的，本发明还提供了一种砂带机，包括如上述的磨头组件、底座组件、直线运动组件、防爆电机、立柱组件、钣金组件、控制箱以及集尘罩组件，所述底座组件上安装有直线运动组件，所述直线运动组件上方设有钣金组件，所述钣金组件内安装有所述磨头组件，所述防爆电机通过传动组件连接驱动轮，所述控制箱用于计算浮动接触轮的相关参数并控制浮动接触轮配合机器人，所述集尘罩组件位于钣金组件的前方用于收集砂带机的剔除的废料毛刺，所述立柱组件用于固定控制箱，所述防爆电机、立柱组件、控制箱均安装于所述钣金组件上，所述集尘罩组件安装于所述底座组件上。
[0021]
进一步的，所述直线运动组件内设有气缸，通过气缸驱动磨头组件前后运动。
[0022]
有益效果：本发明的浮动接触轮可单方向进行高响应的浮动，创新性的采用多连杆和弹簧等组成的机构让接触轮可单方向浮动，机械系统响应快。本发明工件尺寸波动或加工路径点位置不准确而导致的接触力变动量减小，采用杠杆原理减小了接触轮和工件之间的接触刚度。本发明的接触轮位置和接触压力实时感知，采用位移传感器测量浮动位移量，并通过动力学模型计算实际接触力或采用单轴力传感器测量实际接触力，实现接触力的实时监控。本发明能与机器人配合实现主动力控，砂带机具有独立的控制器，能够快速与机器人完成系统集成，控制器采用主动力控算法计算机器人位姿的补偿量，并将补偿量实时发送给机器人位置控制器。
附图说明
[0023]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0024]
图1为本发明实施例2所述的磨头组件的结构示意图；
[0025]
图2为本发明实施例3所述的磨头组件的结构示意图；
[0026]
图3为本发明实施例5的砂带机的正面整体结构示意图；
[0027]
图4为本发明实施例5的砂带机的打开一侧板金组件后的结构示意图；
[0028]
图5为本发明实施例5的砂带机的背面整体结构示意图；
[0029]
图6为本发明实施例所述的被动柔顺机构初始状态下的受力示意图；
[0030]
图7为本发明实施例所述的被动柔顺机构工作状态下的受力示意图。
[0031]
附图标记说明：
[0032]
1-固定板，2-浮动接触轮，3-第一连杆组件，4-第二连杆组件，5-第三连杆组件，6-第一球铰组件，7-第二球铰组件，8-拉簧，9-预紧力调整组件，10-位移传感器，11-砂带，12-第一惰轮，13-张紧装置，14-调偏装置，15-张紧轮，16-驱动轮，17-第二惰轮，18-定位基准块，19-阻尼防撞组件，20-配重块，21-单轴力传感器，22-第一低摩擦气缸，23-张紧气缸，24-第二低摩擦气缸，25-固定接触轮，26-压磨板，27-磨头安装板，28-底座组件，29-直线运动组件，30-防爆电机，31-立柱组件，32-钣金组件，33-控制箱，34-集尘罩组件。
具体实施方式
[0033]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0034]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0035]
实施例1
[0036]
参见图1：一种被动柔顺机构，包括固定板1、浮动接触轮2、第一连杆组件3、第二连杆组件4、第三连杆组件5、第一球铰组件6、第二球铰组件7、拉簧8、预紧力调整组件9以及位移传感器10，所述第三连杆组件5前端转动连接浮动接触轮2，第三连杆组件5的后端设有第一球铰组件6，所述第二连杆组件7一端连接第一球铰组件6，第二连杆组件4另一端通过第二球铰组件7连接在第一连杆组件3上端，所述第一连杆组件3中部转动连接于固定板1上，所述第一连杆组件3下端通过拉簧8连接预紧力调整组件9，所述位移传感器10、预紧力调整组件9均安装于固定板1上，所述固定板1上设有导轨，第三连杆组件5通过导轨配合安装在固定板1上并可前后移动，所述位移传感器10的测量端与第三连杆组件5的后端相连用于测量浮动接触轮2的位移量。
[0037]
本实施例三段连杆组件形成杠杆，通过杠杆原理实现了浮动接触轮与工件接触刚度成比例减小，因此，在设定的接触力下进行磨抛加工时，因路径点位置不准确而导致的接触力变化就可以变小；另外，采用连杆组件和拉簧实现接触轮单方向浮动，不但能实现快速响应，且通过更换不同刚度的拉簧可调节接触刚度，防止工件过磨或欠磨。
[0038]
实施例2
[0039]
为了实现上述目的，参见图1：本实施例还提供了一种磨头组件，包括如上述的被动柔顺机构、砂带11、第一惰轮12、张紧装置13、调偏装置14、张紧轮15以及驱动轮16；所述张紧轮15通过张紧装置13、调偏装置14与固定板1相连，所述驱动轮16安装在所述固定板1上，所述浮动接触轮2、驱动轮16、张紧轮15上均安装有砂带11形成闭合砂带环，所述第一惰轮12位于闭合砂带环外侧用于向内压紧砂带11，所述第一惰轮12安装于所述固定板1上。
[0040]
本实施例的接触轮浮动自适应、高响应贴合工件表面，工件与浮动接触轮的接触刚度可调节；接触力大小感知及实时监控；打磨过程中可基于机器人的实时位置补偿功能来实现接触力的主动控制；可自动调节砂带转速；具有砂带张紧和纠偏功能；磨头组件可前后运动避让干涉。
[0041]
在初始状态时，本实施例可以通过调节拉簧的预紧力将被动柔顺机构调整到基准位置；工作状态时，浮动接触轮受到工件挤压后产生接触力，接触力大小可根据接触轮浮动位移量、张紧力、弹簧刚度系数、被动柔顺机构的几何关系计算出。
[0042]
在一具体的实例中，还包括第二惰轮17，所述第二惰轮17位于闭合砂带环内侧用于向外压紧砂带11，所述第二惰轮17安装于所述固定板1上，还包括定位基准块18，所述定位基准块18位于第一连杆组件3上端一侧，所述定位基准块18安装于固定板1上，还包括阻尼防撞组件19，所述阻尼防撞组件19位于第三连杆组件5后端下侧，所述阻尼防撞组件19安装于固定板1上，还包括配重块20，所述配重块20安装于第一连杆组件3下端。
[0043]
需要说明的是，本实施例的两个惰轮布置在接触轮浮动轴线上下两侧，确保砂带张紧力在接触轮浮动方向上施加的合力尽可能小，且是可计算的；各个轮子之间的几何关系满足驱动轮包角尽可能大，并让砂带有足够的长度；定位基准块、阻尼防撞组件以及配重块保证磨头组件的整体适配性更好，使得磨头组件运行更加准确、稳定牢固；磨头组件的动力装置为防爆电机+传动组件+驱动轮的组合，砂带线速度可以自动调节。张紧装置采用气缸提供张紧力，张紧力的大小可以通过精密减压阀来调节；纠偏装置采用伺服电机或直流电机驱动，可以调节张紧轮的姿态来避免砂带跑偏。
[0044]
实施例3
[0045]
为了实现上述目的，本实施例还提供了一种磨头组件的浮动接触轮的接触力计算方法，计算过程包括：
[0046]
参见图6：在初始状态时，在砂带张紧力和拉簧的预紧力等外部力作用下，被动柔顺机构处于平衡状态，可以推导出拉簧初始伸长量与砂带张紧力、弹簧刚度系数等参数的的关系，如公式(1)所示，其中，xs0是拉簧初始伸长量，ft0是砂带初始张紧力，α0是接触轮上侧砂带与水平方向的夹角，β0是接触轮下侧砂带与水平方向的夹角，ks是弹簧的有效刚度系数；
[0047]
公式(1)：
[0048]
参见图7：工作状态时，在接触力、砂带张紧力和拉簧的预紧力等外部力作用下，被动柔顺机构处于平衡状态，可以推导出接触力fc与砂带张紧力、浮动位移量、拉簧有效刚度系数等参数之间的关系，如公式(2)所示，其中，xf是接触轮浮动位移量，ft0是砂带初始张紧力，ks是弹簧的有效刚度系数，其余参数都是描述初始状态下的几何关系的，如：α0是接触轮上侧砂带与水平方向的夹角，β0是接触轮下侧砂带与水平方向的夹角，l2是连杆2的长度，θ0是连杆2与水平方向的夹角，l3、l4分别是连杆1转动副中心点上、下两段的长度，x1、y1、r1分别是上侧惰轮中心到接触轮中心的水平距离、竖直距离、惰轮半径，x2、y2、r2分别是下侧惰轮中心到接触轮中心的水平距离、竖直距离、惰轮半径，rc为接触轮的半径；
[0049]
公式2：f
c
＝f(x
f
，f
t0
，k
s
，α0，β0，l2，l3，l4，θ0，x1，y1，x2，x2，r
c
，r1，r2)。
[0050]
本实施例采用位移传感器直接检测接触轮浮动位移，根据被动柔顺机构的动力学模型间接计算出接触力大小。
[0051]
实施例4
[0052]
为了实现上述目的，参见图2：本实施例还提供了一种磨头组件，包括砂带11、浮动
接触轮2、单轴力传感器21、位移传感器10、第一低摩擦气缸22、张紧轮15、张紧气缸23、驱动轮16、第二低摩擦气缸24、固定接触轮25、压磨板26以及磨头安装板27，所述磨头安装板27上下两端分别安装有浮动接触轮2、固定接触轮25，所述浮动接触轮2的连杆后端安装有位移传感器10、单轴力传感器21，所述单轴力传感器21后端连接第一低摩擦气缸22，所述张紧轮15通过张紧气缸23安装在所述磨头安装板27上，所述压磨板26位于浮动接触轮2与固定接触轮25之间，所述压磨板26通过第二低摩擦气缸24安装在磨头安装板27上，所述驱动轮16、张紧气缸23、位移传感器10、单轴力传感器21以及第一低摩擦气缸22均安装于磨头安装板27上，所述浮动接触轮2、固定接触轮25、驱动轮16、张紧轮15上配合安装有所述砂带11。
[0053]
本实施例的浮动接触轮由低摩擦气缸直接驱动，通过电气比例阀调节气缸入口压力，实现了接触轮的柔顺以及接触力的自动调节，并采用单轴力传感器检测实际接触力，位移传感器检测浮动位移量。砂带机的控制器采用变pid控制算法实现接触力的主动控制，本实施例同样能够实现主动柔顺力控打磨。
[0054]
实施例5
[0055]
为了实现上述目的，参见图3-5：本实施例还提供了一种砂带机，包括如上述的磨头组件、底座组件28、直线运动组件29、防爆电机30、立柱组件31、钣金组件32、控制箱33以及集尘罩组件34，所述底座组件28上安装有直线运动组件29，所述直线运动组件29上方设有钣金组件32，所述钣金组件32内安装有所述磨头组件，所述防爆电机30通过传动组件连接驱动轮16，所述控制箱33用于计算浮动接触轮2的相关参数并控制浮动接触轮2配合机器人，所述集尘罩组件34位于钣金组件32的前方用于收集砂带机的剔除的废料毛刺，所述立柱组件31用于固定控制箱33，所述防爆电机30、立柱组件31、控制箱33均安装于所述钣金组件32上，所述集尘罩组件34安装于所述底座组件28上。
[0056]
本实施例的砂带机可以应用于机器人磨抛加工场景，具备接触力感知和单方向柔顺功能，该砂带机的接触轮是单方向浮动的，可自适应贴合工件表面，浮动接触轮受工件挤压发生较大位移时产生的接触力较小，并且该接触力是可以实时感知的；本实施例的砂带机不但能对接触力变化快速响应，其独立设计的控制模块(控制箱)还能通过简单配置后与机器人控制器实现实时数据交互，利用机器人实时位置补偿来搭建具备主动柔顺力控功能的磨抛加工系统。
[0057]
具体的，所述直线运动组件29内设有气缸，通过气缸驱动磨头组件前后运动。
[0058]
本实施例的砂带机的磨头组件安装在直线滑台上，由气缸驱动，不但可以前后运动避免干涉，还具有接触力过载保护功能。
[0059]
以上所述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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。