一种带自动防护的力位混合式打磨工具

本发明属于工业机器人的末端执行器领域，涉及一种用于机器人的带自动防护的力位混合式打磨工具。

背景技术：

随着中国智能制造业和国民经济的快速发展和改革，我国的制造业也慢慢在世界舞台上大放异彩，市场中各类产品的竞争也越来越激烈，产品的高精度、高质量和高效率也日益成为人们追求的目标。为了提高产品的表面质量和精度，制造领域焊接、铸造等产品的后续打磨是一道不可或缺的步骤。传统打磨目前具有以下缺点：第一，效率高但打磨类型单一，不具柔性；第二，废品率高，严重依赖工人打磨经验；第三，人工生产成本高，而且不符合绿色生产的要求，打磨噪声和粉尘对环境和人体有一定的危害。

自动化智能制造使得工业机器人在工业生产中的应用更加广泛，机器人打磨具有柔性好，不受空间和环境限制，长期成本低，成品表面质量可控等优点。机器人可采用离线编程技术，满足多类型工件生产的需求；机器人具有多臂结构，拥有较大的工作区间，打破了传统打磨的限制；机器人生产，工件表面质量可控，效率高，从长远来看，比人工成本低，除此之外，机器人生产不受环境的影响，减少了噪音和打磨粉尘对人体的危害，所以，机器人打磨是目前打磨抛光行业的发展趋势之一。但是，在进行机器人光整加工时，由于待抛光工件表面可能是不规则形状，因此容易产生抛光工具与工件之间接触力的变化，导致打磨过程不易控制产品质量、不满足情况等要求。同时，虽然打磨时采用机械化操作，但是一般打磨工具没有采取防护装置，打磨过程中产生的打磨粉尘仍会危害设备及人员安全，并导致环境问题。

目前机器人打磨抛光的控制方法中，实现柔顺力控制有两种方式，一种是被动柔顺力控制，另一种是主动柔顺力控制。被动柔顺控制是利用缓冲、储能的结构来实现与外界环境的顺应柔性，其本身并不具有柔顺控制能力，仅能依靠柔顺装置实现，这种方法柔性低，无法适应多类型工件生产装置，柔顺中心难以准确识别，因而调节困难，对不同环境的通用性较差。主动柔顺力控制是指机器人控制器结合力控算法实现力的控制，而不是单纯依靠被动装置结构，具备动态响应好，力控精度高，通用性好等特点，因此这种力控制方法成为机械臂力控制的主流。

根据力控制方式可将现有的力控末端执行器分为机械式、气动式、电驱式和气电混合式。其中，机械式一般在末端执行器上安装弹簧或者阻尼器实现力控制，这种方法属于被动式控制，优点是结构简单，缺点是力控制精度较低。气动式根据具体的实现形式又可分为气囊式，气缸式和人工肌肉式，三种方式都是以气体压力作为动力源，通过调节气体压力来实现末端执行器的输出力，其优点是具有较好的柔性、力重比大、控制简单，其缺点是气动系统响应慢，精度低，迟滞时间长，并不能很好的满足抛光过程中实时快速力控制要求。电驱式是通过直线电机伸缩运动来实现末端执行器的力输出，优点是力控精度高和响应速度快，但是这种方式存在柔性差，质量偏大等缺点，并且抛光过程中易产生振动。现有的气电混合式弥补了电驱式柔性差的缺点，但是质量依然较大，并且输出力偏大，力调节范围小，不能满足实际工况的需求。

现有的打磨装置的防尘、除尘均采用在打磨工具外添加防护箱体，将整个打磨工具包围，然后在箱体上开设吸尘出口的方式，这种方法并不能防止打磨粉尘对设备的损害，而且这种方式防护罩体积大，移动不方便，对打磨空间和打磨工件大小有一定的要求。

综上，目前背景技术存在以下问题和缺点：第一，机器人本身不具有柔顺控制的能力，仅能依靠柔顺装置实现，柔性低，力控精度低，无法适应多类型工件的加工；第二，现有的装置响应慢，迟滞时间长，无法实现快速力控制的要求；第三，现有的装置响应速度过快，由于质量偏大，惯性大，产生冲击和振动，柔性差；第四，现有的装置，力量偏大，输出力大，力控可调范围较小，不能满足实际加工需求；第五，现有的装置均采用打磨头防护箱体，不能避免打磨粉尘飞溅，对设备和工作环境有一定的危害。

技术实现要素：

为解决上述问题，提供一种带自动防护的力位混合式打磨工具，作为机器人的末端执行器，用于对工件进行柔性打磨，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种带自动防护的力位混合式打磨工具，其特征在于，包括：机械手；定平台基座，固定在机械手上；力位控制装置，具有设置在定平台基座上的伸缩减震组件、用于实时输出抛磨力信号的力传感器以及用于实时测量伸缩减震组件的伸长量的位移传感器；打磨装置，用于对工件进行打磨，机械手基于力传感器和位移传感器的检测结果控制打磨装置的抛磨力以及机械手的位姿；以及，气动装置，设置在力位控制装置上，用于驱动打磨装置运动。

本发明提供的带自动防护的力位混合式打磨工具，还可以具有这样的特征，其中，力位控制装置还具有动平台基座，力传感器为六维力传感器，动平台基座设置在伸缩减震组件远离定平台基座的一侧，力传感器的一侧与动平台基座远离定平台基座的一侧连接，另一侧与气动装置连接，位移传感器设置在动平台基座靠近定平台基座的一侧。

本发明提供的带自动防护的力位混合式打磨工具，还可以具有这样的特征，其中，伸缩减震组件具有气缸体、弹簧、活塞以及至少两个气缸气管接头，气缸体靠近定平台基座的一侧与定平台基座紧密连接，气缸体远离定平台基座的一侧与位移传感器连接，弹簧设置在气缸体内部，用于抵消活塞受到的瞬时冲击和振动，活塞与弹簧同轴安装，具有活塞头和活塞杆，活塞杆的一端与活塞头连接，另一端从缸体内伸出与动平台基座连接，弹簧设置在活塞头在活塞运动的方向的两侧，气缸气管接头沿活塞运动的延伸方向依次排布在气缸体表面上。

本发明提供的带自动防护的力位混合式打磨工具，还可以具有这样的特征，其中，气动装置具有壳体、旋转轴、叶轮以及至少两个气动气管接头，壳体的一侧与力传感器连接，另一侧与打磨装置连接，旋转轴的一端从壳体表面伸出与打磨装置连接，另一端设置在叶轮上，叶轮设置在壳体内，用于带动旋转轴进行旋转，气动气管接头设置在壳体表面。

本发明提供的带自动防护的力位混合式打磨工具，还可以具有这样的特征，其中，打磨装置具有快速切换组件和打磨头，快速切换组件套设在旋转轴上，打磨头设置在旋转轴的一端，跟随旋转轴同步转动，并且嵌合在快速切换组件上。

本发明提供的带自动防护的力位混合式打磨工具，还可以具有这样的特征，其中，快速切换组件具有环形安装座，两个安装槽、固定螺丝、钢球以及顶紧弹簧，两个安装槽设置在环形安装座上，固定螺丝设置在安装槽上，钢球的外表面部分凸出于环形安装座的内表面，顶紧弹簧设置在固定螺丝与钢球之间，用于将钢球压向环形安装座的中心，打磨头具有两个定位孔，用于与钢球相配合对打磨头进行定位和固定。

本发明提供的带自动防护的力位混合式打磨工具，还可以具有这样的特征，还包括：防护装置，具有自适应盘、磁缸、导体以及毛刷，用于密封防尘，自适应盘的一侧与气动装置连接，另一侧与磁缸密封连接，磁缸呈环形排列，导体的一端嵌设在磁缸内，另一端与毛刷连接，毛刷密集设置在打磨装置周围，朝向工件，磁缸与导体形成磁阻尼器，用于将毛刷压紧于工件的表面。

本发明提供的带自动防护的力位混合式打磨工具，还可以具有这样的特征，其中，自适应盘具有吸尘孔。

发明作用与效果

根据本发明的一种带自动防护的力位混合式打磨工具，具有力位控制装置，该力位控制装置具有设置在定平台基座上的伸缩减震组件、用于实时输出抛磨力信号的力传感器以及用于实时测量伸缩减震组件的伸长量的位移传感器。机械手基于力传感器和位移传感器的检测结果控制打磨装置的抛磨力以及机械手的位姿。从而实现了柔性打磨，解决了打磨过程中容易会出现受力不均、动态力冲击和振动过大等问题。

同时，本发明结合磁阻尼式原理实现打磨工具的防护吸尘，解决了打磨粉尘飞溅、防护罩体积较大、移动不方便等问题，防止了打磨粉尘对设备的损害，使打磨空间和打磨工件大小不受防护罩的限制。

基于上述作用和效果，本发明的带自动防护的力位混合式打磨工具可以在航天航空、汽车、能源等曲面件制造加工上实现自动化应用。

附图说明

图1是本发明实施例中带自动防护的力位混合式打磨工具整体的结构示意图；

图2是本发明实施例中带自动防护的力位混合式打磨工具的结构剖面示意图；

图3是本发明实施例中快速切换装置结构示意图；

图4是本发明实施例中自适应打磨防护罩示意图；

图5是本发明实施例中磁阻尼阵列式毛刷示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例来说明本发明的具体实施方式。

<实施例>

本实施例提供一种带自动防护的力位混合式打磨工具，作为机器人的末端执行器，用于对工件进行柔性打磨。

图1是本发明实施例中带自动防护的力位混合式打磨工具整体的结构示意图；图2是本发明实施例中带自动防护的力位混合式打磨工具的结构剖面示意图。

如图1和图2所示，本实施例提供的带自动防护的力位混合式打磨工具100，包括机械手(图中未示出)、定平台基座1、力位控制装置2、气动装置3、打磨装置4以及防护装置5。

定平台基座1，固定在机械手上。

力位控制装置2，具有设置在定平台基座1上的伸缩减震组件21、用于实时输出抛磨力信号的六维力传感器22、用于实时测量伸缩减震组件21的伸长量的位移传感器23以及动平台基座24。

机械手(图中未示出)基于六维力传感器22和位移传感器23的检测结果控制打磨装置4的抛磨力以及机械手的位姿。也就是说，位移传感器23和六维力传感器22将位移和力信号反馈给控制器(图中未示出)，控制器(图中未示出)会控制气源装置(图中未示出)，通过供气和放气的方式调整机器人的机械手状态，进而使打磨力更加准确，打磨装置4受力更为均匀。

伸缩减震组件21位于动平台基座24与定平台基座1之间，其具有气缸体211、两组弹簧212、活塞213以及至少两个气缸气管接头214，其中活塞213具有活塞头213a和活塞杆213b。

动平台基座24设置在伸缩减震组件21远离定平台基座1的一侧，与活塞杆213b连接。

六维力传感器22位于动平台基座24与气动装置3的壳体31之间。通过贯穿螺钉221，该六维力传感器22一侧与动平台基座24远离定平台基座1的一侧连接，另一侧与气动装置3的壳体31连接。

六维力传感器22用于实时检测打磨头42与工件表面相接触时受到的力，并将其反馈给控制器(图中未示出)与预设抛磨力进行对比，控制器(图中未示出)根据结果控制电气比例阀(图中未示出)对伸缩减震组件21的伸缩进行控制，进一步实现对抛磨力的控制。

位移传感器23位于气缸体211与动平台基座24之间，即该位移传感器23设置在动平台基座24靠近定平台基座1的一侧，并与气缸体211连接。

位移传感器23用于实时测量活塞213的伸长量，并将其反馈给控制器(图中未示出)，控制器(图中未示出)利用位姿补偿算法对机器人机械手的位姿进行控制。

气缸体211靠近定平台基座1的一侧与定平台基座1通过橡胶垫圈紧密连接，气缸体211远离定平台基座1的一侧与位移传感器23连接。

气缸体211内部设置有两组弹簧212，用于抵消活塞受到的瞬时冲击和振动，气缸体211表面上沿活塞213运动的延伸方向依次排布有两个对称的气缸气管接头214。

活塞213与两组弹簧212同轴安装，并且两组弹簧212对称设置在活塞213运动方向上的活塞头213b两侧。活塞头213b位于两组弹簧212中间，当气源突然供气时，可以抵消活塞213受到的瞬时冲击和振动。

活塞杆213a的一端与活塞头213b连接，另一端从气缸体211内伸出与动平台基座24连接。在控制器(图中未示出)的作用下，通过电气比例阀(图中未示出)为活塞头213b两侧供气，以调解活塞杆213a的伸出长度，进一步控制打磨头42与工件接触力的大小。

气动装置3，设置在力位控制装置2上，其具有壳体31、旋转轴32、叶轮33以及至少两个气动气管接头34，用于驱动打磨装置4运动。

壳体31的一侧与六维力传感器22连接，另一侧与打磨装置4连接。

旋转轴32的一端从壳体31表面伸出与打磨装置4连接，另一端设置在叶轮33上。

叶轮33设置在壳体31内，用于带动旋转轴32进行旋转。

气动气管接头34设置在壳体31表面，气源通过气管接头34作用于叶轮33，叶轮33的叶片旋转带旋转轴32旋转，使与旋转轴32头部花键相连接的打磨头42旋转，在实现横向打磨的同时进行旋转打磨。

打磨装置4，具有快速切换组件41和打磨头42，用于对工件进行打磨。该打磨装置4设置在气动装置3上，并且周围设置有防护装置5。

快速切换组件41套设在旋转轴32上，被旋转轴32头部花键压紧于推力轴承上，与嵌合在快速切换组件41上的打磨头42一起进行旋转，在不影响力、位参数测量的情况下，受拉力作用可快速实现打磨头42的切换。

图3是本发明实施例中快速切换组件的结构示意图。

如图3所示，快速切换组件41具有环形安装座411，两个安装槽412、固定螺丝413、钢球414以及顶紧弹簧415。

两个安装槽412设置在环形安装座411上。

固定螺丝413设置在安装槽412上。

钢球414的外表面部分凸出于环形安装座411的内表面。

顶紧弹簧415设置在固定螺丝413与钢球414之间，用于将钢球414压向环形安装座411的中心。

打磨头42具有两个定位孔，用于与钢球相配合对打磨头进行定位和固定。

快速切换组件41通过钢球414在顶紧弹簧415的作用下，实现打磨头42与快速切换组件41的嵌合。

防护装置5，设置在气动装置4上，并且围绕在打磨装置3周围，其具有自适应盘51、磁缸52、导体53以及毛刷54，用于密封防尘。

图4是本发明实施例中自适应打磨防护罩示意图；图5是本发明实施例中磁阻尼阵列式毛刷示意图。

如图4和图5所示，自适应盘51的一侧与气动装置3的壳体31连接，另一侧与磁缸52密封连接，自适应盘51具有吸尘孔。

磁缸52呈环形排列。

导体53的一端嵌设在磁缸52内，另一端与毛刷54连接。

毛刷54密集设置在打磨头42周围，朝向工件表面55。

磁缸52、导体53和毛刷54构成一个个的磁阻尼器，通过改变磁场的大小，可实现无极伸缩式运动，实时调整毛刷54紧紧的贴在工件表面55，以便于贴合不规则形状工件的表面，形成一个密封空间。同时，在自适应盘51基部还可以开设吸尘孔，用于安装吸尘装置。

实施例作用与效果

本实施例的打磨工具采用了力位混合控制方式，具有设置在定平台基座上的伸缩减震组件、用于实时输出抛磨力信号的六维力传感器以及用于实时测量伸缩减震组件的伸长量的位移传感器。进而使得本实施例的打磨工具具有了响应快、柔性高的优点，可以更快速实现力的控制。而且本实施采用的技术方案以伸缩减震组件的活塞的输出力为主，由位移传感器和六维力传感器反馈，控制器调节气路供气和放气，调节抛磨工具与工件之间的实际接触力，具有较高的工作带宽，并且力控调节范围大，能有效地满足实际工况需求。

另外，本实施例中打磨工具的伸缩减震组件具有气缸体、弹簧、活塞以及两个气缸气管接头，活塞与弹簧组合模式，有效的减小了气源突然供气产生的冲击，使打磨过程中，力的过渡更加的平稳。而且气缸式的力控制方式具有力重比大、柔性好、成本低等优点，同时采用力位混合控制方式，既具备力控精度高、响应快等特点，活塞结合弹簧的模式又具备一定的减震性能。

另外，本实施例中打磨工具的打磨装置具有打磨头与快速切换组件，即可以保障打磨过程中力和位移的实时反馈，又可以快速切换磨头提高工作效率。同时，采用横向打磨与旋转打磨相结合的方式，进一步的有效的提高了工作效率。

另外，本实施例中打磨工具的打磨装置的快速切换组件，利用钢珠、顶紧弹簧结构保证力位测量，并实现打磨头快速切换，可大大的提高工作效率。

另外，本实施例中打磨工具的自适应的防护装置，磁缸、导体和毛刷构成一个个的磁阻尼器，通过采用磁阻尼阵列式结合毛刷结构，可以单独调节每个磁缸-导体磁力，从而调节阻尼力，可以适应各种形状的工件，对工件表面形成密封。同时结合自适应盘基部开孔吸尘处理，减小打磨粉尘带来的危害。

另外，本实施例中打磨工具的自适应的防护装置，采用毛刷与打磨头分离的方式，毛刷不随打磨头旋转，减小毛刷的损耗，增加其使用寿命，缩减生产成本。

另外，本实施例中的打磨工具，支持旋转与横向打磨的打磨头嵌入在毛刷内部，整体结构简灵活。根据被打磨件材料的不同，选用不同的打磨头，并且毛刷可以与不同的打磨头适配。

上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。

本实施例中伸缩减震组件中气缸体表面上沿活塞运动的延伸方向依次排布有两个对称的气缸气管接头，但是为实现受力均匀，也可以在气缸体圆周方向上对称多安装几个气管接头与对应支气管路相接。