一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于机器人加工恒力控制技术领域，公开了一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置。力位混合控制装置包括连接法兰、端盖、力传感器、动态倾角传感器、主动力控模块、传动模块及金属壳体，其中连接法兰用于将该装置与机器人末端连接；力传感器用于测量研抛加工过程中的轴向接触力；动态倾角传感器用于检测该装置的瞬时姿态；主动力控模块的上端与力传感器连接，其下端直接与传动模块连接；端盖与金属壳体用于固定和防护内部器件。本发明专利技术采用了高响应的空间结构，并具有重力补偿功能，有效减小了电机动子端的负载，提高了接触力控制的动态精度，进而实现了与待研抛工件表面的柔顺接触，保证了研抛加工过程的一致性与均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置
本专利技术属于机器人加工恒力控制
，更具体地，涉及一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置。
技术介绍
随着产品对性能的要求越来越高和结构日趋复杂，大型复杂曲面零件在航空航天、能源动力等领域的应用越来越广泛，并对其加工几何精度、表面质量等提出了更高的要求。针对大型复杂曲面零件的表面研抛加工，采用工业机器人逐步替代手工作业方式已势在必行。然而，由于往往难以获得复杂曲面零件的准确几何形状，导致机器人的加工路径偏离其名义曲面，同时考虑到机器人的重复定位误差、工件的装夹误差和研抛力的控制要求，仅仅依靠工业机器人难以保证研抛加工的精度和质量，因此在其末端安装力位混合控制装置十分必要。通过具有柔顺性的力位混合控制装置，工业机器人可自适应地补偿路径偏差、重复定位误差和装夹误差，并实现研抛力的精确控制。目前，力位混合控制装置可分为气缸驱动式和电机驱动式两种类型。已形成产品的气缸驱动式装置有奥地利的Ferrobotics和美国的PushCorp，力控精度较高，技术已趋于成熟，但该类气缸驱动式装置存在较大的非线性问题，难以精确建模，限制了其力控精度的进一步提高；电机驱动式装置通常利用具有高响应能力的音圈电机作为驱动，可在一定程度上提高装置的响应能力，但忽视了电机动子端负载会降低其响应能力，进而使力控的动态精度下降。另外，随着机器人末端姿态的变化，力控装置的重力在机器人末端轴线上的分力也在时刻改变，需要对其进行补偿，以提高力控精度。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷或不足，本专利技术提供了一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其目的在于通过设计一种高带宽的柔顺力控装置，自适应地调整机器人研抛加工过程的法向接触力，以实现研抛工具与被加工表面的恒力接触，从而保证机器人研抛加工的几何精度和表面质量。与现有的音圈电机驱动的力控装置不同，本装置将力传感器安装于电机定子端，而电机动子端由左右对称的滚珠花键导轨进行导向，直接与传动模块连接，有效减小了电机动子端的负载，提高了音圈电机的响应能力，并进而提高了对加工路径的跟踪性能和接触力控制的动态精度。同时，利用动态倾角传感器实时监测末端姿态，可有效补偿重力对力控精度的影响。为实现上述目的，本专利技术设计了一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，该装置包括连接法兰、端盖、力传感器、动态倾角传感器、主动力控模块、传动模块及金属壳体。所述连接法兰用于将所述力位混合控制装置与工业机器人的末端连接；所述端盖的上端与所述连接法兰连接，其下端用于固定所述力传感器、动态倾角传感器和金属壳体；所述力传感器通过力传感器上端安装板与所述端盖连接，用于测量研抛加工中的轴向接触力，并将该力信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有力反馈的闭环控制结构，从而实现接触力的柔顺控制；所述动态倾角传感器通过动态倾角传感器安装板与所述端盖连接，用于检测该装置随机器人末端运动时的空间位姿，从而进行重力补偿；所述主动力控模块的上端与所述力传感器连接，包括音圈电机、位移测量组件、电机导向组件及控制单元，所述音圈电机包括定子与动子，其定子与所述力传感器连接，其动子与所述传动模块连接，用于驱动所述传动模块柔顺运动；所述位移测量组件用于检测所述音圈电机的动子瞬时位置，并将该位置信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有位置反馈的闭环控制结构，从而实现位置的柔顺控制；所述电机导向组件用于所述音圈电机的运动导向，并承受研抛工具的转动摩擦力；所述控制单元与所述力传感器、所述动态倾角传感器以及所述音圈电机的驱动器连接；所述传动模块通过传动板与所述主动力控模块的下端连接，用于传递所述主动力控模块的音圈电机所输出的位移，从而实现研抛工具的轴向浮动；所述金属壳体的上端与所述端盖连接，其下端与所述主动力控模块的电机导向组件连接，用于固定花键轴的位置，并对该力位混合控制装置起到防护作用，从而提高该装置的可靠性与稳定性。进一步地，所述连接法兰、端盖、力传感器、主动力控模块、传动模块及金属壳体的中心轴线均在同一直线上，从而保证该装置的轴向单自由度的柔顺浮动。进一步地，所述的动态倾角传感器垂直安装于所述端盖的下端，并且其中心轴线与该力位混合控制装置的中心轴线平行。进一步地，所述主动力控模块的位移测量组件与所述音圈电机平行安装，并且固定于所述音圈电机的定子安装板和动子安装板之间，采用光栅尺和直线编码器的组合，用于检测所述音圈电机的动子相对于其定子的位移。进一步地，所述主动力控模块的电机导向组件包括花键轴和花键螺母，其花键轴与所述金属壳体螺钉连接，并嵌入到所述金属壳体底端的圆柱形凹槽内，其花键螺母与定子安装板和动子安装板连接。进一步地，所述的传动模块为可拆卸，以适配不同的研抛工具。进一步地，所述力传感器为三维应变片式力传感器。进一步地，所述主动力控模块的音圈电机的定子端通过定子安装板和力传感器下端安装板与所述力传感器连接，所述主动力控模块的音圈电机的动子端通过动子安装板与所述传动模块连接，所述端盖与所述金属壳体通过螺栓连接。总体而言，通过本专利技术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)本专利技术提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置将所述力传感器安装于所述音圈电机定子端，所述音圈电机动子端由左右对称的所述电机导向组件进行导向，并直接与所述传动模块连接，大大减小了电机动子端的负载，提高了音圈电机的响应能力，进而提高了对加工路径的跟踪性能和力控制的动态精度。(2)本专利技术提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置中主动力控模块采用音圈电机作为核心驱动，并结合位置与力信号的实时反馈，建立闭环控制系统，通过不同控制模式之间的切换，实现了机器人研抛加工中的接触力实时修调，从而保证了研抛工具与被加工表面的恒力接触，进而保证了加工表面的一致性。(3)本专利技术提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置采用所述动态倾角传感器实时监测机器人末端姿态，以补偿重力对接触的影响。(4)本专利技术提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置中所述的滚珠花键沿该装置轴线左右对称分布，能够抵抗研抛时的旋转摩擦力，有效可高该装置的稳定性。(5)本专利技术提供的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置的结构紧凑、外形尺寸小，能够适应于狭小工作空间的研抛加工。附图说明图1为按照本专利技术优选实施例提供的一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置的结构示意图；图中为展示各组件位置关系，对连接法兰、端盖和金属壳体进行了剖视处理；图2为图1提供的一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置的外形示意图；图3为图2的侧视图；图中为了从侧向展示各组件的位置关系，对连接法兰、端盖和金属壳体进行了剖视处理；图4为图1提供的一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置中主动力控模块的结构示意图；...

【技术保护点】
1.一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，该高精度力位混合控制装置包括连接法兰(1)、端盖(2)、力传感器(13)、动态倾角传感器(4)、主动力控模块、传动模块及金属壳体(15)，其中：/n所述连接法兰(1)用于将所述力位混合控制装置与工业机器人的末端连接；/n所述端盖(2)的上端与所述连接法兰(1)连接，其下端用于固定所述力传感器(13)、动态倾角传感器(4)和金属壳体(15)；/n所述力传感器(13)通过力传感器上端安装板(14)与所述端盖(2)连接，用于测量研抛加工中的轴向接触力，并将该轴向接触力信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有力反馈的闭环控制结构，从而实现接触力的柔顺控制；/n所述动态倾角传感器(4)通过动态倾角传感器安装板(3)与所述端盖(2)连接，用于检测该力位混合控制装置随机器人末端运动时的空间位姿，从而进行重力补偿；/n所述主动力控模块的上端与所述力传感器(13)连接，包括音圈电机(6)、位移测量组件(11)、电机导向组件(8)及控制单元，所述音圈电机(6)包括定子与动子，其定子与所述力传感器(13)连接，其动子与所述传动模块连接，用于驱动所述传动模块柔顺运动；所述位移测量组件(11)用于检测所述音圈电机(6)的动子瞬时位置，并将该瞬时位置信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有位置反馈的闭环控制结构，从而实现位置的柔顺控制；所述电机导向组件(8)用于所述音圈电机(6)的运动导向，并且承受研抛工具的转动摩擦力；所述控制单元与所述力传感器(13)、所述动态倾角传感器(4)以及所述音圈电机(6)的驱动器连接；/n所述传动模块通过传动板(9)与所述主动力控模块的下端连接，用于传递所述主动力控模块的音圈电机(6)所输出的位移，从而实现研抛工具的轴向浮动；/n所述金属壳体(15)的上端与所述端盖(2)连接，其下端与所述主动力控模块的电机导向组件(8)连接，用于固定花键轴的位置，并且对该力位混合控制装置起到防护作用，从而提高该力位混合控制装置的可靠性与稳定性。/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，该高精度力位混合控制装置包括连接法兰(1)、端盖(2)、力传感器(13)、动态倾角传感器(4)、主动力控模块、传动模块及金属壳体(15)，其中：
所述连接法兰(1)用于将所述力位混合控制装置与工业机器人的末端连接；
所述端盖(2)的上端与所述连接法兰(1)连接，其下端用于固定所述力传感器(13)、动态倾角传感器(4)和金属壳体(15)；
所述力传感器(13)通过力传感器上端安装板(14)与所述端盖(2)连接，用于测量研抛加工中的轴向接触力，并将该轴向接触力信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有力反馈的闭环控制结构，从而实现接触力的柔顺控制；
所述动态倾角传感器(4)通过动态倾角传感器安装板(3)与所述端盖(2)连接，用于检测该力位混合控制装置随机器人末端运动时的空间位姿，从而进行重力补偿；
所述主动力控模块的上端与所述力传感器(13)连接，包括音圈电机(6)、位移测量组件(11)、电机导向组件(8)及控制单元，所述音圈电机(6)包括定子与动子，其定子与所述力传感器(13)连接，其动子与所述传动模块连接，用于驱动所述传动模块柔顺运动；所述位移测量组件(11)用于检测所述音圈电机(6)的动子瞬时位置，并将该瞬时位置信号反馈给所述主动力控模块的控制单元，建立具有位置反馈的闭环控制结构，从而实现位置的柔顺控制；所述电机导向组件(8)用于所述音圈电机(6)的运动导向，并且承受研抛工具的转动摩擦力；所述控制单元与所述力传感器(13)、所述动态倾角传感器(4)以及所述音圈电机(6)的驱动器连接；
所述传动模块通过传动板(9)与所述主动力控模块的下端连接，用于传递所述主动力控模块的音圈电机(6)所输出的位移，从而实现研抛工具的轴向浮动；
所述金属壳体(15)的上端与所述端盖(2)连接，其下端与所述主动力控模块的电机导向组件(8)连接，用于固定花键轴的位置，并且对该力位混合控制装置起到防护作用，从而提高该力位混合控制装置的可靠性与稳定性。


2.如权利要求1所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，其特征在于，所述连接法兰(1)、端盖(2)、力传感器(13)、主动力控模块、传动模块及金属壳体(15)的中心轴线均在同一直线上，从而保证力位混合控制装置的轴向单自由度的柔顺浮动。


3.如权利要求1或2所述的用于机器人研抛加工的高精度力位混合控制装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉文，王若奇，于洋，牛金波，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21