一种适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器及打磨系统

摘要

本发明提供了机械加工技术领域内的一种适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器及打磨系统，执行器包括连接在机器人上的底座，底座上连接有驱动器，驱动器远离底座的一端连接有活动座，底座上方设有长度可调的连杆，连杆向上伸出的一端与活动座连接；打磨系统包括分别设置在薄壁件左右两端的搬运机器人和打磨机器人，搬运机器人的输出端连接有力控制功能的末端执行器，打磨机器人的连接有减振功能的末端执行器，薄壁件的上下两端固定，左右两端自由；本发明可实现大型薄壁件的磨削，减小打磨时的振动。

权利要求

1.一种适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器，其特征在于，包括连接在机器人上的底座，所述底座上连接有驱动器，所述驱动器远离底座的一端连接有活动座，底座上方设有长度可调的连杆，所述底座上侧连接两个导向固定柱，导向固定柱上可滑动地连接有导向轴，导向轴向上伸出的一端连接在活动座的下端，导向固定柱上连接有固定板，两个固定板之间可转动地连接有连接杆，固定板上连接有弹簧，弹簧向下倾斜伸出的一端与连接杆连接，所述连杆的下端连接有短拉杆一，连接杆的上部连接有短拉杆二，所述短拉杆一可滑动地连接在短拉杆二上，短拉杆一上可转动地连接有丝杆，短拉杆二上可转动地连接有丝杆，所述短拉杆一上设有传动板，传动板与丝杆螺纹连接，所述连杆向上伸出的一端与活动座连接。

2.根据权利要求1所述的适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器，其特征在于，所述短拉杆二上设有电机板，所述电机板朝下的一端固定连接有驱动电机，丝杆连接在驱动电机上。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器及打磨系统，其特征在于，所述驱动器为气动人工肌肉。

4.使用权利要求1～3任一项所述末端执行器对大型薄壁件进行打磨的系统，其特征在于，包括分别设置在薄壁件左右两端的搬运机器人和打磨机器人，搬运机器人的输出端连接有力控制功能的末端执行器，打磨机器人的连接有减振功能的末端执行器，薄壁件的上下两端固定，打磨时包括以下步骤，

（1）根据磨削去除量的要求，确定末端执行器的力控制参数；确定打磨机器人运动轨迹，并通过计算、仿真或实验方法获得大型薄壁件不同磨削区域的刚度及阻尼参数；

（2）按打磨轨迹开始打磨，设定i的初始值，i=1，输入打磨端的位置，判断打磨端的位置是否为打磨轨迹的终点，若是，则打磨结束；若不是，转至步骤（3）；

（3）控制搬运机器人动作使执行器移动至设定的位置{xi, yi}下，分别计算得出期望的阻尼系数和刚度，改变驱动器的输入压力使阻尼系数满足期望值，调节连杆向上伸出的长度使得刚度满足期望值，活动座依靠真空吸盘吸附在薄壁件上；

（4）输入下一个打磨端的位置，判断下一个打磨位置是否为打磨轨迹的终点，若不是，提取下一个搬运位置，记为{xi+1, yi+1}，若{xi, yi}与{xi+1, yi+1}相同，则搬运机器人不动，若{xi, yi}与{xi+1, yi+1}不相同，则建立搬运任务，搬运机器人动作，搬运轨迹的终点是{xi+1, yi+1}；

（5）i++，返回步骤（3）。

说明书

一种适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器及打磨系统

技术领域

[0001] 本发明涉及机械加工技术领域，特别涉及一种适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器及打磨系统。

背景技术

[0002] 磨削加工技术是利用磨具去除工件上多余的材料或毛刺，从而获得形状、尺寸精度及表面质量光滑且符合设计要求的零件，它是现代制造业中不可或缺的一种重要加工方
式。

[0003] 现有技术中，公开了名称为“一种超声振动磨床”，公告号为CN 108500744 B，公告日为2019.06.18的实用新型专利，包括底座、设置在底座上的工作台、设置在工作台上的工
件夹持机构以及设置在工作台一侧并与工件夹持机构相适配的超声振动磨削机构，超声振
动磨削机构包括移动设置在导轨上的共振式磨削组件，工件夹持机构包括设置在工作台上
的支撑板，支撑板上可移动地设置有用于夹紧工件的工件夹具，工作时，工件置于工件夹具
中，并将工件夹具移动至砂轮下方，调节砂轮的位置至适合磨削工件的位置，动力箱与超声
波电机工作，使砂轮对工件进行超声振动磨削，磨削过程中，工件始终固定，无法根据打磨
要求实现力控制，振动强烈，影响打磨效果。

发明内容

[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术中减振效果不好的技术问题，提供一种适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器及打磨系统，本发明减小打磨
薄壁件时的振动。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器，包括连接在机器人上的底座，所述底座上连接有驱动器，所述驱动器远离底座的一端连接
有活动座，底座上方设有长度可调的连杆，所述连杆向上伸出的一端与活动座连接。

[0006] 为了进一步实现连杆的长度调节，所述底座上侧连接两个导向固定柱，导向固定柱上可滑动地连接有导向轴，导向轴向上伸出的一端连接在活动座的下端，导向固定柱上
连接有固定板，两个固定板之间可转动地连接有连接杆，固定板上连接有弹簧，弹簧向下倾
斜伸出的一端与连接杆连接，所述连杆的下端连接有短拉杆一，连接杆的上部连接有短拉
杆二，所述短拉杆一可滑动地连接在短拉杆二上，短拉杆一上可转动地连接有丝杆，短拉杆
二上可转动地连接有丝杆，所述短拉杆一上设有传动板，传动板与丝杆螺纹连接；此设计
中，需要调节连杆向上伸出的长度时丝杆转动，短拉杆二与连接杆连接，连接杆无法移动，
短拉杆一沿着短拉杆二滑动，短拉杆一带动连杆的移动，实现连杆向上伸出的长度调节。

[0007] 为了进一步实现丝杆的转动，所述短拉杆二上设有电机板，所述电机板朝下的一端固定连接有驱动电机，丝杆连接在驱动电机上。

[0008] 作为本发明的进一步改进，所述驱动器为气动人工肌肉；此设计中，通过气压调节搬运机器人上执行器的阻尼，从而实现阻尼参数随目标阻尼动态变化的功能，同时，连杆与
驱动器采用并联对抗式布局，实现执行器的力控制功能。

[0009] 使用所述末端执行器对大型薄壁件进行打磨的系统，包括分别设置在薄壁件左右两端的搬运机器人和打磨机器人，搬运机器人和打磨机器人的输出端分别连接有末端执行
器，薄壁件的上下两端固定，打磨时包括以下步骤，

[0010] （1）根据磨削去除量的要求，确定末端执行器的力控制参数；确定打磨机器人运动轨迹，并通过计算、仿真或实验方法获得大型薄壁件不同磨削区域的刚度及阻尼参数；

[0011] （2）根据打磨轨迹开始打磨，设定i的初始值，i=1，输入打磨端的位置，判断打磨端的位置是否为打磨轨迹的终点，若是，则打磨结束；若不是，转至步骤（3）；

[0012] （3）控制搬运机器人动作使执行器移动至设定的位置{xi, yi}下，分别计算得出期望的阻尼系数和刚度，改变驱动器的输入压力使阻尼系数满足期望值，调节连杆长度使得
刚度满足期望值，活动座依靠真空吸盘吸附在薄壁件上；

[0013] （4）输入下一个打磨端的位置，判断下一个打磨位置是否为打磨轨迹的终点，若不是，提取下一个搬运位置，记为{xi+1, yi+1}，若{xi, yi}与{xi+1, yi+1}相同，则搬运机器人不
动，若{xi, yi}与{xi+1, yi+1}不相同，则建立搬运任务，搬运机器人动作，搬运轨迹的终点是
{xi+1, yi+1}；

[0014] （5）i++，返回步骤（3）。

[0015] 本发明中，搬运机器人和打磨机器人为现有技术，分别实现末端执行器的位置调节，搬运机器人和打磨机器人分别可在前后左右上下方向上移动（如何实现移动的结构没
有赘述，也未公开）；大型薄壁件的上下两端固定，左右两端自由；本发明与现有技术相比，
在大型薄壁件的正面，打磨机器人实施连续轨迹的力控制打磨，控制外部能量进入自激振
动过程，打磨机器人的末端执行器执行力控制功能；在大型薄壁件的反面，执行器随磨削位
置的改变，由搬运机器人动态调整位置，提高大型薄壁件的动刚度，减小振动响应，搬运机
器人上连接的末端执行器起到减振功能，同时，根据磨削区域模态参数计算得到的刚度和
阻尼系数期望值，调节连杆长度和驱动器的输入压力分别调节执行器的刚度和阻尼系数，
进一步减小薄壁件的振动响应；可应用于工件打磨的过程中，尤其适用于大型薄壁件的打
磨工作。

附图说明

[0016] 图1为本发明中打磨系统的结构示意图。

[0017] 图2为本发明中搬运机器人上的执行器被搬运到新的目标模态最大振幅位置时的结构示意图。

[0018] 图3为本发明中执行器的原理图。

[0019] 图4为本发明中执行器的立体结构图一。

[0020] 图5为图4中A处的局部放大图。

[0021] 图6为本发明中执行器的立体结构图二。

[0022] 图7为本发明中执行器的立体结构图三。

[0023] 图8图7中B处的局部放大图。

[0024] 图9为本发明中短拉杆一的立体结构图。

[0025] 图10为本发明中短拉杆二的立体结构图。

[0026] 图11为本发明中短拉杆一和短拉杆二连接在一起的立体结构图一。

[0027] 图12为本发明中短拉杆一和短拉杆二连接在一起的立体结构图二。

[0028] 其中，1搬运机器人，2执行器，201连杆，202活动座，203驱动器，204真空吸盘，205导向固定柱，206固定板，207导向轴，208位移传感器，209电机板，210丝杆，211传动板，212
弹簧，213连接杆，214短拉杆一，215短拉杆二，216驱动电机，217底座，218连接轴，3薄壁件，
4打磨机器人。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。

[0030] 如图3～12所示的一种适用于大型薄壁件打磨的机器人末端执行器，包括连接在机器人上的底座，底座上连接有驱动器，驱动器为气动人工肌肉，驱动器远离底座的一端连
接有活动座，底座上方设有长度可调的连杆，连杆向上伸出的一端与活动座连接。

[0031] 为了进一步实现连杆的长度调节，底座上侧连接两个导向固定柱，导向固定柱上可滑动地连接有导向轴，导向轴向上伸出的一端连接在活动座的下端，导向固定柱上连接
有固定板，两个固定板之间可转动地连接有连接杆，固定板上连接有弹簧，连杆下方的连接
杆的两侧连接有连接轴，弹簧向下倾斜伸出的一端与连接轴连接，连杆的下端连接有短拉
杆一，连接杆的上部连接有短拉杆二，短拉杆一可滑动地连接在短拉杆二上，短拉杆一上可
转动地连接有丝杆，短拉杆二上可转动地连接有丝杆，短拉杆一上设有传动板，传动板与丝
杆螺纹连接；实现丝杆转动的具体结构为，短拉杆二上设有电机板，电机板朝下的一端固定
连接有驱动电机，丝杆连接在驱动电机上。

[0032] 如图1和图2所示的使用末端执行器对大型薄壁件进行打磨的系统，包括分别设置在薄壁件左右两端的搬运机器人和打磨机器人，搬运机器人和打磨机器人的输出端分别连
接有末端执行器，薄壁件的上下两端固定，打磨时包括以下步骤，

[0033] （1）根据磨削去除量的要求，确定末端执行器的力控制参数；确定打磨机器人运动轨迹，并通过计算、仿真或实验方法获得大型薄壁件不同磨削区域的刚度及阻尼参数；

[0034] （2）对两边固定两边自由的薄壁件3开展模态测试或有限元仿真，获得磨削轨迹上的目标刚度及阻尼值；

[0035] （3）设定i的初始值，i=1；

[0036] （4）输入打磨端的位置，判断打磨端的位置是否为打磨轨迹的终点，若是，则打磨结束；若不是，转至步骤（5）；

[0037] （5）选定该区域内的目标刚度及阻尼，控制搬运机器人1动作使执行器2移动至该磨削区域下的最大振幅所在位置{xi, yi}下，分别计算得出期望的阻尼系数和刚度，改变驱
动器的输入压力使阻尼系数满足期望值，调节连杆长度使得刚度满足期望值，活动座依靠
真空吸盘吸附在薄壁件上；

[0038] （6）输入下一个打磨端的位置，判断下一个打磨位置是否为打磨轨迹的终点，若不是，提取下一个搬运装置，记为{xi+1, yi+1}，若{xi, yi}与{xi+1, yi+1}相同，则搬运机器人1
不动，若{xi, yi}与{xi+1, yi+1}不相同，则建立搬运任务，搬运机器人1动作，搬运轨迹的终
点是{xi+1, yi+1}；

[0039] （7）i++，返回步骤（4）。

[0040] 本发明中，搬运机器人1和打磨机器人为现有技术，分别实现力控制末端执行器和执行器的位置调节，搬运机器人和打磨机器人分别可在前后左右上下方向上移动（如何实
现移动的结构没有赘述，也未公开）；大型薄壁件的上下两端固定，左右两端自由；本发明与
现有技术相比，在大型薄壁件的正面，打磨机器人经末端执行器实施连续轨迹的力控制打
磨，控制外部能量进入自激振动过程；在大型薄壁件的反面，与搬运机器人连接的末端执行
器随磨削位置改变，由搬运机器人动态调整位置，调节连杆长度，提高大型薄壁件的动刚
度，减小振动响应，根据打磨机器人和搬运机器人的协同运动，打磨过程中，根据计算得到
期望的阻尼和刚度值，分别调节连杆长度和驱动器的输入压力，分别实现阻尼和刚度的调
节，使执行器的减振效果达到最优；可应用于工件打磨的过程中，尤其适用于大型薄壁件的
打磨工作。

[0041] 本发明并不局限于上述实施例，实现连杆长度调节的方式有很多种，本发明中给出了一种优选实施方式；步骤（5）中，活动座还可通过强磁等方式吸附在薄壁件上；在本发
明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的
劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护
范围内。