两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置

摘要

本发明涉及一种两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置，属于机器人加工领域。安装在主工业机器人末端的回转工具轴、安装在回转工具轴外支座上的主环形磁铁、安装在从工业机器人末端的从半环形磁铁，主环形磁铁与从半环形磁铁构成非接触式支撑副，在主环形磁铁的外圆环侧与从半环形磁铁的内圆环侧之间产生斥力或引力，通过实时调控主工业机器人和从工业机器人姿态以使回转工具轴所受的切削力与主、从工业机器人提供的支撑力处于平衡状态。优点在于：两台单臂工业机器人的成本远低于一台高刚度单臂加工机器人的成本；两台单臂工业机器人非接触协同支撑不会减小工件工作空间。

权利要求

1.一种两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置，包括主工业机器人末端加工模块和从工业机器人末端辅助模块，其特征在于，所述主工业机器人末端加工模块包括一个力传感器一的装配安装面与主工业机器人末端相连，力传感器的工具安装面与连接件一相连，该连接件一的另一面连接导向轴支座，该导向轴支座的圆环形上端外侧沿回转工具轴轴线方向装有主环形永磁铁一，导向轴支座的圆环形下端外侧沿回转工具轴轴线方向装有与上端对称的主环形永磁铁二，导向轴支座中间用来安装回转工具轴，导向轴支座上一侧有五个螺纹孔，用五个螺栓固定回转工具轴；

所述从工业机器人末端辅助模块包括一个力传感器二的装配安装面与从工业机器人末端相连，力传感器二的工具安装面与一个连接件二相连，连接件二的另一面连接环形磁铁支座，该环形磁铁支座的内圆环面上端装有一个可更换的从半圆环形永磁铁一，与主工业机器人导向轴支座的圆环形上端外侧主环形永磁铁一相对应，环形磁铁支座的内圆环面下端装有一个可更换从半圆环形永磁铁二，与主工业机器人导向轴支座的圆环形下端外侧主环形永磁铁二相对应，主环形永磁铁一、主环形永磁铁二分别与从半圆环形永磁铁一、从半圆环形永磁铁二构成非接触式支撑副。

2.根据权利要求1所述的一种两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置，其特征在于：从工业机器人末端环形磁铁支座的内圆环面上、下两个从半圆环形永磁铁一、从半圆环形永磁铁二，会在主、从工业机器人末端靠近时让非接触式支撑副产生所需的斥力或所需的引力，根据主工业机器人需要的是斥力或引力进行更换，使其内圆环侧与主工业机器人导向轴支座的圆环形下端外侧主环形永磁铁一、主环形永磁铁二的外圆环侧是同名磁极或异名磁极。

说明书

两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置

技术领域

[0001] 本发明属于机器人加工(Robotic machining)技术领域，具体涉及一种两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置。

背景技术

[0002] 根据国际机器人联合会(International Federation of Robotics，IFR)2020年世界机器人报告，2019年全球工业机器人销量已达到270万台以上，工业机器人的应用已经
越来越广泛。1987年，Appleton和Williams首次提出利用机器人进行机械加工。单臂工业机
器人具有成本低、工作空间大、加工环境要求不高等优点，在大型模具、大型光学反射镜、风
力发电叶片、大型舰船桨叶、大型航空航天构件等大型零件/构件加工中得到了愈来愈多的
应用。德国KUKA、瑞士ABB等机器人公司皆指出，与数控机床相比，单臂工业机器人作为加工
系统的刚度和工作精度皆较低，这个问题已成为阻碍工业机器人在机械加工领域广泛应用
的技术瓶颈。为了解决单臂工业机器人刚度和工作精度不足的问题，国内外学术界和工业
界提出了一些技术方案。

[0003] 例如：上海交通大学朱利民等人提出机器人姿态对铣削加工过程具有显著影响，在其余加工参数不变的条件下，通过实验可以看出不同机器人姿态加工得到的平面区域表
面质量不一样；华中科技大学李文龙、尹周平等人利用机器人基坐标的位置和刀具在每个
切削位置上刀具的旋转角度作为冗余自由度，提出了机器人铣削中关节参数误差和基于机
器人刚度的姿态优化方法；南京航空航天大学廖文和等人针对悬挂式安装的末端执行器，
刀具轴线与机器人最后一个转角关节的轴线不重合，相对于制孔加工任务，机器人就存在
一个围绕刀具轴线旋转的功能冗余自由度，找到一个机器人最优加工姿态，使得制孔轴向
刚度最好，提高了提升锪窝深度精度和质量稳定性等。

[0004] 以上这些都是通过改变机器人姿态以调控机器人结构构形刚度的方法。利用多关节机器人的多自由度冗余性，可以在工件的不同加工位置调整多关节机器人手臂的姿态
(即各关节的转角)，从而使得工件的不同加工位置上机器人总是处于结构刚度最适或刀
具‑工件之间误差敏感方向相对位移最小的姿态，可以解决在工件的不同加工位置上机器
人刚度变化的问题。

[0005] 除此之外，一些学者利用两台或多台机器人在大型工件的不同分片区域进行协同加工，主要是为了提高工件的加工效率，与调控机器人系统刚度或精度没有关系，在此就不
再赘述。

[0006] 还有对于两台工业机器人协同的方式完成镜像铣削的工作。上海交通大学朱利民等人以及天津大学肖聚亮等人，都在镜像铣削的加工方式中，利用两台工业机器人协同操
作，这种方式解决了薄壁工件刚度低的问题，但是没有解决工业机器人自身刚度低的问题。

[0007] 此外，意大利的Matteo Palpacelli等人通过引入冗余绳驱动的方式来提高机器人的力操纵性，但是这种方式限制了机器人的工作空间；法国南特大学Garnier等人提出了
适用于具有较高运动冗余度的机器人，一种工件放置优化方法，而不是利用提升机器人本
身刚度的方式来提升加工精度；德国汉诺威大学Berend Denkena等人设计了一个除了配备
谐波传动齿轮箱的传统齿轮电机外，还配备了带有负载侧高分辨率编码器的扭矩电机的两
轴机器人，来提高工业机器人的刚度，这种方式是从改变机器人本身的结构来提高刚度的，
不能广泛应用于已有的单臂工业机器人。

[0008] 综上所述，各大学、公司等都没有在不改变现有工业机器人的结构下，不减小其工作空间，来提高单臂工业机器人本身的刚度的方式，因此，提出一种两台单臂工业机器人非
接触式协同提升加工刚度的装置尤为重要。

发明内容

[0009] 本发明提供一种两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工刚度的装置，以解决目前没有在不改变现有工业机器人的结构下，不减小其工作空间，来提高单臂工业机器人
本身的刚度的问题。通过主从工业机器人的非接触协同配合，能够提高主工业机器人铣削
工具轴或磨削工具轴的支撑刚度；同时与接触式协同配合相比，还能使双工业机器人的工
作空间变大。

[0010] 本发明采取的技术方案是：包括主工业机器人末端加工模块和从工业机器人末端辅助模块，所述主工业机器人末端加工模块包括一个力传感器一的装配安装面与主工业机
器人末端相连，力传感器的工具安装面与连接件一相连，该连接件一的另一面连接导向轴
支座，该导向轴支座的圆环形上端外侧沿回转工具轴轴线方向装有主环形永磁铁一，导向
轴支座的圆环形下端外侧沿回转工具轴轴线方向装有与上端对称的主环形永磁铁二，导向
轴支座中间用来安装回转工具轴，导向轴支座上一侧有五个螺纹孔，用五个螺栓固定回转
工具轴；

[0011] 所述从工业机器人末端辅助模块包括一个力传感器二的装配安装面与从工业机器人末端相连，力传感器二的工具安装面与一个连接件二相连，连接件二的另一面连接环
形磁铁支座，该环形磁铁支座的内圆环面上端装有一个可更换的从半圆环形永磁铁一，与
主工业机器人导向轴支座的圆环形上端外侧主环形永磁铁一相对应，环形磁铁支座的内圆
环面下端装有一个可更换从半圆环形永磁铁二，与主工业机器人导向轴支座的圆环形下端
外侧主环形永磁铁二相对应，主环形永磁铁一、主环形永磁铁二分别与从半圆环形永磁铁
一、从半圆环形永磁铁二构成非接触式支撑副。

[0012] 所述从工业机器人末端环形磁铁支座的内圆环面上、下两个从半圆环形永磁铁一、从半圆环形永磁铁二，会在主、从工业机器人末端靠近时让非接触式支撑副产生所需的
斥力或所需的引力，根据主工业机器人需要的是斥力或引力进行更换，使其内圆环侧与主
工业机器人导向轴支座的圆环形下端外侧主环形永磁铁一、主环形永磁铁二的外圆环侧是
同名磁极或异名磁极，在主从工业机器人末端靠近时会产生斥力或引力。

[0013] 本发明的优点是：能够利用两台单臂工业机器人非接触式协同的模式，提高了单台单臂工业机器人加工工具轴的支撑刚度，克服了在工件空间工业机器人姿态变化使得工
件支撑刚度变差的问题，使得加工工作更好的完成；并且两台单臂工业机器人非接触协同
相比于接触式的模式不会减小工件工作空间，保证了单臂工业机器人加工的灵活性；此外
两台单臂工业机器人的费用远低于一台高刚度单臂加工机器人的费用，节约了加工的成
本。

附图说明

[0014] 图1是本发明的结构示意图；

[0015] 图2是本发明的俯视图；

[0016] 图3是本发明的主工业机器人末端加工模块的正视图；

[0017] 图4是本发明的主工业机器人末端加工模块的后视图；

[0018] 图5是本发明的主工业机器人末端加工模块的导向轴支座的正视图；

[0019] 图6是本发明的主工业机器人末端加工模块的导向轴支座的左视图；

[0020] 图7是本发明的主工业机器人末端加工模块的导向轴支座的俯视图；

[0021] 图8是本发明的从工业机器人末端辅助模块的结构示意图；

[0022] 图9是本发明的双工业机器人不同旋转位姿下加工的示意图1；

[0023] 图10是本发明的双工业机器人不同旋转位姿下加工的示意图2；

[0024] 图11是本发明的双工业机器人不同平移位姿下加工的示意图1；

[0025] 图12是本发明的双工业机器人不同平移位姿下加工的示意图2；

[0026] 图13是本发明的从工业机器人给主工业机器人引力的示意图；

[0027] 图14是本发明的从工业机器人给主工业机器人斥力的示意图；

[0028] 图15是本发明的双工业机器人的协作加工的示意图。

具体实施方式

[0029] 如图1、图2所示，一种两台单臂工业机器人非接触式协同提升加工系统刚度的装置，包括主工业机器人末端加工模块和从工业机器人末端辅助模块。

[0030] 如图3‑图7所示，图3、图4是主工业机器人末端加工模块两个方向的视图，图5、图6、图7是主工业机器人末端加工模块的导向轴支座3的正视图、左视图和俯视图，所述主工
业机器人末端加工模块包括一个力传感器一1的装配安装面与主工业机器人末端相连，力
传感器1的工具安装面与连接件一2相连，该连接件一2的另一面连接导向轴支座3，该导向
轴支座3的圆环形上端外侧沿回转工具轴轴线方向装有主环形永磁铁一4，导向轴支座3的
圆环形下端外侧沿回转工具轴轴线方向装有与上端对称的主环形永磁铁二5，导向轴支座3
中间用来安装回转工具轴6，导向轴支座3上一侧有五个螺纹孔，用五个螺栓固定回转工具
轴6；

[0031] 如图8、图13、图14所示，所述从工业机器人末端辅助模块包括一个力传感器二7的装配安装面与从工业机器人末端相连，力传感器二7的工具安装面与一个连接件二8相连，
连接件二8的另一面连接环形磁铁支座9，该环形磁铁支座9的内圆环面上端装有一个可更
换的从半圆环形永磁铁一10，与主工业机器人导向轴支座3的圆环形上端外侧主环形永磁
铁一4相对应，环形磁铁支座9的内圆环面下端装有一个可更换从半圆环形永磁铁二11，与
主工业机器人导向轴支座3的圆环形下端外侧主环形永磁铁二5相对应，主环形永磁铁一4、
主环形永磁铁二5分别与从半圆环形永磁铁一10、从半圆环形永磁铁二11构成非接触式支
撑副；

[0032] 从工业机器人末端环形磁铁支座9的内圆环面上、下两个从半圆环形永磁铁一10、从半圆环形永磁铁二11，会在主、从工业机器人末端靠近时让非接触式支撑副产生所需的
斥力或所需的引力，根据主工业机器人需要的是斥力或引力进行更换，使其内圆环侧与主
工业机器人导向轴支座3的圆环形下端外侧主环形永磁铁一4、主环形永磁铁二5的外圆环
侧是同名磁极或异名磁极，在主从工业机器人末端靠近时非接触式支撑副会产生斥力或引
力。

[0033] 如图9‑图12和图15所示，图15是本发明的双工业机器人的协作加工的示意图，图9‑图12是双工业机器人不同旋转位姿和平移位姿下加工的示意图。主工业机器人进行加工
时，主工业机器人的力传感器1可以实时反应主工业机器人末端的受力情况，采集主工业机
器人末端力和力矩的大小和方向，在加工时，将采集的受力情况的信息传输到系统中，从工
业机器人可以根据主工业机器人末端的受力情况实时调整自己的位姿，在从工业机器人调
整到合适位姿下，从工业机器人末端环形磁铁支座9的内圆环面上、下两个从半圆环形永磁
铁一10、从半圆环形永磁铁二11会对主工业机器人末端进行非接触多角度的力和力矩补
偿，以使回转工具轴所受的切削力与主、从工业机器人提供的支撑力处于平衡状态，进而提
升主工业机器人的末端刚度，能够更好的完成加工工作。例如在图9和图10中，从工业机器
人在不同旋转位姿下对主工业机器人所补偿的力的方向是不一样的；图11和图12中，从工
业机器人在不同平移位姿下对主工业机器人所补偿的力的大小是不一样的。