專利名稱：大型曲面自主研拋作業(yè)的微小機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械制造領(lǐng)域。
技術(shù)背景近十幾年來，隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等相關(guān)技術(shù)的迅猛 發(fā)展，以數(shù)控加工為代表的柔性加工手段日趨完善，已經(jīng)可以實現(xiàn)模 具自由曲面的自動化形狀加工，但形狀加工后的表面仍需經(jīng)過研磨、 拋光等光整加工工序，才能獲得預(yù)期的表面質(zhì)量。研拋光整加工的目的是在不改變模具表面形狀精度的前提下，去 除形狀加工在表面殘留的刀痕或變質(zhì)層，以降低表面粗糙度，提高表 面質(zhì)量。以精密模具為例，自由曲面的手工研拋加工工時，在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)工業(yè)國家約占總工時的37 42%，我國則達(dá)50% 以上。手工研拋加工一方面不僅費時、費力、效率低下，且難以保證 形狀精度，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，這與模具現(xiàn)代生產(chǎn)、制造的低成本、短 周期、高質(zhì)量的要求難以相適應(yīng)。自由曲面的研拋加工是模具生產(chǎn)、 制造中的薄弱環(huán)節(jié)，成為制約模具制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。為了降低模具的制造成本，縮短制造周期，避免人為因素對于模 具生產(chǎn)的不利影響，20世紀(jì)80年代末期，工業(yè)發(fā)達(dá)國家競相開展模具 自由曲面研拋加工自動化的研究工作，將專門設(shè)計的研拋裝置安裝在 數(shù)控機床或工業(yè)機器人上來代替工人的手工操作，開發(fā)基于數(shù)控機床 或工業(yè)機器人的自動研拋加工系統(tǒng)是較為普遍的做法。長期以來，有 關(guān)自由曲面研拋加工自動化的研究，主要集中在各種新穎研拋方法的 提出與各種試驗裝置的開發(fā)、研拋軌跡生成方法與軌跡規(guī)劃、研拋干 涉檢驗、研拋工藝規(guī)律與控制策略、控制算法的研究等。目前，模具 自由曲面自動研拋加工研究的現(xiàn)狀是(1 )對于大型面自由曲面來說， 其自動研拋加工受到研拋設(shè)備加工范圍的局限。依據(jù)傳統(tǒng)的加工模 式，大型自由曲面必須采用大型研拋設(shè)備加工，而大型研拋設(shè)備造價 昂貴，同時存在著加工范圍與精度、剛度，運動快速性與穩(wěn)定性等諸 多技術(shù)難題。依據(jù)傳統(tǒng)的模式解決大型自由曲面精密研拋問題需要付 出太大的代價，因此必須另辟蹊徑，尋求全新的技術(shù)途徑。(2)關(guān)于 各種研拋方法與研拋裝置的開發(fā)研究較多，這方面的專利技術(shù)不少。 比如，通過壓縮空氣推動安裝于機器人腕部和工具之間的活塞沿直線 導(dǎo)軌移動，來調(diào)節(jié)研拋接觸壓力的氣動研拋裝置；利用杯形鐵磁研拋 輪內(nèi)部的永磁體產(chǎn)生的磁場生成研拋壓力的磁壓式研拋裝置；通過專門設(shè)計的空間機構(gòu)使研拋輪繞模具自由曲面附近虛擬的中心點做回 轉(zhuǎn)運動，根據(jù)研拋工具與模具自由曲面接觸區(qū)域的幾何特性以及研拋 工具端部的受力情況，調(diào)整研拋軌跡的被動柔順研拋裝置等。但以全 局的發(fā)展眼光看，該領(lǐng)域的研究尚有許多技術(shù)問題沒有解決，如大型面自由曲面的自動研拋加工技術(shù)問題。(3)模具曲面的多樣化和不規(guī)則性要求研拋工具隨著加工輪廓形狀的改變而改變自己的運動軌跡 和姿態(tài)，這給研拋工具運動控制帶來很大的麻煩，雖然使用現(xiàn)代的數(shù) 控加工技術(shù)可以控制工具的運動，但數(shù)控程序的編制會遇到很大的困 難，因此，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)難以在模具自由曲面自動研拋加工中發(fā)揮 作用，目前開發(fā)針對自由曲面研拋加工的專用數(shù)控系統(tǒng)的研究很少，使得自動研拋技術(shù)向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化受到某些關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。(4)
采用工業(yè)機器人可以較好地進(jìn)行力、位的主動軌跡/壓力混合適應(yīng)控 制，但難以像數(shù)控機床那樣進(jìn)行自由曲面表面生成軌跡的精密規(guī)劃與 跟蹤，因而軌跡誤差較大。而且使用機器人研拋加工自由曲面過程中， 要求研拋工具按預(yù)定的軌跡運動，同時必須保持正確的姿態(tài)。保持正確的姿態(tài)，往往會犧牲一定的作業(yè)空間；為增加作業(yè)空間而增加機器人的手臂長度又會引起精度和剛度的不足。所以，單純采用傳統(tǒng)工業(yè) 機器人實現(xiàn)模具自由曲面自動研拋加工，存在著作業(yè)空間與精度、剛 度的矛盾。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種大型曲面自主研拋作業(yè)的微小機器人，以解決目 前大型曲面研拋作業(yè)時存在的加工設(shè)備大、作業(yè)空間受限的問題。為 了能利用機器人技術(shù)，以較小的成本完成大型曲面的表面光整加工， 本設(shè)計的新型微小機器人可以定位于大型曲面上，自主規(guī)劃曲面加工 路徑，在對所規(guī)劃路徑的自行跟隨移動中順次完成對大型曲面表面的 光整加工。即以較小的設(shè)備完成對較大工件表面的研拋加工。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是包括行走模塊和研拋工具模塊。行走模塊是機器人運動的執(zhí)行者，也是研拋工具模塊的載體。研 拋工具模塊則是研拋加工的完成者。行走模塊l在控制系統(tǒng)的控制下， 實現(xiàn)對加工路徑的跟蹤、定位和其他輔助運動，同時為研拋加工提供 進(jìn)給運動。研拋模塊2被加載在行走模塊上，驅(qū)動研拋工具對被加工 工件進(jìn)行研拋加工。二者協(xié)同工作，即可實現(xiàn)對工件的大型平面、曲 面的光整加工。本發(fā)明中，行走模塊的結(jié)構(gòu)是，機體3上固定連接主動輪系統(tǒng)1 和被動輪系統(tǒng)2，轉(zhuǎn)向裝置4與機體3連接，該轉(zhuǎn)向裝置與主動輪系統(tǒng) 中的轉(zhuǎn)向傳動被動輪皮帶連接。該行走模塊的工作原理是機器人的運動驅(qū)動由前后共兩套主動 輪系統(tǒng)1提供，其中的伺服電機根據(jù)控制信號經(jīng)過傳動裝置，將驅(qū)動扭矩和速度輸出到運動輪。轉(zhuǎn)向機構(gòu)4中的伺服電機根據(jù)控制信號經(jīng)過傳動帶、輪，將驅(qū)動扭矩和速度輸出到主動輪系統(tǒng)，驅(qū)使主動輪產(chǎn) 生一個轉(zhuǎn)向角。如此，通過協(xié)調(diào)控制前后兩套主動輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角， 使之相互配合，既可以實現(xiàn)直線前行、平動斜行和任意半徑轉(zhuǎn)彎的機 動動作，從而實現(xiàn)高度的機動性運動。被動輪系統(tǒng)2隨主動輪的運動進(jìn)行運動，其偏心的輪軸布局和與機體的軸承支撐結(jié)構(gòu)使之成為萬向輪結(jié)構(gòu)，可隨運動需要被動的，隨 時轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)上并聯(lián)的阻尼汽缸、彈簧裝置一方面可以使四輪支撐適 應(yīng)曲面面形變化，同時也對由加工運動產(chǎn)生的高頻振動激勵產(chǎn)生阻 尼，減少其對車體運動穩(wěn)定性的影響。機體3是構(gòu)成車體的基本結(jié)構(gòu)。它為行走機構(gòu)、工具模塊和其它 所有需要加載的元件提供了基體。本發(fā)明中，主動輪系統(tǒng)l的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)向傳動被動輪101與轉(zhuǎn)向軸104固定連接，推力軸承102與轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動連接，向心球軸承103與轉(zhuǎn) 向軸轉(zhuǎn)動連接，轉(zhuǎn)向軸與主動輪架106固定連接，電機105與該主動輪 架固定連接，輪軸108與該主動輪架轉(zhuǎn)動連接，輪107與輪軸轉(zhuǎn)動連接， 傳動主動齒型帶輪112與電機軸固定連接，傳動被動齒型帶輪109與輪 軸固定連接，傳動齒形帶lll與傳動主動齒型帶輪、傳動被動齒帶型 輪連接，傳動帶輪罩110與主動輪架固定連接。主動輪系統(tǒng)工作原理是驅(qū)動電機105通過同步齒形帶組傳動 主動齒型帶輪112、傳動齒形帶lll、傳動被動齒型帶輪109將扭矩和速度傳給輪107，帶動機器人行走。整個主動輪系統(tǒng)通過軸承組成的 軸承組與機器人機體結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，使主動輪機構(gòu)可以在轉(zhuǎn)向控制被動輪 IOI控制下作轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生行走的方向角。本發(fā)明中，被動輪系統(tǒng)2結(jié)構(gòu)是主桿204與推力軸承201固定連 接，向心球軸承202與主桿轉(zhuǎn)動連接，活塞207與主桿固定連接，缸體 208與活塞滑動連接，缸蓋206與缸體固定連接，彈簧205套接在缸體 外部，與缸體下部同時作為輪支架，輪軸210通過向心球軸承211與輪 支架連接，輪209與輪軸固定連接。被動輪系統(tǒng)工作原理是整個被動輪系統(tǒng)通過軸承組成的軸承組 與機器人機體結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，使被動輪系統(tǒng)可以繞主桿204軸線自由轉(zhuǎn)動。 軸承組的布置和輪209軸線相對主桿204軸線的偏置布置可以使整個 被動輪系統(tǒng)成為可隨系統(tǒng)運動轉(zhuǎn)向的萬向輪。并聯(lián)的被動輪的懸掛系統(tǒng)由主桿204、汽缸蓋206、活塞207、缸 體208的汽缸活塞組和彈簧205構(gòu)成。一方面可以使被動輪支撐適應(yīng)曲面面形變化，同時也對由加工運動產(chǎn)生的高頻振動激勵產(chǎn)生阻尼，減 少其對車體運動穩(wěn)定性的影響。汽缸的活塞和汽缸蓋上各有四個空氣節(jié)流小孔，當(dāng)活塞隨系統(tǒng)施 加給被動輪系統(tǒng)的振動激勵運動時，可以對之產(chǎn)生阻尼力。因而由汽 缸提供給被動輪懸掛系統(tǒng)主要的運動阻尼。標(biāo)準(zhǔn)化后的被動輪系統(tǒng)構(gòu) 成典型的二階振動系統(tǒng)。本發(fā)明中,轉(zhuǎn)向機構(gòu)4的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)向控制伺服電機401與機體3固 定連接,轉(zhuǎn)向傳動主動帶輪402與該轉(zhuǎn)向控制伺服電機軸固定連接，轉(zhuǎn) 向傳動齒形帶403連接轉(zhuǎn)向傳動主動帶輪和轉(zhuǎn)向傳動被動帶輪101。
轉(zhuǎn)向機構(gòu)工作原理由轉(zhuǎn)向控制伺服電機401通過轉(zhuǎn)向傳動主動輪402、轉(zhuǎn)向傳動齒形帶403和轉(zhuǎn)向傳動被動輪101，向主動輪系統(tǒng)輸出運動轉(zhuǎn)角。前后主動輪的轉(zhuǎn)速、運動轉(zhuǎn)角共四個參數(shù)相互配合，即 可實現(xiàn)各種運動方式。本發(fā)明中，研拋工具模塊的結(jié)構(gòu)是力控制汽缸513與支架501 固定連接，電機座504通過直線軸承502與支架滑動連接，主軸電機503 與電機座固定連接，電機軸通過聯(lián)軸器505與主軸506固定連接，主軸 通過角接觸球軸承507與支架連接，萬向節(jié)研拋頭508與主軸固定連 接，導(dǎo)向軸509通過導(dǎo)向直線軸承510與導(dǎo)向軸座511滑動連接，聯(lián)結(jié) 桿512分別與力控制汽缸和導(dǎo)向軸連接。研拋工具模塊工作原理支架501使工具模塊連接在行走模塊上， 同時也是研拋模塊的支撐基體。主軸電機503安裝在電機座504中，電 機座504通過直線軸承502，實現(xiàn)其在軸向上的移動。電機通過聯(lián)軸器 505將驅(qū)動力矩傳到主軸506。由于主軸506與聯(lián)軸器是通過鍵連接， 與聯(lián)軸器505并無軸向上的約束，所以只接受電機軸傳來的扭矩而并 不把軸向的載荷傳給電機。主軸506所受的軸向載荷由支撐主軸的角 接觸球軸承507承受。主軸506將扭矩傳給十字萬向節(jié)研拋頭508。萬 向節(jié)研拋頭508的下端用于聯(lián)結(jié)柔性的研拋工具，并可以隨研拋工具 的受力作適應(yīng)性的擺動，以保持研拋力對工件表面的均勻性。導(dǎo)向軸 509可以防止工具在加工扭矩作用下轉(zhuǎn)動。導(dǎo)向直線軸承510和固定于 行走機構(gòu)的導(dǎo)向軸座511保證了導(dǎo)向軸508直線運動的順利。聯(lián)結(jié)桿512用于聯(lián)結(jié)導(dǎo)向軸509和力控制汽缸513與工具的電機座 504相聯(lián)。力控制汽缸513是一個短行程汽缸。通過對氣壓的檢測和控 制，使汽缸活塞桿上下移動，以保證加工壓力的恒定。達(dá)到柔順控制的目的。本發(fā)明優(yōu)點是本發(fā)明獨辟蹊徑，提出全新的技術(shù)思路以實現(xiàn)用 小型裝備對大型自由曲面進(jìn)行光整加工的目標(biāo)。通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)微 小機器人靈活地在大型自由曲面的表面移動，依據(jù)自由曲面自身的幾 何信息和工藝信息在行進(jìn)中對大型自由曲面進(jìn)行研拋加工。所開發(fā)的 大型自由曲面微小研拋機器人，采用位置/姿態(tài)/壓力/速度集成控制，仿人研拋自由曲面的分片規(guī)劃和區(qū)域軌跡規(guī)劃新技術(shù)以及從三維CAD信息自動生成包含分片研拋軌跡優(yōu)化和工具姿態(tài)/壓力/速度優(yōu)化信 息的自由曲面自動研拋加工控制軟件等，都具有自主知識產(chǎn)權(quán)，在國 內(nèi)外屬首創(chuàng)。該技術(shù)可以用微小設(shè)備研拋加工大型復(fù)雜模具自由曲面，突破了 研拋大型自由曲面必須用大型設(shè)備的傳統(tǒng)模式，解決了研拋裝備加工 范圍的瓶頸，填補大型面自由曲面自動研拋加工技術(shù)的空白。本發(fā)明的有益效果是，可以利用微小機器人在模具大型曲面上， 自主定位規(guī)劃，實現(xiàn)由小型設(shè)備對大型曲面的光整加工。不僅可以降 低人工勞動強度、加工成本，還可提高加工的柔性、加工表面穩(wěn)定性。


圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明行走模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2的左視圖；圖4是圖2的俯視圖；圖5是行走模塊的立體圖；圖6是本發(fā)明主動輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7是本發(fā)明主動輪外形圖。
圖8是本發(fā)明被動輪外形圖。圖9是圖8的A-A剖視圖。 圖10是本發(fā)明轉(zhuǎn)向機構(gòu)示意圖。 圖11是圖10的仰視圖。 圖12是本發(fā)明研拋模塊結(jié)構(gòu)示意圖。 圖13是本發(fā)明研拋模塊外形圖。
具體實施方式
包括行走模塊i和研拋工具模塊n。其中行走模塊I的結(jié)構(gòu)是機體3上固定連接主動輪系統(tǒng)1和被動輪系統(tǒng)2，轉(zhuǎn)向機構(gòu)4與機體3連接，該轉(zhuǎn)向機構(gòu)與主動輪系統(tǒng)中 的轉(zhuǎn)向傳動被動輪皮帶連接。其中，主動輪系統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)向傳動被動輪101與轉(zhuǎn)向軸104固定連接，推力軸承102與轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動連接，向心球軸承103與 轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動連接，轉(zhuǎn)向軸與主動輪架106固定連接，電機105與該主 動輪架固定連接，輪軸108與該主動輪架轉(zhuǎn)動連接，輪107與輪軸轉(zhuǎn) 動連接，傳動主動齒型帶輪112與電機軸固定連接，傳動被動齒型帶 輪109與輪軸固定連接，傳動齒形帶111與傳動主動齒型帶輪、傳動 被動齒型帶輪連接，傳動帶輪罩110與主動輪架固定連接。其中，被動輪系統(tǒng)2結(jié)構(gòu)是主桿204與推力軸承201固定連接， 向心球軸承202與主桿轉(zhuǎn)動連接，活塞207與主桿固定連接，缸體 208與活塞滑動連接，缸蓋206與缸體固定連接，彈簧205套接在缸 體外部，與缸體下部同時作為輪支架，輪軸210通過向心球軸承211 與輪支架連接，輪209與輪軸固定連接。汽缸的活塞和汽缸蓋上各有 四個空氣節(jié)流小孔。
其中，轉(zhuǎn)向機構(gòu)4的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)向控制伺服電機401與機體3固定 連接，轉(zhuǎn)向傳動主動帶輪402與該轉(zhuǎn)向控制伺服電機軸固定連接，轉(zhuǎn) 向傳動齒形帶403連接轉(zhuǎn)向傳動主動輪帶402和轉(zhuǎn)向傳動被動帶輪 101。其中，研拋工具模塊II的結(jié)構(gòu)是力控制汽缸513與支架501 固定連接，電機座504通過直線軸承502與支架滑動連接，主軸電機 503與電機座固定連接，電機軸通過聯(lián)軸器505與主軸506固定連接， 主軸通過角接觸球軸承507與支架連接，萬向節(jié)研拋頭508與主軸固 定連接，導(dǎo)向軸509通過導(dǎo)向直線軸承510與導(dǎo)向軸座511滑動連接， 聯(lián)結(jié)桿512分別與力控制汽缸和導(dǎo)向軸連接。
權(quán)利要求
1、 一種大型曲面自主研拋作業(yè)的微小機器人，其特征在于包括 行走模塊和研拋工具模塊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型曲面自主研拋作業(yè)的微小機器人， 其特征在于行走模塊的結(jié)構(gòu)是機體(3)上固定連接主動輪系統(tǒng)(1)和被動輪系統(tǒng)(2)，轉(zhuǎn)向裝置(4)與機體(3)連接，該轉(zhuǎn)向 裝置與主動輪系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向傳動被動輪皮帶連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型曲面自主研拋作業(yè)的微小機器人，其特征在于主動輪系統(tǒng)(1)的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)向傳動被動輪(101)與轉(zhuǎn)向軸(104)固定連接，推力軸承(102)與轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動連接，向心 球軸承(103)與轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動連接，轉(zhuǎn)向軸與主動輪架(106)固定連 接，電機(105)與該主動輪架固定連接，輪軸(108)與該主動輪架 轉(zhuǎn)動連接，輪(107)與輪軸轉(zhuǎn)動連接，傳動主動齒型帶輪(112)與 電機軸固定連接，傳動被動齒型帶輪(109)與輪軸固定連接，傳動 齒形帶(111)與傳動主動齒型帶輪、傳動被動齒型帶輪連接，傳動 帶輪罩(110)與主動輪架固定連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型曲面自主研拋作業(yè)的微小機器人， 其特征在于被動輪系統(tǒng)(2)結(jié)構(gòu)是主桿(204)與推力軸承(201) 固定連接，向心球軸承(202)與主桿轉(zhuǎn)動連接，活塞(207)與主桿 固定連接，缸體(208)與活塞滑動連接，缸蓋(206)與缸體固定連 接，彈簧(205)套接在缸體外部，輪支架與缸體下部為一體，輪軸(210)通過向心球軸承(211)與輪支架連接，輪(209)與輪軸固 定連接，汽缸的活塞和汽缸蓋上各有四個空氣節(jié)流小孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型曲面自主研拋作業(yè)的微小機器人，其特征在于轉(zhuǎn)向機構(gòu)(4)的結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)向控制伺服電機(401)與機體(3)固定連接，轉(zhuǎn)向傳動主動帶輪(402)與該轉(zhuǎn)向控制伺服電機 軸固定連接，轉(zhuǎn)向傳動齒形帶(403)連接轉(zhuǎn)向傳動主動帶輪(402) 和轉(zhuǎn)向傳動被動帶輪(101)。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型曲面自主研拋作業(yè)的微小機器人， 其特征在于研拋工具模塊的結(jié)構(gòu)是力控制汽缸(513)與支架(501) 固定連接，電機座(504)通過直線軸承(502)與支架滑動連接，主 軸電機(503)與電機座固定連接，電機軸通過聯(lián)軸器(505)與主軸(506)固定連接，主軸通過角接觸球軸承(507)與支架連接，萬向 節(jié)研拋頭(508)與主軸固定連接，導(dǎo)向軸(509)通過導(dǎo)向直線軸承(510)與導(dǎo)向軸座(511)滑動連接，聯(lián)結(jié)桿(512)分別與力控制 汽缸和導(dǎo)向軸連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大型曲面自主研拋作業(yè)的微小機器人，屬于機械制造領(lǐng)域。包括行走模塊和研拋工具模塊。行走模塊的結(jié)構(gòu)是機體上固定連接主動輪系統(tǒng)和被動輪系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向裝置與機體連接，該轉(zhuǎn)向裝置與主動輪系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向傳動被動輪皮帶連接。研拋工具模塊包括力控制汽缸、支架、主軸電機、主軸通過角接觸球軸承與支架連接，萬向節(jié)研拋頭與主軸固定連接，導(dǎo)向軸通過導(dǎo)向直線軸承與導(dǎo)向軸座滑動連接。有益效果是，可以利用微小機器人在模具大型曲面上，自主定位規(guī)劃，實現(xiàn)由小型設(shè)備對大型曲面的光整加工。不僅可以降低人工勞動強度、加工成本，還可提高加工的柔性、加工表面穩(wěn)定性。
文檔編號B24B37/00GK101121248SQ20071005609
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月19日
發(fā)明者周曉勤, 雷 張, 昕 王, 王義強, 繼 趙, 陳貴亮 申請人:吉林大學(xué)