气压式弧塞型回转平衡装置及其对关节的回转平衡方法与流程

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种气压式弧塞型回转平衡装置及其对关节的回转平衡方法。

背景技术：

对于机器人的机械臂、关节式坐标测量机的关节臂等回转机械结构，工作时，其相邻的关节臂在关节处需要做回转运动。由于关节式坐标测量机的关节臂运动属于被动式，需要依赖工作人员手动的操作，当关节臂回转时，其重心会随回转运动而发生位置变化，若没有设置回转平衡装置，关节臂回转时会产生变化的偏重力矩，这不仅对机器运动造成了不利的影响，而且在被动式测量机的使用上，不利于人工的测量操作。因此，需要设计一套有效的平衡装置来克服关节臂回转机械结构的自身重量，使其能稳定运动，并且在工作时能稳定在既定的回转位置上。

在实际应用中，关节臂常用的平衡方式是重力式和弹簧式，来克服自身重力以及保证回转稳定，但这两种方式都会存在使关节臂的质量和惯性增加，以及使关节结构体积增大的问题，并且弹簧式结构加工复杂，成本较高。因此设计一种新型的回转平衡装置用于关节式坐标测量机的回转关节上十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、使用方便的气压式弧塞型回转平衡装置及其对关节的回转平衡方法。

本发明解决技术问题采取的技术方案是：

本发明气压式弧塞型回转平衡装置，包括回转缸体、弧塞杆、密封导向塞、密封导向塞垫片、弧形活塞、弧形活塞垫圈、气腔充气阀和缸盖。所述的回转缸体包括一体成型的内缸筒、外缸筒、缸座、隔肋板一和隔肋板二；所述的外缸筒套置在内缸筒外，并与内缸筒通过呈圆环形的缸座连接；缸座内径等于内缸筒内径；间距设置的隔肋板一和隔肋板二将内、外缸筒之间的空间分隔成弧形腔一和弧形腔二；内缸筒和外缸筒位于弧形腔二内的弧段均开设有弧形槽；气腔充气阀固定在缸座的充气孔中，所述的充气孔开设在缸座位于弧形腔一内的弧段处；所述的密封导向塞设置在弧形腔一内，并与隔肋板二固定；所述的密封导向塞垫片与密封导向塞固定；所述的弧塞杆由两根弧形杆和两块固定块组成；弧塞杆的一根弧形杆穿过隔肋板二、密封导向塞以及密封导向塞垫片位置对应的一个弧形过孔，另一根弧形杆穿过隔肋板二、密封导向塞以及密封导向塞垫片位置对应的另一个弧形过孔；弧形杆位于弧形腔二内的一端设有一体成型的伸出杆；两根弧形杆位于弧形腔一内的一端通过一块固定块固定连接；两根弧形杆的伸出杆通过另一块固定块固定连接，且伸出杆伸入内缸筒的弧形槽内；两块固定块上均开设有两个安装孔，且设置在弧形腔一内的固定块上开设有通气孔；弧形活塞的两个螺纹孔与设置在弧形腔一内的固定块的两个安装孔分别通过螺钉连接；弧形活塞的两个弧形面与外缸筒内壁和内缸筒外壁分别构成滑动副；内缸筒的一端设有一体成型的连接环；所述的连接环上开设有连接孔；设置在弧形腔二内的固定块远离外缸筒的侧面为圆弧面；所述的圆弧面与连接环同轴设置，且圆弧面的半径等于连接环的内径。弧形活塞将弧形腔一分隔成副气腔和主气腔；弧形活塞开设的通气孔与设置在弧形腔一内的固定块的通气孔连通；弧形活塞垫圈套于弧形活塞的凹槽上。圆环形的缸盖与外缸筒可拆卸连接，缸盖内径等于内缸筒内径；缸盖上设有密封环，密封环被内缸筒、外缸筒、隔肋板一、隔肋板二以及弧形活塞压紧。

所述内、外缸筒的长度相等。

所述弧形腔一的弧长大于弧形腔二的弧长。

所述密封导向塞的密封方式为油封。

该气压式弧塞型回转平衡装置对关节的回转平衡方法，具体如下：

首先，将内缸筒套于关节臂的回转关节上，设置在弧形腔二内的固定块的两个安装孔均与关节臂回转关节上的转轴通过螺钉固定，连接环的连接孔与关节臂回转关节上的基轴通过螺钉固定。然后，将关节臂的回转关节转动至带基轴关节臂与带转轴关节臂呈90度的位置，并通过设有压力传感器的支撑架对带转轴关节臂底部进行支撑，压力传感器位于带转轴关节臂重心正下方；通过回转缸体上的气腔充气阀向弧形腔一充入气体，直至弧形腔一内气体压强增大到压力传感器显示的压力为零时，关闭气腔充气阀；此时，弧形腔一内气体对弧形活塞两侧产生的压力合力对回转关节的力矩、带转轴关节臂对弧形活塞的偏重力矩以及弧形活塞所受摩擦力对回转关节的力矩的合力矩为零，移开支撑在带转轴关节臂底部的支撑架，关节臂仍保持带基轴关节臂与带转轴关节臂呈90度的位置上；关节臂进行测量工作时，只要弧形活塞所受摩擦力还是静摩擦力，回转关节转动任意角度，弧形腔一内气体对弧形活塞两侧产生的压力合力对回转关节的力矩、带转轴关节臂对弧形活塞的偏重力矩以及弧形活塞所受摩擦力对回转关节的力矩的合力矩就仍为零。

进一步，回转关节所受合力矩为零的形成过程为：由于弧形活塞位于主气腔的一侧与弧塞杆连接，该侧的表面与气体的作用面积小于另一侧表面与气体的作用面积，且主气腔与副气腔通过弧形腔一内固定块的通气孔以及弧形活塞的通气孔连通，主气腔与副气腔内的压强相等，又因为气体压力为压强与作用面积的乘积，因此，弧形活塞位于主气腔的一侧受到的气体压力大于另一侧受到的气体压力，随着充入弧形腔一内气体的增多，弧形腔一内气体对弧形活塞两侧产生的压力合力逐渐增大且始终朝向主气腔一侧，从而气体对弧形活塞两侧产生的压力合力对回转关节的力矩逐渐增大，直到回转关节所受合力矩为零。

本发明具有的有益效果：

本发明通过气压方式实现关节臂的回转平衡，具体是由弧形活塞保持回转缸体内两个气腔体的气压平衡，弧形活塞两侧面积差形成单向压力用于克服带转轴关节臂的偏重力矩，通过弧塞杆和回转缸体的回转结构，实现与关节臂回转关节的同步稳定运动，并且在工作时能稳定在既定的回转位置上。相比于常用的重力式和弹簧式的平衡方式，本发明回转平衡装置结构简单，重量和惯性增量小，效果可靠，并且采用的是中空式结构，可直接套于关节臂轴系上，不会产生使关节结构体积增大的问题。

附图说明

图1为本发明去除缸盖后的端面视图；

图2为本发明的侧部视图；

图3为本发明中弧塞杆与弧形活塞的装配示意图；

图4为本发明去除缸盖后的结构立体图；

图中：1、副气腔；2、回转缸体；3、隔肋板一；4、连接环；5、弧塞杆；6、隔肋板二；7、密封导向塞；8、密封导向塞垫片；9、主气腔；10、弧形活塞；11、弧形活塞垫圈；12、通气孔；13、安装孔；14、连接孔；15、气腔充气阀；16、缸盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

如图1、2、3和4所示，气压式弧塞型回转平衡装置，包括回转缸体2、弧塞杆5、密封导向塞7、密封导向塞垫片8、弧形活塞10、弧形活塞垫圈11、气腔充气阀15和缸盖16。回转缸体2包括一体成型的内缸筒、外缸筒、缸座、隔肋板一3和隔肋板二6；外缸筒套置在内缸筒外，并与内缸筒通过呈圆环形的缸座连接；内、外缸筒的长度相等；缸座内径等于内缸筒内径；间距设置的隔肋板一3和隔肋板二6将内、外缸筒之间的空间分隔成弧形腔一和弧形腔二；弧形腔一的弧长大于弧形腔二的弧长；内缸筒和外缸筒位于弧形腔二内的弧段均开设有弧形槽(便于在弧塞杆上安装关节臂回转关节上的转轴时用)；气腔充气阀15固定在缸座的充气孔中，用于在弧形腔一内充入氮气；密封导向塞7设置在弧形腔一内，并与隔肋板二6固定；密封导向塞垫片8与密封导向塞7固定，用于加固密封导向塞7和增强弧形腔一的气密性；弧塞杆5由两根弧形杆和两块固定块组成；弧塞杆5的一根弧形杆穿过隔肋板二6、密封导向塞7以及密封导向塞垫片8位置对应的一个弧形过孔，另一根弧形杆穿过隔肋板二6、密封导向塞7以及密封导向塞垫片8位置对应的另一个弧形过孔，使得弧形杆两端分设在弧形腔一和弧形腔二内；密封导向塞7的密封方式为油封，保证弧形腔一与弧形腔二之间的密封性；弧形杆位于弧形腔二内的一端设有一体成型的伸出杆；两根弧形杆位于弧形腔一内的一端通过一块固定块固定连接；两根弧形杆的伸出杆通过另一块固定块固定连接，且伸出杆伸入内缸筒的弧形槽内；两块固定块上均开设有两个安装孔13，且设置在弧形腔一内的固定块上开设有通气孔12；弧形活塞10的两个螺纹孔与设置在弧形腔一内的固定块的两个安装孔分别通过螺钉连接；弧形活塞10的两个弧形面与外缸筒内壁和内缸筒外壁分别构成滑动副；设置在弧形腔二内的固定块的两个安装孔用于与关节臂回转关节上的转轴固定；内缸筒的一端设有一体成型的连接环4；连接环上开设有连接孔14，用于与关节臂回转关节上的基轴(通过螺钉)固定；设置在弧形腔二内的固定块远离外缸筒的侧面为圆弧面；圆弧面与连接环同轴设置，且圆弧面的半径等于连接环的内径。弧形活塞10将弧形腔一分隔成副气腔1和主气腔9；弧形活塞10开设的通气孔12与设置在弧形腔一内的固定块的通气孔12连通，用于保持主、副气腔的气压平衡；弧形活塞垫圈11套于弧形活塞10的凹槽上，用于弧形活塞10与外缸筒内壁和内缸筒外壁之间的密封。圆环形的缸盖16与外缸筒可拆卸连接，缸盖16内径等于内缸筒内径；缸盖16上设有密封环，密封环被内缸筒、外缸筒、隔肋板一3、隔肋板二6以及弧形活塞10压紧。

该气压式弧塞型回转平衡装置对关节的回转平衡方法，具体如下：

首先，将内缸筒套于关节臂的回转关节上，设置在弧形腔二内的固定块的两个安装孔13均与关节臂回转关节上的转轴(某个关节臂的回转关节转动时，不动的轴定义为基轴，绕基轴转动的轴定义为转轴)通过螺钉固定，连接环的连接孔14与关节臂回转关节上的基轴通过螺钉固定。然后，将关节臂的回转关节转动至带基轴关节臂与带转轴关节臂呈90度的位置(该位置带转轴关节臂对回转关节的偏重力矩最大)，并通过设有压力传感器的支撑架对带转轴关节臂底部进行支撑，压力传感器位于带转轴关节臂重心正下方；此时通过回转缸体2上的气腔充气阀15向弧形腔一充入氮气，直至弧形腔一内气体压强增大到压力传感器显示的压力为零时，关闭气腔充气阀15；此时，弧形腔一内氮气对弧形活塞10两侧产生的压力合力对回转关节的力矩、带转轴关节臂对弧形活塞10的偏重力矩以及弧形活塞10所受摩擦力对回转关节的力矩的合力矩为零，即无需人力托举，关节臂仍可以保持回转关节转动在90度的位置上；其中，回转关节所受合力矩为零的形成过程为：由于弧形活塞10位于主气腔9的一侧与弧塞杆5连接，该侧的表面与氮气的作用面积小于另一侧表面与氮气的作用面积，且主气腔9与副气腔1通过弧形腔一内固定块的通气孔12以及弧形活塞10的通气孔12连通，主气腔9与副气腔1内的压强相等，又因为气体压力为压强与作用面积的乘积，因此，弧形活塞10位于主气腔9的一侧受到的气体压力大于另一侧受到的气体压力，随着充入弧形腔一内氮气的增多，弧形腔一内氮气对弧形活塞10两侧产生的压力合力逐渐增大且始终朝向主气腔9一侧，从而氮气对弧形活塞10两侧产生的压力合力对回转关节的力矩逐渐增大，直到回转关节所受合力矩为零；针对不同的关节臂会产生不同的偏重力矩，弧形腔一内氮气对弧形活塞10两侧产生的压力合力大小可以通过调节通入弧形腔一内的氮气气压进行调整。本发明回转平衡装置对关节臂进行回转平衡之后，移开支撑在带转轴关节臂底部的支撑架，关节臂可进行正常测量工作，当装有本发明回转平衡装置的关节臂的回转关节转动任意角度时，只要在弧形活塞10所受摩擦力还是静摩擦力，弧形腔一内氮气对弧形活塞10两侧产生的压力合力对回转关节的力矩、带转轴关节臂对弧形活塞10的偏重力矩以及弧形活塞10所受摩擦力对回转关节的力矩的合力矩就仍为零，从而关节臂测量工作时能稳定停留在既定的回转位置上，实现回转的稳定运动。