轴类件装配协作机器人系统的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体的为一种轴类件装配协作机器人系统。

背景技术：

协作机器人(collaborativerobot)简称cobot或co-robot，是设计和人类在共同工作空间中有近距离互动的机器人。目前，大部分的工业机器人是设计自动作业或是在有限的导引下作业，因此不用考虑和人类近距离互动，其动作也不用考虑对于周围人类的安全保护，而这些都是协作式机器人需要考虑的机能。

对于轴类件装配，现有技术一般采用气缸或液压缸直接将轴类件压装在孔内，如公开号为cn206966980u的中国专利公开了一种销轴装配机构，具体的，其技术方案为：包括底座、底板；还包括取料机构、压料机构、导向机构、推料机构；所述压料机构包括压料气缸、压料固定块、压料线性模组；所述压料气缸通过压料底座固定在压料线性模组上；所述压料气缸通过压料浮动接头推动压料固定块移动；所述推料机构包括顶出气缸、顶出杆固定块、顶出杆、推料线性模组；所述顶出气缸固定在推料线性模组上；所述顶出气缸推动固定在所述顶出杆固定块上的顶出杆移动；所述导向机构包括导向线性模组、导向轴、电机；所述电机固定在导向线性模组上，所述电机通过传动机构驱动所述导向轴旋转；所述压料线性模组、取料机构、导向线性模组、推料线性模组固定在所述底板上，所述推料机构和导向机构位于压料机构的两侧；所述底板通过位移机构固定在底座上。

该销轴装配机构采用气缸直接将销轴装配到孔内，对于销轴与孔之间间隙配合的情况，其能够满足装配的要求，但是，若销轴与孔过盈配合时，该销轴装配机构无法满足装配要求。在轴与孔过盈配合时，现有技术中一般采用人工的方式进行装配，人工装配时，一般采用捶打的方式逐渐将轴装配至孔中。同理，对于协作机器人而言，现有的轴孔装配机构的装配方式并不能完全满足使用要求，因而需要一种新的终端执行器来模拟人工捶打式装配方式。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轴类件装配协作机器人系统，不仅可与人协作互动，而且能够满足轴和孔之间间隙配合和过盈配合时的装配要求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种轴类件装配协作机器人系统，包括工作台和机械臂，所述机械臂上安装设有用于将轴类件装配至对应的孔内的末端执行器，所述工作台的一侧设有用于存放轴类件的料仓，所述工作台上设有用于装夹待装配轴类件的工件的装夹工装、用于实时检测所述装夹工装上是否装夹有工件的第一工业相机和用于检测人体位置和末端执行器位置的激光扫描仪；

所述末端执行器包括执行器本体，所述执行器本体的前端设有装配气缸，所述装配气缸的活塞杆延伸伸出所述执行器本体的前端之外；所述执行器本体的后端设有用于控制所述装配气缸做捶打运动的阀组；

所述阀组包括两个捶打控制阀，所述捶打控制阀包括阀体，所述阀体内套装设有与其旋转配合的阀芯；

所述阀体上设有第一进油口、第二进油口、第一回油口和第二回油口，所述第一进油口和第二进油口的轴线均位于所述阀体的同一个径向截面上，所述第一回油口和第二回油口的轴线均位于所述阀体的同一个径向截面上；

所述阀芯包括阀芯轴，所述阀芯轴上设有第一阀芯套和第二阀芯套，所述第一阀芯套和第二阀芯套与所述阀芯轴之间分别设有环形槽；所述第一阀芯套上设有第一进油沟槽和第二进油沟槽，且当所述第一进油沟槽与所述第一进油口相连通时，所述第二进油沟槽与所述第二进油口相连通；所述第二阀芯套上设有第一回油沟槽和第二回油沟槽，且当所述第一回油沟槽与所述第一回油口相连通时，所述第二回油沟槽与所述第二回油口相连通；且当所述第一进油沟槽与所述第一进油口之间连通时，所述第一回油沟槽与所述第一回油口之间断开；当所述第一回油沟槽与所述第一回油口之间连通时，所述第一进油沟槽与所述第一进油口之间断开；

两个所述捶打控制阀中，当其中一个所述捶打控制阀的第一进油沟槽与所述第一进油口之间连通时，另一个所述捶打控制阀的第一回油沟槽与所述第一回油口之间连通；当其中一个所述捶打控制阀的第一回油沟槽与所述第一回油口之间连通时，另一个所述捶打控制阀的第一进油沟槽与所述第一进油口之间连通；

所述执行器本体内设有用于连通两个所述捶打控制阀的第一进油口的进油通道和用于连通两个所述捶打控制阀的第一回油口的回油通道；其中一个所述捶打控制阀的第二进油口和第二回油口均与所述装配气缸的无杆腔相连通，另一个所述捶打控制阀的第二进油口和第二回油口均与所述装配气缸的有杆腔相连通；

所述阀芯的一端设有花键槽，所述花键槽内套装设有与其单自由度滑动配合的传动杆，所述执行器本体内安装设有用于驱动所述阀芯沿着所述传动杆轴向移动的直线电机，所述执行器本体内设有用于驱动两根所述传动杆同步转动的驱动机构。

进一步，所述驱动机构包括固定安装在所述执行器本体内的减速电机，所述减速电机的输出轴上设有主动齿轮，两根所述传动杆上分别设有与所述主动齿轮啮合的被动齿轮，且两个所述被动齿轮与所述主动齿轮之间的传动比相等。

进一步，所述执行器本体内设有用于连通所述装配气缸的无杆腔与其中一个所述捶打控制阀的第二进油口和第二回油口的第一连通通道和用于连通所述装配气缸的有杆腔与另一个所述捶打控制阀的第二进油口和第二回油口的第二连通通道。

进一步，所述花键槽设置在所述阀芯的后端；所述花键槽的外周壁上设有径向向外延伸的轴环，所述直线电机的输出轴上设有与所述轴环配合的拨叉。

进一步，所述执行器本体的后端设有后端盖，所述后端盖的后端面上设有用于与协作机器人连接的连接头。

进一步，所述执行器本体的前端设有前端盖，所述前端盖上与所述装配气缸的活塞杆对应设有通孔。

进一步，所述前端盖的一侧固定安装设有手指气缸，所述手指气缸的两个手指上分别安装设有夹持臂，两个所述夹持臂相向的一面对应设有夹持槽，且当两个所述夹持槽闭合时形成与所述装配气缸的活塞杆同轴并用于夹持轴类件的夹持孔。

进一步，所述前端盖的另一侧固定安装设有用于实时采集轴类件装配图像的第二工业相机。

进一步，所述装配气缸的活塞杆上安装设有捶打头。

进一步，属于同一个所述捶打控制阀的第一进油口和第二进油口的轴线共轴，属于同一个所述捶打控制阀的第一回油口和第二回油口的轴线共轴，且属于同一个所述捶打控制阀的第一进油口的轴线与所述第一回油口的轴线位于所述阀体的同一个轴向截面上；所述第一进油沟槽和第二进油沟槽环形均设置在所述第一阀芯套的同一个径向方向上，所述第一回油沟槽和第二回油沟槽环形均布设置在第二阀芯套的同一个径向方向上，且在所述阀芯的轴向视图方向上，所述第一进油沟槽和第二进油沟槽所在的径向方向与所述第一回油沟槽和第二回油沟槽所在的径向方向垂直。

本发明的有益效果在于：

本发明的轴类件装配协作机器人系统的协作过程如下：当第一工业相机检测到装夹工装上装夹有工件时，机械臂动作并夹取放置在料仓内的轴类件，并利用末端执行器将该轴类件装配到工件内；轴类件装配完成后，操作人员将工件取下，此时第一工业相机检测到装夹工装上未装夹工件，机械臂不动作；待操作人员将新的待装配轴类件的工件装夹到装夹工装上后，第一工业相机检测到装夹工装上装夹有工件，重复轴类件装配动作；通过在工作台上设置激光扫描仪检测人体和机械臂的位置，当操作人员与机械臂及末端执行器之间的间距小于设定阈值时，机械臂动作避开人体位置，防止对操作人员造成伤害；

具体的，末端执行器的原理如下：利用直线电机分别调节两个捶打控制阀的阀芯轴向移动，进而调节两个捶打控制阀的第一进油沟槽和第一进油口之间的过流面积大小，且同一个捶打控制阀的第二进油沟槽和第二进油口之间的过流面积、第一回油沟槽和第一回油口之间的过流面积以及第二回油沟槽和第二回油口之间的过流面积均与第一进油沟槽和第一进油口之间的过流面积相等(以下简称过流面积)；如此，两个捶打控制阀的过流面积可以实现单独调节的技术目的；

当轴类件与孔过盈配合需要捶打轴类件装配时，利用直线电机调节第二进油口和第二回油口均与装配气缸的无杆腔相连的捶打控制阀的过流面积a1与无杆腔横截面积s1之间的比值大于第二进油口和第二回油口均与装配气缸的有杆腔相连的捶打控制阀的过流面积a2与有杆腔横截面积s2之间的比值，即a1/s1＞a2/(s1-s0)，其中，s2＝s1-s0，s0为活塞杆的横截面积，如此，当与无杆腔相连的捶打控制阀的第一进油口与第一进油沟槽相连通时，与有杆腔相连的捶打控制阀的第一回油口与第一回油沟槽相连通，此时装配气缸的无杆腔进油，有杆腔回油，活塞杆向前移动，捶打轴类件；驱动机构驱动阀芯转动，当与无杆腔相连的捶打控制阀的第一回油口与第一回油沟槽相连通时，与有杆腔相连的转动控制发的第一进油口与第一进油沟槽相连通，此时装配气缸的无杆腔回油，有杆腔进油，活塞杆向后移动，即活塞杆在一次捶打后回缩；且活塞杆向前捶打的行程大于回缩的行程，如此，驱动机构驱动阀芯继续转动，活塞杆可一次次向前捶打轴类件，直至轴类件完全装配到对应的孔内，实现轴类件捶打式装配的技术目的；

当轴类件与孔间隙配合时，直接控制与无杆腔相连的捶打控制阀的第一进油口与第一进油沟槽相连通，与有杆腔相连的捶打控制阀的第一回油口与第一回油沟槽相连通，此时装配气缸的无杆腔进油，有杆腔回油，活塞杆向前移动，直接将轴类件装配至孔内；当然，此时也可以采用捶打式装配，其原理与过盈配合时相当，不再累述；

综上可知，本发明的轴类件装配协作机器人系统，可以实现人机协同作业的技术目的，并可以如传统的轴销装配机构一样满足间隙配合的轴类件的装配，且通过设置阀组控制装配气缸做捶打式运动，也可模拟人工捶打动作，满足过盈配合的轴类件装配的技术目的。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明轴类件装配协作机器人系统实施例的结构示意图；

图2为末端执行器的结构示意图；

图3为图2的a详图。

附图标记说明：

1-执行器本体；2-装配气缸；3-捶打控制阀；4-阀体；5-阀芯；6-第一进油口；7-第二进油口；8-第一回油口；9-第二回油口；10-第一阀芯套；11-第二阀芯套；12-进油通道；13-回油通道；14-花键槽；15-传动杆；16-直线电机；17-减速电机；18-主动齿轮；19-被动齿轮；20-第一连通通道；21-第二连通通道；22-轴环；23-拨叉；24-后端盖；25-连接头；26-前端盖；27-手指气缸；28-夹持臂；29-捶打头；30-工作台；31-机械臂；32-料仓；33-装夹工装；34-第一工业相机；35-激光扫描仪；36-第二工业相机；37-末端执行器；轴类件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明轴类件装配协作机器人系统实施例的结构示意图。本实施例的轴类件装配协作机器人系统，包括工作台30和机械臂31，机械臂31上安装设有用于将轴类件38装配至对应的孔内的末端执行器37，工作台30的一侧设有用于存放轴类件的料仓32，工作台30上设有用于装夹待装配轴类件的工件的装夹工装33、用于实时检测装夹工装33上是否装夹有工件的第一工业相机34和用于检测人体位置和末端执行器位置的激光扫描仪35。本实施例的激光扫描仪35在30上分散设置为多个，以避免存在扫描死角，本实施例的激光扫描仪35设置为两个，并分别位于工作台30的两侧。

本实施例的末端执行器包括执行器本体1，执行器本体1的前端设有装配气缸2，装配气缸2的活塞杆延伸伸出执行器本体1的前端之外，装配气缸2的活塞杆上安装设有捶打头29，实现对轴类件捶打装配的技术目的。执行器本体1的后端设有用于控制装配气缸2做捶打运动的阀组。阀组包括两个捶打控制阀3，捶打控制阀3包括阀体4，阀体4内套装设有与其旋转配合的阀芯5。

阀体4上设有第一进油口6、第二进油口7、第一回油口8和第二回油口9，第一进油口6和第二进油口7的轴线均位于阀体4的同一个径向截面上，第一回油口8和第二回油口9的轴线均位于阀体4的同一个径向截面上。

阀芯5包括阀芯轴，阀芯轴上设有第一阀芯套10和第二阀芯套11，第一阀芯套10和第二阀芯套11与阀芯轴之间分别设有环形槽；第一阀芯套10上设有第一进油沟槽和第二进油沟槽，且当第一进油沟槽与第一进油口6相连通时，第二进油沟槽与第二进油口7相连通；第二阀芯套11上设有第一回油沟槽和第二回油沟槽，且当第一回油沟槽与第一回油口8相连通时，第二回油沟槽与第二回油口9相连通；且当第一进油沟槽与第一进油口6之间连通时，第一回油沟槽与第一回油口8之间断开；当第一回油沟槽与第一回油口8之间连通时，第一进油沟槽与第一进油口6之间断开。

两个捶打控制阀3中，当其中一个捶打控制阀3的第一进油沟槽与第一进油口6之间连通时，另一个捶打控制阀3的第一回油沟槽与第一回油口8之间连通；当其中一个捶打控制阀3的第一回油沟槽与第一回油口8之间连通时，另一个捶打控制阀3的第一进油沟槽与第一进油口6之间连通。

执行器本体1内设有用于连通两个捶打控制阀3的第一进油口6的进油通道12和用于连通两个捶打控制阀3的第一回油口8的回油通道13；其中一个捶打控制阀3的第二进油口7和第二回油口9均与装配气缸2的无杆腔相连通，另一个捶打控制阀3的第二进油口7和第二回油口9均与装配气缸2的有杆腔相连通。具体的，本实施例的执行器本体1内设有用于连通装配气缸2的无杆腔与其中一个捶打控制阀3的第二进油口7和第二回油口9的第一连通通道20和用于连通装配气缸2的有杆腔与另一个捶打控制阀3的第二进油口7和第二回油口9的第二连通通道21。

阀芯5的一端设有花键槽14，花键槽14内套装设有与其单自由度滑动配合的传动杆15，执行器本体1内安装设有用于驱动阀芯5沿着传动杆15轴向移动的直线电机16，执行器本体1内设有用于驱动两根传动杆15同步转动的驱动机构。本实施例的驱动机构包括固定安装在执行器本体1内的减速电机17，减速电机17的输出轴上设有主动齿轮18，两根传动杆15上分别设有与主动齿轮18啮合的被动齿轮19，且两个被动齿轮19与主动齿轮18之间的传动比相等。具体的，本实施例的花键槽14设置在阀芯5的后端，花键槽14的外周壁上设有径向向外延伸的轴环22，直线电机16的输出轴上设有与轴环配合的拨叉23，直线电机16驱动拨叉23沿着阀芯5的轴向移动，进而驱动阀芯5沿其轴向移动，实现调节第一进油口和第一进油沟槽之间的过流面积大小的技术目的。

进一步，执行器本体1的后端设有后端盖24，后端盖24的后端面上设有用于与协作机器人连接的连接头25。执行器本体1的前端设有前端盖26，前端盖26上与装配气缸2的活塞杆对应设有通孔。本实施例的前端盖26上固定安装设有手指气缸27，手指气缸27的两个手指上分别安装设有夹持臂28，两个夹持臂28相向的一面对应设有夹持槽，且当两个夹持槽闭合时形成与装配气缸2的活塞杆同轴并用于夹持轴类件的夹持孔，用于夹持轴类件，并在轴类件装配过程中，实现对轴类件轴向运动的导向作用。前端盖26上固定安装设有用于实时采集轴类件装配图像的第二工业相机36，用于检测轴类件装配状态。

具体的，本实施例属于同一个捶打控制阀3的第一进油口6和第二进油口7的轴线共轴，属于同一个捶打控制阀3的第一回油口8和第二回油口9的轴线共轴，且属于同一个捶打控制阀3的第一进油口6的轴线与第一回油口8的轴线位于阀体4的同一个轴向截面上；第一进油沟槽和第二进油沟槽环形均设置在第一阀芯套10的同一个径向方向上，第一回油沟槽和第二回油沟槽环形均布设置在第二阀芯套11的同一个径向方向上，且在阀芯5的轴向视图方向上，第一进油沟槽和第二进油沟槽所在的径向方向与第一回油沟槽和第二回油沟槽所在的径向方向垂直，如此，当阀芯5转动一周过程中，第一进油口和第二进油口可连通两次，同理，第一回油口和第二回油口也可连通两次，效率更高。

本实施例的轴类件装配协作机器人系统的协作过程如下：当第一工业相机检测到装夹工装上装夹有工件时，机械臂动作并夹取放置在料仓内的轴类件，并利用末端执行器将该轴类件装配到工件内；轴类件装配完成后，操作人员将工件取下，此时第一工业相机检测到装夹工装上未装夹工件，机械臂不动作；待操作人员将新的待装配轴类件的工件装夹到装夹工装上后，第一工业相机检测到装夹工装上装夹有工件，重复轴类件装配动作；通过在工作台上设置激光扫描仪检测人体和机械臂的位置，当操作人员与机械臂及末端执行器之间的间距小于设定阈值时，机械臂动作避开人体位置，防止对操作人员造成伤害；

具体的，末端执行器的原理如下：利用直线电机分别调节两个捶打控制阀的阀芯轴向移动，进而调节两个捶打控制阀的第一进油沟槽和第一进油口之间的过流面积大小，且同一个捶打控制阀的第二进油沟槽和第二进油口之间的过流面积、第一回油沟槽和第一回油口之间的过流面积以及第二回油沟槽和第二回油口之间的过流面积均与第一进油沟槽和第一进油口之间的过流面积相等(以下简称过流面积)；如此，两个捶打控制阀的过流面积可以实现单独调节的技术目的；

当轴类件与孔过盈配合需要捶打轴类件装配时，利用直线电机调节第二进油口和第二回油口均与装配气缸的无杆腔相连的捶打控制阀的过流面积a1与无杆腔横截面积s1之间的比值大于第二进油口和第二回油口均与装配气缸的有杆腔相连的捶打控制阀的过流面积a2与有杆腔横截面积s2之间的比值，即a1/s1＞a2/(s1-s0)，其中，s2＝s1-s0，s0为活塞杆的横截面积，如此，当与无杆腔相连的捶打控制阀的第一进油口与第一进油沟槽相连通时，与有杆腔相连的捶打控制阀的第一回油口与第一回油沟槽相连通，此时装配气缸的无杆腔进油，有杆腔回油，活塞杆向前移动，捶打轴类件；驱动机构驱动阀芯转动，当与无杆腔相连的捶打控制阀的第一回油口与第一回油沟槽相连通时，与有杆腔相连的转动控制发的第一进油口与第一进油沟槽相连通，此时装配气缸的无杆腔回油，有杆腔进油，活塞杆向后移动，即活塞杆在一次捶打后回缩；且活塞杆向前捶打的行程大于回缩的行程，如此，驱动机构驱动阀芯继续转动，活塞杆可一次次向前捶打轴类件，直至轴类件完全装配到对应的孔内，实现轴类件捶打式装配的技术目的；

当轴类件与孔间隙配合时，直接控制与无杆腔相连的捶打控制阀的第一进油口与第一进油沟槽相连通，与有杆腔相连的捶打控制阀的第一回油口与第一回油沟槽相连通，此时装配气缸的无杆腔进油，有杆腔回油，活塞杆向前移动，直接将轴类件装配至孔内；当然，此时也可以采用捶打式装配，其原理与过盈配合时相当，不再累述；

综上可知，本实施例的轴类件装配协作机器人系统，可以实现人机协同作业的技术目的，并可以如传统的轴销装配机构一样满足间隙配合的轴类件的装配，且通过设置阀组控制装配气缸做捶打式运动，也可模拟人工捶打动作，满足过盈配合的轴类件装配的技术目的。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。