静音针刺机器人的制作方法

本实用新型涉及短丝纤维针刺成型技术领域，尤其是一种静音针刺机器人。

背景技术：

当前国内外的异形短丝碳纤维制品，主要采用有两种方方法针刺，一种为弹射法针刺编织，另一种为固定针位法针刺。

弹射法针刺编织：具体来说，将异形编织品固定在回转平台上，驱动回转平台转动，实现碳纤维制品回转运动，将弹射枪安装在可90°转动的机架上，从弹射枪中弹射出针刺头刺向并刺入碳纤维制品，待异形碳纤维制品完成针刺后，取下产品，之后将刺有刺针的橡皮用机械手一根一根的拨出，这种弹射针刺法的好处是基本不需要调整弹射距离，可制成多规格制品，针孔也较为规整，但是其不足之处在于，针刺过程只有一个方向，没有反向针刺削弱了针刺形成的结合力，另外针刺拔取费时费力；

固定针位法针刺，具体说，它将待刺异形编织品固定在回转平台上，驱动回转平台转动，异形编织品随回转平台一并转动，针刺头安装在可90°回转的回转头上，这个回转头又安装在可水平及上下移动的横梁上，通过调整横梁的位置，使针刺头与异形编织品的距离在针刺的工作行程内，然后调整针刺头的针刺方向，进行针刺，刺针刺入及拔出异形编织品时，编织品仍在回转，导致编织品上针刺的孔形是2-3倍针形的腰形孔(依据回转平台回转速度不同，腰型孔的大小有差异)。这种针刺法的优点是，在刺针刺入及拔出过程中，从正反两个方向针刺异形编织品，虽然增强了针刺的结合力，不足的是针刺孔不是针形孔而是2-3倍针形的腰形孔，这种2-3倍针形的腰形孔的形成，这种大针孔增大了后期增强处理的难度，也降低了碳纤维织品的整体强度。

为此，中国专利201710609761.0公开了一种等静压联动三维针刺编织机，其主要解决的“弹射法针刺编织”存在“针刺过程只有一个方向，没有反向针刺削弱了针刺形成的结合力，另外刺针拔取费时费力”的问题，也解决了“固定针位法针刺”存在的“在刺针刺入及拔出异形编织品时，编织品仍在回转，导致编织品上针刺的孔形是2-3倍针形的腰形孔(依据回转平台回转速度不同，腰型孔的大小有差异)，这种2-3倍针形的腰形孔的形成，这种大针孔增大了后期增强处理的难度，也降低了碳纤维织品的整体强度”的问题。

但是其采用四杆机构实行回转运动转化为直线往复运动，四杆机构运行时存在原生性振动问题，影响三维针刺横梁导轨的运行精度和运行寿命；另外每次针刺过程的时间是固定的，回转平台的步进周期固定，回转平台的转速固定，导致离回转平台中心距离越远针刺孔越稀疏(针刺板间距变大)的现象：如果在针刺内圈针刺孔均匀合适时，那么针刺外圈时，针刺孔(针板)间的距离就会超出预期；反之，如果在针刺外圈针刺孔均匀合适时，那么针刺内圈时，针刺孔(针板)就会出现大量及部分重叠的现象；

而中国专利201810120214.0所公开的一种基于伺服针刺单元的机器人针刺设备，其主要采用的是普通车床刀架的溜刀板结构，这个结构的特点是零件多，重量大，使得驱动溜刀板结构的伺服电机的输出功率增大，伺服电机系统重量及转动惯量增大，影响了机器人运动的灵活性和敏捷性。

针对于此，本实用新型旨在对现有针刺机的“振动问题”、“针刺孔不均匀问题”以及机器人运动的灵活性和敏捷性进行改进，并解决这些问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术中针刺机的振动及针刺出的制品其针刺孔不均匀及机器手运动的灵活性与敏捷性的问题，现提供一种静音针刺机器人。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种静音针刺机器人，包括机械手、针刺组件及回转工作台组件；

所述机械手包括立柱、上臂及下臂，所述立柱上设有肩部电机，所述上臂的上端与肩部电机的输出端传动连接，所述上臂的下端设有手肘电机，所述手肘电机的输出端与下臂的上端传动连接，所述下臂的下端设有手腕电机；

所述针刺组件包括针刺电机、电动缸及针刺板，所述电动缸包括外壳、丝杆及螺母，所述外壳与手腕电机的输出端传动连接，所述针刺电机的输出端与丝杆传动连接，所述丝杆转动设置在外壳内，所述螺母沿丝杆的轴线方向滑动设置在外壳内，且与丝杆螺纹传动连接，所述针刺板通过推杆与螺母固定连接；

所述回转工作台组件设置在机械手的侧方，所述回转工作台组件包括平台、工作台电机及工作台关节，所述工作台关节转动设置在平台上，所述工作台电机的输出端与工作台关节传动连接。

本方案中巧妙的利了用立柱、上臂及下臂组成结构简单的机械手，实现机械手的轻量化设计，并由该机械手带动针刺组件移动；同时针刺组件由电动缸带动针刺板沿直线方向往复运动，解决了四杆机构的原生性的振动和冲击，延长了使用寿命，降低了工厂生产中的噪声，改善了工厂的工作环境。

进一步地，所述丝杆为滚珠丝杆，所述螺母为滚珠丝杆螺母，采用滚珠丝杆和滚珠丝杆螺母的配合可以使传动更加精密，运行平稳，静音效果更佳。

为了使丝杆转动时螺母沿直线移动，因此需要设计螺母的防转结构，螺母的防转结构可采用左右夹紧式，进一步地，所述螺母的外周壁上开设有导向平面，所述外壳内具有与所述导向平面相配合的导向条，所述导向条贴紧在导向平面上。

进一步地，所述导向平面有两个且相互对称设置。

另外螺母的防转结构也可采用单边卡紧式，进一步地，所述螺母的外周壁上开设有导向槽，所述外壳内具有与所述导向槽相匹配的导向条，所述导向条通过调整垫卡紧在导向槽内。

进一步地，所述外壳的两端分别固定有支撑座及丝杆轴承座，所述丝杆穿过丝杆轴承座内的轴承与针刺电机的输出端通过联轴器连接，所述推杆穿过支撑座后固定在螺母上，所述丝杆远离针刺电机的一端固定有浮动座，所述浮动座支撑在推杆的内部，所述推杆位于外壳外的端部与针刺板固定连接；

采用丝杆轴承座及支撑座将外壳封闭，可具有防尘作用，保持丝杆的光洁，从而维持螺母与丝杆之间螺纹传动的灵活性，同时浮动座支撑在推杆的内部，可提高推杆直线往复运行的精度。

进一步地，所述肩部电机的输出端与肩部减速机的输入端传动连接，所述肩部减速机的输出端与上臂的上端传动连接，所述肩部减速机固定在立柱上，所述手肘电机的输出端与手肘减速机的输入端传动连接，所述手肘减速机的输出端与下臂的上端传动连接，所述手肘减速机固定在上臂上，所述手腕电机的输出端与手腕减速机的输入端传动连接，所述手腕减速机的输出端与外壳传动连接，所述手肘减速机固定在下臂上，所述工作台电机的输出端与工作台减速机的输入端传动连接，所述工作台减速机的输出端与工作台关节传动连接，所述工作台减速机固定在平台上。

进一步地，所述立柱、上臂及下臂上均设有受力关节，所述受力关节包括关节轴承座、轴向定位在关节轴承座内的轴承及连接轴，所述连接轴穿过其所在关节轴承座内的轴承，所述连接轴轴向定位在关节轴承座内，位于立柱上的受力关节中的关节轴承座固定在立柱上，所述肩部减速机的输出端通过立柱上受力关节中的连接轴与上臂固定连接，位于上臂上的受力关节中的关节轴承座固定在上臂上，所述手肘减速机的输出端通过上臂上受力关节中的连接轴与下臂固定连接，位于下臂上的受力关节中的关节轴承座固定在下臂上，所述手腕减速机的输出端通过下臂上受力关节中的连接轴与外壳固定连接；

利用受力关节改善了减速机输出轴的受力状态，分离出了减速机的轴向受力，使减速机输出轴只承受径向力，减小了减速器输出轴的受力，降低了减速机输出轴的规格和惯性力矩，使得机器手臂的运行快捷迅速。

进一步地，所述肩部电机、手肘电机、手腕电机及工作台电机均采用伺服电机；通过采用伺服电机，可利用其自带的编码器计数，实现位置控制和运行速度控制，而不需要再配置位移传感器、限位器、A/D转换接口及D/A转换接口，这样减少了电气系统的元件数量和中间环节，不仅减低了电气系统的配制成本，还提升了电气控制系统的可靠性，同时不仅可以获得极高的定位精度及重复定位精度，还可以实现数字控制。

本实用新型还提供一种静音针刺机器人的恒弧长联动控制方法，首先将待针刺制品固定在工作台关节上，然后将待针刺制品的尺寸输入到控制器中，控制器根据所输入的待针刺制品的尺寸将待针刺制品分成m个针刺圈依次进行针刺；

针刺过程为：控制器控制机械手将针刺板移动至工作台关节上的待针刺制品的一个针刺圈处；接着由控制器控制针刺电机带动针刺板做直线往复运动，对待针刺制品进行周期针刺；每个针刺板的周期针刺均包括刺入待针刺制品和退出待针刺制品，针刺板刺入待针刺制品时，工作台关节停止转动；针刺板退出待针刺制品后，工作台关节转动到下一个工位；当处于当前针刺圈的针刺板相对工作台关节回转一圈后，机械手将针刺板移动至待针刺制品的下一个针刺圈，以此循环，直到完成对待针刺制品上m个针刺圈的全部针刺；

其中，保持每次工作台电机带动工作台关节转动到下一个工位的时间t固定，维持针刺板每次相对工作台关节上待针刺制品转动的弧长S恒定不变，工作台关节转动到一下个工位的角速度ω根据针刺板当前所在的针刺圈确定，工作台关节转动到一个工位的角速度的计算公式为S＝ω*t*r，r为针刺板当前所在针刺圈的半径。

本实用新型的有益效果是：本实用新型静音针刺机器人用于仿生人工针刺的动作，其巧妙的利用了立柱、上臂及下臂组成结构简单的机械手，实现机械手的轻量化设计，并由该机械手带动针刺组件移动；同时针刺组件由电动缸带动针刺板沿直线方向往复运动，解决了四杆机构的原生性的振动和冲击，延长了针刺组件的使用寿命，降低了工厂生产中的噪声；且该机器人整体所需零部件少，故障率低，便于维护，生产成本低；另外通过在针刺板处于不同半径的针刺圈时改变工作台关节的转速，以此维持针刺板每次相对工作台关节上待针刺制品转动的弧长S恒定不变，确保待针刺制品上所针刺出针孔相对均匀，提高针刺制品后续增强处理的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型静音针刺机器人的示意图；

图2是本实用新型静音针刺机器人中机械手与针刺组件的示意图；

图3是本实用新型静音针刺机器人中受力关节的示意图；

图4是本实用新型静音针刺机器人中针刺组件的剖视示意图；

图5是本实用新型静音针刺机器人中外壳与螺母的一种配合示意图；

图6是本实用新型静音针刺机器人中外壳与螺母的另一种配合示意图；

图7是本实用新型静音针刺机器人中回转工作台组件的示意图。

图中：1、机械手，10、受力关节，10-1、关节轴承座，10-2、连接轴，11、立柱，12、上臂，13、下臂，14、肩部电机，15、手肘电机，16、手腕电机，17、肩部减速机，18、手肘减速机，19、手腕减速机；

2、针刺组件，20、浮动座，21、外壳，21-1、导向条，21-2、耐磨层，21-3、调整垫，22、针刺电机，23、丝杆，24、螺母，24-1、导向平面，24-2、导向槽，25、针刺板，26、推杆，27、支撑座，28、丝杆轴承座，29、联轴器；

3、回转工作台组件，31、平台，32、工作台电机，33、工作台关节，34、工作台减速机；

4、针刺制品，5、控制器。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

实施例1

如图1所示，一种静音针刺机器人，包括机械手1、针刺组件2及回转工作台组件3；

如图2所示，所述机械手1包括立柱11、上臂12及下臂13，所述立柱11上设有肩部电机14，所述上臂12的上端与肩部电机14的输出端传动连接，所述上臂12的下端设有手肘电机15，所述手肘电机15的输出端与下臂13的上端传动连接，所述下臂13的下端设有手腕电机16；

如图2和4所示，所述针刺组件2包括针刺电机22电动缸及针刺板25，所述电动缸包括外壳21、丝杆23及螺母24，所述外壳21与手腕电机16的输出端传动连接，所述针刺电机22的输出端与丝杆23传动连接，所述丝杆23转动设置在外壳21内，所述螺母24沿丝杆23的轴线方向滑动设置在外壳21内，且与丝杆23螺纹传动连接，所述针刺板25通过推杆26与螺母24固定连接；

如图7所示，所述回转工作台组件3设置在机械手1的侧方，所述回转工作台组件3包括平台31、工作台电机32及工作台关节33，所述工作台关节33转动设置在平台31上，所述工作台电机32的输出端与工作台关节33传动连接。

具体实施时，上臂12的长度可设置成小于下臂13的长度。

所述丝杆23为滚珠丝杆，所述螺母24为滚珠丝杆螺母，采用滚珠丝杆和滚珠丝杆螺母的配合可以使传动更加精密，运行平稳，静音效果更佳。

如图5和6所示，为了使丝杆23转动时螺母24沿直线移动，因此需要设计螺母24的防转结构，鉴于此，本实施例可采用两种方案，其一为：螺母24的防转结构可采用左右夹紧式，所述螺母24的外周壁上开设有导向平面24-1，所述外壳21内具有与所述导向平面24-1相配合的导向条21-1，所述导向条21-1贴紧在导向平面24-1上，所述导向平面24-1有两个且相互对称设置，导向平面24-1和导向条21-1之间可设置材质为聚四氟乙烯的耐磨层21-2；其二为：螺母24的防转结构采用单边卡紧式，所述螺母24的外周壁上开设有导向槽24-2，所述外壳21内具有与所述导向槽24-2相匹配的导向条21-1，所述导向条21-1通过调整垫21-3卡紧在导向槽24-2内，同样导向条21-1与导向槽24-2的接触面之间可设置材质为聚四氟乙烯的耐磨层21-2，调整垫21-3的厚度以将导向条21-1及导向槽24-2卡紧为准。

如图4所示，所述外壳21的两端分别固定有支撑座27及丝杆轴承座28，所述丝杆23穿过丝杆轴承座28内的轴承与针刺电机22的输出端通过联轴器29连接，所述推杆26穿过支撑座27后固定在螺母24上，所述丝杆23远离针刺电机22的一端固定有浮动座20，所述浮动座20支撑在推杆26的内部，所述推杆26位于外壳21外的端部与针刺板25固定连接；

采用丝杆轴承座28及支撑座27将外壳21封闭，可具有防尘作用，保持丝杆23的光洁，从而维持螺母24与丝杆23之间螺纹传动的灵活性，同时浮动座20支撑在推杆26的内部，可提高推杆26直线往复运行的精度。

所述肩部电机14的输出端与肩部减速机17的输入端传动连接，所述肩部减速机17的输出端与上臂12的上端传动连接，所述肩部减速机17固定在立柱11上，所述手肘电机15的输出端与手肘减速机18的输入端传动连接，所述手肘减速机18的输出端与下臂13的上端传动连接，所述手肘减速机18固定在上臂12上，所述手腕电机16的输出端与手腕减速机19的输入端传动连接，所述手腕减速机19的输出端与外壳21传动连接，所述手肘减速机18固定在下臂13上，所述工作台电机32的输出端与工作台减速机34的输入端传动连接，所述工作台减速机34的输出端与工作台关节33传动连接，所述工作台减速机34固定在平台31上。

如图2和3所示，所述立柱11、上臂12及下臂13上均设有受力关节10，所述受力关节10包括关节轴承座10-1、轴向定位在关节轴承座10-1内的轴承及连接轴10-2，所述连接轴10-2穿过其所在关节轴承座10-1内的轴承，所述连接轴10-2轴向定位在关节轴承座10-1内，位于立柱11上的受力关节10中的关节轴承座10-1固定在立柱11上，所述肩部减速机17的输出端通过立柱11上受力关节10中的连接轴10-2与上臂12固定连接，位于上臂12上的受力关节10中的关节轴承座10-1固定在上臂12上，所述手肘减速机18的输出端通过上臂12上受力关节10中的连接轴10-2与下臂13固定连接，位于下臂13上的受力关节10中的关节轴承座10-1固定在下臂13上，所述手腕减速机19的输出端通过下臂13上受力关节10中的连接轴10-2与外壳21固定连接；

利用受力关节10提升机器人的运动刚性及运动灵活性，使减速机输出轴只受径向力作用，不再同时承受轴向力与径向力，减轻了减速器的受力，减小了减速器输出轴的大小，这样就减轻了减速机的重量，从而整体上减轻机器手的重量。

所述肩部电机14、手肘电机15、手腕电机16及工作台电机32均采用伺服电机；通过采用伺服电机，可利用其自带的编码器计数，实现位置控制和运行速度控制，而不需要再配置位移传感器、限位器、A/D转换接口及D/A转换接口，这样减少了电气系统的元件数量和中间环节，不仅减低了电气系统的配制成本，还提升了电气控制系统的可靠性，同时不仅可以获得极高的定位精度及重复定位精度，还可以实现数字控制。

上述静音针刺机器人通过肩部电机14经肩部减速机17减速后带动上臂12转动，手肘电机15经手肘减速机18减速后带动下臂13转动，手腕电机16经手腕减速机19减速后带动针刺组件2转动，上臂12的转动中心线、下臂13的转动中心线及针刺组件2的转动中心线相互平行，针刺电机22带动丝杆23转动，从而由丝杆23螺纹传动给其上的螺母24，螺母24沿丝杆23的轴线方向产生位移，并由螺母24通过推杆26实现针刺板25的往复针刺，针刺板25每针刺一下，工作台电机32会经工作台减速机34的减速后带动工作台关节33上的针刺制品4转动一定角度。

本实用新型还提供一种静音针刺机器人的恒弧长联动控制方法，首先将待针刺制品4固定在工作台关节33上，然后将待针刺制品4的尺寸输入到控制器5中，控制器5根据所输入的待针刺制品4的尺寸将待针刺制品4分成m个针刺圈依次进行针刺；

针刺过程为：控制器5控制机械手1将针刺板25移动至工作台关节33上的待针刺制品4的一个针刺圈处；接着由控制器5控制针刺电机22带动针刺板25做直线往复运动，对待针刺制品4进行周期针刺；每个针刺板25的周期针刺均包括刺入待针刺制品4和退出待针刺制品4，针刺板25刺入待针刺制品4时，工作台关节33停止转动；针刺板25退出待针刺制品4后，工作台关节33转动到下一个工位；当处于当前针刺圈的针刺板25相对工作台关节33回转一圈后，机械手1将针刺板25移动至待针刺制品4的下一个针刺圈，以此循环，直到完成对待针刺制品4上m个针刺圈的全部针刺；

其中，保持每次工作台电机32带动工作台关节33转动到下一个工位的时间t固定，维持针刺板25每次相对工作台关节33上待针刺制品4转动的弧长S恒定不变，工作台关节33转动到一下个工位的角速度ω根据针刺板25当前所在的针刺圈确定，工作台关节33转动到一个工位的角速度的计算公式为S＝ω*t*r，r为针刺板25当前所在针刺圈的半径。

该恒弧长联动控制方法利用在针刺板25处于不同半径的针刺圈时改变工作台关节33的转速，以此维持针刺板25每次相对工作台关节33上待针刺制品4转动的弧长S恒定不变，确保待针刺制品4上所针刺出针孔相对均匀，提高针刺制品4后续增强处理的效果。

上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。