一种工业机器人用末端柔性补偿装置的制作方法

本发明涉及一种误差补偿装置，特别是涉及一种工业机器人用的高精度柔性补偿装置，属于机械制造装备领域。

背景技术：

工业机器人近年来应用越来越广泛，在装配、上下料、抓取等领域中工业机器人取代人做着重复而繁杂的工作，但是它却没有人手臂的灵活性——能实现装配或上下料时的柔性控制，使得工件和末端执行器之间默契配合的同时又不损伤执行件和工件。此外，由于加工装配误差及电机误差的影响，工业机器人在在精密定位时还存在较大误差。为此，亟需开发能够补偿机器人末端定位误差的柔性补偿装置。

要实现机器人末端的准确定位，柔性执行功能，除了x向、y向、倾斜、旋转等方向角度的精度补偿技术指标要求外，补偿器执行动作完成后的对中性也要高，这样才能保证机器人仍然遵循本体的运动轨迹与精度。现有补偿器分为主动控制补偿器和自适应补偿器两种。主动控制补偿器增加了检测机构和检测系统，用程序主动控制补偿器的移动距离或者角度来实现定位补偿。但主动控制补偿器系统复杂，成本较高。自适应补偿器通过柔性器件如弹簧、特定镂空形状的钢柱来实现执行末端与工件的被动式柔性接触，进而通过外力驱动实现主动控制。但现有自适应补偿器补偿范围小，柔性接触程度偏高。因此还需开发出更高性能的机器人末端柔性补偿装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种精度高、误差补偿范围大、对中性高、刚性好，且结构简单紧凑、制造方便，用于工业机器人的装配、抓取、上下料、堆垛等高精度自动化加工的柔性补偿装置。

为了解决上述问题设计一种工业机器人用末端柔性补偿装置，包括安装板、顶盖、活塞杆、压板、上框架、上连接板、下连接板、下框架、底板、下垫片、上垫片、下锥体、定位销、上锥体、钢珠、固定环、定位环、滑动杆、弹簧、活塞、密封圈，其特征是：所述活塞安装在顶盖中，所述顶盖中设置有进气通道通入气体推动活塞运动，所述活塞杆一端安装在活塞中，并穿过压板，另一端通过弹簧与上锥体固定连接，所述上框架与顶盖固定连接，所述滑动杆与压板固定连接，所述上连接板周向均布4个通孔使得滑动杆可上下移动，所述上框架与上连接板固定连接，所述固定环周向均布4个凹槽用以安装4个上垫片，所述下框架周向均布4个凹槽用以安装4个下垫片，所述4个钢珠安装在上垫片和下垫片之间，所述下连接板与上连接板、固定环相扣合，所述下连接板与下框架通过定位环相连接，所述下框架与底板固定连接，所述上锥体和下锥体需通过定位销相连接组成双圆锥连接体，所述上锥体安装在上连接板中，所述下椎体安装在下框架中，所述安装板与工业机器人末端相连接，所述底板与具体执行元件连接。

所述上连接板和下连接板采用榫卯结构半扣合，所述固定环与下连接板采用榫卯结构半扣合。

所述上锥体与上连接板的配合倾角，所述下锥体与下框架的配合倾角在0°～90°之间，具体配合角度可根据工况以及补偿要求调整圆锥腔和圆锥面的倾角，相应地还需调整上下连接板间的间隙以及上垫片、下垫片的凹槽倾角。

所述上垫片与钢珠、下垫片成组配合不限于4组，相应地滑动杆的数量和固定环上均布的凹槽数也需根据所配合组数调整。

所述固定环与下框架间不限于采用斜面配合，也可采用平面或球面配合。

采用上述技术方案的机器人用末端柔性补偿装置，采用反向双圆锥体和圆锥孔的配合结构，以及钢珠与垫片凹槽的配合结构，可同时实现执行末端xy向平移、倾斜、旋转各个方向角度的补偿，即满足执行末端与工件的柔性接触功能要求；采用气动驱动活塞与滑动柱压紧钢珠，可实现柔性补偿器的主动控制对中性要求；该装置主要零件为回转体结构，结构简单，加工方便。

采用上述技术方案的末端柔性补偿装置，与现有技术相比其优点和积极效果是显著的，主要体现在以下方面：

1.锥面补偿锁死结构。现有补偿器为了满足柔顺性要求，一般采取弹性补偿结构。但是弹性补偿结构弹性范围越大，越难锁死，且刚性不足，这就影响机器人抓取工件后执行动作稳定性。而本发明设置双圆锥体作为补偿结构，其不仅能实现平移，旋转，倾斜等方向角度的误差补偿，还可以作为与上下两部分相连的连接件。当装置处于锁死状态时，上圆锥体锁合以实现锁死和相应的技术要求。这种结构不仅简化了装置结构，而且还能有效地提升装置在锁死状态时的对中性和刚度。

2.定位钢珠结构。现有的产品中定位结构多为活塞杆上加形状各异的凸台用以实现定位，但是这种方式需要额外增加连接结构保证上下两部分的刚性和连接，结构复杂。也有采用钢珠结构作为装置的补偿结构，将整个装置设置为一体式气缸，但由于钢珠在垫片中受到纵向拉力(如重力)后易松脱，导致机器人抓取工件后刚性不足，故其承载小，而且单纯依靠钢珠配合结构补偿范围也小。而本技术方案将定位钢珠结构用以定位和锁死，活塞杆不仅可以锁死上圆锥面，还可将向下的压力传递到压板和定位钢珠的上垫片上，不仅通过钢珠配合结构实现一定范围的补偿移动，进而提高装置的柔性，而且更为重要的是在锁死状态过程中，定位钢珠结构可以快速对中并且辅助下锥体实现锥面配合，实现了装置锁死过程中的高对中性和高效性。

3.榫卯半扣合框架结构。受到柔性补偿器补偿结构和定位结构的运动限制，现有产品的框架仅仅是为了固定和防尘。有的产品直接用弹簧或者柔顺件进行装置上下两部分的连接，但这种方式不仅使得弹性的柔性补偿结构承载过大，降低了其使用寿命，而且误差补偿精度也会随着弹性件的逐渐失效而降低。本技术方案采用的榫卯半扣合框架，不仅可以实现装置在工作状态时的运动要求，且承载力和刚度都得以提升，而固定环和下框架之间的斜面配合实现了快速高效的轴向倾斜补偿，保证了柔性补偿装置在工作状态和锁死状态的高补偿精度和使用寿命。

综上所述，本发明设计新颖合理、结构简单、重量小、制造方便，符合市场化的产品要求，而且对中性好、刚度大、补偿精度高，特别适合作为工业机器人末端的误差辅助装置用于高精度装配工作，也可用于工业机器人的其它高精度工作工况例如抓取，上下料，堆垛等等。

附图说明

图1是本发明实例的主剖视图(即锥面补偿锁死结构与定位钢珠结构)。

图2是本发明图俯视图(即安装板与进气管位置分布)。

图3是本发明图2的a-a剖视图(即定位钢珠结构分布)。

图4是本发明图1的b-b剖视图(即榫卯半扣合结构)。

图5是本发明图1中的零件固定环16的俯视图。

附图1-3中：1——安装板，2——顶盖，3——活塞杆，4——压板，5——上框架，6——上连接板，7——下连接板，8——下框架，9——底板，10——下垫片，11——上垫片，12——下锥体，13——定位销，14——上锥体，15——钢珠，16——固定环，17——定位环，18——滑动杆，19——弹簧，20——活塞，21——密封圈。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作详细说明。

参见附图1，所述顶盖2与安装板1连接，所述活塞20安装在顶盖2中活塞孔中，所述活塞杆3一端安装在活塞20中，穿过上框架5和压板4后另一端通过弹簧19与上锥体14连接，所述上锥体14安装在上连接板6中，所述上连接板6与上框架5固定连接，所述上锥体14通过定位销13与下锥体12相连接组成双圆锥连接体，所述下锥体12安装在下框架8中，所述压板4通过活塞杆3上的凸肩传递动力，所述滑动杆18与压板4固定连接，所述上垫片11嵌入到上连接板6凹槽中并与通过滑动杆18传递运动，所述下垫片10嵌入到下框架8凹槽中，所述钢珠15安装在上垫片11和下垫片10内的凹槽中，所述固定环16与上连接板6固定连接，所述上连接板6与下连接板7相扣合，所述下连接板7和下框架8通过定位环17相连接，所述底板9与下框架8固定连接，所述顶盖2设置有通气孔，所述安装板1与机器人本体连接，所述底板9与具体执行器件连接。

参见附图1和图4，所述上连接板6和下连接板7采用榫卯结构半扣合，两个零件间留有一定间隙以同时保证装置上下两部分的连接强度和装置上下两部分间的相互移动。间隙根据具体工况和补偿范围确定，并与圆锥面的锥度、定位钢珠垫片凹槽的倾斜角度相配合实现补偿。固定环16与下框架8间采用斜面配合，该倾斜角度不限于2°，具体的斜面倾斜角度可以按照具体工况以及补偿要求进行调整。该斜面可保证流畅快速地对于轴向倾斜角度进行补偿，并在工况达到极限角度时保护装置。

参见附图1和图3，所述上锥体14与上连接板6的配合倾角，所述下锥体12与下框架8的配合倾角在0°～90°之间，配合倾角应方便加工，所给参考角度为60°。具体配合角度可根据工况以及补偿要求调整圆锥腔和圆锥面的倾角，相应地还需调整上下连接板间的间隙以及上垫片11、下垫片10的凹槽倾角。

参见附图4和图5，所述上垫片11与钢珠15、下垫片10成组配合并不限于4组，相应地滑动杆18的数量和固定环16上均布的凹槽数也需根据所配合组数调整。定位钢珠结构应当在下框架8中均布以均匀分散受力，且数量应大于等于4组。

本发明的工作原理简述于下：为了实现该柔性补偿装置的轻量化，采用气动元件来提供动力，通过推动活塞20及与之相连接的活塞杆3传递动力。开始接触工件时，不通入气体，末端执行器接触压入工件时便可以使气缸中的活塞20压入到顶盖2中活塞孔的底部。本装置主要的柔顺元件为上圆锥体14、下圆锥体12和弹簧19。上圆锥体14、下圆锥体12与其安装锥孔间设置有间隙，中间采用榫卯结构相契合，并使用过盈配合的胀紧定位销13固定连接。两头锥面的设计使其可以在腔内做倾斜、旋转、平移、垂直移动等运动。活塞杆3和上圆锥体14连接有弹簧19。主要的定位元件为钢珠15和上垫片11和下垫片10组成的配合结构，垫片压紧可以使得钢珠15对中定位。主要的连接结构为留有间隙的相扣结构。

当气缸中的活塞20处于放松状态，双圆锥体配合结构可在腔体中移动，垫片中的钢珠15也可在一定范围移动。当末端执行器收到工件的反馈力，双圆锥体配合结构和钢珠配合结构相互配合实现补偿要求。此时装置的上下两部分可实现所要求的平面x，y向移动，倾斜、绕z轴转动等方向角度的补偿；当气缸充气带动活塞20下压，活塞杆3压紧弹簧19并向下传递力使上圆锥体14压紧上连接板6的圆锥腔中，此时装置锁死。同时，活塞杆3带动机构压紧定位钢珠15的上垫片11，使得钢珠15对中锁死，进而带动下框架8中的圆锥孔压紧下锥体12，进一步锁死装置。该发明的优点在于承载力大，锁死时的刚性和对中性高。