气动机器人精加工工具的制作方法

相关申请

本申请要求2020年2月20日提交的美国专利申请16/795,673和2019年5月7日提交的美国临时专利申请62/844,459的优先权，其标题为“pneumaticroboticfinishingtool”，这两件申请的公开内容通过引用整体并入本文。

本发明总体上涉及机器人技术，并且尤其涉及具有众多机械特征的气动驱动的机器人精加工工具。

背景技术：

工业机器人已经成为现代制造中不可或缺的部分。机器人可以在恶劣的环境中不懈地执行许多制造任务，并且具有很高的精度和可重复性。

机器人系统的许多部件，如机器人工具以及将机器人工具与机器人臂相接的机器人工具更换器，是气动驱动的。可以由基础设备可靠且廉价地提供具有所需压力、湿度等的大量压缩空气。压缩空气不是易燃的或有毒的，它没有电击危险，也不产生废品。然而，传统的气动机器人工具有许多缺陷。

机器人用以成形或加工工件的可编程参数之一是所施加的力的程度。例如，在磨削、研磨、抛光、去毛刺和类似的材料去除操作中，机器人用以将诸如研磨机或抛光轮的工具压入工件的力是正确操作的重要参数。另外，机器人工具需要一定的柔度或在有限范围内的运动自由度，以适应工件的表面拓扑结构(topology)。尽管复杂的主动力控制系统在本领域中是已知的，但对于许多精加工操作如精密控制而言并不是必需的–通过被动力控制可以实现足够的性能。如本文中所使用的，被动力控制系统在整个机器人精加工操作中试图维持工具施加到工件的预设压力或力。在许多情况下，被动力控制系统的主要目标之一仅是抵消或支撑工具的重量。

通过气动活塞支撑工具的重量在本领域中是已知的。这种构造允许通过调节活塞中的压力来设定施加到工件的力。另外，活塞后面的空气是可压缩的，并提供一定程度的自然柔度。然而，传统的气动活塞很大，并且增加了“堆叠高度”或机器人工具在机器人臂与工件之间的长度。

另外，将气动活塞用于被动力控制和柔度的机器人工具必然具有“伸缩”动作，其中工具的长度随着其经历的柔度而变化。由于砂磨机或研磨机周围空气中的灰尘和其他微粒数量非常大，因此工具通常被密封，例如通过使用o形环或柔性密封特征。然而，这产生了相对于其周围空气的有效的第二活塞，该第二活塞抵消了由工具壳体内形成的压力或真空导致的所期望的柔度运动。另一方面，未密封的工具体在很大程度上消除了该反作用力，其允许灰尘和污染物进入工具壳体，这带来了清洁和维护问题，并且可能会干扰工具操作或加速磨损。

气动驱动的马达的另一个已知问题是在向它们供应压缩空气的同时要隔离由气动流体供应和排放管路引起的任何冲击、扭矩、拉力等。图1a和1b示出本领域中已知的气动机器人工具的两个示例。图1a示出去毛刺工具10。如该局部剖视立体图中所示，去毛刺工具10包括壳体12，壳体12容纳气动马达14。气动马达14驱动轴16，轴16使磨轮或可以安装在轴16的端部处的卡盘18中的其他工具旋转。气动流体通过刚性地附接到马达14的接头20供应到马达14。

图1b示出钻孔器30。类似于图1a的去毛刺工具10，钻孔器30包括壳体32，壳体32容纳气动马达34。气动马达34驱动轴36，轴36使钻头或可以安装在轴36的端部处的卡盘38中的其他工具旋转。钻头30表现出轴向柔度，因为在壳体32保持在机器人臂的末端的固定位置的同时，马达34、轴36和卡盘38可以轴向上移动(靠近或远离工件)。双导向销31在使马达34在壳体32内保持居中的同时促进该柔度。柔性保护罩33将随马达34移动的端板35连接到壳体32，以防止灰尘、碎屑等进入壳体32的内部。气动流体通过刚性地附接到马达34的接头40供应到马达34。空气通过消声器42排出。注意，双引导销31平行于马达34，为钻头30提供一些轴向运动；这些导向销31不是气动活塞。

在这两种情况下，气动流体供应接头20、40刚性地附接到相应的气动马达14、34。如果接头20、40或与其钩连的气动流体管路在使用期间受到任何冲击或拖曳，则其可能将该力通过马达14、34传递到接触工件的工具部分(例如，研磨机或钻头)。这可能会干扰机器人的编程操作，在工件表面引起磕伤或其他瑕疵。

从气动马达14、34排出空气也可能是有问题的。排气不应在马达14、34上引起任何力或扭矩，该力或扭矩可能会通过工具10、30传递至工件。另外，如果排出的空气是通过端口排掉，则在隔离气动管路以避免接触或拖曳方面存在相同的问题。

本文的背景技术部分被提供用于将本发明的实施例置于技术和操作环境中，以帮助本领域技术人员理解其范围和效用。背景技术部分中描述的方法可以被采用，但是这些方法不一定是先前已经想到或采用过的方法。除非明确指出，否则不会仅因为其包含在背景技术部分中就被认为是现有技术。

技术实现要素：

以下给出本公开的简化概述，以便向本领域技术人员提供基本理解。该概述不是本公开的广泛综述，并且无意于标识本发明的实施例的关键/重要要素或描绘本发明的范围。本概述的唯一目的是以简化的形式呈现本文公开的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

根据本文描述和要求保护的一个或多个实施例，气动机器人工具，如研磨机、砂磨机等使用分布在工具壳体的外围周围的两个或更多个双作用气动活塞来实现被动力控制和柔度。与现有技术的单活塞设计相比，多个活塞有助于紧凑的设计，降低了工具堆叠高度。在一实施例中，过滤通气孔和气压均衡通道保持整个工具的环境大气压力，同时防止灰尘和其他微粒渗入。在一个实施例中，刚性地附着到工具壳体的硬端口被提供至少用于马达供应气动流体。马达供应空气从硬端口经由工具壳体内的柔性气动流体管传输到气动马达。以这种方式，非故意地施加到气动流体供应管路的接触、拖曳、扭矩等不会传递到马达或诸如研磨机头的操作工具表面。在一个实施例中，气动马达的排出空气在密封通道中从工具壳体排出，该密封通道适应工具的柔度运动并防止灰尘渗入。

一个实施例涉及一种适于附接到机器人臂的气动机器人工具。该工具包括壳体和布置在壳体内的气动马达。在壳体内在气动马达与壳体的附着到机器人臂的端部之间限定有第一腔。该工具还包括多个双作用气动活塞。每个活塞在活塞构件的前后具有气动室。活塞围绕马达布置并且将马达可移动地悬挂在壳体内，使得马达在整个预定范围内朝向或远离机器人臂表现出柔度运动。

附图说明

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明不应被解释为限于本文阐述的实施例。而是，提供这些实施例使得本公开将是透彻和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿全文，相同的附图标记表示相同的元件。

图1a是现有技术的气动机器人去毛刺工具的局部剖视立体图。

图1b是现有技术的气动机器人钻孔工具的局部剖视立体图。

图2是具有多个活塞的气动机器人工具的局部剖视立体图。

图3是放大的局部剖视立体图，其示出往返于一个双作用气动活塞的空气路径。

图4a是气动机器人工具的局部剖视立体图，其示出上腔和下腔。

图4b是气动机器人工具的立体图，其示出通气孔。

图5a和5b是气动机器人工具的局部立体图/剖面图，其示出通气孔的操作。

图6是气动机器人工具的局部剖视立体图，其示出工具壳体下室内的马达空气供应管。

图7是气动机器人工具的局部剖视立体图，其示出马达排气端口。

图8a是气动机器人工具处于伸出位置时的马达排气端口的放大剖面图。

图8b是气动机器人工具处于缩回位置时的马达排气端口的放大剖面图。

图9是使用附接到机器人臂的气动机器人精加工工具对工件进行机器人精加工的方法的流程图。

具体实施方式

为了简单和说明性目的，主要通过参考本发明的示例性实施例来描述本发明。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以在不限于这些具体细节的情况下实践本发明。在该描述中，没有详细描述众所周知的方法和结构，以免不必要地模糊本发明。

根据本发明的一个实施例，两个或更多个双作用气动活塞为气动机器人工具，如研磨机/砂磨机/抛光机提供被动力控制和柔度。如本领域中已知的，双作用气动活塞是在活塞的前后均具有空气端口的气动活塞。因此，可以分别控制工具沿着平行于活塞轴线的轴线在任一方向上受到的力和柔度。

图2示出具有壳体52的气动机器人工具50的代表性示例，该壳体52容纳气动马达54(为清楚起见，在图2的视图中将该壳体切掉了)。气动马达54驱动旋转表面57，磨轮、抛光轮等可以附着到该旋转表面57。气动马达54通过两个双作用气动活塞56a、56b悬挂在壳体52内。该马达可以或可以不通过诸如o形圈或类似的密封件在壳体的内表面密封。如本领域中已知的，双作用气动活塞包括布置在气缸中的活塞构件，在活塞构件的两侧限定室。气动活塞56允许马达54、端板55和旋转表面57在壳体52内在预定范围内沿着轴线朝向或远离壳体52附着到的机器人臂移动(图中所示为垂直地移动)。该运动在本文中被称为在轴线方向上的柔度运动(因为它是沿着马达54的旋转轴线)。当支撑气动机器人工具50的机器人臂例如以直线运动时，柔度运动允许工具50适应工件拓扑结构的变化。在该柔度运动的整个范围内，气动活塞56控制由旋转表面57施加到工件的力，在此称为柔度力。

端板55和壳体52之间的柔性保护罩66将壳体52的内部密封，以防止灰尘、碎屑等进入。这种双活塞56配置，其中双作用气动活塞56a、56b位于马达54旁边(或周围)，降低了工具50的“堆叠高”，或工具50从机器人臂的末端伸出的程度，这与使用单个活塞相反，单个活塞通常必须在马达54后方轴向居中。

多个双作用气动活塞56的一个目的是偏置工具50的重量。例如，在机器人臂悬停在工件上方并对工件的上表面进行研磨或抛光的应用中，必须通过对工件侧的活塞56室(在本文中称为前室)加压来抵消工具50的重量，这使工具重量“归零”。然后通过将该“零”力更改所需的增量来设置要施加到工件上的所需力。

图3是一个双作用气动活塞56的放大的局部剖视图。以气动流体流动的关系连接到活塞56的基部的是“伸出空气”气动流体管路接头58。从所附接的气动流体管路(未显示)进入伸出空气接头58的气动流体被注入到双作用气动活塞56的“后”室中，将工具50偏置到伸出位置，即，远离机器人臂的末端。在机器人臂位于工件正下方的配置中，后室可被加压以基本支撑工具50的重量，加上轻微的附加压力以提供与工件的所需接触力。

“缩回空气”气动流体管路接头60连接至双作用气动活塞56的“前”室。缩回空气接头60通过壳体52内的通道61以气动流体流动关系与活塞56的前室连通。从所附接的气动流体管路(未示出)进入缩回空气接头60的气动流体被注入到双作用气动活塞56的前室中，将工具50偏置到缩回位置，即，朝向机械人臂的末端并远离工件。在机器人臂位于工件正上方的配置中，前室可被加压以基本支撑工具50的重量，减去少量压力以提供与工件的所需接触力。

如图中3所示，提供了伸出空气接头58和缩回空气接头60。这些接头将气动流体从相应的附接气动流体管路(未示出)分别引导到每个活塞56的后室或前室。在一个实施例中，每个单独的活塞56a、56b具有独立的相关联的伸出和缩回空气接头58、60。在另一实施例中，一组伸出和缩回接头58、60例如通过在工具壳体52中形成的通道或通过气动流体管路或通道(未示出)将气动流体提供给两个或更多个活塞56a、56b的适当的室。

如上所述，一些表现出轴向柔度的现有技术的机器人工具30(参见图1b)具有“伸缩”结构，该结构允许工具30的某些部分，例如，马达34、端板35、轴36、和卡盘38靠近或远离工件移动，同时壳体32保持在机器人臂末端的固定位置。保护罩33或类似装置密封壳体32的内部，以防止灰尘、碎屑等进入。然而，当马达34和其他部件在壳体32内移动时，由保护罩33密封的内部的压力发生变化。这种变化的压力会影响工具的柔度力。

图4a示出气动机器人工具50的局部剖面立体图。柔性保护罩66将上端板55与壳体52的顶部相连，以防止灰尘、碎屑等进入。壳体52(在马达54上方)、端盖55和保护罩66限定上腔64。如上所述，通过改变双作用气动活塞56的前室和后室中的气动压力(参见图2、图3)，马达54和旋转表面57可相对于工具壳体52在轴向上移动。当马达54移动到壳体52内的伸出位置时，在壳体52的内部形成下腔62。类似地，当马达54移动到壳体52内的缩回位置时，在保护罩66内的壳体52和端板55之间形成上室64。

为了防止由于马达54的轴向移动导致的例如壳体52的下腔62中的压力变化影响工具的柔度力，一个或多个过滤端口或“通气孔”67将下腔62连接到壳体52的外部。空气自由地通过通气孔67在任一方向上移动，因此在气动马达54的整个柔度运动范围内，壳体52的下腔62保持在大气压力。如图5a的剖视图中所示，每个通气孔67包括滤网68，该滤网68防止灰尘、碎屑等通过，但是允许空气自由地流入和流出通气孔67。在一个实施例中，过滤介质71提供附加的过滤(例如，可以阻止比滤网68更细的微粒)。在一个实施例中，过滤器71和滤网68可以通过卡环69固定。当然，在本发明的范围内，通气孔67的其他配置也是可能的。可以将任何数量的通气孔67安装在壳体52上的任何位置，以保持壳体52内部的恒定大气压力，而与马达54和其他部件的柔度运动无关。

此外，如图5a和5b中所示，例如在壳体52的壁中形成的至少一个气压均衡通道70将下腔62与上腔64连接。这确保在上腔64中也维持大气压力，而与马达54的柔度运动等无关。如图5a中的粗线箭头所示，当马达54和其他部件处于伸出位置时(即，当双作用气动活塞56的后室中的气动压力增加时)，空气流过一个或多个通气孔67，穿过下腔62，向上穿过一个或多个气压均衡通道70，并进入上腔64。相反，如图5b中的粗线箭头所示，当马达54和其他部件处于缩回位置时(即，当双作用气动活塞56的前室中的气动压力增加时)，空气从塌陷的上腔64穿过一个或多个气压均衡通道70，流过下腔62，并从一个或多个通气孔67排出到壳体52的外部。通过这种方式，在马达54和其他部件的全部轴向柔度运动中，在下腔62和上腔64中均保持相同(大气)压力。因此，工具50的柔度力不受马达54的柔度运动影响。

如图1a和1b中所示，在许多现有技术的气动机器人工具10、30中，气动流体供应(以及可选的排气)管路，例如通过接头20、40直接连接到气动马达14、34。由于这种布置，无意地施加到气动流体管路或接头20、40的任何接触、拖曳或扭矩都会干扰工具在工件表面上的作用，从而引起缺陷。图6示出气动机器人工具50，该气动机器人工具50具有固定到壳体52的刚性马达驱动的气动流体管路接头72。在壳体52的内部，马达驱动的气动流体通过柔性气动供应管73从接头72供应至马达54。在该工具50中，施加到外部马达驱动的气动流体供应管路(未示出)的任何接触、拖曳、扭矩等终止于刚性接头72，刚性接头72固定到壳体52，壳体52又固定到机器人臂。工具壳体52内部的柔性气动供应管74将马达驱动的气动流体从刚性马达驱动接头72输送到气动马达54，而不会将任何可能传递给刚性马达驱动接头72(并被其吸收)的机械力传递给马达54。通过这种方式，气动马达54和旋转表面57与气动流体供应管路在机械和振动方面隔离。对于具有多于一个的马达驱动的气动流体供应端口的大型气动马达54，可以提供多个刚性马达驱动接头72和相应的柔性气动供应管74。在马达54的排气被排放到气动流体管路的实施例(未示出)中，一个或多个柔性气动供应管74可以将马达54上的排气端口连接到一个或多个硬安装的刚性接头72，外部气动流体排放管路连接到该刚性接头72。

在没有专用排气管路的实施例中，简单地从马达54排出排气可以允许灰尘或其他污染物渗入到壳体52的内部。即使在具有防止灰尘进入的一个或多个过滤通气孔67的实施例中，简单地将排气从端口排到大气中也可能会干扰工具50的柔度运动。例如，即使具有过滤通气孔67，从马达54排出大量空气也可能相对于周围空气对工具壳体52产生正压力，这可能会干扰工具的柔度运动或通过双作用气动活塞56实现的(例如工具50重量)偏置。此外，该压力会在马达54打开和关闭之间，也会在马达54的不同运行速度时发生变化。

图7示出根据本发明的一个实施例的排气系统74。在图8a的放大剖视图中更详细地示出了排气系统74，图8a示出处于伸出位置的马达54，而图8b示出处于缩回位置的马达54。排气经由具有外径(od)的第一刚性排气管76离开气动马达54。第一刚性排气管76固定到气动马达54，并且随着马达54在工具壳体52内进行柔度运动而在轴向上移动。第二刚性排气管78的内径(id)略大于第一刚性排气管76的外径od，第二刚性排气管78在第一端接收第一刚性排气管76，并在第二端固定地附接到工具壳体52。第二刚性排气管78将从第一刚性排气管76接收的空气引导至形成在壳体52中的排出端口82。排出端口82包括滤网84，滤网84防止灰尘、碎屑或其他微粒进入，但允许空气自由地从排出端口82流出。在一个实施例中，两级过滤介质88a、88b提供消声，以减小排出空气的声音，并且比滤网84更有效地过滤。在一个实施例中，过滤器88和84可以通过卡环86固定。当然，在本发明的范围内，排出端口82的其他构造也是可能的。

如图所示，第一刚性排气管76装配在第二刚性排气管78的第一端内，并且当马达54在伸出和缩回位置或任何中间位置之间移动时，类似于长号滑动那样以伸缩的方式滑入和滑出。一个或多个o形环80或类似的可变形构件在靠近第二刚性排气管78的第一端处，在第一刚性排气管76的外表面和第二刚性排气管78的内表面之间形成密封。确定管76、78的尺寸和位置，并确定o形环80的位置，使得在工具的柔度运动的整个范围内，第一刚性排气管76的至少一部分密封在第二刚性排气管78内。例如，o形环80可以在形成于第二刚性排气管的内表面中的环形槽中密封。因为第二刚性排气管78(和排出端口82)被刚性地固定到工具壳体52(工具壳体52固定到机器人臂)，所以在任何给定时间排出的排气量对工具50都没有机械影响。因为排气通过端口引到壳体52的外部，所以排气的存在或体积不会改变壳体52内部的气压，因此对工具的柔度运动或力没有影响。

图9示出一种使用附接到机器人臂的气动机器人精加工工具50精加工工件的方法。工具50包括壳体52、气动马达54和多个双作用气动活塞56，双作用气动活塞56将马达54悬挂在壳体52内并且允许马达54在壳体52内沿着柔度轴线移动。通过保持每个双作用气动活塞56的前室和后室中的预定气动压力来控制工具50施加到工件的柔度力。提供驱动气动马达54的气动流体。移动机器人臂，以使工具50在工件上方移动，从而气动马达54在壳体52内表现出独立于机器人臂沿着柔度轴线的运动的柔度运动。

与现有技术中已知的气动机器人工具相比，本发明的实施例具有许多优点。通过利用围绕工具壳体52的外围分布的多个双作用气动活塞56，实现了相对于现有技术的单活塞设计10、30降低了工具50堆叠高度的整体紧凑设计。通过使用工具体中的过滤通气孔67和至少一个气压均衡通道70使整个工具50在进行柔度伸出和缩回时保持环境大气压力，被动力控制的全部灵敏度和工具柔度得以保持。通过提供固定到工具壳体52的刚性接头72和位于壳体52内至马达54的空气供应端口的柔性气动流体管74，无意地施加到气动流体供应管路的接触、拖曳、扭矩等不会转移到马达54或可操作工具表面57，如研磨机头。马达排气系统74在工具的柔度运动的整个范围内从马达54排出排气，而不会通过改变压力而影响工具的柔度，并且不允许灰尘或其他微粒渗入。

如本文所使用的，术语“配置为”是指设置、组织、适于或布置为以特定方式操作；该术语与“设计为”同义。

当然，在不脱离本发明的基本特征的情况下，可以以不同于本文具体阐述的方式的其他方式来实施本发明。本实施例在所有方面都应被认为是说明性的而不是限制性的，并且落入所附权利要求的含义和等同范围内的所有改变都应包含在其中。