防尘恒力装置及控制方法、机械臂、研磨设备及机器人与流程

本申请涉及智能加工领域，具体而言，涉及一种防尘恒力装置及控制方法、机械臂、研磨设备及机器人。

背景技术：

在自动化研磨加工中，对表面不规则的物体进行打磨，为了获得光滑的表面，需要尽量保持恒力。在打磨过程中容易产生较多粉尘，而粉尘进入到恒力输出装置中会对恒力输出装置的活动部件的摩擦面产生损坏，因此为防止粉尘进入恒力输出装置，通常采用密封罩或风琴罩等结构对恒力输出装置进行简单密封，以使恒力输出装置处于密封环境中。

在恒力输出装置受到外力而导致密封罩内体积发生变化时，密封罩内的气压会随之变小，则外部气体会有向密封罩内部钻的趋势。相应地，粉尘也会随之进入密封罩内部，对恒力输出装置产生破坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够防止粉尘进入密封环境的防尘恒力装置。

本发明的另一目的还在于提供一种利用上述防尘恒力装置的机械臂、研磨设备及机器人。

第一方面，本申请实施例提供一种防尘恒力装置，包括：

固定机构；

移动机构，与所述固定机构共同配置出一个体积可变的密封腔，所述密封腔设有进气口；

弹性元件，位于所述密封腔内，被配置成与所述移动机构具有联动关系；

气体输入装置，用于通过所述进气口向所述密封腔内输入压缩空气并使所述密封腔内部压力始终大于外部压力。

在上述实现过程中，利用固定机构和移动机构共同配置出一个密封腔。移动机构用于与研磨执行机构连接，研磨执行机构在进行打磨作业时，受到外部震动，外部震动力传递给移动机构，移动机构相对于固定机构移动，密封腔体积随之增大或缩小。气体输入装置通过密封腔设置的进气口向密封腔内充入压缩气体，保持密封腔内部压力大于外部压力，以防止外部粉尘进入密封腔内部。同时移动机构的移动使密封腔的压力发生变化，压力的变化值对移动机构施加与移动机构移动方向相反的作用力，弹性元件与移动机构具有联动关系，用以平衡密封腔压力变化值对移动机构产生的作用力，从而实现恒力装置的恒力输出。

作为一种实施方式，所述弹性元件与所述移动机构的联动关系包括：

在所述移动机构位于原始位置时，所述弹性元件处于原长状态；

在所述移动机构相对于所述固定机构移动时，所述弹性元件产生形变量；

所述移动机构的位移量与所述弹性元件的形变量之间具备函数关系。

在一种可能的实现方式中，所述移动机构的位移量与所述弹性元件的形变量之间的函数关系为线性关系。

进一步地，所述移动机构的位移量与所述弹性元件的形变量相等。

在上述实现过程中，弹性元件形变量的测量通常较难测量且测量结果不准确。将移动机构的位移量与弹性元件的形变量配置为相等，则只需获得移动机构的位移量就可获知弹性元件的形变量，通过间接测量的方式，即简化测量步骤还使得测量结果更加精确。

在一种可能的实现方式中，防尘恒力装置还包括：

位移传感器，用于获取所述移动机构的位移量；

气体调节装置，用于在所述移动机构位于原始位置时控制进入所述密封腔内的压缩气体量以使所述密封腔保持正压，以及在所述移动机构相对于所述固定机构移动时，调节所述压缩气体的进气量以维持所述密封腔内正压气体对所述移动机构的压力与所述弹性元件对所述移动机构的弹力的矢量和为预定值。

在上述实现过程中，位移传感器和气体调节装置的组合使用可实现恒力输出的精确控制。

在一种可能的实现方式中，密封腔内正压气体对移动机构的压力与弹性元件对移动机构的弹力的矢量和为固定值。在另一可能的实现方式中，密封腔内正压气体对移动机构的压力与弹性元件对移动机构的弹力的矢量和为一个数值范围。即移动机构对外输出的恒力可为一个固定值，也可在一个数值范围内波动。

在一种可能的实现方式中，所述固定机构在所述密封腔内设置用于支撑所述弹性元件的支撑件，所述弹性元件套设于所述支撑件上；

所述支撑件上还套设有与所述移动机构连接的联动件；所述联动件被限定在所述弹性元件与所述支撑件中远离所述弹性元件的那一端部之间。

在一种可能的实现方式中，所述固定机构包括：

安装台，包括第一安装面和第二安装面；

导柱，固定在所述第二安装面的一侧，所述导柱上依次套设所述弹性元件和所述联动件，所述弹性元件的一端与所述第二安装面抵接；所述导柱的远离所述第二安装面的端部设置有固定销，所述固定销将所述弹性元件和所述联动件限定在所述导柱上；所述联动件为轴套；所述移动机构与所述轴套固定连接；以及

固定套，包括第一端和第二端，所述第一端固定在所述第二安装面上；所述移动机构封堵所述第二端并向所述固定套内部延伸预设长度，所述移动机构的外表面与所述固定套的内壁可活动地密封配合；所述固定套的内壁、所述轴套的上端面和所述第二安装面三者围合成所述密封腔。

在一种可能的实现方式中，所述导柱靠近所述第二安装面的端部设有固定部，所述导柱与所述安装台固定连接的方式包括：所述固定部与所述第二安装面贴合，所述固定部通过第一固定件固定在第二安装面上；或者

所述安装台上设置贯穿第一安装面和第二安装面的贯穿孔，所述导柱穿设于所述贯穿孔内，所述导柱的固定部通过第二固定件固定在第一安装面上。

在一种可能的实现方式中，所述移动机构包括：

移动本体，包括连接端和封闭端，所述连接端的外表面与所述固定套内壁可活动地密封配合；

第一安装腔，自所述连接端的端面向所述封闭端延伸预定深度，安装在所述导柱端部的轴套插接在所述第一安装腔入口处。

作为一种实施方式，所述轴套与所述弹性元件相接的端部设有沿所述导柱径向方向延伸的凸缘，所述凸缘的上端面与所述弹性元件抵接且所述上端面预留有与所述第二安装面相对的安装区，所述安装区内设置第一位移传感器。

在一种可能的实现方式中，所述导柱的数量为两根，所述移动本体上开设两个所述第一安装腔；

所述防尘恒力装置还包括固定在所述第二安装面上的凸柱，所述凸柱内部设有连通压缩气体气源和所述密封腔的通气管路；

所述移动本体上还设有自所述连接端的端面向所述封闭端延伸预定深度的第二安装腔；所述凸柱远离所述第二安装面的端部插入所述第二安装腔并能够在所述第二安装腔内移动；

所述移动本体与所述固定套之间、所述轴套与所述第一安装腔之间、所述凸柱和所述第二安装腔之间均预留有能够使气体通过，但能够使所述密封腔保持正压的间隙。

在一种可能的实现方式中，所述第二安装腔的底部设置第二位移传感器。

在一种可能的实现方式中，所述凸柱位于两根所述导柱中间，且两根所述导柱和所述凸柱三者的轴心线平行且三根轴心线沿直线排列。

在一种可能的实现方式中，所述移动本体靠近所述连接端的位置设有第一密封圈，所述第一密封圈位于所述移动本体与所述固定套之间的间隙内；

所述凸柱的外表面设有第二密封圈，所述第一密封圈位于所述凸柱和所述第二安装腔之间的间隙内。

第二方面，本申请实施例提供了一种机械臂，包括臂体和如上所述的防尘恒力装置，所述臂体的一端连接法兰安装板，另一端与所述防尘恒力装置的所述固定机构固定连接。

在上述实现过程中，臂体的倾斜能够使臂体与固定机构之间的夹角范围增大，为臂体预留出更多的安装空间，可更方便地与外部装置连接。

在一种可能的实现方式中，臂体内部设置有空腔，空腔内填充有减震球。

恒力装置搭载打磨设备，对产品进行打磨时，防尘恒力装置的震动频率是很大的，长期工作下，这对搭载防尘恒力装置的机械臂是有损伤的；防尘恒力装置中的弹性元件能够消除部分震动，臂体内部的震动球消除部分震动，从而实现两级减震，以尽量消除震动。

在一种可能的实现方式中，所述臂体上设有与所述空腔连通的填充口。

第三方面，本申请实施例还提供了一种研磨设备，包括研磨头和如上所述的防尘恒力装置；所述研磨头与所述移动机构可拆卸连接。

第四方面，本申请实施例还提供了一种研磨加工机器人，包括研磨头和如上所述的机械臂；所述研磨头与所述移动机构可拆卸连接。

第五方面，本申请实施例还提供了一种防尘恒力控制方法，包括：

构建一个固定机构和一个能够相对所述固定机构运动的移动机构，所述移动机构与所述固定机构共同配置出一个体积可变的密封腔；所述密封腔内通入压缩气体以保持正压；

在所述密封腔内设置与所述移动机构具有联动关系的弹性元件；

在所述移动机构相对所述固定机构移动时，调节进入所述密封腔内所述压缩气体的进气量以维持所述密封腔内正压气体对所述移动机构的压力与所述弹性元件对所述移动机构的弹力的矢量和为预设值。

在一种可能的实现方式中，所述预设值为固定值。

在另一种可能的实现方式中，预设值为一个数值范围。

由以上技术方案可知，本申请利用固定机构和移动机构共同配置出一个体积可变的密封腔，气体输入装置通过密封腔设置的进气口向密封腔内充入压缩气体，保持密封腔内部压力大于外部压力，以防止外部粉尘进入密封腔内部。同时移动机构的移动使密封腔的压力发生变化，压力的变化值对移动机构施加与移动机构移动方向相反的作用力，弹性元件与移动机构具有联动关系，用以平衡密封腔压力变化值对移动机构产生的作用力，从而实现恒力输出。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例示出的一种防尘恒力装置的结构示意图；

图2为本申请实施例示出的另一种防尘恒力装置的结构示意图；

图3为图2所示防尘恒力装置中a-a向截面图；

图4为本申请实施例示出的一种机械臂的结构示意图。

图标：100-固定机构；120-联动件；121-凸缘；130-安装台；131-第一安装面；132-第二安装面；140-导柱；141-固定销；150-固定套；160-凸柱；170-通气管路；200-移动机构、210-移动本体；220-第一安装腔；230-第二安装腔；240-第一密封圈；250-第二密封圈；300-弹性元件；400-气体输入装置；500-密封腔；510-进气口；600-气体调节装置；700-第一位移传感器；800-第二位移传感器；900-臂体；910-减震球；920-填充口；940-法兰安装板。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

图1为本申请实施例示出的一种防尘恒力装置的结构示意图。如图1所示，防尘恒力装置包括固定机构100、移动机构200、弹性元件300和气体输入装置400。

固定机构100与移动机构200共同配置出一个体积可变的密封腔500，密封腔500设有进气口510。利用固定机构100和移动机构200共同配置出一个密封腔500。移动机构200用于与研磨执行机构连接，研磨执行机构在进行打磨作业时，受到外部震动，外部震动力传递给移动机构200，移动机构200相对于固定机构100移动，密封腔500体积随之增大或缩小。密封腔500设置进气口510并通过进气口510通入压缩气体，密封腔500内部的压力大于外部压力，以防止外部粉尘进入密封腔500内部。

弹性元件300位于密封腔500内，并被配置成与移动机构200具有联动关系。气体输入装置400提供压缩气源，并通过进气口510向密封腔500内输入压缩空气。

移动机构200相对于固定机构100移动时，移动机构200的移动使密封腔500的压力发生变化，压力的变化值对移动机构200施加与移动机构200移动方向相反的作用力，弹性元件300与移动机构200具有联动关系，用以平衡密封腔500压力变化值对移动机构200产生的作用力，从而实现恒力装置的恒力输出。

作为一种实施方式，弹性元件300与移动机构200的联动关系包括：

在移动机构200位于原始位置时，弹性元件300处于原长状态；

在移动机构200相对于固定机构100移动时，弹性元件300产生形变量；

移动机构200的位移量与弹性元件300的形变量之间具备函数关系。

在上述实现过程中，移动机构200位于原始位置时，弹性元件300处于原长状态，则两者具有相同的参考对照，便于使移动机构200的位移量与弹性元件300的形变量之间建立较为简洁的函数关系。

在一种可能的实现方式中，移动机构200的位移量与弹性元件300的形变量之间的函数关系为线性关系。

进一步地，移动机构200的位移量与弹性元件300的形变量相等。

在上述实现过程中，弹性元件300形变量的测量通常较难测量且测量结果不准确。将移动机构200的位移量与弹性元件300的形变量配置为相等，则只需获得移动机构200的位移量就可获知弹性元件300的形变量，通过间接测量的方式，即简化测量步骤还使得测量结果更加精确。

在一种可能的实现方式中，防尘恒力装置还包括：

位移传感器，用于获取移动机构200的位移量。需要说明的是，本实施例中位移传感器的安装位置不做具体限定，只要能够获取移动机构200的位移量即可。

气体调节装置600，用于在移动机构200位于原始位置时控制进入密封腔500内的压缩气体量以使密封腔500保持正压，以及在移动机构200相对于固定机构100移动时，调节压缩气体的进气量以维持密封腔500内正压气体对移动机构200的压力与弹性元件300对移动机构200的弹力的矢量和为预定值。

在上述实现过程中，位移传感器和气体调节装置600的组合使用可实现恒力输出的精确控制。在移动机构200位于原始位置时，气体调节装置600只需控制输入密封腔500的压缩气体量并使密封腔500保持正压即可，假设正压气体对移动机构200的压力为f1。

在移动机构200处于工作状态时，移动机构200通常会设置在相对于原始位置向固定机构100内部移动一定位移的位置，此时弹性元件300处于受压状态，弹性元件300对移动机构200产生的弹力为f，移动机构200对外输出恒力f1+f。

在研磨执行机构进行打磨作业并使移动机构200相对固定机构100移动时，密封腔500体积发生变化，假设移动机构200的位移为△l，弹性元件300产生的弹力变动值为△f，为使移动机构200对外输出恒力f1+f，则向密封腔500内输入的压缩气体对移动机构200产生的压力△f1应与△f大小相同、方向相反，即△f+△f1＝0。

在移动机构200的位移量与弹性元件300的形变量之间具备函数关系的条件下，获知移动机构200的位移△l即可通过函数关系获知弹性元件300的形变量，以移动机构200的位移量与弹性元件300的形变量相等为例，则△l*k＝△f；k为弹性元件300的弹性系数。根据△f1＝△p*a，其中a为移动机构200的受力截面积，其中，移动机构200的受力截面积为移动机构的受力面在其移动方向的正投影面积，可以计算得到△p＝△f/a。△p即为气体调节装置600进行压缩气体调节的进气量。

在一种可能的实现方式中，密封腔500内正压气体对移动机构200的压力与弹性元件300对移动机构200的弹力的矢量和(f1+f)为固定值(即将前述的预定值设置为固定值)。在另一可能的实现方式中，密封腔500内正压气体对移动机构200的压力与弹性元件300对移动机构200的弹力的矢量和(f1+f)为一个数值范围(即将前述的预定值设置为数值范围)。即移动机构200对外输出的恒力可为一个固定值，也可在一个数值范围内波动。

固定机构100在密封腔500内设置用于支撑弹性元件300的支撑件，弹性元件300套设于支撑件上。支撑件上还套设有与移动机构200连接的联动件120；联动件120被限定在弹性元件300与支撑件中远离弹性元件300的那一端部之间。

其中，固定机构100包括安装台130、导柱140和固定套150。

安装台130包括第一安装面131和第二安装面132。

导柱140固定在第二安装面132的一侧，导柱140上依次套设弹性元件300和联动件120。导柱140即为支撑件。弹性元件300的一端与第二安装面132抵接，导柱140的远离第二安装面132的端部设置有固定销141，固定销141将弹性元件300和联动件120限定在导柱140上。联动件120为轴套，移动机构200与轴套固定连接。

固定套150包括第一端和第二端，第一端固定在第二安装面132上。移动机构200封堵第二端并向固定套150内部延伸预设长度，移动机构200的外表面与固定套150的内壁可活动地密封配合。固定套150的内壁、轴套的上端面和第二安装面132三者围合成密封腔500。

在一种可能的实现方式中，安装台130上设置贯穿第一安装面131和第二安装面132的贯穿孔，导柱140穿设于贯穿孔内，导柱140的固定部通过第二固定件固定在第一安装面131上。

作为另一种可能的实现方式，还可在导柱140靠近第二安装面132的端部设置固定部，导柱140与安装台130固定连接的方式包括：固定部与第二安装面132贴合，固定部通过第一固定件固定在第二安装面132上。需要说明的是，上述两种导柱140与安装台130的固定连接方式只是示例性的，凡是能够将导柱140连接在安装台130并使导柱140延伸至固定结构内部的连接方式均落入本申请的保护范围。

在一种可能的实现方式中，移动机构200包括移动本体210和第一安装腔220。其中，移动本体210包括连接端和封闭端，连接端的外表面与固定套150内壁可活动地密封配合。第一安装腔220自连接端的端面向封闭端延伸预定深度，第一安装腔220的入口套设于轴套的外壁并与轴套过盈配合。

作为一种实施方式，联动件120与弹性元件300相接的端部设有沿导柱140径向方向延伸的凸缘121，凸缘121的上端面与弹性元件300抵接且上端面预留有与第二安装面132相对的安装区，安装区内设置第一位移传感器700。第一位移传感器700用于与第二安装面132配合，第一位移传感器700探测到与第二安装面132之间的距离变化值即为移动机构200的位移量。

图2为本申请实施例示出的另一种防尘恒力装置的结构示意图。图3为图2所示防尘恒力装置中a-a向截面图。如图2和图3所示，该实施例中的防尘恒力装置相对于图1所示防尘恒力装置，其导柱140的数量为两根，移动本体210上开设两个第一安装腔220。与图1所示防尘恒力装置不同的是，该实施例中的防尘恒力装置在第二安装面132上设置凸柱160，凸柱160内部设有连通压缩气体气源和密封腔500的通气管路170。

移动本体210上还设有自连接端的端面向封闭端延伸预定深度的第二安装腔230；凸柱160远离第二安装面132的端部插入第二安装腔230内预定长度。

移动本体210与固定套150之间、轴套与第一安装腔220之间、凸柱160和第二安装腔230之间均预留有能够使气体通过，但能够使密封腔500保持正压的间隙。

在一种可能的实现方式中，与图1所示防尘恒力装置不同的是，该实施例在第二安装腔230的底部设置第二位移传感器800，以用于测量移动机构200的位移量，在一种实现方式中，第二位移传感器800通过测量与凸柱160远离第二安装面132的那一端部之间的距离变化量来获得移动机构200的位移量。

在一种可能的实现方式中，凸柱160位于两根导柱140中间，且两根导柱140和凸柱160三者的轴心线平行且三根轴心线沿直线排列。

在一种可能的实现方式中，移动本体210靠近连接端的位置设有第一密封圈240，第一密封圈240位于移动本体210与固定套150之间的间隙内。凸柱160的外表面设有第二密封圈250，第一密封圈240位于凸柱160和第二安装腔230之间的间隙内。

在上述实现过程中，第一密封圈240和第二密封圈250的设置，能够增加密封腔500的密封性。需要说明的是，移动机构200和固定机构100之间是轴与孔的配合关系，在加工精度合适的情况下，第一密封圈240需要克服移动本体210与固定套150之间的间隙的摩擦力，以及第二密封圈250需要克服凸柱160和第二安装腔230之间的间隙的摩擦力并不大，因此第一密封圈240和第二密封圈250在增加密封腔500的密封性时，并不妨碍移动机构200的移动。

根据本申请的第二方面，还提供了一种机械臂。图4为本申请实施例示出的一种机械臂的结构示意图。如图4所示，机械臂包括臂体900和如上所述的任一种防尘恒力装置。其中，臂体900的一端连接法兰安装板940，另一端与防尘恒力装置的固定机构100固定连接。

在一种可能的实现方式中，臂体900相对固定机构100倾斜设置。

在上述实现过程中，臂体900的倾斜能够使臂体900与固定机构100之间的夹角范围增大，为臂体900预留出更多的安装空间，可更方便地与外部装置连接。

在一种可能的实现方式中，臂体900内部设置有空腔，空腔内填充有减震球910。

恒力装置搭载打磨设备，对产品进行打磨时，防尘恒力装置的震动频率是很大的，长期工作下，这对搭载防尘恒力装置的机械臂是有损伤的；防尘恒力装置中的弹性元件300能够消除部分震动，臂体900内部的震动球消除部分震动，从而实现两级减震，以尽量消除震动。

在一种可能的实现方式中，臂体900上设有与空腔连通的填充口920。臂体900内的减震球可直接封装于臂体900内部的空腔内，也可在臂体900上设有与空腔连通的填充口，通过填充口，可对臂体900内的减震球进行增加、减少或更换的操作。

根据本申请的第三方面，还提供了一种研磨设备，其包括研磨头和如上所述的防尘恒力装置，研磨头与移动机构200可拆卸连接。

根据本申请的第四方面，还提供了一种研磨加工机器人，包括研磨头、如上所述的机械臂，研磨头与移动机构200可拆卸连接。

根据本申请的第五方面，还提供了一种防尘恒力控制方法，包括：

构建一个固定机构100和一个能够相对固定机构100运动的移动机构200，移动机构200与固定机构100共同配置出一个体积可变的密封腔500；密封腔500内通入压缩气体以保持正压；

在密封腔500内设置与移动机构200具有联动关系的弹性元件300；

在移动机构200相对固定机构100移动时，调节进入密封腔500内压缩气体的进气量以维持密封腔500内正压气体对移动机构200的压力与弹性元件300对移动机构200的弹力的矢量和为预设值。

在一种可能的实现方式中，预设值为固定值。

在另一种可能的实现方式中，预设值为数值范围。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。