机器人手臂、快换夹具装置及工作方法与流程

本发明涉及机器手臂设计领域，尤其涉及一种机器人手臂、快换夹具装置及工作方法。

背景技术：

近年来，随着我国制造业转型升级压力增加和劳动力成本的不断攀升，越来越多的企业考虑以机器换人。另一方面，现在的消费者个性化需求越来越浓，不同配置及外观个性等元素决定着制造企业势必采用柔性制造技术。柔性制造则是运用机器人和工具快换装置在同一装配线上制造不同的产品。

机器人工具夹具快换装置通过对机器人自动更换不同的末端执行器或外围设备，使机器人的应用更具柔性。为保证机器人手臂末端工具的快速更换和较高的安全性，需要对快换装置的结构有更高的要求，因此，有必要提供一种新的机器人手臂、快换夹具装置及工作方法满足以上要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能快速更换，稳定性好，安全性高的机器人手臂、快换夹具装置及工作方法。

本发明提供一种快换夹具装置，包括快换机器端、快换夹具端和锁紧块，所述快换机器端与快换夹具端轴向配合，所述快换机器端包括层叠设置的机器连接部和快换连接部，所述锁紧块旋合于快换连接部与快换夹具端之间，所述锁紧块与快换连接部的接触面上均具有一相互配合且用于锁紧的斜面。

优选的，所述快换连接部中心处凹陷形成有凸台和贯通的第一插入槽，所述快换夹具端对应位置处凹陷形成有卡部和贯通的第二插入槽，所述快换连接部的凹陷方向与快换夹具端的凹陷方向相对，所述第一插入槽和第二插入槽位置对应，所述卡部与凸台位置对应，所述锁紧块在第一插入槽、第二插入槽和卡部、凸台之间旋合连接，所述斜面设于锁紧块与凸台接触面上。

优选的，还包括与锁紧块连接并驱动其旋转的旋转电机，所述旋转电机设于所述机器连接部内；所述机器连接部的中心处设有一矩形槽，所述旋转电机在所述矩形槽内带动锁紧块上下位移。

优选的，所述凸台包括同一圆周呈对角设置的第一凸台和第二凸台，所述第一凸台和第二凸台逆时针依次设置有第一导向面、第一配合斜面和第一平面；第二导向面、第二配合斜面和第二平面，所述锁紧块包括第一横部、第二横部及连接两者之间的连通部，所述连通部在所述快换连接部的中心处贯通快换连接部和快换夹具端，所述第一横部在快换连接部的凹陷处与凸台接触，所述第二横部在快换夹具端的凹陷处与卡部接触。

优选的，所述第一横部包括呈对角设置的左横部和右横部，所述左横部和右横部与凸台接触面上顺时针依次设置有第三导向面、第三配合斜面和第三平面；第四导向面、第四配合斜面和第四平面。

优选的，所述第一导向面的斜率大于所述第一配合斜面，所述第一导向面和第二导向面的斜角坡度相同，且都为1/2～1/5，所述第三导向面、第四导向面与第一导向面、第二导向面结构配合；所述第一配合斜面和第二配合斜面的斜角坡度相同，所述第三配合斜面、第四配合斜面与第一配合斜面、第二配合斜面结构配合用于锁紧。

优选的，所述凸台的圆周长为90°，所述锁紧块的圆周长为40～80°，优选为55°；所述第二凸台的第二平面末端处设有用于挡住锁紧块的限位块，所述限位块位于锁紧块周向旋转极限位置处。

优选的，所述快换连接部还包括至少两个定位销，所述快换夹具端还包括与所述定位销配合的定位孔，所述定位销的末端为圆锥结构。

本发明还提供一种快换夹具装置的方法，包括如下步骤：

所述机器连接部内的矩形槽装有所述旋转电机，所述旋转电机输出轴与锁紧块连接，所述锁紧块的第一横部在快换连接部的凹陷部；

所述旋转电机在矩形槽内顺时针旋转，同时驱动锁紧块在快换连接部的凹陷处一同旋转，当锁紧块的第二横部抵接到限位块时，电机停止转动，锁紧块停止在第一插入槽位置处；

将所述快换机器端移动至快换夹具端的上方，将快换机器端盖合于快换夹具端上，通过所述定位销插入所述定位孔内实现轴向配合；

所述旋转电机驱动锁紧块逆时针旋转，锁紧块的第一横部被旋入凸台，第二横部被旋入卡部；第一横部被旋入凸台时，依次接触的面为：第三导向面和第一导向面，另一侧第四导向面和第二导向面；第三配合斜面和第一配合斜面，另一侧第四配合斜面和第二配合斜面；最后接触的为第三平面和第一平面，第四平面和第二平面；直到锁紧块锁紧于凸台和卡部之间，旋转电机停止驱动；

所述机器连接端与快换夹具端完成装配；

反之旋转则所述机器连接端退出快换夹具端。

本发明还提供一种机器人手臂，包括手臂端、夹具端和快换夹具装置，所述手臂端与快换夹具装置的快换机器端连接，所述夹具端与快换夹具装置的快换夹具端连接。

与相关技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、机器人在数秒内便可自动更换末端夹具，增加了机器人的柔性，同时当末端夹具需要维修时，可以快换替换夹具，减少停工时间；

二、快换夹具装置负载荷传递路线中，末端夹具负载是依靠机械结构传递的，提高了快换夹具装置的可靠性；

三、锁紧块锁紧于快换连接部和快换夹具端之间，并通过斜面、平面二次锁紧，具有断电保护功能，避免机器人发生突然断电时，末端夹具从手臂端掉落发生损坏的现象。

附图说明

图1为本发明提供的快换夹具装置的结构示意图；

图2为图1中的快换连接部的俯视图；

图3为图1中的快换夹具端的俯视图；

图4为沿图2的A-A剖视图；

图5为图1中锁紧块结构示意图；

图6为沿图5的B-B剖视图；

图7为本发明提供的快换夹具装置的工作流程图；

图8为本发明提供的机器人手臂结构示意图。

各图中100为快换夹具装置，1为快换机器端，11为机器连接部，111为矩形槽，12为快换连接部，121为凸台，122为第一插入槽，123为定位销，124为限位块，1211为第一凸台，1212为第二凸台，12111为第一导向面，12112为第一配合斜面，12113为第一平面，12121为第二导向面，12122为第二配合斜面，12123为第二平面，2为快换夹具端，21为卡部，22为第二插入槽，23为定位孔，3为锁紧块，31为第一横部，32为第二横部，33为连通部，311为左横部，312为右横部，3111为第三导向面，3112为第三配合斜面，3113为第三平面，3121为第四导向面，3122为第四配合斜面，3123为第四平面，4为旋转电机，200为手臂端，300为夹具端。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右、顺时针、逆时针方向一致，并不对结构起限定作用。

请参阅图1为本发明提供的快换夹具装置的结构示意图。所述快换夹具装置100包括快换机器端1、快换夹具端2、锁紧块3和旋转电机4。

所述快换机器端1与快换夹具端2轴向配合，即中心重合。所述快换机器端1包括层叠设置的机器连接部11和快换连接部12。所述机器连接部11其中心处设有一上下贯通的矩形槽111。

请同时参阅图1和图2，其中，图2为图1中的快换连接部的俯视图。所述快换连接部12包括凸台121、第一插入槽122和定位销123。所述凸台121在快换连接部12的中心凹陷形成。所述第一插入槽122贯通所述快换连接部12，使得凸台121呈对角形成有第一凸台1211和第二凸台1212。

请同时参阅图1和图3，其中，图3为图1中的快换夹具端的俯视图。所述快换夹具端2包括卡部21、第二插入槽22和定位孔23。所述卡部21在所述快换夹具端2的中心凹陷形成，其凹陷方向与凸台121的凹陷方向相对，即卡部21的凹陷方向向下，凸台121的凹陷方向向上。所述第二插入槽22贯通所述快换夹具端2。

请再次参阅图1，所述定位销123的数量为至少两个，均布设置在所述快换连接部12上，且朝向快换夹具端设置。所述定位孔23贯通快换夹具端2与定位销123配合，所述定位销123末端(即临近快换夹具端2的一端)为圆锥结构，其余为圆柱结构，即先通过圆锥结构导向，在通过定位销123圆柱结构进行定位。

所述定位销123主要起定位作用，两点定位能实现快速精准的位置确定。所述快换机器端1通过定位销123盖合在快换夹具端2后，所述第一插入槽122和第二插入槽22位置对应，所述凸台121和卡部21位置对应。

请同时参阅图2和图4，其中图4为沿图2的A-A剖视图。呈对角设置的所述第一凸台1211和第二凸台1212即在同一圆周上，逆时针圆周旋转第一凸台1211依次设置有第一导向面12111、第一配合斜面12112和第一平面12113。再逆时针圆周旋转第二凸台1212依次设置有第二导向面12121、第二配合斜面12122和第二平面12123。

请同时参阅图1、图5和图6，其中图5为图1中锁紧块结构示意图，图6为沿图5的B-B剖视图。所述锁紧块3包括第一横部31、第二横部32和连接所述第一横部31和第二横部32之间的连通部33。

所述第一横部31位于所述快换连接部12的凹陷处与凸台121接触。所述第一横部31包括呈对角设置的左横部311和右横部312，所述左横部311和右横部312被连通部33隔断为呈对角设置。左横部311与第一凸台1211接触，右横部312与第二凸台1212接触。所述连通部33在快换连接部12的中心处依次贯通快换连接部12和快换夹具端2。同样第二横部32都被连通部33隔断为呈对角的两块。只在呈对角的方向进行锁紧，避免其它方向也被锁紧时出现卡死的现象，不利于快换机器端1脱离快换夹具端2，且同样满足两者被锁紧的要求。

请同时参阅图2、图3和图6，所述锁紧块3的投影形状与第一插入槽122和第二插入槽22的投影形状相似，尺寸小于第一插入槽122和第二插入槽22的尺寸。凸台121的尺寸决定了第一插入槽122的尺寸，具体为：所述凸台的圆周长为90°，方便其上有足够的锁紧面进行锁紧；所述第二插入槽122的尺寸等于或大于第一插入槽122的尺寸，所述锁紧块3的圆周长为40°～80°之间，优选为55°，便于第二横部32从第一插入槽122进入第二插入槽122。

请同时参阅图1、图5和图6，所述左横部311在与第一凸台1211接触面上顺时针依次设置有第三导向面3111、第三配合斜面3112和第三平面3113。所述右横部312在与第二凸台1212接触面上顺时针依次设置有第四导向面3121、第四配合斜面3122和第四平面3123。

请再次参阅图1、图4、图5和图6，所述第一导向面12111、第二导向面12121、第三导向面3111和第四导向面3112为可导向的斜面，其中，所述第一导向面12111的斜率大于所述第一配合斜面12112，所述第一导向面12111和第二导向面12121斜角坡度相同都为1/2～1/5，其斜面高度差为0.5～1mm之间，可以使锁紧块3顺利的旋入快换夹具端2。所述第三导向面3111、第四导向面3112与第一导向面12111、第二导向面12121结构配合。各导向面一方面起到了导向的作用，另一方面对锁紧块3初切入快换夹具端2时起到了缓冲的作用。

所述第一配合斜面12112和第二配合斜面12122的斜角坡度相同，所述第三配合斜面3112与第一配合斜面12112配合，第四配合斜面3122与第二配合斜面12122配合。所述第一配合斜面12112、第二配合斜面12122和第三配合斜面3112、第四配合斜面3122即为快换连接部12与锁紧块3配合的锁紧斜面。根据摩擦力自锁公式tan(θ)<μ，θ表示配合面的最大斜面角度，μ表示配合面间的摩擦系数。如果配合锁紧面之间的摩擦系数为0.1，则各配合斜面最大倾斜角度为5.9°，以达到最佳锁紧状态。

所述第一平面12113和第二平面12123分别用于增强第一配合斜面12112和第二配合斜面12122末端的强度，所述第三平面3113和第四平面3123分别用于增强第三配合斜面3112和第四配合斜面3122末端的强度。

请同时参阅图1和图4，所述第二凸台1212的第二平面12123的末端(远离第二配合斜面12122一端)上设有一用于挡住锁紧块3的第二横部32旋转角度的限位块124。所述限位块124在第二平面12123的末端向所述快换夹具端2延伸，直到可挡住第二横部32的位置处。所述限位块124位于沿所述第二导向面12121的外侧面(即远离第二配合斜面12122的一侧面)起，逆时针旋转90°～100°的位置处，优选为：所述限位块124位于锁紧块3周向旋转极限位置处，为了限制锁紧块周向旋转极限位置。该位置决定了所述锁紧块3的最佳插入位置，即插入时两边间隙均等，方便快速进入，节省大量更换夹具的时间。

所述旋转电机4为采购件，其内配置有编码器(未图示)。所述旋转电机4设于所述矩形槽111内，其输出端与锁紧块3连接。所述旋转电机4可沿矩形槽111带动锁紧块3实现上、下位移。一方面，上下位置实现锁紧块3在第一插入槽122和第二插入槽22的位置处插入或脱离快换夹具端2，另一方面，旋转电机4的旋转驱动锁紧块3一同旋转，使锁紧块3由插入槽的位置变换至凸台121和卡部21处。所述旋转电机4为动力驱动的来源。

请参阅图7为本发明提供的快换夹具装置的工作流程图。本发明提供的快换夹具装置100其工作方法为：

S1：所述旋转电机4在矩形槽111限制下顺时针旋转，同时驱动锁紧块3在快换连接部12的凹陷处一同旋转，当锁紧块3的第二横部32抵接到限位块23时，电机停止转动，编码器输出转速为零，锁紧块3停止在第一插入槽122位置处。

S2：移动所述快换机器端1至快换夹具端2的上方，将快换机器端1盖合于快换夹具端2上，通过所述定位销123插入所述定位孔23内实现轴向配合。

S3：所述旋转电机4驱动锁紧块3逆时针旋转，锁紧块3的第一横部31被旋入凸台121，第二横部32被旋入卡部21。第一横部31被旋入凸台121时，依次接触的面为：

首先：第三导向面3111和第一导向面12111旋合接触，另一侧第四导向面3121和第二导向面12121旋合接触。

然后：所述第三导向面3111再经过第一配合斜面12112，到达第一平面12113；第三配合斜面3112和第一配合斜面12112配合锁紧；

另一侧的所述第四导向面3121再经过第二配合斜面12122，达到第二平面12123；第四配合斜面3122和第二配合斜面12122配合锁紧。

最后：第三平面3113在第一导向面12111上方，第一平面12113在第三导向面3111下方；所述第二平面12123在第四导向平面3121下方，所述第四平面3123在第二导向面12121下方。

直到锁紧块3锁紧于凸台121和卡部21之间，编码器输出脉冲为零，旋转电机4停止。

在S3旋合锁紧过程中，如出现几下两种情况的解决方式：

若锁紧块3旋合锁紧未达到设计角度(通过脉冲增量判断)，则判定锁紧过程出现异常，任务终止，则提示操作者需对其进行检测。

任务执行过程中，编码器会持续监测锁紧块3的角度，若其出现松动，会发出脉冲信号，旋转电机4会继续旋转直达到锁紧状态，旋转电机4停止。

S4：所述机器连接端1与快换夹具端2完成装配。

按以上步骤反方向旋转，所述机器连接端1退出快换夹具端2。

图8为本发明提供的机器人手臂结构示意图，所述机器人手臂包括快换夹具装置100、手臂端200和夹具端300，所述手臂端200与快换夹具装置100的快换机器端1连接，所述夹具端300与快换夹具装置100的快换夹具端2连接。手臂端200驱动快换机器端1移动至不同的夹具端300，通过快换机器端1与快换夹具端2的配合，实现机器人手臂端200不同夹具的更换，以满足实际需求。

与相关技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、机器人在数秒内便可自动更换末端夹具，增加了机器人的柔性，同时当末端夹具需要维修时，可以快换替换夹具，减少停工时间；

二、快换夹具装置负载荷传递路线中，末端夹具负载是依靠机械结构传递的，提高了快换夹具装置的可靠性；

三、锁紧块锁紧于快换连接部和快换夹具端之间，并通过斜面、平面二次锁紧，具有断电保护功能，避免机器人发生突然断电时，末端夹具从手臂端掉落发生损坏的现象。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。