一种工业机器人末端工具的快速更换装置及其更换方法与流程

本发明涉及工业生产自动化，具体涉及一种工业机器人末端工具的快速更换装置及其更换方法。

背景技术：

当今工业机器人工具快速更换装置通过使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，这些末端执行器和外围设备包含例如点焊焊枪、抓手、真空工具、气动和电动马达等。

工具快换装置包括一个用来安装在机器人手臂上的机器人侧，和一个用来安装在末端执行器上的工具侧。工具快换装置能够让不同的介质，例如气体、电信号、液体、视频以及超声等从机器人手臂连通到末端执行器。其优点在于生产线更换可以在数秒内完成；维护和修理工具可以快速更换，大大降低停工时间；通过在应用中使用1个以上的末端执行器，从而使柔性增加；使用自动交换单一功能的末端执行器，代替原有笨重复杂的多功能工装执行器。

但是现有的工业机器人作业工具快速更换装置的锁紧形式较为单一，多为滚珠或凸轮锁紧，滚珠锁紧机构为点接触，但提供锁紧力与承受负载能力小；凸轮锁紧机构误差较大，但产品寿命低。

综上所述，目前需要一种锁紧结构合理，既能提供并承受大的锁紧力与负载力，又对接误差小的机器人末端快速更换装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有的机器人末端的快速更换装置锁紧结构设计不合理的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种工业机器人末端工具的快速更换装置，包括连接于工业机器人的机器人侧和连接于末端执行器的工具侧，所述机器人侧和工具侧相互扣合后共同形成中空的容腔，所述容腔内由上至下分别设有活塞杆、滚柱壳和锁紧座圈，所述滚柱壳固定于所述机器人侧内，所述锁紧座圈固定于所述工具侧内，所述活塞杆的下部穿设于所述滚柱壳的中心，且所述活塞杆竖直滑动于所述机器人侧的容腔内，所述活塞杆的底部固定有活塞尾部，所述活塞尾部倒扣于所述滚柱壳内，所述滚柱壳的下部内嵌于所述锁紧座圈内，所述活塞尾部的外侧壁和所述锁紧座圈的内侧壁之间抵靠有若干个锁紧滚柱，且所述滚柱壳的侧壁上开设有容纳所述锁紧滚柱进出的缺口，随所述活塞杆的竖直滑动，所述锁紧滚柱沿所述活塞尾部的外侧壁滚动且与所述锁紧座圈的内侧壁抵靠或分离。

在上述方案中，所述活塞尾部的外侧壁设有限制所述锁紧滚柱运动的凹槽，所述凹槽与所述锁紧座圈的内侧壁之间通过所述锁紧滚柱啮合。

在上述方案中，所述凹槽由下至上依次为一体成型的接触解锁面、过渡面，故障保护面和锁紧面，并配置为：

当所述活塞杆从接触位置下移到锁紧位置，带动所述锁紧滚柱运动到所述锁紧表面，所述锁紧滚柱与所述锁紧表面以及所述锁紧座圈的内侧壁同时接触，所述活塞尾部与所述锁紧座圈锁紧；

当所述活塞杆从锁紧位置上移到解锁位置，带动所述锁紧滚柱运动到所述接触解锁面，所述锁紧滚柱与所述过渡表面逐渐分离，所述活塞尾部与所述锁紧座圈之间解锁。

在上述方案中，所述故障保护面和接触解锁面之间的表面摩擦力大于所述锁紧面和故障保护面之间的表面摩擦力。

在上述方案中，所述故障保护面的至少一部分向外突出，所述故障保护面与所述活塞杆的纵向轴线的夹角为1～5度。

在上述方案中，一根活塞螺钉由下至上依次穿设于所述活塞尾部和所述活塞杆，使所述活塞尾部和所述活塞杆固定连接，所述活塞杆与所述滚柱壳接触处设有第一密封圈，所述活塞端部与所述机器人侧的接触处设有第二密封圈。

在上述方案中，所述机器人侧和工具侧上都分别开设有多个外接气源装置接口和多个模块安装位置，所述外接气源装置接口连接于机器人的气动末端执行器，所述模块安装位置从机器人手臂连通到末端执行器供不同的介质穿过。

在上述方案中，所述机器人侧和工具侧的外侧壁上分别固定设有第一适应盘和第二适应盘，所述第一适应盘和第二适应盘分别连接于工业机器人和末端执行器。

本发明还提供了一种上述的工业机器人末端工具的快速更换装置的更换方法，包括以下步骤：

所述机器人侧内的所述活塞杆的上端腔室充气，所述活塞杆经气压驱动向下运动，所述活塞尾部的外侧壁接触并向外部挤压所述锁紧滚柱，所述逐步接触到所述锁紧座圈的内侧壁；

所述机器人侧内的所述活塞杆的上端腔室继续充气，所述活塞杆经气压驱动继续向下运动，此时所述锁紧滚柱与所述锁紧座圈的内侧壁产生较大接触力与锁紧力，所述机器人侧与工具侧锁紧；

当供气源停止供气时，所述活塞杆的上端因无气压驱动在机器人侧的腔室内上移，此时所述锁紧滚柱逐渐与所述活塞尾部的外侧壁分离，同时所述锁紧滚柱逐渐移出所述锁紧座圈解锁。

本发明，通过气动活塞驱动滚柱锁紧机构使机器人自动更换不同的末端执行器或外围设备，同时具有断气保护功能，使机器人的应用更具柔性。既能提供并承受大的锁紧力与负载力，并且对接误差小，更换次数多，作业寿命长。

附图说明

图1为本发明的外部结构拆分示意图；

图2为本发明解锁时的内部结构示意图；

图3为本发明断气保护时的内部结构示意图；

图4为本发明锁紧时的内部结构示意图；

图5为本发明中活塞尾部凹槽的表面结构示意图；

图6为本发明的整体结构打开的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1至图6所示，本发明提供的一种工业机器人末端工具的快速更换装置，包括连接于工业机器人的机器人侧1和连接于末端执行器的工具侧2，

机器人侧1和工具侧2相互扣合后共同形成中空的容腔，容腔内由上至下分别设有活塞杆5、滚柱壳11和锁紧座圈12，滚柱壳11固定于机器人侧1内，锁紧座圈12固定于工具侧2内，活塞杆5的下部穿设于滚柱壳11的中心，且活塞杆5竖直滑动于机器人侧1的容腔内，活塞杆5的底部固定有活塞尾部8，一根活塞螺钉7由下至上依次穿设于活塞尾部8和活塞杆5，使活塞尾部8和活塞杆5固定连接，活塞尾部8倒扣于滚柱壳11内，滚柱壳11的下部内嵌于锁紧座圈12内。

活塞尾部8的外侧壁和锁紧座圈12的内侧壁之间抵靠有若干个锁紧滚柱9，且滚柱壳11的侧壁上开设有容纳锁紧滚柱9进出的缺口，随活塞杆5的竖直滑动，锁紧滚柱9沿活塞尾部8的外侧壁滚动且与锁紧座圈12的内侧壁抵靠或分离，锁紧滚柱9可被上下运动的活塞杆5推动并通过滚柱壳11的缺口进入工具端的锁紧座圈12。

活塞尾部8的外侧壁设有限制锁紧滚柱9运动的凹槽，凹槽与锁紧座圈12的内侧壁之间通过所述锁紧滚柱9啮合，凹槽由下至上依次为一体成型的接触解锁面16、过渡面17，故障保护面18和锁紧面19，四个面在快速更换装置的锁紧与解锁过程中均具有特定的功能。

当活塞杆5从接触位置下移到锁紧位置，带动锁紧滚柱9运动到锁紧表面19，锁紧滚柱9与锁紧表面19以及锁紧座圈12的内侧壁同时接触，活塞尾部8的凹槽表面通过对称分布的锁紧滚柱9啮合至矩形座圈12，产生稳定的锁紧力，活塞尾部8与锁紧座圈12锁紧；

当活塞杆5从锁紧位置上移到解锁位置，带动锁紧滚柱9运动到接触解锁面16，锁紧滚柱9与过渡面17逐渐分离，活塞尾部8与锁紧座圈12之间解锁。

故障保护面18和接触解锁面16之间的表面摩擦力大于锁紧面19和故障保护面18之间的表面摩擦力。故障保护面18的至少一部分向外突出，使得当活塞杆5在锁紧面19和接触解锁面16之间移动时，故障保护面18与锁紧滚柱9的接合产生相反的力，防止活塞杆5从锁紧面19移动到接触解锁面16。故障保护面18与活塞杆5的纵向轴线的夹角优选为1～5度。

活塞杆5与滚柱壳11接触处设有第一密封圈6，活塞端部与机器人侧1的接触处设有第二密封圈10。机器人侧1和工具侧2上都分别开设有多个外接气源装置接口14和多个模块安装位置13，外接气源装置接口14连接于机器人的气动末端执行器，以用于不同型号的工业机器人手臂以及机器人末端执行器。外接气源装置接口14的数目根据实际情况确定。模块安装位置13能够让不同的介质例如气体、电信号、液体、视频、超声等从机器人手臂连通到末端执行器。

机器人侧1和工具侧2的外侧壁上分别固定设有第一适应盘3和第二适应盘4，第一适应盘3和第二适应盘4分别连接于工业机器人和末端执行器。

本发明还提供了一种上述的工业机器人末端工具的快速更换装置的更换方法，包括以下步骤：

机器人侧1内的活塞杆5的上端腔室充气，活塞杆5经气压驱动向下运动，活塞尾部8的外侧壁接触并向外部挤压锁紧滚柱9，逐步接触到锁紧座圈12的内侧壁；

机器人侧1内的活塞杆5的上端腔室继续充气，活塞杆5经气压驱动继续向下运动，锁紧滚柱9经过接触解锁面16与故障保护面18之间的过渡面17，进入锁紧面19，此时锁紧滚柱9与锁紧座圈12的内侧壁产生较大接触力与锁紧力，机器人1侧与工具侧2锁紧，同时完成机器人侧与工具侧的锁紧，达到装置锁紧目的；

当供气源停止供气时，活塞杆5的上端因无气压驱动在机器人侧1的腔室内上移，此时锁紧滚柱9先与故障保护面18接触，同时与锁紧座圈12的内侧壁接触，此时锁紧力依然存在，保证装置在故障情况下保持锁紧状态，以至于工具侧不会因故障掉落。处于断气保护状态；

解锁时，活塞杆5的上端腔室充气先使活塞略微下移，之后上端腔室停止供气，随即活塞尾部8的腔室充气，此时锁紧滚柱9逐渐与活塞尾部8的外侧壁分离，同时锁紧滚柱9逐渐移出锁紧座圈12，达到装置解锁的目的。

本发明的锁紧机构为线接触，具有较大锁紧力，并能够承受较大负载，其对接误差小，对接速度快，重复定位精度高，更换次数多，寿命长。工业生产中通过使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。

本发明，通过气动活塞驱动滚柱锁紧机构使机器人自动更换不同的末端执行器或外围设备，同时具有断气保护功能，使机器人的应用更具柔性。既能提供并承受大的锁紧力与负载力，并且对接误差小，更换次数多，作业寿命长。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。