一种机车外墙打磨机器人的恒应力法兰机构的制作方法

本发明涉及机车车辆外墙涂装前自动打磨技术领域，特别是涉及打磨机器人末端执行器所连的一种主动柔顺恒应力控制法兰装置。

背景技术：

随着经济的发展和工业技术的革新，机车车辆发展十分迅速，已成为国人旅途的主要交通工具和向世界推广的国家名片。机车外墙腻子层的打磨方式也由传统的人工打磨转变为机器人打磨，国内外打磨机器人机械手末端与打磨工具之间的连接法兰为恒力输出法兰，在一些极端加工位置，打磨工具和工件的接触区域甚至为一条直线，由于应力集中，打磨工具几乎不能实现打磨动作，这样会造成所要打磨的位置过度打磨，达不到精度要求，打磨机器人与工件间的接触力也难以控制。如果接触力太小达不到打磨要求，太大可能会损坏工件，尤其是对于一些具有凸起、凹槽、拐角和复杂曲面等极端位置，工件的打磨精度很难满足设计要求，因此这种传统恒力控制打磨已经满足不了目前的打磨技术要求。当前绝大多数工业机器人是采用位置控制按照预先编制好的程序进行工作，当外界条件发生变化时，工作状态也将发生变化，为了使机器人做正确的动作，打磨机器人就要做出相应的调整以适应外界条件。要使打磨机器人能对外界的变化产生响应，一般采用视觉传感器、力传感器等来感受外界的变化，然后将信息反馈给控制系统，使之根据外界的变化来控制机器人的动作。柔顺控制就是从力传感器获取控制信号，用此信号去控制打磨机器人进行作业。柔顺控制分为被动柔顺和主动柔顺。被动柔顺是指机器人通过一些外部的柔顺机构如弹簧、阻尼器等，机械手末端打磨设备与工件接触时能够对外部作用力产生自然的顺从；主动柔顺是指机器人能够利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用力，也就是说机器人其末端执行器能够对接触力进行感知，基于这种接触感知再通过力反馈达到柔顺控制的目的。在现阶段当机器人通过辅助被动柔顺机构进行作业时，也存在诸多的问题：其一，无法解决机器人高刚度和高柔顺性两者之间的对立问题；其二，机器人对力不会产生任何的反应，所以成功率比较低；其三：被动柔顺机构由于专业性应用比较强，加上柔顺机构没有控制能力，通用性较差，在需要严格控制定位和控制作用力的场合无法使用。随着高速列车的发展，满足机车车辆外墙腻子层打磨技术的要求十分重要，打磨厚度过多过少都会导致后期涂装不牢固，且厚度不均匀导致平面度误差增大，影响风阻增加车体震动和噪音，带来一系列安全隐患。这就要求机器人具有接触力的感知和自动控制能力，并保持其末端执行器与环境接触。机器人完成这些作业任务，必须具备这种基于力反馈的柔顺控制能力，以保证打磨精度要求。传统采用刚性或被动柔顺的打磨机构，打磨质量和精度不高，而主动柔顺控制的打磨机构通过自适应法兰的恒应力输出弥补了被动柔顺控制的不足且适用于各种复杂的工件被加工面，满足不同打磨件的精度要求，具有广泛的应用前景。

技术实现要素：

为了满足机车车辆外墙腻子层打磨的技术要求和改进机车车辆外墙机器人打磨的控制方式，提高机车车辆外墙打磨效率和精度，同时为了改善机车车辆外墙打磨后的表面条件以便于打磨后的涂装等作业。对国内外打磨机器人所采用的恒力输出法兰优缺点进行分析，本发明设计了一种恒气压驱动的专用自适应法兰，通过对恒力法兰进行重新设计使其能够满足打磨头对工件接触力的自适应输出，通过安装在恒应力法兰机构上面板的激光位移传感器来实现主动式非接触测量，实时在线检测机车车辆外墙表面的曲率半径，并把激光传感器的检测信息和安装在上下面板间的位移传感器采集到的位移信息实时传输到外部控制器，最终通过控制器控制输出稳定并适应当前机车外墙曲率半径的合适气压从而能够应用于各种复杂极端的工件加工位置并保证良好的精度要求。在恒力气动法兰高压空气入口处加装流量控制阀来实现气动法兰的变力输出，利用安装在机器人机械手末端的打磨头与工件之间相对位姿的相关参数，再通过流量控制阀，根据被加工工件的加工位置和轮廓，实时控制气动法兰的输出力，最终得到理想的打磨工件表面质量。具体通过恒应力法兰与打磨机器人机械手末端打磨装置连接构成为主动柔顺恒应力控制的机车车辆外墙机器人打磨设备，可用来代替传统的刚性打磨和被动柔顺控制打磨设备。通过采用空气弹簧作为主要柔顺部件，结合位移传感器、激光位移传感器、外部控制器、导向装置、空气压缩机和相应的电磁控制阀等装置，构成基于机车车辆腻子层打磨机器人打磨设备的柔顺闭环控制。并且适用于各种具有凸起、凹槽、拐角和曲面等复杂工件的打磨场合，相对于传统刚性式打磨不仅提高了机车外墙打磨的效率和质量，节约了打磨成本，为整个外墙打磨后的涂装工序提供了良好的条件，而且从根本上降低了风阻减少了机车高速运行时外墙的振动和不稳定性，保证了机车运行的安全性。

技术方案

一种机车外墙打磨机器人的恒应力法兰机构，其特征在于：包括法兰连接主体装置、柔顺元件装置、导向装置和闭环控制系统四个主要部分。其中，所述法兰连接主体装置，包括法兰连接元件和固定面板，其特征是，所述固定面板包括上面板和下面板，上面板和下面板上留有法兰连接件安装位置、位移传感器安装位置、导向装置安装位置以及相应的螺丝孔，且上面板上留有激光位移传感器安装位置并在其下方布置有安装两位三通电磁阀的固定构件，下面板留有安装电气比例阀的螺丝固定孔。上法兰连接件套装在上面板上，下法兰连接件套装在下面板上，空气弹簧通过螺丝与两法兰连接件连接并直线布置于上面板和下面板之间，导向装置通过螺丝固定安装在上面板和下面板的预留安装位置。其中上法兰连接件外缘上开有气体管路连接口，连接口外端通过气体管路与闭环系统的两位三通电磁阀连接，连接口里端直接与柔顺元件装置的空气弹簧进口连接。所述的柔顺元件装置，包括空气弹簧和空气压缩机，空气弹簧与两法兰连接件通过螺丝连接直线布置于上面板和下面板之间，空气压缩机与闭环控制系统连接。所述的导向装置为采用滚珠花键，其特征是，包括花键轴和花键外筒，花键轴一端通过螺丝与上面板固定连接，另一端与下面板间隙配合；所述固定套与下面板通过螺丝连接，花键外筒用固定套固定在下面板上。所述的闭环控制系统，其特征是，所述外部控制器和空气压缩机以及两位两通电磁阀布置在外，位移传感器通过螺丝固定安装在上面板和下面板的预留安装位置，激光位移传感器固定安装在上面板预留安装位置，电气比例阀通过螺丝固定安装在下面板预留安装位置，两位三通电磁阀固定安装在上面板下方预留安装位置。位移传感器和激光位移传感器通过线缆与外部控制器连接，外部控制器通过线缆与气体压缩机连接，气体压缩机通过线缆和气体管路依次连接两位两通电磁阀、比例电磁阀、两位三通电磁阀，两位三通电磁阀通过气体管路与留有气体管路连接孔的上法兰连接件连接形成闭环控制。

本发明所具有的有益效果：一种机车外墙打磨机器人的恒应力法兰机构,应用于机车车辆外墙涂装前的自动打磨系统，安装于打磨机器人机械臂末端，且与打磨工具连接，通过使用空气弹簧作为主要柔顺构件，由激光位移传感器非接触实时在线测量传输当前打磨表面曲率半径并结合位移传感器反馈不同接触应力下的位移量，控制器控制空气压缩机与相应的电磁阀来保证机械臂打磨头的恒应力输出可以保证打磨表面的质量与精度。

本发明突破了传统刚性接触打磨应用的局限性，通过激光位移传感器对打磨表面实时检测和控制器在线闭环控制保证了恒应力自适应打磨，改善了传统打磨方式下针对机车外墙不同曲率处的加工难、质量差等问题，同时解决了被动柔顺机构中通用性差、高刚度与高柔顺性两者对立等问题，同时兼具多加工场合的通用性，良好的控制性及实现高精度加工等优点。本发明可以从根本上解决了在恒力打磨后墙体表面不均匀的问题，同时保证了机车外墙不同曲率半径处打磨后的一致性，提高了机车外墙表面的打磨精度，便于后续涂装作业，而且可以降低机车高速运行时的风阻、噪声和震动，提高行车安全。

附图说明

图1为本发明的总装配示意图；

图2为本发明的总装配侧视图；

图3为本发明的总装配布置示意图。

法兰连接件1和2、固定面板3和4、空气弹簧5、电气比例阀6、两位两通电磁阀7、两位三通电磁阀8、固定套9、位移传感器10、外部控制器11、空气压缩机12、滚珠花键13、法兰连接件高压气体进口14、固定构件15、高压气体连接管路16、控制系统连接线缆17、激光位移传感器18。

具体实施方式

现结合附图详细说明本发明结构的实施方式：

一种机车外墙打磨机器人的恒应力法兰机构，包括法兰连接主体装置、柔顺元件装置、导向装置和闭环控制系统四个主要部分。其中，所述法兰连接主体装置，包括法兰连接元件1、2和固定面板3、4，上面板3和下面板4作为主体固定装置，其中上面板3和下面板4上留有法兰连接件1、2的安装位置、位移传感器10安装位置、导向装置固定套9和滚珠花键10安装位置以及相应的固定用螺丝孔，且上面板3上留有激光位移传感器18安装位置并在其下方布置有安装两位三通电磁阀8的固定构件15，下面板4留有安装电气比例阀6的螺丝固定孔。上法兰连接件1套装在上面板3上，下法兰连接件2套装在下面板4上，空气弹簧5通过螺丝与两法兰连接件1、2连接并直线布置于上面板3和下面板4之间，固定套9和滚珠花键10通过固定构件15固定安装在上面板3和下面板4的预留安装位置。其中上法兰连接件1外缘上开有高压气体进口14作为空气弹簧5的高压气体进口，高压气体进口14外端通过气体管路16与闭环系统的两位三通电磁阀8连接，进口15里端直接与空气弹簧5的高压气体进口相通。柔顺元件装置，包括空气弹簧5和空气压缩机12以及相应的气体连接管路16，空气弹簧5固定于上面板3和下面板4之间，空气压缩机12与闭环控制系统外部控制器11通过线缆17连接。导向装置为采用滚珠花键13，其包括花键轴和花键外筒，花键轴一端通过固定构件15与上面板3固定连接，另一端与下面板4间隙配合，固定套9与下面板4通过螺丝连接，花键外筒用固定套9固定在下面板4上。闭环控制系统的外部控制器11和空气压缩机12以及两位两通电磁阀7布置在外，位移传感器10通过螺丝固定安装在上面板3 和下面板4的预留安装位置，激光位移传感器18固定安装在上面板预留安装位置，电气比例阀6通过螺丝固定安装在下面板4预留安装位置，两位三通电磁阀8安装在上面板3下方预留安装位置并由固定构件15加以固定。整体线路连接为位移传感器10、激光位移传感器 18、两位两通电磁阀7、电气比例阀6以及两位三通电磁阀8分别通过线缆17与外部控制器11连接(具体连接线路图中未给出)，外部控制器11通过线缆与气体压缩机17连接，气体压缩机12通过气体管路16依次连接两位两通电磁阀7、电气比例阀6、两位三通电磁阀 8，两位三通电磁阀8通过气体管路16与留有高压气体进口14的上法兰连接件1连接形成闭环控制。

当机器人在恒力作用下进行打磨作业的时候，为了保证机器人在工件表面打磨后的均匀性，根据不同表面的曲率半径，在其上打磨的应力(即刚度)是不一样的。打磨前，激光位移传感器18会通过非接触(激光三角发射式测量法)实时测量当前打磨表面的曲率半径并由线缆在线传输给外部控制器11，控制器11会根据当前检测的表面曲率半径实时给定合适的调压信号给空气压缩机12，当打磨触头与被打磨工件发生接触时，在接触力的影响下，下面板4会与上面板3 之间发生相对位移，此刻的位移量会被安装在上下面板3和4之间位移传感器10记录并以电信号的形式传递给外部控制器11，此时控制器11根据位移传感器10传递的位移量信号给电气比例阀6一个调压信号将压力值改变。两位两通电磁阀7与空气压缩机12相连，此时控制器11会打开两位两通电磁阀7的通气阀为开的状态，压缩空气经由气体管路16经过两位两通电磁阀7，再进入电气比例阀6，然后再进入两位三通电磁阀8，最后经气体管路16通过高压气体进口14 进入空气弹簧5，需要注意的是空气弹簧5中的空气压力会通过电气比例阀6中的压力传感器进行实时的监测并即时显示在电气比例阀的外部显示屏上。然后空气弹簧5在充气的作用下带动下面板4相对于上面板3做偏离直线运动，此时为了保证空气弹簧5的自由度有且仅有一个,滚珠花键13就起了决定性的作用，滚珠花键13的花键轴一端固定在上面板3上，另一端与下面板4之间存在间隙配合，花键固定套9与下面板4通过螺丝连接，花键外筒b被花键固定套13固定在下面板4上，在进行打磨作业时，滚珠花键13能够保证与下面板4保持不偏离直线的相对滑动，从而约束了空气弹簧5的非必要自由度。机器人进行打磨作业时，当打磨触头与被打磨工件和接触面积减少时势必要减少打磨应力，此时控制器11会关闭两位三通电磁阀 8的进气通道，也就是切断空气压缩机12的供气。两位三通电磁阀8 的排气通道会打开，空气弹簧5的空气会经过气体管路16排到大气中，在排气的同时，电气比例阀6中的压力传感器和安装在上面板3 和下面板4之间的位移传感器10会对空气弹簧5中的空气压力和空气弹簧5的即时充气位移量进行实时的检测和监控，并把这两个信号实时反馈给控制器11从而能使整个机构根据不同打磨面的不同应力要求进行正常有序的调节。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。