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CN111469119B - 一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人 - Google Patents

一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人 Download PDF

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CN111469119B CN202010336684.8A CN202010336684A CN111469119B CN 111469119 B CN111469119 B CN 111469119B CN 202010336684 A CN202010336684 A CN 202010336684A CN 111469119 B CN111469119 B CN 111469119B
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Abstract

本发明公开一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，包括五自由度修磨机械臂、桁架、移动平台及控制器、棒材升降机构和辊道，所述桁架上活动安装有移动平台及控制器，且移动平台及控制器下方安装有五自由度修磨机械臂，所述桁架的下方位置处设有棒材升降机构和辊道，且棒材升降机构和辊道均设有多组；本发明的五自由度修磨机械臂结构紧凑，满足修磨作业要求的同时，可提供足够的刚度以确保完成钢材表面缺陷去除这一任务，结合六维力传感器的测量结果，末端动态响应好，可精准控制修磨过程，灵活调整末端打磨片的位姿，实现高精度定位，方便根据缺陷的种类灵活变换修磨工艺以高质量地完成修磨作业。

Description

一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人
技术领域
本发明涉及冶金材料加工技术领域，尤其涉及一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人。
背景技术
钢铁工业是自动化程度较高的流程工业之一，其中，特钢是高端制造装备的基础材料。合金钢、不锈耐热钢、高温合金、粉末冶金、功能材料、难熔金属、钛合金等特钢品种是航天、航空、兵器、舰船、核能、电子、国防建设等军工部门所必需的军用冶金材料，其快速发展对促进航天、航空、舰船、兵器、核技术等领域装备的更新换代、性能升级以及国产化产品的国际竞争力意义重大。
目前，在特钢棒材精整过程中，一旦棒材表面出现裂纹等缺陷，或者探伤不合格，直接进行降规格处理，进行环剥，切削大量的表层金属，现有修磨机床修磨后，钢材的表面质量存在粗糙度值高，无法控制残余应力的方向，同时在磨削过程中存在烧伤发蓝等表面质量问题，严重制约着棒材的使役性能，因此，本发明提出一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，该基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人方便根据缺陷的种类灵活变换修磨工艺以高质量地完成修磨作业，在一定程度上解决现有机构累计误差大，修磨作业质量不可控的问题，同时可避免因面磨削而导致的表面烧伤，发蓝现象的发生，可高效完成钢材表面缺陷修磨。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，包括五自由度修磨机械臂、桁架、移动平台及控制器、棒材升降机构和辊道，所述桁架上活动安装有移动平台及控制器，且移动平台及控制器下方安装有五自由度修磨机械臂，所述桁架的下方位置处设有棒材升降机构和辊道，且棒材升降机构和辊道均设有多组；
所述五自由度修磨机械臂包括安装平台和第一转动副，所述安装平台通过螺栓固定于移动平台及控制器下方，且安装平台的两端均铰接有第一转动副，两组所述第一转动副下均安装有第一电缸，且两组所述第一电缸的输出端均设有第二转动副，两组所述第二转动副上均铰接有第一连杆，且两组所述第一连杆的下端均通过第一球面副连接有第二连杆，所述第二连杆下端设有第三转动副，所述安装平台下端的两侧均通过第二球面副连接有第二电缸，且第二电缸的输出端设有第四转动副，所述第三转动副和第四转动副下铰接有动平台。
进一步改进在于：两组所述第一连杆的上端均设有第五转动副，且两组所述第五转动副上铰接有第三连杆，所述第三连杆上设有第六转动副，所述安装平台内部设有第一驱动电机，且第一驱动电机的输出端与第六转动副连接。
进一步改进在于：所述动平台上通过中间连接件安装有六维力传感器，且六维力传感器外套设有保护罩，所述动平台中部设置有通孔并安装磨削电主轴，所述磨削电主轴远离修磨端与六维力传感器连接，靠近修磨端安装有打磨片。
进一步改进在于：所述桁架包括立柱和齿条，所述齿条安装在立柱的上方，且齿条的内侧为齿，所述齿条的顶部设有滑轨。
进一步改进在于：所述移动平台及控制器包括平台安装板，所述平台安装板底部的两侧均设有与滑轨相适配的滑槽，所述平台安装板顶部的两侧均设有第二驱动电机，且第二驱动电机的输出端设有减速器，所述减速器的输出端贯穿平台安装板设有齿轮，且齿轮与齿条相适配，所述平台安装板上的中间位置处设有控制器，且控制器与五自由度修磨机械臂电性连接。
进一步改进在于：所述棒材升降机构包括安装底座和交叉臂架，所述安装底座中部铰接有交叉臂架，且交叉臂架下方两侧中部均铰接有液压缸，两组所述液压缸的输出端分别与安装底座内的两侧铰接，所述交叉臂架顶部的两侧均转动安装有橡胶滚轮。
进一步改进在于：所述辊道包括支座和V型滚轮，所述支座上转动安装有V型滚轮，且支座的一侧位置处设有辊道电机，所述辊道电机的输出端与V型滚轮连接。
进一步改进在于：所述动平台靠近第三转动副的两端均转动安装有第七转动副，两组所述第三转动副分别与两端的所述第七转动副铰接。
本发明的有益效果为：本发明利用五自由度修磨机械臂，可实现三维移动以及二维转动，结合连接于末端的打磨片和六维力传感器，修磨过程中根据实时的力传感，可精准快速地调整五自由度修磨机械臂的位姿以完成修磨作业；且通过桁架以及移动平台及控制器可为五自由度修磨机械臂附加一个一维移动的自由度，移动平台及控制器安装于五自由度修磨机械臂顶部，形成混联修磨机器人，使得机器人有足够的运动空间，移动平台上还安装了控制器，使得混联修磨机器人整体布线简单，结构紧凑；同时，利用辊道以及棒材升降机构可将处于待料区的特钢棒材运送至混联修磨机器人的下方，完成修磨作业后可将特钢棒材运转至下一个工位；
综上，五自由度修磨机械臂结构紧凑，满足修磨作业要求的同时，可提供足够的刚度以确保完成钢材表面缺陷去除这一任务，结合六维力传感器的测量结果，末端动态响应好，可精准控制修磨过程，灵活调整末端打磨片的位姿，实现高精度定位，方便根据缺陷的种类灵活变换修磨工艺以高质量地完成修磨作业，在一定程度上解决现有机构累计误差大，修磨作业质量不可控的问题，同时可避免因面磨削而导致的表面烧伤，发蓝现象的发生，可高效完成钢材表面缺陷修磨。
附图说明
图1为本发明机器人的整体结构示意图；
图2为本发明的五自由度修磨机械臂示意图；
图3为本发明的五自由度修磨机械臂结构图；
图4为本发明的修磨结构示意图；
图5为本发明的桁架示意图；
图6为本发明的移动平台及控制器示意图；
图7为本发明的移动平台及控制器俯视图；
图8为本发明的棒材升降机构示意图；
图9为本发明的辊道示意图；
图10为本发明的侧视图。
其中：1、五自由度修磨机械臂；2、桁架；3、移动平台及控制器；4、棒材升降机构；5、辊道；6、安装平台；7、第一转动副；8、第一电缸；9、第二转动副；10、第一连杆；11、第一球面副；12、第二连杆；13、第三转动副；14、第二球面副；15、第二电缸；16、第四转动副；17、动平台；18、第五转动副；19、第三连杆；20、第六转动副；21、第一驱动电机；22、中间连接件；23、六维力传感器；24、保护罩；25、磨削电主轴；26、打磨片；27、立柱；28、齿条；29、平台安装板；30、滑槽；31、第二驱动电机；32、减速器；33、齿轮；34、控制器；35、安装底座；36、交叉臂架；37、液压缸；38、橡胶滚轮；39、支座；40、V型滚轮；41、辊道电机；42、第七转动副。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1-10所示，本实施例提供了一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，包括五自由度修磨机械臂1、桁架2、移动平台及控制器3、棒材升降机构4和辊道5，所述桁架2上活动安装有移动平台及控制器3，且移动平台及控制器3下方安装有五自由度修磨机械臂1，所述桁架2的下方位置处设有棒材升降机构4和辊道5，且棒材升降机构4和辊道5均设有多组；
所述五自由度修磨机械臂1包括安装平台6和第一转动副7，所述安装平台6通过螺栓固定于移动平台及控制器3下方，且安装平台6的两端均铰接有第一转动副7，两组所述第一转动副7下均安装有第一电缸8，且两组所述第一电缸8的输出端均设有第二转动副9，两组所述第二转动副9上均铰接有第一连杆10，且两组所述第一连杆10的下端均通过第一球面副11连接有第二连杆12，所述第二连杆12下端设有第三转动副13，所述安装平台6下端的两侧均通过第二球面副14连接有第二电缸15，且第二电缸15的输出端设有第四转动副16，所述第三转动副13和第四转动副16下铰接有动平台17。
两组所述第一连杆10的上端均设有第五转动副18，且两组所述第五转动副18上铰接有第三连杆19，所述第三连杆19上设有第六转动副20，所述安装平台6内部设有第一驱动电机21，且第一驱动电机21的输出端与第六转动副20连接。
其中，第一转动副7、第二转动副9、第五转动副18和第六转动副20转动轴线相互平行，第三转动副13和第七转动副42的转动轴线相互垂直。
所述动平台17上通过中间连接件22安装有六维力传感器23，且六维力传感器23外套设有保护罩24，所述动平台中部设置有通孔，可安装磨削电主轴25，磨削电主轴25远离修磨端与六维力传感器23连接，靠近修磨端安装有打磨片26。
使用时，利用磨削电主轴25带动打磨片26对钢棒材表面进行修磨，利用六维力传感器23在修磨过程中根据实时的力传感，通过第一电缸8、第二电缸15的伸缩，以及第一驱动电机21带动第六转动副20转动，来精准快速地调整五自由度修磨机械臂1的位姿以完成修磨作业。
所述桁架2包括立柱27和齿条28，所述齿条28安装在立柱27的上方，且齿条28的内侧为齿，所述齿条28的顶部设有滑轨。
所述移动平台及控制器3包括平台安装板29，所述平台安装板29底部的两侧均设有与滑轨相适配的滑槽30，所述平台安装板29顶部的两侧均设有第二驱动电机31，且第二驱动电机31的输出端设有减速器32，所述减速器32的输出端贯穿平台安装板29设有齿轮33，且齿轮33与齿条28相适配，所述平台安装板29上的中间位置处设有控制器34，且控制器34与五自由度修磨机械臂1电性连接。使用时，利用齿轮33旋转和齿条28的适配作用，使移动平台及控制器3沿着滑轨移动，为五自由度修磨机械臂1附加一个一维移动的自由度。
所述棒材升降机构4包括安装底座35和交叉臂架36，所述安装底座35中部铰接有交叉臂架36，且交叉臂架36下方两侧中部均铰接有液压缸37，两组所述液压缸37的输出端分别与安装底座35内的两侧铰接，所述交叉臂架36顶部的两侧均转动安装有橡胶滚轮38。随着液压缸37的活动，推动交叉臂架36抬起或放下棒材。
所述辊道5包括支座39和V型滚轮40，所述支座39上转动安装有V型滚轮40，且支座39的一侧位置处设有辊道电机41，所述辊道电机41的输出端与V型滚轮40连接。通过辊道电机41带动V型滚轮40旋转实现特钢棒材沿轴线方向的进给运动。
所述动平台17靠近第三转动副13的两端均转动安装有第七转动副42，两组所述第三转动副13分别与两端的所述第七转动副42铰接，用于实现第二连杆12与动平台17之间多轴转动。
该基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人利用五自由度修磨机械臂1，可实现三维移动以及二维转动，结合连接于末端的打磨片26和六维力传感器23，修磨过程中根据实时的力传感，可精准快速地调整五自由度修磨机械臂1的位姿以完成修磨作业；且通过桁架2以及移动平台及控制器3可为五自由度修磨机械臂1附加一个一维移动的自由度，移动平台及控制器3安装于五自由度修磨机械臂1顶部，形成混联修磨机器人，使得机器人有足够的运动空间，移动平台及控制器3上还安装了控制器34，使得混联修磨机器人整体布线简单，结构紧凑；同时，利用辊道5以及棒材升降机构4可将处于待料区的特钢棒材运送至混联修磨机器人的下方，完成修磨作业后可将特钢棒材运转至下一个工位；
综上，五自由度修磨机械臂1结构紧凑，满足修磨作业要求的同时，可提供足够的刚度以确保完成钢材表面缺陷去除这一任务，结合六维力传感器23的测量结果，末端动态响应好，可精准控制修磨过程，灵活调整末端打磨片26的位姿，实现高精度定位，方便根据缺陷的种类灵活变换修磨工艺以高质量地完成修磨作业，在一定程度上解决现有机构累计误差大，修磨作业质量不可控的问题，同时可避免因面磨削而导致的表面烧伤，发蓝现象的发生，可高效完成钢材表面缺陷修磨。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，包括五自由度修磨机械臂(1)、桁架(2)、移动平台及控制器(3)、棒材升降机构(4)和辊道(5)，其特征在于：所述桁架(2)上活动安装有移动平台及控制器(3)，且移动平台及控制器(3)下方安装有五自由度修磨机械臂(1)，所述桁架(2)的下方位置处设有棒材升降机构(4)和辊道(5)，且棒材升降机构(4)和辊道(5)均设有多组；
所述五自由度修磨机械臂(1)包括安装平台(6)和第一转动副(7)，所述安装平台(6)通过螺栓固定于移动平台及控制器(3)下方，且安装平台(6)的两端均铰接有第一转动副(7)，两组所述第一转动副(7)下均安装有第一电缸(8)，且两组所述第一电缸(8)的输出端均设有第二转动副(9)，两组所述第二转动副(9)上均铰接有第一连杆(10)，且两组所述第一连杆(10)的下端均通过第一球面副(11)连接有第二连杆(12)，所述第二连杆(12)下端设有第三转动副(13)，所述安装平台(6)下端的两侧均通过第二球面副(14)连接有第二电缸(15)，且第二电缸(15)的输出端设有第四转动副(16)，所述第三转动副(13)和第四转动副(16)下铰接有动平台(17)。
2.根据权利要求1所述的一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，其特征在于：两组所述第一连杆(10)的上端均设有第五转动副(18)，且两组所述第五转动副(18)上铰接有第三连杆(19)，所述第三连杆(19)上设有第六转动副(20)，所述安装平台(6)内部设有第一驱动电机(21)，且第一驱动电机(21)的输出端与第六转动副(20)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，其特征在于：所述动平台(17)上通过中间连接件(22)安装有六维力传感器(23)，且六维力传感器(23)外套设有保护罩(24)，所述动平台(17)中部设置有通孔并安装磨削电主轴(25)，所述磨削电主轴(25)远离修磨端与六维力传感器(23)连接，靠近修磨端安装有打磨片(26)。
4.根据权利要求1所述的一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，其特征在于：所述桁架(2)包括立柱(27)和齿条(28)，所述齿条(28)安装在立柱(27)的上方，且齿条(28)的内侧为齿，所述齿条(28)的顶部设有滑轨。
5.根据权利要求4所述的一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，其特征在于：所述移动平台及控制器(3)包括平台安装板(29)，所述平台安装板(29)底部的两侧均设有与滑轨相适配的滑槽(30)，所述平台安装板(29)顶部的两侧均设有第二驱动电机(31)，且第二驱动电机(31)的输出端设有减速器(32)，所述减速器(32)的输出端贯穿平台安装板(29)设有齿轮(33)，且齿轮(33)与齿条(28)相适配，所述平台安装板(29)上的中间位置处设有控制器(34)，且控制器(34)与五自由度修磨机械臂(1)电性连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，其特征在于：所述棒材升降机构(4)包括安装底座(35)和交叉臂架(36)，所述安装底座(35)中部铰接有交叉臂架(36)，且交叉臂架(36)下方两侧中部均铰接有液压缸(37)，两组所述液压缸(37)的输出端分别与安装底座(35)内的两侧铰接，所述交叉臂架(36)顶部的两侧均转动安装有橡胶滚轮(38)。
7.根据权利要求1所述的一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，其特征在于：所述辊道(5)包括支座(39)和V型滚轮(40)，所述支座(39)上转动安装有V型滚轮(40)，且支座(39)的一侧位置处设有辊道电机(41)，所述辊道电机(41)的输出端与V型滚轮(40)连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于并联驱动机构的特钢棒材表面修磨机器人，其特征在于：所述动平台(17)靠近第三转动副(13)的两端均转动安装有第七转动副(42)，两组所述第三转动副(13)分别与两端的所述第七转动副(42)铰接。
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