本發(fā)明涉及精密加工設(shè)備，具體涉及一種支持公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力感研拋裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其在航空航天、能源動(dòng)力、半導(dǎo)體等高精度領(lǐng)域，對(duì)于大型復(fù)雜曲面零件的加工需求日益增加。這些零件通常具有高度的幾何復(fù)雜性，且在加工過(guò)程中對(duì)表面質(zhì)量、幾何精度和力控制的要求愈加嚴(yán)苛。特別是在光學(xué)曲面高精度研磨與拋光工藝中，如何精準(zhǔn)地控制工件與工具之間的接觸力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)成為技術(shù)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的手工操作難以滿(mǎn)足這些要求，工業(yè)機(jī)器人作為替代方案已廣泛應(yīng)用于該類(lèi)零件的加工。然而，由于復(fù)雜曲面的幾何形狀通常難以完全精確獲得，這導(dǎo)致機(jī)器人加工路徑往往偏離目標(biāo)曲面，并且機(jī)器人自身的重復(fù)定位精度相對(duì)較差、工件的裝夾誤差、研拋力的非線(xiàn)性變化等因素，使得單一依靠工業(yè)機(jī)器人位置精度進(jìn)行加工無(wú)法有效保證加工精度和質(zhì)量。因此，迫切需要使機(jī)器人在研拋過(guò)程中具備力感知與力控制的能力。

2、當(dāng)前，力位混合控制裝置主要分為氣缸驅(qū)動(dòng)式與電機(jī)驅(qū)動(dòng)式兩種類(lèi)型。氣缸驅(qū)動(dòng)式力位混合控制裝置如奧地利ferrobotics和美國(guó)pushcorp等公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，已經(jīng)在某些領(lǐng)域得到了應(yīng)用，具有較高的力控精度，且技術(shù)上較為成熟。然而，氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常存在顯著的非線(xiàn)性問(wèn)題，主要體現(xiàn)在氣缸的壓力與負(fù)載之間的非線(xiàn)性關(guān)系難以精確建模，導(dǎo)致其力控精度受到較大限制。此外，氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，且具有滯后性，這使得其在高精度、快速反應(yīng)需求的研拋加工過(guò)程中難以滿(mǎn)足高效力控的要求。

3、相較于氣缸驅(qū)動(dòng)式裝置，電機(jī)驅(qū)動(dòng)式力位混合控制裝置通常采用具有高響應(yīng)性能的音圈電機(jī)。音圈電機(jī)通過(guò)直接驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)快速且精確的位移控制，特別適合用于需要高頻響應(yīng)的精密力控應(yīng)用。盡管音圈電機(jī)在快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)，但其在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化時(shí)，動(dòng)子端的負(fù)載對(duì)電機(jī)響應(yīng)能力的影響不可忽視。在高負(fù)載條件下，音圈電機(jī)的動(dòng)態(tài)精度會(huì)受到較大影響，導(dǎo)致力控性能的下降。此問(wèn)題尤其在機(jī)器人末端裝置的應(yīng)用中表現(xiàn)得較為突出，因?yàn)闄C(jī)器人末端姿態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致力控裝置的重力負(fù)載發(fā)生時(shí)變，從而影響力控精度和穩(wěn)定性。

4、在以上兩種類(lèi)型的力位混合控制裝置中，研拋頭的力控制與機(jī)器人的位置控制通常被割裂開(kāi)，兩者在不同的物理控制器中，獨(dú)立進(jìn)行控制。機(jī)器人控制器難以知道研拋頭由于控力而產(chǎn)生的位移偏差，研拋頭在不借助額外傳感器的情況下，也難以實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的位姿。同時(shí)傳統(tǒng)上機(jī)器人研拋頭一般只具備自轉(zhuǎn)功能，不能滿(mǎn)足復(fù)雜研拋工藝的要求。因此，需要一款可用于機(jī)器人與研拋頭統(tǒng)一控制的支持公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的力感知研拋頭。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人末端研拋裝置結(jié)構(gòu)單一、力控精度不足、軌跡調(diào)節(jié)能力差等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于機(jī)器人研拋加工的支持公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的高精度力感研拋裝置，其目的在于通過(guò)構(gòu)建具備軌跡調(diào)控能力與力感知功能的復(fù)合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜曲面、自由曲線(xiàn)等表面上的高精度研拋，從而顯著提升表面質(zhì)量與輪廓精度。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種支持公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力感研拋裝置，該裝置包括自轉(zhuǎn)部分和公轉(zhuǎn)部分。

3、本發(fā)明的自轉(zhuǎn)部分包括伺服電機(jī)、電機(jī)座、聯(lián)軸器、輻條式測(cè)力座、主軸軸體、上端小軸承、下端小軸承、c形環(huán)、軸承壓蓋、心軸、研拋盤(pán)。伺服電機(jī)，安裝在電機(jī)座上。電機(jī)座與主軸軸體固連。主軸軸體上下兩端裝有同軸的上端小軸承、下端小軸承，用于支撐所述心軸。軸承壓蓋、c形環(huán)用于上端小軸承、下端小軸承的軸向壓緊定位。伺服電機(jī)的電機(jī)軸，通過(guò)聯(lián)軸器與心軸相連。研拋盤(pán)安裝在心軸末端。

4、本發(fā)明的自轉(zhuǎn)部分通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)研拋盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。

5、本發(fā)明的公轉(zhuǎn)部分包括小伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件，大齒輪、內(nèi)軸體、外軸體、偏心板、導(dǎo)向螺桿、上端大軸承、下端大軸承以及導(dǎo)電滑環(huán)。外軸體兩端安裝有上端大軸承、下端大軸承，用來(lái)支撐內(nèi)軸體，實(shí)現(xiàn)內(nèi)軸體與外軸體之間的同軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。外軸體上端兩側(cè)分別安裝了一套小伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件。外軸體下端安裝了導(dǎo)電滑環(huán)的固定端，導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)端與內(nèi)軸體固連。內(nèi)軸體上端固定了大齒輪，大齒輪上端通過(guò)螺栓連接固定了偏心板。

6、本發(fā)明的公轉(zhuǎn)部分用來(lái)驅(qū)動(dòng)自轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。

7、本發(fā)明的自轉(zhuǎn)部分通過(guò)輻條式測(cè)力座利用導(dǎo)向螺桿固定在偏心板上，通過(guò)輻條式測(cè)力座在偏心板導(dǎo)軌上的位置調(diào)整，可以改變公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的偏心量，滿(mǎn)足研拋工藝的要求。

8、進(jìn)一步地，本發(fā)明的輻條式測(cè)力座采用電阻應(yīng)變片式測(cè)力結(jié)構(gòu)，多個(gè)應(yīng)變片以橋式或半橋式布置均勻貼附在測(cè)力座的輻條區(qū)域上，形成能夠?qū)崟r(shí)感知法向力方向微小力變化的高靈敏度測(cè)力系統(tǒng)，具備較高分辨率和線(xiàn)性響應(yīng)特性。

9、進(jìn)一步地，本發(fā)明的外軸體頂部的安裝座用于將該裝置可靠固定于機(jī)器人末端法蘭接口上，作為全部運(yùn)動(dòng)與測(cè)控部件的裝配基礎(chǔ)，安裝座具備精密加工的定位孔與周向分布的螺釘孔，配合安裝座內(nèi)部的大圓孔，實(shí)現(xiàn)高重復(fù)精度的裝配對(duì)接；

10、進(jìn)一步地，本發(fā)明的小伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件包括小伺服電機(jī)、安裝座、小齒輪，通過(guò)安裝座固定在外軸體上。小伺服電機(jī)固定在所述安裝座上，與小齒輪直連，并驅(qū)動(dòng)小齒輪的運(yùn)動(dòng)。小齒輪通過(guò)與自轉(zhuǎn)部分的大齒輪嚙合，減速驅(qū)動(dòng)整個(gè)所述自轉(zhuǎn)部分，最終形成研拋盤(pán)公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)疊加的復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡。

11、進(jìn)一步地，本發(fā)明的導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)部集成多個(gè)獨(dú)立電刷和導(dǎo)電環(huán)通道，能夠在公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的復(fù)合旋轉(zhuǎn)條件下連續(xù)不斷地向所述自轉(zhuǎn)部分伺服電機(jī)、輻條式測(cè)力座上的應(yīng)變片等部件供電并傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力、控制、通信多路并行。

12、進(jìn)一步地，本發(fā)明的伺服電機(jī)為集成式直驅(qū)型無(wú)刷伺服電機(jī)，內(nèi)部配置高精度編碼器，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)輸出軸角度與轉(zhuǎn)速，其信號(hào)通過(guò)控制器構(gòu)建閉環(huán)反饋系統(tǒng)，對(duì)研拋盤(pán)速度進(jìn)行精密控制，適應(yīng)構(gòu)建穩(wěn)定的去除函數(shù)。

13、進(jìn)一步地，本發(fā)明的自轉(zhuǎn)部分的上端小軸承、下端小軸承以及公轉(zhuǎn)部分的上端大軸承、下端大軸承優(yōu)選為交叉滾子軸承或成對(duì)角接觸軸承，具備高剛度、抗傾覆力矩能力與優(yōu)異旋轉(zhuǎn)精度，軸承端蓋設(shè)有防塵密封與潤(rùn)滑注油結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)使用壽命。

14、總體而言，通過(guò)本發(fā)明提出的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

15、1、本發(fā)明提供的高精度力感研拋裝置集成公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)及偏心調(diào)控能力，可生成高斯去除函數(shù)在內(nèi)的多種去除函數(shù)形式，顯著提升研拋工藝適應(yīng)性；

16、2、本發(fā)明中采用的輻條式三維測(cè)力座具備中空結(jié)構(gòu)，與集成商用力傳感器方案相比，測(cè)量面可以跟靠近研拋面，在保持高靈敏度與寬量程的同時(shí)，可提高研拋面處的系統(tǒng)剛性，可實(shí)現(xiàn)微小接觸力的實(shí)時(shí)采集，結(jié)合機(jī)器人控制器形成力控制閉環(huán)，保障加工過(guò)程中的壓力輸出的穩(wěn)定性；

17、3、本發(fā)明利用高精度導(dǎo)電滑環(huán)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下提供連續(xù)電源與數(shù)據(jù)鏈路，為集成的電機(jī)、編碼器、傳感器提供穩(wěn)定供能與信號(hào)反饋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化智能控制；

18、4、本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于裝置拆裝維護(hù)與整體快速更換，支持工業(yè)機(jī)器人柔性制造系統(tǒng)部署；

19、5、本發(fā)明裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)態(tài)剛性高，適用于小空間、高精度、復(fù)雜曲面研拋場(chǎng)景，具備廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。