一种曲面顺应的三自由度远心定点柔性力控磨抛执行器

摘要

本发明属于复杂曲面加工技术领域，公开了一种曲面顺应的三自由度远心定点柔性力控磨抛执行器，包括控制器及依次相连的直线升降力控模块、二维姿态角度调节模块、传感器测量模块和打磨执行模块，直线升降力控模块用于带动其他模块上下直线运动；二维姿态角度调节模块包括彼此相连的第一和第二角度调节组件，两调节组件的旋转轴呈预设夹角，且交于磨盘下表面的一点；控制器分别与直线升降力控模块、二维姿态角度调节模块和传感器测量模块相连，用于根据传感器测量模块采集的接触力与力矩信号，控制直线升降力控模块和二维姿态角度调节模块运动以实时调整磨盘的磨抛力和姿态。本发明加工均匀性、一致性好，适合大型复杂曲面的表面磨抛加工。

说明书

技术领域

本发明属于复杂曲面加工技术领域，更具体地，涉及一种曲面顺应的三自由度远心定点柔性力控磨抛执行器。

背景技术

风电叶片是风力发电机组的关键部件，具有尺寸大(≥50米)、自由曲面型面、弱刚性、易变形的特点，是典型的大型复杂曲面零件，其型面形位精度和表面粗糙度直接影响着风力发电效率和寿命。注塑成型后的大型风电叶片需要进行整体一次性光整加工，当前的大型风电叶片等自由曲面的磨抛加工主要包括手工磨抛及龙门机床磨抛加工，其中，手工磨抛加工存在效率不高、磨抛余量不均匀、零件表面质量受工人技术熟练程度影响大且严重影响工人身心健康的问题，龙门机床磨抛存在灵活性差、操作复杂、且难以解决中尾部弱刚性区域的高效精密加工的问题。

为了解决上述磨抛加工的问题，出现了机器人磨抛技术，机器人磨抛技术具有效率高，加工一致性好，灵活性高，工作范围大，成本可控等优势，在风电叶片中具有广阔的应用前景。然而，机器人磨抛技术仍然存在一些问题：首先，机器人在复杂曲面等非结构化环境中进行如打磨、抛光等约束操作时，加工件的几何形貌难以精确建模，且大型风电叶片类工件的悬臂长、易变形等特性往往要求磨抛工具具有一定的柔顺性，加工对象精确模型的缺乏导致机器人运动轨迹规划困难或不准确；其次，机器人在打磨风电叶片等复杂曲面零件的过程中，目前一般采用单自由度柔性磨抛法兰安装于机器人末端进行打磨，在打磨的过程中，安装于机器人末端的单自由度柔性磨抛法兰的轴线与曲面零件的法线方向理论应该重合，但是由于加工环境复杂，机器人自身结构为悬臂梁等导致机器人末端精度较低，单自由度磨头与曲面零件接触时，其轴线与曲面的法线方向不重合，使得曲面零件出现过磨或少磨的区域，一致性较差。

因此，需研究设计一种可自适应曲面的柔性磨抛执行器，使其在执行磨抛过程中具有一定的柔顺性，并能自适应调整姿态以使磨头的轴线与曲面的法线重合，保证磨抛精度，

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲面顺应的三自由度远心定点柔性力控磨抛执行器，其通过对关键组件如直线升降力控模块、二维姿态角度调节模块、传感器测量模块和打磨执行模块的具体布置方式的研究与设计，以实时调整加工接触点的姿态及接触力，并使得二维姿态调整时接触点的位置不发生改变，在提高打磨精度、实现柔顺磨抛的同时，防止重复磨抛及磨抛不均匀，具有加工均匀性、一致性好等优点，特别适合于大型复杂曲面零件的表面磨抛加工。

为实现上述目的，本发明提出了一种曲面顺应的三自由度远心定点柔性力控磨抛执行器，其包括控制器以及依次相连的直线升降力控模块、二维姿态角度调节模块、传感器测量模块和打磨执行模块，其中：

所述直线升降力控模块用于带动二维姿态角度调节模块、传感器测量模块和打磨执行模块构成的整体做上下直线运动；所述二维姿态角度调节模块包括彼此相连的第一角度调节组件和第二角度调节组件，该第一角度调节组件用于带动所述第二角度调节组件、传感器测量模块和打磨执行模块构成的整体做第一旋转运动，该第一旋转运动的旋转轴与直线运动的方向平行，所述第二角度调节组件用于带动所述传感器测量模块和打磨执行模块构成的整体做第二旋转运动，该第二旋转运动的旋转轴与第一旋转运动的旋转轴呈预设夹角，并且两旋转轴交于一点，该点位于打磨执行模块中的磨盘的下表面上；

所述控制器分别与所述直线升降力控模块、二维姿态角度调节模块和传感器测量模块相连，用于根据所述传感器测量模块采集的磨盘与待磨抛曲面间的接触力与力矩信号，控制所述直线升降力控模块和二维姿态角度调节模块运动，以实时调整磨盘的磨抛力和姿态，以此实现曲面顺应的三自由度远心定点柔性力控磨抛。

作为进一步优选的，所述直线升降力控模块包括丝杠电机、光轴以及从上至下依次设置的上安装板、固定板、光轴固定板和下安装板，所述丝杠电机安装在所述固定板上，该丝杠电机内穿装有与丝杠电机螺纹配合的丝杠，该丝杠的上端固定在所述上安装板上，下端固定在所述光轴固定板上，所述光轴与所述丝杠平行布置，其穿过所述固定板，且其两端分别安装在所述上安装板和光轴固定板上，所述固定板和下安装板之间设置有铜柱，该下安装板用于连接二维姿态角度调节模块。

作为进一步优选的，所述光轴设置有四根，其分设于丝杠的四周。

作为进一步优选的，所述第一角度调节组件包括第一电机、主动齿轮、被动齿轮、第一交叉滚子轴承和第一连接板，所述第一电机竖直布置，并安装在所述下安装板上，其输出轴与所述主动齿轮相连，该主动齿轮与所述被动齿轮啮合，所述被动齿轮与所述第一交叉滚子轴承内圈的上端相连，该第一交叉滚子轴承内圈的下端与所述第一连接板相连，该第一交叉滚子轴承的外圈与所述下安装板相连。

作为进一步优选的，所述被动齿轮布置在下安装板下方的中间，所述主动齿轮和第一电机布置在偏离下安装板中间的位置。

作为进一步优选的，所述第二角度调节组件包括第二电机和第二交叉滚子轴承，所述第二电机倾斜布置，其安装在电机固定板上，该电机固定板通过连接件与所述第一角度调节组件相连；所述第二电机的输出轴与所述第二交叉滚子轴承的内圈相连，该第二交叉滚子轴承的内圈还与内圈固定板相连，该内圈固定板用于连接所述传感器测量模块，该第二交叉滚子轴承的外圈与所述电机固定板相连。

作为进一步优选的，所述传感器测量模块包括传感器，该传感器的上端通过连接角件与第二角度调节组件相连，该传感器的下端通过连接板与所述打磨执行模块相连。

作为进一步优选的，所述打磨执行模块包括打磨电机及与该打磨电机的输出轴相连的磨盘，所述打磨电机安装在连接板上，该连接板与所述传感器测量模块相连。

作为进一步优选的，两旋转轴相交的点位于磨盘下表面的中心或偏离磨盘下表面的中心。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的磨抛执行器通过直线升降力控模块和二维姿态角度调节模块的配合可实现磨盘磨抛力和姿态的自适应柔顺调整，并且二维姿态角度调节模块两旋转运动的旋转轴呈一定角度，且两旋转轴交于磨盘下表面上的一点(即磨削点)，使得在姿态调整过程中磨削点位置不发生变化，保证磨盘轴线与曲面的法线重合，从而保证磨抛精度。

2.本发明的直线升降力控模块使用电机及丝杠驱动，可精确实现接触力大小的控制，二维姿态角度调节模块使用两个电机控制磨盘的姿态，结构上基于远心定点设计，可控制定点位置在电机旋转时不发生改变，避免过磨及不均匀打磨，各部件间通过交叉滚子轴承进行连接卸载，可使得结构更加紧凑，将体积利用到极大化，可避免对电机轴直接施加拉压力及弯矩。

3.本发明的直线升降力控模块使用丝杠传动，使得控制精度增加，且直线升降力控模块周围由四根光轴支撑，丝杠布置在四根光轴中心，使得四周受力十分均匀，丝杠只承受拉压力，不受弯矩，使得升降力控性能更佳。

4.本发明的二维姿态角度调节模块中的第一电机偏离中心一定距离，既为直线升降力控模块提供了空间，缩小了整体高度，也从一定程度上实现了配重效果，将执行器整体的质心向中心轴线靠近。

5.本发明可通过调整第一角度调节组件和第二角度调节组件的相对位置，使得两者旋转轴的交点偏离磨抛加工线速度较低的中心处(即磨盘下表面中心处)，以提高磨抛加工效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种曲面顺应的三自由度远心定点柔性力控磨抛执行器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的直线升降力控模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的二维姿态角度调节模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的传感器测量模块和打磨执行模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的两旋转轴交于磨盘表面一点的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-直线升降力控模块，2-第一角度调节组件，3-第二角度调节组件，4-传感器测量模块，5-打磨执行模块，101-上安装板，102-丝杠电机，103-直线轴承，104-固定板，105-光轴，106-铜柱，107-光轴固定支座，108-光轴固定板，109下安装板，201-第一电机，203-主动齿轮，204-第一交叉滚子轴承，205-被动齿轮，206-尼龙垫柱，207-第一连接板，301-第二电机，302-45°连接角件，303-第一固定件，304-第二交叉滚子轴承，305-电机固定板，306-内圈固定板，401-传感器，402-传感器固定板，403-第二固定件，404-135°连接角件，405-第二连接板，501-打磨电机，502-第三连接板，503-磨盘。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种曲面顺应的三自由度远心定点柔性力控磨抛执行器，其包括控制器以及依次相连的直线升降力控模块1、二维姿态角度调节模块、传感器测量模块4和打磨执行模块5，其中，直线升降力控模块1用于带动二维姿态角度调节模块、传感器测量模块4和打磨执行模块5构成的整体做上下直线运动，进而通过上下的直线运动控制打磨执行模块5中的磨盘与待磨抛曲面间的接触力大小；二维姿态角度调节模块包括彼此相连的第一角度调节组件2和第二角度调节组件3，该第一角度调节组件2用于带动第二角度调节组件3、传感器测量模块4和打磨执行模块5构成的整体做第一旋转运动，该第一旋转运动的旋转轴与直线运动的方向平行，第二角度调节组件3用于带动传感器测量模块4和打磨执行模块5构成的整体做第二旋转运动，该第二旋转运动的旋转轴与第一旋转运动的旋转轴呈预设角度(一般为锐角，例如30°、45°、60°等)，并且两旋转轴交于一点，该点(磨削点)位于打磨执行模块5中的磨盘503的下表面上，由此使得进行角度调整时，磨削点位置保持不变，实现定心调整；控制器分别与直线升降力控模块1、二维姿态角度调节模块(即第一角度调节组件2和第二角度调节组件3)和传感器测量模块4相连，用于根据传感器测量模块4采集的磨盘503与待磨抛曲面间的接触力与力矩信号，控制直线升降力控模块1、第一角度调节组件2和第二角度调节组件3运动，以实时调整磨盘503的磨抛力和姿态，以此实现曲面顺应的三自由度远心定点柔性力控磨抛。

如图2所示，直线升降力控模块1包括上安装板101、固定板104、光轴固定板108、下安装板109、丝杠电机102和光轴105，上安装板101、固定板104、光轴固定板108、下安装板109从上至下依次设置，固定板104和下安装板109之间设置有铜柱106，用以提供光轴的直线移动空间，该下安装板109用于连接二维姿态角度调节模块。丝杠电机102安装在固定板104上，该丝杠电机102内穿装有与丝杠电机102螺纹配合的丝杠，丝杠上端固定在上安装板101上，下端固定在光轴固定板108上，运动时，丝杠不转动，电机相对丝杠进行上下移动，进而带动下部分结构一起运动，光轴105与丝杠平行布置，其穿过固定板104，并且其两端分别安装在上安装板101和光轴固定板108上。具体的，光轴105两端通过光轴固定支座107安装在上安装板101和光轴固定板108上，且固定板104上设有供光轴105进行直线运动的直线轴承103。进一步的，丝杠电机102为贯通式丝杠电机102，贯通式丝杠可对丝杠长度进行调节，利用丝杠的长度优点实现较大范围上的直线运动。更进一步的，丝杠与丝杠电机102带内螺纹的转子螺纹配合，由于丝杠上下两端固定，当转子旋转时，转子会上下运动，而转子与丝杠电机102内的定子配合，在转子上下运动时，丝杠电机102也随着上下运动，进而带动与之相连的第一角度调节组件2、第二角度调节组件3、传感器测量模块4和打磨执行模块5构成的整体上下运动。

该直线升降力控模块1工作过程为：在加工时，力传感器接收到力信息，通过阻抗控制可计算得到执行器沿力方向的位移，进而控制丝杠电机102运动，运动时，丝杠固定，电机本身与其下部分所有结构上下运动以调整位移，控制力的大小。

如图3所示，第一角度调节组件2包括第一电机201、主动齿轮203、被动齿轮205、第一交叉滚子轴承204和第一连接板207，第一电机201竖直布置，并安装在直线升降力控模块1上，具体安装在直线升降力控模块1的下安装板109上。第一电机201的输出轴与主动齿轮203相连，该主动齿轮203位于下安装板109下方，并与被动齿轮205啮合，被动齿轮205与第一交叉滚子轴承204内圈的上端相连，该第一交叉滚子轴承204内圈的下端与第一连接板207相连，该第一交叉滚子轴承204的外圈与下安装板109相连。具体的，第一交叉滚子轴承204的外圈通过尼龙垫柱206与下安装板109相连，尼龙垫柱用于调整第一交叉滚子轴承204外圈与下安装板109的距离，便于在两者之间预留齿轮及螺栓的安装空间。优选的，被动齿轮205布置在下安装板109下方的中间位置，第一电机201与主动齿轮203布置在偏离下安装板中间的位置，以此将下安装板中间部分的空间空出来，用来与上部分直线升降力控模块相连，减少整体结构在竖直方向上的距离。

如图3所示，第二角度调节组件3包括第二电机301和第二交叉滚子轴承304，第二电机301倾斜布置，其安装在电机固定板305上，电机固定板305通过连接件与第一角度调节组件2相连，具体与第一角度调节组件2中的第一连接板207相连。具体的，该连接件为45°连接角件302，该45°连接角件302一端与电机固定板305相连，另一端与第一连接板207的下端相连，由此使得第二电机301与第一电机201呈45度布置，为了保证连接的可靠性，还设置有第一固定件303，该第一固定件303的一端与电机固定板305相连，另一端与第一连接板207的下端相连，使得第二角度调节组件3与第一角度调节组件2稳定可靠连接。第二电机301的输出轴与第二交叉滚子轴承304的内圈相连，该第二交叉滚子轴承304的内圈还与内圈固定板306相连，也可使得第二电机301的输出轴穿过内圈，通过键槽与内圈固定板306相连。该内圈固定板306用于连接传感器测量模块4，该第二交叉滚子轴承304的外圈与电机固定板305相连。具体的，电机固定板305通过垫柱与第二交叉滚子轴承304外圈相连。

该第一角度调节组件2和第二角度调节组件3的工作过程为：在加工过程中，由力传感器检测得到力矩信息，经过阻抗控制分别计算得到两个旋转关节的旋转角，根据两个旋转角分别控制第一电机201和第二电机301运动，以此带动其余部分调节姿态，对接触力实现顺应控制。

如图5所示，二维姿态角度调节模块中的被动齿轮205的旋转轴即为第一旋转运动的旋转轴(图5中的X1)，其与上下直线运动的方向相同，即垂直分布，第二电机301的旋转轴即为第二旋转运动的旋转轴(图5中的X2)，其与第一旋转运动的旋转轴呈一定角度，优选为45度，两旋转轴相交于一点(图5中的点A)，该点位于打磨执行模块5中的磨盘503的下表面上，即两旋转运动旋转轴的交点为磨盘与待打磨曲面的接触点(即磨削点)，该二维姿态角度调节模块的第一角度调节组件的旋转轴和第二角度调节组件的旋转轴交于点A，形成了三角形远心定位机构，该点A即为远心点。通过使得两旋转运动旋转轴交于磨盘下表面上的一点，使得在对磨盘进行姿态调整时只会改变磨盘的姿态，不会导致磨盘的磨削点产生额外位移(即进行两个旋转运动时，始终绕接触点旋转，也即进行定心调整)，从而保证姿态调整过程中不改变磨盘与曲面接触点的位置，使得磨削面与曲面切平面始终重合。本发明基于远心定点串联机构原理，使两个电机串联连接，使其轴线相交并成一定角度，在结构上控制定点位于加工接触点处，使得该点在姿态调整时不发生变化，避免发生打磨不均匀、过磨等问题，使加工的均匀性、一致性更好。

具体的，被动齿轮205和第二电机301的两旋转轴相交的点(即磨削点)位于磨盘503下表面的中心或偏离磨盘503下表面的中心。若位于磨盘503下表面的中心，则被动齿轮205的旋转轴与打磨电机的旋转轴重合，若偏离磨盘503下表面的中心，则被动齿轮205的旋转轴与打磨电机的旋转轴平行，且两者重合，通过使磨削点偏离磨盘503中心，由于磨削时，磨盘旋转角速度一定时，接触点距离旋转中心越远，磨削的线速度越大，因而使磨削点偏离中心可使磨削更加高效。

如图4所示，传感器测量模块4包括传感器401，该传感器401的上端通过连接角件与第二角度调节组件3相连，具体与第二角度调节组件3的内圈固定板306相连，该传感器401的下端通过第二连接板405与打磨执行模块5相连。具体的，传感器401的上端安装在传感器固定板402上，该传感器固定板402通过135°连接角件404连接在内圈固定板306上。为了保证连接的可靠性，传感器固定板402和内圈固定板306之间还连接有第二固定件403。具体的，传感器401可以为单独的多自由度力及力矩传感器，也可以为多个单自由度力矩传感器的组合，实现三自由度及以上自由度的力及力矩的测量反馈即可，例如六维力传感器。

如图4所示，打磨执行模块5包括打磨电机501及与该打磨电机501的输出轴相连的磨盘503，打磨电机501安装在第三连接板502上，该第三连接板502与传感器测量模块4中的第二连接板405相连，以将打磨执行模块5固定在传感器测量模块4的下方，打磨电机501用于带动磨盘503旋转，实现磨抛动作，该打磨电机501竖直布置。

使用时，可将本发明的磨抛执行器安装在工业磨抛机器人的末端，具体通过上安装板101将磨抛执行器整体安装在机器人的末端，利用机器人的运动提供磨抛执行器大范围的位置和姿态调节，使本发明的磨抛执行器能够快速到达指定位置。本发明的磨抛执行器具有恒力、姿态精密调整的特点，能够实现给定位置处的恒力磨抛加工，同时自适应给定位置的曲面进行姿态调整，实现法向接触，防止重复磨抛、保证磨抛均匀一致性。磨抛时，打磨电机带动磨盘旋转进行磨抛动作，传感器实时采集磨盘与曲面间的接触力与力矩信号，控制器根据接收到的接触力大小及力矩信号控制丝杠电机、第一电机和第二电机的运动，以调整磨盘的姿态，使其磨削面始终与待加工曲面磨抛点的局部切平面重合(即磨盘的法线与磨抛点的法线重合)，并达到预设磨削力。具体的，控制器根据接收到的接触力和力矩信号，控制第一电机和第二电机的运行，从而实时调整磨盘姿态，使磨盘的磨削面始终与工件待加工曲面接触点的局部切平面重合，实现待加工曲面自适应；控制器还根据接收到的接触力和力矩信号控制丝杠电机运行，实时调整磨削力(即磨抛力)，实现柔性磨抛。

本发明磨抛执行器的设计基于远心定点机构(即二维姿态角度调节模块两旋转运动的旋转轴呈一定角度，且两旋转轴交于磨盘下表面上的一点)，可控制定点位置在电机旋转时不发生改变，避免过磨及不均匀打磨，并且该点的位置可通过机构设计进行调整，避免定点位置位于磨抛加工线速度较低的近中心处，提高磨抛加工效果。本发明整体结构设计较为简单可靠，为了空间利用极大化，使用到的零件较小且数目不多，整体体积较小，高度相对于现有的技术方案都要更小，并且二维角度调整的范围相对于现有的技术方案要大很多，加工效率更高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。