一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法。主要由光电编码器、永磁直流力矩电机、滚筒、滚珠丝杠、后支架、柔索、U槽导向机构、测力导向机构、周转导向机构及锁合器等组成。永磁直流力矩电机带动滚筒转动，滚筒在滚珠丝杠和圆柱导轨的共同约束下做螺旋运动，可同时实现了卷绳和排绳两个功能。柔索缠绕在滚筒上，依次经U槽导向机构、测力导向机构和周转导向机构输出。拉力传感器测量2倍的柔索张力，可降低传感器噪声以及传感器自身惯性对测量结果的影响；锁合器控制丝杠的转动，可启停排绳功能。本发明专利技术兼具卷绳、排绳、导向、测力及防卡死等基本功能，整体模块化设计，结构简单，占用体积小，柔索缠绕均匀，测力精度高。

Flexible rope driving device and method with automatic rope arranging and force measuring function

The invention relates to a flexible rope drive device with automatic rope arranging and force measuring function and a method thereof. It is mainly composed of photoelectric encoder, permanent magnet DC torque motor, roller, ball screw, rear support, flexible cable, U groove guiding mechanism, force measuring guiding mechanism, turnover guiding mechanism and locking device. The permanent magnet DC torque motor drives the roller to rotate, and the roller performs the screw motion under the common restraint of the ball screw and the cylindrical guide rail, and simultaneously realizes two functions of winding rope and arranging rope. The flexible cable is wound on the roller and is output by the U groove guiding mechanism, the measuring force guiding mechanism and the turnover guiding mechanism in turn. The tension sensor measures 2 times the tension of the flexible cable, which can reduce the influence of the sensor noise and the inertia of the sensor on the measurement results. The locking device controls the rotation of the lead screw and can start and stop the rope arranging function. The invention has the basic functions of winding rope, arranging rope, guiding, measuring force and preventing clamping, etc. the whole modular design has simple structure, small occupation volume, uniform flexible rope winding and high force measuring precision.

【技术实现步骤摘要】
一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法
本专利技术涉及一种机械传动装置，特别涉及一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法，可以实现柔索沿卷筒轴向规则排布、实时测量柔索张力以及防止机构卡死。
技术介绍
柔索传动作为一种新兴的传动方式，在加工装配、航空航天、医疗康复及工程领域已经得到了广泛的应用。柔索传动负载自重比大、速度精度比高、响应速度快、柔顺性好、工作方式灵活、环境适应能力强，因此，基于柔索传动的机械装置以及柔索驱动机器人形式多样、应用广泛。在柔索传动的应用过程中，柔索驱动装置的设计尤为重要。在使用柔索传动时，如果柔索在卷筒上缠绕不当，会出现乱绳、咬绳以及压绳等现象。当柔索杂乱无章地排列在卷筒上时，不仅不能充分利用卷筒的缠绕空间，柔索之间反复的挤压和摩擦还会造成柔索断丝，缩短使用寿命，严重影响测量精度与控制效果。如何能使柔索整齐排列在卷绳筒上并防止柔索混叠是本专利技术拟解决的问题之一。柔索驱动单元（专利号CN201110172607.4）能够完成空间多自由度的柔索驱动，但是柔索只能混乱缠绕在牵引轮上。一种带排绳器的液压绞盘（专利号CN201410475709.9）通过传动链和双向螺旋杆实现钢丝绳在液压绞盘上规则排布，但排绳器和绳索缠绕筒单独设计，结构复杂。绞车排绳器（专利号CN201210273488.6）通过锥形排绳辊筒的外圆锥面来使得绳紧密排绕在绞车辊筒上。一种自动排绳的电动绞盘（专利号CN201610695542.4）通过电机带动电机轴转动进而实现卷筒在电机轴上水平移动，牵引筒进一步引导钢丝绳的输出以及收拢，但牵引筒由齿轮机构驱动，丝杠与电机轴串联布置，整体结构复杂、体积庞大。在柔索传动的应用过程中，通常需要监测柔索张力或者对柔索内部张力进行伺服控制。目前，实时检测柔索张力的方法通常是将传感器置于柔索中间，传感器跟随柔索一起运动，但是这样增大了测量误差，在力精度要求较高的场合会影响力控制效果。如何动态检测柔索张力，减少测量误差，这也是本专利技术拟解决的另一个技术问题。一种压脉器（专利号CN2608018Y）通过拉力传感器检测压脉带上的压力并控制电机开关，传感器所受拉力大小与柔索张力的大小是非线性的，对张力测量的精度和实时性要求相对较低，无法进行张力控制。一种具有测力功能的柔索牵引装置（专利号CN201210081434.X）可实现空间多自由度的柔索驱动，并且可实时检测柔索张力，但是柔索混乱缠绕在牵引轮上，柔索容易损坏，柔索在牵引轮上的堆叠以及轴向窜动也会影响柔索张力的测量精度。具有零位调节的绳索张力检测机构（专利号CN201010155278.8）可检测柔索动、静态张力，但限制了柔索传动方向和工作空间；可重构式柔索驱动并联机器人及其驱动装置（专利号CN200910088558.9），其驱动模块可以使柔索工作稳定不脱落，并能保证柔索有序排列，在断电的情况下不会造成柔索松弛和相互缠绕的情况，该装置无法检测柔索张力。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置及方法，可以实现柔索沿卷筒轴向规则排布、实时测量柔索张力以及防止机构卡死。本专利技术提供一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其技术方案是包括光电编码器（1）、永磁直流力矩电机（2）、前支架（3）、驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）、滚筒（6）、滚珠丝杠（7）、支撑法兰（8）、后支架（9）、柔索（10）、U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）、周转导向机构（13）、底板（14）、侧板（15）、顶板（16）以及锁合器（17）；永磁直流力矩电机（2）固定安装在前支架（3）上，电机输出轴通过平键与驱动法兰（4）连接，电机尾部安装有光电编码器（1）；通过光电编码器（1）检测电机的角速度和角位移，进一步可转换得到柔索（10）的线速度和伸缩量；所述的驱动法兰（4）通过轴承与前支架（3）配合安装，由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）转动；驱动法兰（4）的边缘均匀地固定安装了多根圆柱导轨（5），圆柱导轨（5）的另一端固定安装在支撑法兰（8）上；支撑法兰（8）通过轴承与后支架（9）配合安装；驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）和支撑法兰（8）整体由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）和后支架（9）转动，所述锁合器（17）安装在后支架（9）外侧；所述的滚筒（6）安装在圆柱导轨（5）上，可跟随圆柱导轨（5）绕自身轴线转动，并且可以沿圆柱导轨（5）在轴线方向上移动；滚筒（6）内部固定安装有螺母（7_2），螺母（7_2）与丝杠（7_1）配合构成滚珠丝杠螺母副；滚筒（6）在圆柱导轨（5）和滚珠丝杠（7）的共同作用下做螺旋运动，实现自动排绳功能。所述的柔索（10）缠绕在滚筒（6）上，依次经U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）和周转导向机构（13）输出。优选的，上述的丝杠（7_1）可相对于前支架（3）和后支架（9）自由转动，其转动与否通过锁合器（17）控制，丝杠（7_1）相对于圆柱导轨（5）并行布置，螺母（7_2）和滚筒（6）相对于丝杠（7_1）做螺旋运动；丝杠（7_1）的一端通过轴承与驱动法兰（4）配合安装，然后穿过支撑法兰（8），另一端固定安装在后支架（9）上；丝杠（7_1）的螺距大小与柔索（10）直径大小相同，滚筒（6）在转动一周的同时可沿轴线方向移动一个柔索直径的距离，保证柔索（10）规则的排布在滚筒（6）上，避免咬绳压绳，兼具了卷绳和排绳两个功能。优选的，上述的U槽导向机构（11）由导向支架（11_1）和U型槽轴承导轮（11_2）组成，安装在顶板（16）内侧；U型槽轴承导轮（11_2）被动跟随柔索（10）转动，保证柔索（10）流畅地传动。优选的，上述的测力导向机构（12）由S型拉力传感器（12_1）、测力支架（12_2）和V型槽轴承导轮（12_3）组成，S型拉力传感器（12_1）固定安装在底板内侧，另一端安装支架（12_2）和V型槽轴承导轮（12_3）；测力导向机构（12）可等效于定滑轮机构，柔索（10）经测力导向机构（12）传动方向改变180°；通过V型槽轴承导轮（12_3）可进一步约束柔索传动的方向。优选的，上述的周转导向机构（13）由轴承盖（13_1）、周转支架（13_2）和V型槽轴承导轮（13_3）组成，安装在顶板外侧（16）；周转支架（13_2）通过轴承、卡圈与顶板（16）和轴承盖（13_1）组合装配，相对于顶板（16）可绕自身轴线转动；V型槽轴承导轮（13_3）安装在周转支架（13_2）上；柔索（10）穿过周转支架（13_2）的通孔，然后经V型槽轴承导轮（13_3）输出；工作过程中，周转支架（13_2）跟随柔索（10）传动方向发生相应的转动，保证柔索（10）顺畅地输出。优选的，上述的锁合器（17）固定安转在后支架（9）上；锁合器（17）通电，推杆插入丝杠（7_1）末端的凹槽内，丝杠（7_1）的转动被限制，可实现正常排绳功能；当滚筒（6）移动到极限位置，或者传感器检测到的柔索内张力异常、电机电流异常，或者人为急停，锁合器（17）会断电，推杆在弹簧弹力的作用下由丝杠的凹槽内弹出，丝杠（7_1）随滚筒（6）和螺母（7_2）自由转动，停止排绳功能，避免滚筒（6）和柔索（本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其特征是：包括光电编码器（1）、永磁直流力矩电机（2）、前支架（3）、驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）、滚筒（6）、滚珠丝杠（7）、支撑法兰（8）、后支架（9）、柔索（10）、U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）、周转导向机构（13）、底板（14）、侧板（15）、顶板（16）以及锁合器（17）；永磁直流力矩电机（2）固定安装在前支架（3）上，电机输出轴通过平键与驱动法兰（4）连接，电机尾部安装有光电编码器（1）；通过光电编码器（1）检测电机的角速度和角位移，进一步可转换得到柔索（10）的线速度和伸缩量；所述的驱动法兰（4）通过轴承与前支架（3）配合安装，由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）转动；驱动法兰（4）的边缘均匀地固定安装了多根圆柱导轨（5），圆柱导轨（5）的另一端固定安装在支撑法兰（8）上；支撑法兰（8）通过轴承与后支架（9）配合安装；驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）和支撑法兰（8）整体由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）和后支架（9）转动，所述锁合器（17）安装在后支架（9）外侧；所述的滚筒（6）安装在圆柱导轨（5）上，可跟随圆柱导轨（5）绕自身轴线转动，并且可以沿圆柱导轨（5）在轴线方向上移动；滚筒（6）内部固定安装有螺母（7_2），螺母（7_2）与丝杠（7_1）配合构成滚珠丝杠螺母副；滚筒（6）在圆柱导轨（5）和滚珠丝杠（7）的共同作用下做螺旋运动，实现自动排绳功能；所述的柔索（10）缠绕在滚筒（6）上，依次经U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）和周转导向机构（13）输出。...

【技术特征摘要】
1.一种具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其特征是：包括光电编码器（1）、永磁直流力矩电机（2）、前支架（3）、驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）、滚筒（6）、滚珠丝杠（7）、支撑法兰（8）、后支架（9）、柔索（10）、U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）、周转导向机构（13）、底板（14）、侧板（15）、顶板（16）以及锁合器（17）；永磁直流力矩电机（2）固定安装在前支架（3）上，电机输出轴通过平键与驱动法兰（4）连接，电机尾部安装有光电编码器（1）；通过光电编码器（1）检测电机的角速度和角位移，进一步可转换得到柔索（10）的线速度和伸缩量；所述的驱动法兰（4）通过轴承与前支架（3）配合安装，由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）转动；驱动法兰（4）的边缘均匀地固定安装了多根圆柱导轨（5），圆柱导轨（5）的另一端固定安装在支撑法兰（8）上；支撑法兰（8）通过轴承与后支架（9）配合安装；驱动法兰（4）、圆柱导轨（5）和支撑法兰（8）整体由永磁直流力矩电机（2）驱动并相对于前支架（3）和后支架（9）转动，所述锁合器（17）安装在后支架（9）外侧；所述的滚筒（6）安装在圆柱导轨（5）上，可跟随圆柱导轨（5）绕自身轴线转动，并且可以沿圆柱导轨（5）在轴线方向上移动；滚筒（6）内部固定安装有螺母（7_2），螺母（7_2）与丝杠（7_1）配合构成滚珠丝杠螺母副；滚筒（6）在圆柱导轨（5）和滚珠丝杠（7）的共同作用下做螺旋运动，实现自动排绳功能；所述的柔索（10）缠绕在滚筒（6）上，依次经U槽导向机构（11）、测力导向机构（12）和周转导向机构（13）输出。2.根据权利要求1所述的具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其特征是：所述的丝杠（7_1）可相对于前支架（3）和后支架（9）自由转动，其转动与否通过锁合器（17）控制，丝杠（7_1）相对于圆柱导轨（5）并行布置，螺母（7_2）和滚筒（6）相对于丝杠（7_1）做螺旋运动；丝杠（7_1）的一端通过轴承与驱动法兰（4）配合安装，然后穿过支撑法兰（8），另一端固定安装在后支架（9）上；丝杠（7_1）的螺距大小与柔索（10）直径大小相同，滚筒（6）在转动一周的同时可沿轴线方向移动一个柔索直径的距离，保证柔索（10）规则的排布在滚筒（6）上，避免咬绳压绳，兼具了卷绳和排绳两个功能。3.根据权利要求1所述的具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其特征是：所述的U槽导向机构（11）由导向支架（11_1）和U型槽轴承导轮（11_2）组成，安装在顶板（16）内侧；U型槽轴承导轮（11_2）被动跟随柔索（10）转动，保证柔索（10）流畅地传动。4.根据权利要求1所述的具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其特征是：所述的测力导向机构（12）由S型拉力传感器（12_1）、测力支架（12_2）和V型槽轴承导轮（12_3）组成，S型拉力传感器（12_1）固定安装在底板内侧，另一端安装支架（12_2）和V型槽轴承导轮（12_3）；测力导向机构（12）可等效于定滑轮机构，柔索（10）经测力导向机构（12）传动方向改变180°；通过V型槽轴承导轮（12_3）可进一步约束柔索传动的方向。5.根据权利要求1所述的具有自动排绳及测力功能的柔索驱动装置，其特征是：所述的周转导向机构（13）由轴承盖（13_1）、周转支架（13_2）和V型槽轴承导轮（13_3）组成，安装在顶板外侧（16）；周转支架（13_2）...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹宇鹏，韩志远，王洪帅，常坤堂，李栋，王少为，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37