【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于自动化磨削设备，具体涉及一种刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，具有高精度、快速响应与刚柔耦合等特点。
技术介绍
1、各类焊接维修后的零件需要进行磨削加工，确保修复过程的完整性。磨削加工可消除零件表面缺陷，保证尺寸精度，但是传统的人工打磨成本高、精度无法保证、安全性低；机床打磨精度高，但适应性差，成本高。机器人打磨凭借高柔顺性，成为磨抛加工降本增效的首要手段，磨抛加工既可消除零件表面的缺陷，保证尺寸精度，也可提高工件表面的光洁度，增加表面硬度，提高寿命。
2、具有高硬度、高耐磨、形状复杂等特点的工件会产生精密磨抛加工难度大，易发生振动等问题，从而降低加工精度。机器人磨抛加工通过在末端执行器上安装磨抛工具实现，通过分别控制机器人与末端执行器实现打磨路径与打磨力的控制。由于机器人与末端执行器整体作为串联机构，低刚度特性易引起加工振动；过高的刚性会引起力过冲问题，增大力控制难度。
3、申请号为202010029488.6和202011356093.3的专利申请分别公开了一种磨抛力控末端执行装置和一种气动柔顺打磨末端执行器，这两种末端执行器具有类似原理，均是使用气缸作为驱动元件，基于伺服控制系统实现力控打磨，有效降低了安装误差与路径规划误差。但是，末端执行器的刚度较低，易引起加工振动；气缸虽存在伺服控制，可实现打磨力的闭环反馈，但气缸存在活塞摩擦、供气不稳定等问题，控制存在时滞性，导致精确度不足，影响打磨质量。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下的技术方案：
3、一种刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，包括支撑组件、直线电驱组件和打磨组件；其特征在于，该执行器还包括刚柔耦合组件，刚柔耦合组件包括分布在执行器四周的拉涨蜂窝结构，拉涨蜂窝结构能够随着执行器的运动而拉涨或收缩；拉涨蜂窝结构由若干个嵌套式子胞单元阵列而成，每个嵌套式子胞单元包括外子胞元和内子胞元，内子胞元嵌套在外子胞元内且上、下端与外子胞元相连；外子胞元由四个异型单元一体成型，使得外子胞元在嵌套式子胞单元主视图中的形状呈蝴蝶状；每个异型单元包括类z形板和类l形板，类z形板在嵌套式子胞单元主视图中的侧边由线段ij、jk和ka组成，线段ij和ka平行；类l形板在嵌套式子胞单元主视图中的侧边由线段ab和bc组成，线段ab垂直于线段ka；内子胞元由四个角型板一体成型，角型板在嵌套式子胞单元主视图中的侧边由线段hg和gd组成，线段hg平行于线段ij和ka，线段gd平行于线段bc。
4、进一步的，通过改变嵌套式子胞单元的结构参数改变杨氏模量，进而改变执行器的刚度；其中，外子胞元的杨氏模量e1为：
5、
6、
7、内子胞元的杨氏模量e2为：
8、
9、嵌套式子胞单元的杨氏模量e为：
10、e＝e1+e2 (8)
11、式中，f1是外子胞元受到的载荷，l*和a*分别是嵌套式子胞单元的等效长度与等效面积，△y1是外子胞元在受力方向的位移，ar1、ar2是线段ab与bc的长度，θ是线段bc与外子胞元上、下中心线的夹角，al3/2、al2和al1是线段ij、jk和ka的长度，α是线段jk与ka之间的夹角，δ是内子胞元的壁厚，e0是嵌套式子胞单元所用材料的杨氏模量，i2为内子胞元的转动惯量，aib、ais是线段hg和gd的长度。
12、进一步的，根据卡式第二定理，当外子胞元的单一异型单元同时受到载荷和截面弯矩m1时，得到外子胞元在受力方向的位移△y1为：
13、
14、
15、异型单元受到的截面弯矩m1为：
16、
17、式中，m(x)是荷载作用于异型单元各部分产生的弯矩，是荷载时的弯矩，x是异型单元各部分受到载荷产生弯矩的微元力臂长度，i1是外子胞元的转动惯量，f是嵌套式子胞单元受到的载荷，f1是外子胞元受到的载荷。
18、进一步的，所述支撑组件包括上托板和下托板，直线电驱组件包括气缸和音圈电机；上托板与打磨机器人连接，气缸的缸筒与上托板连接，音圈电机通过电机底座与上托板连接，气缸的活塞杆末端和音圈电机的动子通过转接板与下托板连接，打磨组件安装在下托板上，气缸用于补偿下托板上所有负载的重力，音圈电机提供打磨力。
19、进一步的，所述直线电驱组件还包括音圈模组导轨、音圈模组滑块、上限位块和下限位块；音圈模组导轨与电机底座连接，音圈模组滑块与音圈模组导轨滑动连接，音圈模组滑块同时与转接板连接；音圈模组导轨两侧的分别设有上限位块和下限位块，对音圈电机的动子行程进行限位。
20、进一步的，所述打磨组件包括电主轴夹具、微型电主轴和打磨刀具；电主轴夹具安装在下托板上，微型电主轴与电主轴夹具连接，打磨刀具安装在微型电主轴末端。
21、与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：
22、(1)该执行器能够有效解决低刚度引起的加工颤振和气动驱动引起的控制精度不足问题，尤其适用于变曲率小工件的精密磨削加工，并且具有更高的刚度和一定的柔顺性，解决了电机无法承受冲击及接触瞬间的力过冲问题，通过执行器对打磨力的控制结合机械臂的加工轨迹控制，可实现高精度、高响应速度打磨。
23、(2)拉涨蜂窝结构具有优良的缓冲特性，可以满足打磨需要的柔顺要求；针对拉涨蜂窝结构普遍刚度低的问题，基于刚度强化计算方法，设计一种刚度强化的拉涨蜂窝结构，拉涨蜂窝结构基于嵌套式的布局可以显著提高杨氏模量，即刚度，并建立了单一嵌套式子胞单元的杨氏模量数学模型，在拉涨蜂窝结构材料、尺寸相同的前提下，可通过调整外子胞元和内子胞元的结构参数改变拉涨蜂窝结构的刚度，实现了简单高效的定制力学性能，较合理的适配不同工况，既保证了一定的柔顺，也提高了执行器的整体刚度。
24、(3)音圈电机相较于气缸因供气不稳定、活塞与气缸内壁摩擦引起的控制时滞性的问题，具有高响应速度、高精度的优点；相较于传统伺服电机滚珠丝杠总成结构因伺服电机重量大、整体传动复杂、滚珠间隙引起的惯性大、机械效率降低、更易产生振动的问题，音圈电机的重量轻、直线驱动、无齿槽效应等优点，更加适合作为精密打磨的末端执行器驱动元件；使用气缸平衡负载重力，可减轻音圈电机的额外负载作用，提高电机响应速度。
25、(4)为了提高响应速度，采用低摩擦气缸对下托板上所有负载的重力进行补偿，使音圈电机不承受额外负载。电主轴相较于气动主轴因供气不稳定引起的转速不稳问题，具有更高的控制精度，可实现精密磨削加工时需要的恒定转速。微型电主轴在保持恒定转速的前提下，未大幅增加重量，降低了惯性效应，保证控制精度。微型电主轴安装在末端执行器的中心，具有更高的刚度、精度及可重复性。音圈电机、微型电主轴与低摩擦气缸非同轴安装，可进一步提高刚度，为避免因非同轴心安装引起的倾覆力矩问题，微型电主轴与音圈电机的距离，即力本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，包括支撑组件、直线电驱组件和打磨组件；其特征在于，该执行器还包括刚柔耦合组件，刚柔耦合组件包括分布在执行器四周的拉涨蜂窝结构，拉涨蜂窝结构能够随着执行器的运动而拉涨或收缩；拉涨蜂窝结构由若干个嵌套式子胞单元阵列而成，每个嵌套式子胞单元包括外子胞元和内子胞元，内子胞元嵌套在外子胞元内且上、下端与外子胞元相连；外子胞元由四个异型单元一体成型，使得外子胞元在嵌套式子胞单元主视图中的形状呈蝴蝶状；每个异型单元包括类Z形板和类L形板，类Z形板在嵌套式子胞单元主视图中的侧边由线段IJ、JK和KA组成，线段IJ和KA平行；类L形板在嵌套式子胞单元主视图中的侧边由线段AB和BC组成，线段AB垂直于线段KA；内子胞元由四个角型板一体成型，角型板在嵌套式子胞单元主视图中的侧边由线段HG和GD组成，线段HG平行于线段IJ和KA，线段GD平行于线段BC。
2.根据权利要求1所述的刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，其特征在于，通过改变嵌套式子胞单元的结构参数改变杨氏模量，进而改变执行器的刚度；其中，外子胞元的杨氏模量E1为：
3.根据权利要求2所述
4.根据权利要求1～3任一所述的刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，其特征在于，所述支撑组件包括上托板和下托板，直线电驱组件包括气缸和音圈电机；上托板与打磨机器人连接，气缸的缸筒与上托板连接，音圈电机通过电机底座与上托板连接，气缸的活塞杆末端和音圈电机的动子通过转接板与下托板连接，打磨组件安装在下托板上，气缸用于补偿下托板上所有负载的重力，音圈电机提供打磨力。
5.根据权利要求4所述的刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，其特征在于，所述直线电驱组件还包括音圈模组导轨、音圈模组滑块、上限位块和下限位块；音圈模组导轨与电机底座连接，音圈模组滑块与音圈模组导轨滑动连接，音圈模组滑块同时与转接板连接；音圈模组导轨两侧的分别设有上限位块和下限位块，对音圈电机的动子行程进行限位。
6.根据权利要求1所述的刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，其特征在于，所述打磨组件包括电主轴夹具、微型电主轴和打磨刀具；电主轴夹具安装在下托板上，微型电主轴与电主轴夹具连接，打磨刀具安装在微型电主轴末端。
...【技术特征摘要】
1.一种刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，包括支撑组件、直线电驱组件和打磨组件；其特征在于，该执行器还包括刚柔耦合组件，刚柔耦合组件包括分布在执行器四周的拉涨蜂窝结构，拉涨蜂窝结构能够随着执行器的运动而拉涨或收缩；拉涨蜂窝结构由若干个嵌套式子胞单元阵列而成，每个嵌套式子胞单元包括外子胞元和内子胞元，内子胞元嵌套在外子胞元内且上、下端与外子胞元相连；外子胞元由四个异型单元一体成型，使得外子胞元在嵌套式子胞单元主视图中的形状呈蝴蝶状；每个异型单元包括类z形板和类l形板，类z形板在嵌套式子胞单元主视图中的侧边由线段ij、jk和ka组成，线段ij和ka平行；类l形板在嵌套式子胞单元主视图中的侧边由线段ab和bc组成，线段ab垂直于线段ka；内子胞元由四个角型板一体成型，角型板在嵌套式子胞单元主视图中的侧边由线段hg和gd组成，线段hg平行于线段ij和ka，线段gd平行于线段bc。
2.根据权利要求1所述的刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，其特征在于，通过改变嵌套式子胞单元的结构参数改变杨氏模量，进而改变执行器的刚度；其中，外子胞元的杨氏模量e1为：
3.根据权利要求2所述的刚柔耦合的电驱打磨末端执行器，...
【专利技术属性】
技术研发人员：戴士杰，金宇桐，李慨，李世博，王瑞钦，季文彬，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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