一种用于航空薄壁筒形件的力控式伺服夹爪的制作方法

本发明涉及航空制造与自动化夹持，具体涉及一种用于航空薄壁筒形件的力控式伺服夹爪。

背景技术：

1、在自动化搬运领域，伺服驱动的夹具已得到应用。例如授权公告号cn211729221u的专利公开了一种双夹具结构，通过伺服电机经传动机构带动梯形丝杠旋转，驱动夹爪开合以夹持棒管类工件，并可通过调节电机扭矩改变夹持力。该类方案适用于常规刚性工件，但对于航空薄壁筒形件，其壁薄刚度低，直接夹持外壁的径向力易导致变形，夹持方式存在一定局限。同时，其夹爪间距相对固定，更换工件规格时需人工调整，难以快速适应多品种生产，且缺乏力反馈闭环与振动抑制机制，搬运过程中的夹持稳定性有待提高。此外，在实际生产现场中，多台机床完成工件灌胶定型后，工件连同端部工装在水平面内的摆放姿态常存在一致性偏差，呈现轴线内收或外展的角度偏斜。而后续装夹所用的机床精密回转工作台分度精度有限，其零点定位装置对工件的角度对位公差要求严格，当工件的摆放角度偏差超出转台自身的分度补偿范围时，将无法完成工件与转台的精准装配合，进一步制约了自动化上下料的适配性与生产效率。

2、为此，本发明提供一种力控式伺服夹爪，其通过蜗轮蜗杆减速机带动夹爪组件绕竖直轴线旋转，以自适应工件摆放角度偏差，设置可沿导轨移动的动端夹爪，根据工件长度灵活调节两夹爪间距。夹爪从工件两端的工装组件支撑槽进行承托式夹持，避免径向夹紧力。支撑爪组件配有力传感器，实现夹持力的闭环控制，从而保障薄壁筒形件的安全搬运。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种用于航空薄壁筒形件的力控式伺服夹爪，通过承托式夹持结构、可自适应工件长度与角度的调节机构以及力传感器闭环控制，实现对薄壁筒形件的无变形安全夹持与高稳定性自动化搬运。

2、一种用于航空薄壁筒形件的力控式伺服夹爪，包括：

3、上安装板，其顶部用于与滑枕固定连接；

4、蜗轮蜗杆减速机，其外壳体与上安装板的底部固定连接；

5、减速机支架，与蜗轮蜗杆减速机的蜗轮内圈连接，并能够在第一伺服电机驱动下绕竖直轴线a旋转（r轴旋转）；

6、夹爪组件，安装于减速机支架下方，用于夹持工件；

7、其中，夹爪组件包括不动端夹爪和动端夹爪，不动端夹爪固定连接于减速机支架底部一侧，动端夹爪通过安装板安装于第一导轨的滑块上，并可沿第一导轨相对于不动端夹爪移动，以适应不同长度的工件。

8、蜗轮蜗杆减速机的外壳体与上安装板固定连接，减速机支架与蜗轮蜗杆减速机的蜗轮内圈连接，并在第一伺服电机驱动下绕竖直轴线（z轴）旋转，由此整个夹爪组件获得绕z轴的旋转自由度。该旋转调节功能使夹爪组件能够自适应工件摆放角度的偏差。动端夹爪通过安装板安装于第一导轨的滑块上，并可沿第一导轨即x轴方向相对于不动端夹爪移动，使夹爪组件能够根据工件长度灵活调整两夹爪间距。该结构使单一夹爪装置可适配多种长度规格的航空薄壁筒形件，有效提升设备的通用性和兼容性。夹爪组件从工件两端对工装组件的支撑槽进行承托式夹持，避免传统夹爪直接夹持薄壁筒体外壁所产生的径向夹紧力，从夹持方式上消除薄壁筒形件被夹扁变形的风险。夹爪组件同时可随滑枕沿z轴方向运动，实现工件的稳定抬起与搬运，为力控式伺服夹紧功能提供结构基础。

9、可选地，滑枕固定安装于滑枕移动板上，滑枕移动板设置在横梁架上、并能够沿水平方向往复移动；滑枕移动板上设有第一驱动电机，横梁架上沿水平方向固定设置有齿条，第一驱动电机的输出轴上设置有第一齿轮，第一齿轮与齿条啮合传动；

10、滑枕移动板设有第二驱动电机和第三导轨，第二驱动电机的输出轴上设置有第二齿轮，滑枕上沿竖直方向设有齿条部，第二齿轮与齿条部啮合传动，以驱动滑枕沿第三导轨竖直移动。滑枕移动板通过第一驱动电机、第一齿轮与横梁架上齿条的啮合传动，能够沿水平方向往复移动，使夹爪组件获得大范围水平位移能力，从而扩大夹爪的作业覆盖范围，便于在多个工位间转移工件。同时，滑枕通过第二驱动电机、第二齿轮与滑枕上竖直齿条部的啮合传动，并受第三导轨导向，能够沿竖直方向精确升降，保证工件取放过程的平稳性和定位准确性。上述水平移动与竖直升降由独立驱动电机分别控制，两轴运动互不耦合，使夹爪组件可根据工件空间位置灵活调整至目标抓取位姿。此外，齿轮齿条传动与导轨导向的组合结构，确保了夹爪组件运动过程中的传动刚性和直线度，避免因偏斜或振动影响力传感器的检测精度，从而为力控式夹持的稳定实施提供可靠的结构基础。

11、可选地，夹爪组件配设有沿动端夹爪移动方向布置的丝杆，丝杆能够旋转以驱动动端夹爪沿第一导轨移动；动端夹爪上设置有导轨刹车座，动端夹爪移动至预定位置后通过导轨刹车座与第一导轨锁紧固定。

12、驱动丝杆的方式可选有两种，一是手动驱动，丝杆的一端设置有手轮，手轮带动丝杆旋转以驱动动端夹爪沿第一导轨移动，操作人员无需借助额外工具即可手动完成位置调整，操作简便且调节过程连续可控，能够根据工件的实际长度精确设定动端夹爪的位置。动端夹爪移动至预定位置后通过导轨刹车座与第一导轨锁紧固定，该锁紧结构在调整到位后能够可靠保持动端夹爪的位置不变，防止夹持过程中因振动或外力作用导致动端夹爪发生意外位移，确保两夹爪间距在夹持和搬运过程中保持稳定。

13、另一种可选的丝杆驱动方式为电动驱动，丝杆一端由旋转电机56驱动（旋转电机可以通过联轴器与丝杆传动配合），驱动电机驱动丝杆旋转以驱动动端夹爪沿第一导轨移动，导轨刹车座可选为电控刹车座，动端夹爪移动至预定位置后可实现电控锁紧。这种驱动方式适合自动化控制，共同被一个控制单元所控制。

14、可选地，不动端夹爪和动端夹爪各自包括：

15、伺服电机；

16、减速机，与伺服电机连接；

17、双向螺纹丝杆，与减速机连接，由伺服电机驱动旋转；

18、至少两个支撑爪组件，支撑爪组件为与双向螺纹丝杆螺纹配合的螺母座，螺母座滑动安装于第二导轨上，双向螺纹丝杆旋转时驱动两个支撑爪组件沿第二导轨相向或相背运动，以实现对工件的夹持或放松。伺服电机经减速机驱动双向螺纹丝杆旋转，带动两个支撑爪组件沿第二导轨同步相向或相背运动，实现工件的对中夹持与放松。双向螺纹丝杆使两侧支撑爪组件的位移量相等，确保工件在夹持过程中轴线位置不偏移，有效提高夹持的重复定位精度。伺服电机配合减速机的驱动方式，相较于传统气动或液压夹爪，能够根据工件直径变化精确控制支撑爪的进给量，避免因工件外径公差波动造成的夹持力过大或不足，为薄壁筒形件的安全夹持提供可控的动力基础。支撑爪安装于第二导轨上并沿其滑动，导轨对支撑爪的运动方向进行约束，保证夹持动作的直线性和平稳性，减少因运动偏斜对工件造成的附加力矩。

19、进一步地，支撑爪组件上安装有力传感器，力传感器用于在夹紧过程中与工件接触并感知径向夹持力，支撑爪组件设有凸起部，工件两端为工装组件，工装组件设有支撑槽。力传感器在夹紧过程中与工件接触并产生径向夹持力。该信号可实时反馈至控制系统，使伺服电机的驱动量根据传感器反馈进行动态调节，实现夹持力的闭环控制。即使工件外径存在较大公差，支撑爪组件的移动量仍可随实际接触状态自适应调整，保证每次夹持的松紧度一致，有效防止薄壁筒形件因夹持力过大而产生变形。支撑爪组件设有凸起部，工件两端的工装组件设有支撑槽，夹持时凸起部沿第二导轨方向径向插入支撑槽内。该凹凸配合结构使夹持力集中作用于工装组件而非薄壁筒体本身，进一步消除了夹持力直接施加于薄壁表面所带来的变形风险，同时保证工件在夹持状态下的轴向和周向定位可靠性。

20、可选地，支撑爪组件包括支撑爪和移动板；

21、支撑爪设有若干个腰孔，通过穿设于腰孔的螺栓与移动板连接，移动板底面设有锁紧板，锁紧板上设有锁紧孔，锁紧孔内设有锁紧销对支撑爪侧边进行锁紧。支撑爪顶部设有若干个腰孔，并通过腰孔螺栓连接于移动板。腰孔使支撑爪相对于移动板的安装位置在一定范围内可调，从而允许两个支撑爪之间的初始间距根据工件直径进行调整，使同一夹爪能够适配不同径向尺寸的航空薄壁筒形件，进一步提升设备的兼容性。

22、锁紧板固定于移动板底面，锁紧板上设有锁紧孔，锁紧孔内设有锁紧销对支撑爪侧边进行锁紧。该锁紧结构在腰孔螺栓连接的基础上增加了侧向定位约束，有效防止支撑爪在夹持受力过程中沿腰孔方向产生滑移或偏转，显著提高支撑爪的安装刚性和位置保持精度。

23、通过腰孔实现直径适配调节与通过锁紧销实现紧固锁定相结合，使支撑爪在满足不同工件直径夹持需求的同时，能够在大夹紧力工况下保持稳定可靠的工作状态，避免因连接松动导致的夹持偏移或失效。

24、可选地，还包括一控制单元，控制单元被配置为：

25、根据工件的长度确定动端夹爪沿第一导轨的移动量，使两端夹爪的间距与工件两端支撑槽的间距相匹配；

26、根据工件的直径确定工件轴线的空间高度位置，并以支撑槽位于轴线所在水平面为约束确定夹爪组件在竖直方向的移动量，使各支撑爪组件的凸起部在高度方向上与对应支撑槽对准；

27、根据工件的直径及支撑槽相对轴线的位置，确定各支撑爪组件沿第二导轨的径向移动量，使凸起部能够沿径向插入支撑槽；

28、根据工件的空间基准位置及轴线高度，确定夹爪组件在水平方向的移动量，将夹爪组件移送至抓取位姿；

29、根据工件的重量及支撑爪与工装组件之间的静摩擦系数，计算搬运过程中所需的径向夹持力目标值，并在夹持过程中依据力传感器测得的实际径向夹持力信号闭环控制伺服电机的输出扭矩，使实际径向夹持力达到所述目标值。

30、控制单元自动计算动端夹爪的移动量、夹爪组件的竖直移动量、支撑爪组件的径向移动量以及夹爪组件的水平移动量，实现了夹爪组件对工件长度、直径及空间位姿的自适应匹配与精确定位，无需人工干预。控制单元根据工件重量和预设安全系数计算目标夹持力，并依据力传感器的径向夹持力闭环控制伺服电机的输出扭矩，使实际夹持力精确恒定，避免了因工件外径公差导致的夹持力波动，有效保障了航空薄壁筒形件的夹持安全性与一致性。

31、进一步地，控制单元还被配置为：

32、在支撑爪组件的凸起部接近支撑槽时，先以位置模式驱动支撑爪组件快速进给；当力传感器检测到接触引起的径向夹持力变化后，切换为力矩模式，并逐步加载至目标径向夹持力；

33、抬起工件后，持续监测力传感器测得的径向夹持力的波动，当波动超出预设阈值时，判定工件出现异常抖动，并进行夹持力补偿以抑制抖动。控制单元在凸起部接近支撑槽时先以位置模式驱动支撑爪组件快速进给，接触后切换为力矩模式并逐步加载至目标夹持力的控制策略，既保证了夹持效率，又避免了高速接触产生的冲击力对薄壁筒形件造成损伤；通过在抬起工件后持续监测力传感器测得的径向夹持力波动，并在波动超出预设阈值时判定异常抖动并进行夹持力补偿，实现了对动态干扰的实时抑制，有效提升了搬运过程中夹持状态的稳定性与安全性。

34、更进一步地，控制单元还被配置为：

35、在滑枕带动工件运动的过程中，实时采集力传感器的径向夹持力信号，并对该信号进行频谱分析；

36、当识别到信号中出现超出预设背景噪声水平的低频振荡分量时，判定为因工件移动引起的水平摆动，并据此调整滑枕的运动参数和/或伺服电机的夹持力，以防止抖动加剧造成工件损坏。控制单元在滑枕带动工件运动过程中实时采集力传感器的径向夹持力并对该信号进行频谱分析。当识别到超出预设背景噪声水平的低频振荡分量时，判定为工件移动引起的水平摆动，并据此调整滑枕的运动参数或伺服电机的夹持力。该频谱分析机制相比单纯依赖幅值阈值的判定方式，能够有效区分正常振动与异常摆动，避免误判。通过调整运动参数从激励源层面削减扰动能量，或通过调整夹持力改变系统刚度以增强抗振能力，双重抑制手段相互配合，显著降低了薄壁筒形件在搬运过程中因抖动加剧而损坏的风险。

37、可选地，控制单元还被配置为：

38、将所述夹爪组件与所述工件视为一个等效的质量-弹簧-阻尼系统，并在非搬运时段根据所述力传感器在先前搬运过程中记录的历史波动信号辨识该系统的当前阻尼比；

39、当辨识出的所述阻尼比低于预设稳定阈值时，在下一批次或下一次夹持时调整所述伺服电机的基础夹持力设定值，以改变所述等效系统的刚度，从而优化后续搬运过程的动态稳定性。

40、控制单元将夹爪组件与工件视为等效的质量-弹簧-阻尼系统，在搬运间歇期根据力传感器径向夹持力的波动特征辨识系统当前阻尼比，无需借助外部测量设备即可基于系统自身响应数据获取系统动态特性。当辨识出的阻尼比低于预设稳定阈值时，表明系统在当前夹持参数下处于欠阻尼状态，控制单元在下一批次或下一次夹持时适度提高基础夹持力设定值，以改变等效系统的刚度，使阻尼比回升至稳定阈值以上。该基于阻尼状态反馈的基础夹持力自适应机制从系统固有特性层面改善夹持结构的动态响应，能够有效抑制搬运过程中的持续振动，相比被动隔振或事后补偿方式更具针对性和根本性，进一步提升了夹持系统在复杂工况下的稳定性和鲁棒性。

41、本发明的优势在于：夹爪组件从工件两端的工装组件支撑槽进行承托式夹持，完全避免径向夹紧力所致的变形风险；蜗轮蜗杆减速机使夹爪组件获得绕竖直轴线的旋转自由度，不仅能够自适应工件摆放角度偏差，更可配合水平移动轴实现滑枕移动板水平移动与回转r轴的联动对位；针对现场多机床布局导致的工件轴线偏斜工况，可在抓取阶段前置修正工件的角度偏差，将工件姿态调整至机床第四轴伺服转台的分度精度兼容范围内，保障工件端部工装与转台零点定位装置的顺利配合装夹。支撑爪组件配有力传感器，实现夹持力闭环控制，确保夹持精确恒定；控制单元具备系统阻尼比在线辨识与主动刚度调制功能，搬运过程中可实时监测并抑制振动，保障动态稳定性。本发明从夹持方式、尺寸适应性、力控精度到动态抑振全面提升了航空薄壁筒形件自动化搬运的安全性、可靠性和鲁棒性。