本發明涉及機器手臂設計領域，尤其涉及一種機器人手臂、快換夾具裝置及工作方法。

背景技術：

近年來，隨著我國制造業轉型升級壓力增加和勞動力成本的不斷攀升，越來越多的企業考慮以機器換人。另一方面，現在的消費者個性化需求越來越濃，不同配置及外觀個性等元素決定著制造企業勢必采用柔性制造技術。柔性制造則是運用機器人和工具快換裝置在同一裝配線上制造不同的產品。

機器人工具夾具快換裝置通過對機器人自動更換不同的末端執行器或外圍設備，使機器人的應用更具柔性。為保證機器人手臂末端工具的快速更換和較高的安全性，需要對快換裝置的結構有更高的要求，因此，有必要提供一種新的機器人手臂、快換夾具裝置及工作方法滿足以上要求。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種能快速更換，穩定性好，安全性高的機器人手臂、快換夾具裝置及工作方法。

本發明提供一種快換夾具裝置，包括快換機器端、快換夾具端和鎖緊塊，所述快換機器端與快換夾具端軸向配合，所述快換機器端包括層疊設置的機器連接部和快換連接部，所述鎖緊塊旋合于快換連接部與快換夾具端之間，所述鎖緊塊與快換連接部的接觸面上均具有一相互配合且用于鎖緊的斜面。

優選的，所述快換連接部中心處凹陷形成有凸臺和貫通的第一插入槽，所述快換夾具端對應位置處凹陷形成有卡部和貫通的第二插入槽，所述快換連接部的凹陷方向與快換夾具端的凹陷方向相對，所述第一插入槽和第二插入槽位置對應，所述卡部與凸臺位置對應，所述鎖緊塊在第一插入槽、第二插入槽和卡部、凸臺之間旋合連接，所述斜面設于鎖緊塊與凸臺接觸面上。

優選的，還包括與鎖緊塊連接并驅動其旋轉的旋轉電機，所述旋轉電機設于所述機器連接部內；所述機器連接部的中心處設有一矩形槽，所述旋轉電機在所述矩形槽內帶動鎖緊塊上下位移。

優選的，所述凸臺包括同一圓周呈對角設置的第一凸臺和第二凸臺，所述第一凸臺和第二凸臺逆時針依次設置有第一導向面、第一配合斜面和第一平面；第二導向面、第二配合斜面和第二平面，所述鎖緊塊包括第一橫部、第二橫部及連接兩者之間的連通部，所述連通部在所述快換連接部的中心處貫通快換連接部和快換夾具端，所述第一橫部在快換連接部的凹陷處與凸臺接觸，所述第二橫部在快換夾具端的凹陷處與卡部接觸。

優選的，所述第一橫部包括呈對角設置的左橫部和右橫部，所述左橫部和右橫部與凸臺接觸面上順時針依次設置有第三導向面、第三配合斜面和第三平面；第四導向面、第四配合斜面和第四平面。

優選的，所述第一導向面的斜率大于所述第一配合斜面，所述第一導向面和第二導向面的斜角坡度相同，且都為1/2～1/5，所述第三導向面、第四導向面與第一導向面、第二導向面結構配合；所述第一配合斜面和第二配合斜面的斜角坡度相同，所述第三配合斜面、第四配合斜面與第一配合斜面、第二配合斜面結構配合用于鎖緊。

優選的，所述凸臺的圓周長為90°，所述鎖緊塊的圓周長為40～80°，優選為55°；所述第二凸臺的第二平面末端處設有用于擋住鎖緊塊的限位塊，所述限位塊位于鎖緊塊周向旋轉極限位置處。

優選的，所述快換連接部還包括至少兩個定位銷，所述快換夾具端還包括與所述定位銷配合的定位孔，所述定位銷的末端為圓錐結構。

本發明還提供一種快換夾具裝置的方法，包括如下步驟：

所述機器連接部內的矩形槽裝有所述旋轉電機，所述旋轉電機輸出軸與鎖緊塊連接，所述鎖緊塊的第一橫部在快換連接部的凹陷部；

所述旋轉電機在矩形槽內順時針旋轉，同時驅動鎖緊塊在快換連接部的凹陷處一同旋轉，當鎖緊塊的第二橫部抵接到限位塊時，電機停止轉動，鎖緊塊停止在第一插入槽位置處；

將所述快換機器端移動至快換夾具端的上方，將快換機器端蓋合于快換夾具端上，通過所述定位銷插入所述定位孔內實現軸向配合；

所述旋轉電機驅動鎖緊塊逆時針旋轉，鎖緊塊的第一橫部被旋入凸臺，第二橫部被旋入卡部；第一橫部被旋入凸臺時，依次接觸的面為：第三導向面和第一導向面，另一側第四導向面和第二導向面；第三配合斜面和第一配合斜面，另一側第四配合斜面和第二配合斜面；最后接觸的為第三平面和第一平面，第四平面和第二平面；直到鎖緊塊鎖緊于凸臺和卡部之間，旋轉電機停止驅動；

所述機器連接端與快換夾具端完成裝配；

反之旋轉則所述機器連接端退出快換夾具端。

本發明還提供一種機器人手臂，包括手臂端、夾具端和快換夾具裝置，所述手臂端與快換夾具裝置的快換機器端連接，所述夾具端與快換夾具裝置的快換夾具端連接。

與相關技術相比，本發明具有以下有益效果：

一、機器人在數秒內便可自動更換末端夾具，增加了機器人的柔性，同時當末端夾具需要維修時，可以快換替換夾具，減少停工時間；

二、快換夾具裝置負載荷傳遞路線中，末端夾具負載是依靠機械結構傳遞的，提高了快換夾具裝置的可靠性；

三、鎖緊塊鎖緊于快換連接部和快換夾具端之間，并通過斜面、平面二次鎖緊，具有斷電保護功能，避免機器人發生突然斷電時，末端夾具從手臂端掉落發生損壞的現象。

附圖說明

圖1為本發明提供的快換夾具裝置的結構示意圖；

圖2為圖1中的快換連接部的俯視圖；

圖3為圖1中的快換夾具端的俯視圖；

圖4為沿圖2的A-A剖視圖；

圖5為圖1中鎖緊塊結構示意圖；

圖6為沿圖5的B-B剖視圖；

圖7為本發明提供的快換夾具裝置的工作流程圖；

圖8為本發明提供的機器人手臂結構示意圖。

各圖中100為快換夾具裝置，1為快換機器端，11為機器連接部，111為矩形槽，12為快換連接部，121為凸臺，122為第一插入槽，123為定位銷，124為限位塊，1211為第一凸臺，1212為第二凸臺，12111為第一導向面，12112為第一配合斜面，12113為第一平面，12121為第二導向面，12122為第二配合斜面，12123為第二平面，2為快換夾具端，21為卡部，22為第二插入槽，23為定位孔，3為鎖緊塊，31為第一橫部，32為第二橫部，33為連通部，311為左橫部，312為右橫部，3111為第三導向面，3112為第三配合斜面，3113為第三平面，3121為第四導向面，3122為第四配合斜面，3123為第四平面，4為旋轉電機，200為手臂端，300為夾具端。

具體實施方式

以下將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。為敘述方便，下文中如出現“上”、“下”、“左”、“右”、“順時針”、“逆時針”字樣，僅表示與附圖本身的上、下、左、右、順時針、逆時針方向一致，并不對結構起限定作用。

請參閱圖1為本發明提供的快換夾具裝置的結構示意圖。所述快換夾具裝置100包括快換機器端1、快換夾具端2、鎖緊塊3和旋轉電機4。

所述快換機器端1與快換夾具端2軸向配合，即中心重合。所述快換機器端1包括層疊設置的機器連接部11和快換連接部12。所述機器連接部11其中心處設有一上下貫通的矩形槽111。

請同時參閱圖1和圖2，其中，圖2為圖1中的快換連接部的俯視圖。所述快換連接部12包括凸臺121、第一插入槽122和定位銷123。所述凸臺121在快換連接部12的中心凹陷形成。所述第一插入槽122貫通所述快換連接部12，使得凸臺121呈對角形成有第一凸臺1211和第二凸臺1212。

請同時參閱圖1和圖3，其中，圖3為圖1中的快換夾具端的俯視圖。所述快換夾具端2包括卡部21、第二插入槽22和定位孔23。所述卡部21在所述快換夾具端2的中心凹陷形成，其凹陷方向與凸臺121的凹陷方向相對，即卡部21的凹陷方向向下，凸臺121的凹陷方向向上。所述第二插入槽22貫通所述快換夾具端2。

請再次參閱圖1，所述定位銷123的數量為至少兩個，均布設置在所述快換連接部12上，且朝向快換夾具端設置。所述定位孔23貫通快換夾具端2與定位銷123配合，所述定位銷123末端(即臨近快換夾具端2的一端)為圓錐結構，其余為圓柱結構，即先通過圓錐結構導向，在通過定位銷123圓柱結構進行定位。

所述定位銷123主要起定位作用，兩點定位能實現快速精準的位置確定。所述快換機器端1通過定位銷123蓋合在快換夾具端2后，所述第一插入槽122和第二插入槽22位置對應，所述凸臺121和卡部21位置對應。

請同時參閱圖2和圖4，其中圖4為沿圖2的A-A剖視圖。呈對角設置的所述第一凸臺1211和第二凸臺1212即在同一圓周上，逆時針圓周旋轉第一凸臺1211依次設置有第一導向面12111、第一配合斜面12112和第一平面12113。再逆時針圓周旋轉第二凸臺1212依次設置有第二導向面12121、第二配合斜面12122和第二平面12123。

請同時參閱圖1、圖5和圖6，其中圖5為圖1中鎖緊塊結構示意圖，圖6為沿圖5的B-B剖視圖。所述鎖緊塊3包括第一橫部31、第二橫部32和連接所述第一橫部31和第二橫部32之間的連通部33。

所述第一橫部31位于所述快換連接部12的凹陷處與凸臺121接觸。所述第一橫部31包括呈對角設置的左橫部311和右橫部312，所述左橫部311和右橫部312被連通部33隔斷為呈對角設置。左橫部311與第一凸臺1211接觸，右橫部312與第二凸臺1212接觸。所述連通部33在快換連接部12的中心處依次貫通快換連接部12和快換夾具端2。同樣第二橫部32都被連通部33隔斷為呈對角的兩塊。只在呈對角的方向進行鎖緊，避免其它方向也被鎖緊時出現卡死的現象，不利于快換機器端1脫離快換夾具端2，且同樣滿足兩者被鎖緊的要求。

請同時參閱圖2、圖3和圖6，所述鎖緊塊3的投影形狀與第一插入槽122和第二插入槽22的投影形狀相似，尺寸小于第一插入槽122和第二插入槽22的尺寸。凸臺121的尺寸決定了第一插入槽122的尺寸，具體為：所述凸臺的圓周長為90°，方便其上有足夠的鎖緊面進行鎖緊；所述第二插入槽122的尺寸等于或大于第一插入槽122的尺寸，所述鎖緊塊3的圓周長為40°～80°之間，優選為55°，便于第二橫部32從第一插入槽122進入第二插入槽122。

請同時參閱圖1、圖5和圖6，所述左橫部311在與第一凸臺1211接觸面上順時針依次設置有第三導向面3111、第三配合斜面3112和第三平面3113。所述右橫部312在與第二凸臺1212接觸面上順時針依次設置有第四導向面3121、第四配合斜面3122和第四平面3123。

請再次參閱圖1、圖4、圖5和圖6，所述第一導向面12111、第二導向面12121、第三導向面3111和第四導向面3112為可導向的斜面，其中，所述第一導向面12111的斜率大于所述第一配合斜面12112，所述第一導向面12111和第二導向面12121斜角坡度相同都為1/2～1/5，其斜面高度差為0.5～1mm之間，可以使鎖緊塊3順利的旋入快換夾具端2。所述第三導向面3111、第四導向面3112與第一導向面12111、第二導向面12121結構配合。各導向面一方面起到了導向的作用，另一方面對鎖緊塊3初切入快換夾具端2時起到了緩沖的作用。

所述第一配合斜面12112和第二配合斜面12122的斜角坡度相同，所述第三配合斜面3112與第一配合斜面12112配合，第四配合斜面3122與第二配合斜面12122配合。所述第一配合斜面12112、第二配合斜面12122和第三配合斜面3112、第四配合斜面3122即為快換連接部12與鎖緊塊3配合的鎖緊斜面。根據摩擦力自鎖公式tan(θ)<μ，θ表示配合面的最大斜面角度，μ表示配合面間的摩擦系數。如果配合鎖緊面之間的摩擦系數為0.1，則各配合斜面最大傾斜角度為5.9°，以達到最佳鎖緊狀態。

所述第一平面12113和第二平面12123分別用于增強第一配合斜面12112和第二配合斜面12122末端的強度，所述第三平面3113和第四平面3123分別用于增強第三配合斜面3112和第四配合斜面3122末端的強度。

請同時參閱圖1和圖4，所述第二凸臺1212的第二平面12123的末端(遠離第二配合斜面12122一端)上設有一用于擋住鎖緊塊3的第二橫部32旋轉角度的限位塊124。所述限位塊124在第二平面12123的末端向所述快換夾具端2延伸，直到可擋住第二橫部32的位置處。所述限位塊124位于沿所述第二導向面12121的外側面(即遠離第二配合斜面12122的一側面)起，逆時針旋轉90°～100°的位置處，優選為：所述限位塊124位于鎖緊塊3周向旋轉極限位置處，為了限制鎖緊塊周向旋轉極限位置。該位置決定了所述鎖緊塊3的最佳插入位置，即插入時兩邊間隙均等，方便快速進入，節省大量更換夾具的時間。

所述旋轉電機4為采購件，其內配置有編碼器(未圖示)。所述旋轉電機4設于所述矩形槽111內，其輸出端與鎖緊塊3連接。所述旋轉電機4可沿矩形槽111帶動鎖緊塊3實現上、下位移。一方面，上下位置實現鎖緊塊3在第一插入槽122和第二插入槽22的位置處插入或脫離快換夾具端2，另一方面，旋轉電機4的旋轉驅動鎖緊塊3一同旋轉，使鎖緊塊3由插入槽的位置變換至凸臺121和卡部21處。所述旋轉電機4為動力驅動的來源。

請參閱圖7為本發明提供的快換夾具裝置的工作流程圖。本發明提供的快換夾具裝置100其工作方法為：

S1：所述旋轉電機4在矩形槽111限制下順時針旋轉，同時驅動鎖緊塊3在快換連接部12的凹陷處一同旋轉，當鎖緊塊3的第二橫部32抵接到限位塊23時，電機停止轉動，編碼器輸出轉速為零，鎖緊塊3停止在第一插入槽122位置處。

S2：移動所述快換機器端1至快換夾具端2的上方，將快換機器端1蓋合于快換夾具端2上，通過所述定位銷123插入所述定位孔23內實現軸向配合。

S3：所述旋轉電機4驅動鎖緊塊3逆時針旋轉，鎖緊塊3的第一橫部31被旋入凸臺121，第二橫部32被旋入卡部21。第一橫部31被旋入凸臺121時，依次接觸的面為：

首先：第三導向面3111和第一導向面12111旋合接觸，另一側第四導向面3121和第二導向面12121旋合接觸。

然后：所述第三導向面3111再經過第一配合斜面12112，到達第一平面12113；第三配合斜面3112和第一配合斜面12112配合鎖緊；

另一側的所述第四導向面3121再經過第二配合斜面12122，達到第二平面12123；第四配合斜面3122和第二配合斜面12122配合鎖緊。

最后：第三平面3113在第一導向面12111上方，第一平面12113在第三導向面3111下方；所述第二平面12123在第四導向平面3121下方，所述第四平面3123在第二導向面12121下方。

直到鎖緊塊3鎖緊于凸臺121和卡部21之間，編碼器輸出脈沖為零，旋轉電機4停止。

在S3旋合鎖緊過程中，如出現幾下兩種情況的解決方式：

若鎖緊塊3旋合鎖緊未達到設計角度(通過脈沖增量判斷)，則判定鎖緊過程出現異常，任務終止，則提示操作者需對其進行檢測。

任務執行過程中，編碼器會持續監測鎖緊塊3的角度，若其出現松動，會發出脈沖信號，旋轉電機4會繼續旋轉直達到鎖緊狀態，旋轉電機4停止。

S4：所述機器連接端1與快換夾具端2完成裝配。

按以上步驟反方向旋轉，所述機器連接端1退出快換夾具端2。

圖8為本發明提供的機器人手臂結構示意圖，所述機器人手臂包括快換夾具裝置100、手臂端200和夾具端300，所述手臂端200與快換夾具裝置100的快換機器端1連接，所述夾具端300與快換夾具裝置100的快換夾具端2連接。手臂端200驅動快換機器端1移動至不同的夾具端300，通過快換機器端1與快換夾具端2的配合，實現機器人手臂端200不同夾具的更換，以滿足實際需求。

與相關技術相比，本發明具有以下有益效果：

一、機器人在數秒內便可自動更換末端夾具，增加了機器人的柔性，同時當末端夾具需要維修時，可以快換替換夾具，減少停工時間；

二、快換夾具裝置負載荷傳遞路線中，末端夾具負載是依靠機械結構傳遞的，提高了快換夾具裝置的可靠性；

三、鎖緊塊鎖緊于快換連接部和快換夾具端之間，并通過斜面、平面二次鎖緊，具有斷電保護功能，避免機器人發生突然斷電時，末端夾具從手臂端掉落發生損壞的現象。

以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。