CN101234486A - 气动平衡机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气动平衡机械臂和该机械臂所使用的气动控制系统，它包括基座、支柱、转动体、操作臂和夹具，它还包括主气缸、制动气缸、旋转关节、平行四连杆机构、旋转臂、死点制动机构和气路控制系统，气动控制系统包括气源、气道、真空开关、真空发生器。该机械臂使被移载物品在可运动立体空间的任意位置都能平衡，能满足各类要求准确、快速地装配，操作极为轻便和随心所欲。该气动控制系统能通过控制主气缸和制动气缸的运动而控制上述机械臂的运动，而且能保证供气气源因意外而停止供气时，保证机械臂不会因掉落而造成危险，也能避免因误操作而使移载物品掉落，从而最大限度地保证了操作人员和产品的安全。

Description

气动平衡机械臂

技术领域

本发明涉及一种移载装置，具体涉及一种气动平衡机械臂。

背景技术

移载装置是用于搬运或移动物品的装置，直接用移载装置移动物品，在生产过程中代替手工移动，能大大地节省人力资源。在运送物品的过程中用该装置移载物品能减轻操作者的体力劳动，保证产品的品质、提高作业的合理性。但目前的移载装置移动不够灵活，多数只能固定在一个位置，少数可以移动的移载装置由于平衡的问题没有处理好，会造成移动装置单边受力，造成安全隐患。移载装置的机械臂一般不能自由活动，有的可以水平运动，有的可以上下运动，但不能既水平运动又上下运动。而且移载装置的机械臂在运动的过程中，不能保证被运送物品的水平状态，使装配位置产生偏差，造成难以安装，也不能保证产品的质量。同时由于移载装置的机械臂设计不够合理，造成使用机械臂运送物品时虽较人工搬运省时省力，但移载装置的机械臂的操作者并不觉得操作十分轻便，可以随心所欲。因此，更方便更省力使用更轻松的移载工具是目前市场上所期待的。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种满足工业生产中工件的装配或搬运需要，保证产品的品质、提高作业的合理性、更大程度地减轻操作者的体力劳动并保障他们的安全的气动平衡机械臂。

本发明的目的之二在于提供一种上述气动平衡机械臂的气路控制系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种气动平衡机械臂，它包括基座、支柱、转动体、操作臂和夹具，它还包括主气缸、制动气缸、旋转关节、平行四连杆机构、旋转臂、死点制动机构和气路控制系统，其中，上述平行四连杆机构通过该机构中的一根主长杆的中部枢轴地安装在转动体上，上述平行四连杆机构与上述固定在转动体上的主长杆相平行的另一根次长杆枢轴地安装在主长杆安装位置上或下的转动体上，上述主气缸位于上述平行四连杆机构中主长杆的一端，上述旋转关节安装在支柱和转动体之间，上述死点制动机构安装在旋转关节上，上述旋转臂安装在平行四连杆机构的另一端。

上述死点制动机构为一两连杆枢轴的固定另两连杆与它们的端点相互顺序连接的四连杆机构。上述基座采用落地固定式、悬挂固定式、落地移动式和悬挂移动式四种形式之一。上述旋转臂与平行四连杆机构之间和/或旋转臂与操作臂之间安装有旋转关节。上述旋转关节上安装有死点制动机构。

一种上述的气动平衡机械臂的气路控制系统，它包括气源、气道、真空开关、真空发生器，所述气源通过气道将真空开关、真空发生器和夹具顺序串联连接，并通过气道分别连接主气缸和制动气缸。

上述气源通过气道连接断气保护控制装置后再与主气缸相连。还包括空载平衡控制装置、负载平衡控制装置以及空载和负载转换控制装置，该空载平衡控制装置和负载平衡控制装置是并联的，它们的输入端经真空开关前的气道连接气源，它们的输出端与断气保护控制装置相连，上述空载和负载转换控制装置的输入端与上述真空开关的输出端连接，该空载和负载转换控制装置的一输出端与上述的真空发生器的输出端连接后与夹具相连。还包括一误操作保护控制装置，该误操作保护控制装置连接在真空开关与真空发生器之间。还包括一负载指示器，该负载指示器与上述空载和负载转换控制装置的另一输出端相连接。上述断气保护控制装置包括安全阀、气控阀和减压阀；上述安全阀的输入端经气道与气源相连，上述安全阀的输出端与上述气控阀的输入端相连，上述气控阀的一输出端与主气缸相连，上述气控阀的另一输出端与上述减压阀的输入端相连，上述减压阀的输入端与上述并联的空载平衡控制装置和负载平衡控制装置的输出端相连。

由于本发明采用上述技术方案，产生了如下有益效果：该机械臂使被移载的物品在可运动立体空间的任意位置都能平衡(即停留)。该机械臂具有多维自由度，在空间可作任意直线方向运动，而工件又能始终处于需要的状态，如水平或垂直。它兼具刚性和必要的柔性，能满足各类要求，准确、快速地装配，操作极为轻便和随心所欲。

附图说明

图1为气动平衡机械臂剖面全图；

图2为气动平衡机械臂移载物品产生的力矩原理图；

图3具落地固定式基座的气动平衡机械臂的活动范围；

图4具落地移动式基座的气动平衡机械臂的活动范围；

图5具悬挂固定式基座的气动平衡机械臂的活动范围；

图6具悬挂移动式基座的气动平衡机械臂的活动范围；

图7为气动平衡机械臂的死点制动结构剖面图；

图8为气动平衡机械臂的死点制动结构原理图；

图9为气动平衡机械臂的气路控制系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

参见图1，一种气动平衡机械臂，它包括支柱2、转动体7、操作臂12和夹具13，它还包括基座1、主气缸3、旋转关节4、平行四连杆机构6、旋转臂10和死点制动机构5，其中，上述平行四连杆机构6通过该机构中的一根主长杆的中部枢轴地安装在转动体7上，上述平行四连杆机构6与上述固定在转动体7上的主长杆相平行的另一根次长杆枢轴地安装在主长杆安装位置下的转动体7上，上述主气缸3位于上述平行四连杆机构6中长杆的一端，上述旋转关4节安装在支柱2和转动体7之间，上述死点制动机构5安装在旋转关节4上，上述旋转臂10安装在平行四连杆机构6的另一端。

上述死点制动机构5为一连杆力平衡机构。上述基座1采用地脚固定、悬挂固定、落地移动式和悬挂移动式四种形式之一中的落地移动式。上述旋转臂10与平行四连杆机构6之间可安装第二旋转关节8。上述旋转臂10与平行四连杆机构6之间安装的第二旋转关节8上安装有第二死点制动机构9。上述旋转臂10与操作臂12之间安装有第三旋转关节11，操作臂12的另一端安装夹具13。制动气缸(图中未画出)安装在与上述旋转关节相邻的地方，制动气缸的个数对应旋转关节的个数。制动气缸通过作用于死点制动机构使死点制动机构产生巨大的制动力而使旋转关节停止旋转而制动。

参见图2，主气缸3可以产生在一定范围内波动的主气缸力，从而产生一定范围内的反力矩，随时在动态中平衡被移载的物品产生的力矩，从而使操作者感觉轻松自如地移载物品。

在动态平衡的过程中，选取合适的力作用点，将所需主气缸力的波动控制在很小的区域内。主气缸推动平行四连杆机构产生反力矩，平衡工件重力产生的扭矩，由于被移载物品在运动过程中相对于支点的重力扭矩是变化的，如果被移载物品的重量是G，相对支点的距离是A，平行四连杆机构上下移动的转动的夹角为X，则被移载物品对支点的扭矩是G*A*COSX。在设计时如果确定主气缸对支点的力臂不变，而主气缸力也是基本固定的，就得到一个固定的反力矩，固定的力矩不能平衡波动的力矩，使操作者感觉不轻松。而本设计是将反力矩同样设计成波动的，让主气缸力F在一定范围内波动，主气缸离支点的距离B是固定的，平行四连杆机构上下移动产生的夹角X，主气缸所在端的杆也会上下转动夹角X，同时在实操作中，主气缸本身会左右偏动，产生夹角Y，此夹角根据几何关系就等于在垂直面上产生夹角Y，所以主气缸力对支点产生的反力矩是F*B*COS(X+Y)，将Y的最大值设计得尽量小，而在运动行程内，Y值是在0-最大值之间波动，这样可以有效的将总平衡力矩控制在波动很小的范围中，操作者可明显的感到轻松自如。上述主气缸能平衡一定重量被移载物品产生的力矩，如果被移载物品过重，则在位于主气缸的一端需放置配重块以产生更大的反力矩。

参见图3至图6，机械臂上的一个上下摆动的平行四连杆机构6由于枢轴地固定在转动体7上，控制主气缸3的上下运动可以使平行四连杆机构6上下运动，由于平行四连杆机构6本身可以在一定范围内形变，可以在垂直于水平面的垂直面上可以左右移动，因此平行四连杆机构6可以在一定的垂直面上上下左右移动。

旋转关节4安装在支柱2和转动体7之间，平行四连杆机构6枢轴地固定在转动体7上，旋转关节4可以在水平面上320度内旋转，因而平行四连杆机构6可以在一个320度的未封密的圆柱体内的运动空间内运动。旋转臂10与平行四连杆机构6之间安装第二旋转关节8，旋转臂10与平行四连杆机构6之间安装的第二旋转关节8上安装有第二死点制动机构9。上述旋转臂10与操作臂12之间安装有第三旋转关节11，操作臂12的另一端安装夹具13。上述旋转关节均可以在水平面上320度内旋转，这样可以使夹具13有更大的立体空间运动范围23，能在立体空间多维运动。旋转关节在水平面上320度内旋转而不是360度旋转是为了机械臂上的气管也不会缠绕。

平行四连杆机构可使被移载物品在运动中始终处于需要的状态，如水平或垂直，亦可将专用夹具设计成被移载物品取料时的水平状态转到安装需要的垂直状态，具有高度操作可靠性。

参见图7，图8，为独创的气动死点制动机构。为了保证机械臂有较大的服务范围，操作臂有一定长度，相应产生的扭力大，需要很大的制动力。死点制动机构为一钳状的连杆结构四连杆分别为16，17，18，19，它们分别由不同的轴连接起来。当有作用力(比如采用制动气缸产生作用力)作用于连杆18和连杆19的连接轴20时，当作用力F能使连杆18和连杆19处于一条直线时，连杆18和连杆19将处于力平衡状态(即死点状态)，将对连杆16和连杆17产生无穷大的支撑力。该死点制动机构安装在旋转关节上，无穷大的支撑力将足以使旋转关节停止旋转而制动。此结构巧妙运用机械死点，制动时处于机械力臂死点平衡，达到理论上机械无穷大制动力。产生作用力的制动气缸只需要推动连杆18和19到达死点位置，不承受制动力，所以只需选用经济的小气缸就能满足动力需要。

基座形式有四种可供选配：落地固定、悬挂固定、落地移动、悬挂移动。落地固定和悬挂固定是经济的安装形式。参见图3，落地固定式是用地脚螺栓将设备固定在地面上，在设备的底板上有四个水平调节螺栓，安装时要先调整好设备的水平，再固定住地脚螺栓。参见图5，悬挂固定式安装完全不占用生产空间，是将设备倒挂在具有强度的房顶钢结构上，同样安装时要先调好设备的水平，再用高强度螺栓拧紧。移动式结构可以扩展设备的服务范围，基座要设计足够的配重平衡被移载物品产生的倾翻力矩。参见图4，落地移动式结构基座是一辆推车，可将设备移到不同的地点工作，推车上有四个可调节高度的撑脚。移动时将撑脚调起，使轮子着地推动，工作时必须撑脚撑住，调好水平，保证安全生产。参见图6，悬挂移动式结构是在房顶钢结构上固定两根平行的轨道，两轨道设计的宽度应使之产生足够的安全平衡力矩。动力方式又分为：手动拖动、电动行走和变频电机控制行走。在汽车制造流水线上，被装配的汽车处于行进中，使用变频电机控制将本安装设备的行走速度调至和生产线的速度相同，就能实现同步安装，这一同步装置在行进中的生产线上应用是必不可少的。

为了使结构比较紧凑，平行四连杆机构之次长杆位于主长杆上或下：次长杆只要与主长杆平行，位于主长杆的上或下都可以。具落地固定式、落地移动式基座的机械臂平行四连杆机构之次长杆设计于主长杆之下；具悬挂固定式、悬挂移动式基座的机械臂平行四连杆机构之次长杆设计于主长杆之上。

参见图9，一种气动平衡机械臂的气路控制系统，它包括气源61、气道、真空开关63、真空发生器64，气源61通过气道将真空开关63、真空发生器64和夹具13顺序串联连接，并通过气道分别连接主气缸3和制动气缸65。

上述气源61通过气道连接断气保护控制装置62后再与主气缸3相连，还包括空载平衡控制装置67、负载平衡控制装置68以及空载和负载转换控制装置69，该空载平衡控制装置67和负载平衡控制装置68是并联的，它们的输入端经真空开关63前的气道连接气源1，它们的输出端与断气保护控制装置62相连，上述空载和负载转换控制装置69的输入端与上述真空开关63的输出端连接，该空载和负载转换控制装置69的一输出端与上述的真空发生器64的输出端连接后与夹具13相连，包括一误操作保护控制装置66，该误操作保护控制装置66连接在真空开关63与真空发生器64之间。还包括一负载指示器70，该负载指示器70与上述空载和负载转换控制装置69的另一输出端相连接。

上述断气保护控制装置包括安全阀621、气控阀622和减压阀623；上述安全阀621的输入端经气道与气源61相连，上述安全阀621的输出端与上述气控阀622的输入端相连，上述气控阀622的一输出端与主气缸3相连，上述气控阀622的另一输出端与上述减压阀623的输入端相连，上述减压阀623的输入端与上述并联的空载平衡控制装置67和负载平衡控制装置68的输出端相连。

该气路控制系统具有以下优点：

A、断气安全保护功能：当供气气源忽然因断电或故障等因素而停止供气时，断气保护控制装置自动启动，锁住主气缸运动，保持主气缸锁定时的状态，保证机械臂不会因掉落而造成危险。

B、机械臂设计有空载平衡状态和负载平衡状态，(也可根据实际需要再增加工作状态)这种平衡状态保证机械臂在服务范围内始终可以轻巧、任意地活动。当端部夹具吸住或夹紧操作件时，系统自动从空载状态转换成负载状态，同时负载指示灯亮起，整个过程无需操作任何按钮。

C、设计有误操作保护功能：只有在集中注意力时，将双手同时按住误操作保护装置内的两个真空松开按钮，机械臂才会放下操作件，避免了在运动过程中误碰了放松按钮而使操作件掉落。

Claims (11)

1. 一种气动平衡机械臂，它包括基座、支柱、转动体、操作臂和夹具，其特征在于，它还包括主气缸、制动气缸、旋转关节、平行四连杆机构、旋转臂、死点制动机构和气路控制系统，其中，

所述平行四连杆机构通过该机构中的一根主长杆的中部枢轴地安装在转动体上，

所述平行四连杆机构与所述固定在转动体上的主长杆相平行的另一根次长杆枢轴地安装在主长杆安装位置上或下的转动体上，

所述主气缸位于所述平行四连杆机构中主长杆的一端，

所述旋转关节安装在支柱和转动体之间，

所述死点制动机构安装在旋转关节上，

所述旋转臂安装在平行四连杆机构的另一端。

2. 如权利要求1所述的气动平衡机械臂，其特征在于，所述死点制动机构为一两连杆枢轴的固定另两连杆与它们的端点相互顺序连接的四连杆机构。

3. 如权利要求1所述的气动平衡机械臂，其特征在于，所述基座采用落地固定式、悬挂固定式、落地移动式和悬挂移动式四种形式之一。

4. 如权利要求1所述的气动平衡机械臂，其特征在于，所述旋转臂与平行四连杆机构之间和/或旋转臂与操作臂之间安装有旋转关节。

5. 如权利要求4所述的气动平衡机械臂，其特征在于，所述旋转关节上安装有死点制动机构。

6. 一种如权利要求1至5中任一项所述的气动平衡机械臂的气路控制系统，其特征在于，它包括气源、气道、真空开关、真空发生器，所述气源通过气道将真空开关、真空发生器和夹具顺序串联连接，并通过气道分别连接主气缸和制动气缸。

7. 如权利要求6所述的气动平衡机械臂的气路控制系统，其特征在于，所述气源通过气道连接断气保护控制装置后再与主气缸相连。

8. 如权利要求6所述的气动平衡机械臂的气路控制系统，其特征在于，还包括空载平衡控制装置、负载平衡控制装置以及空载和负载转换控制装置，该空载平衡控制装置和负载平衡控制装置是并联的，它们的输入端经真空开关前的气道连接气源，它们的输出端与断气保护控制装置相连，所述空载和负载转换控制装置的输入端与所述真空开关的输出端连接，该空载和负载转换控制装置的一输出端与所述的真空发生器的输出端连接后与夹具相连。

9. 如权利要求6所述的气动平衡机械臂的气路控制系统，其特征在于，还包括一误操作保护控制装置，该误操作保护控制装置连接在真空开关与真空发生器之间。

10. 如权利要求8所述的气动平衡机械臂的气路控制系统，其特征在于，还包括一负载指示器，该负载指示器与所述空载和负载转换控制装置的另一输出端相连接。

11. 如权利要求8所述的气动平衡机械臂的气路控制系统，其特征在于，所述断气保护控制装置包括安全阀、气控阀和减压阀；所述安全阀的输入端经气道与气源相连，所述安全阀的输出端与所述气控阀的输入端相连，所述气控阀的一输出端与主气缸相连，所述气控阀的另一输出端与所述减压阀的输入端相连，所述减压阀的输入端与所述并联的空载平衡控制装置和负载平衡控制装置的输出端相连。

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