CN101758497B - 冲床上下料机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冲床上下料机器人。由四个关节，底座，两个臂、和末端执行器构成，第一关节、第二关节、第四关节具有旋转自由度，第三关节具有上下平移自由度；第一关节的一端通过输入端壳体与底座连接，第一关节的另一端通过第一关节输出法兰与第一臂的一端连接，第一臂的另一端与第二关节的第二关节输出法兰连接，第三关节连接板与第四关节的关节架连接，第四关节输出转盘上安装有末端执行器。本发明的第一、第二关节传动装置采用了谐波传动的方式。针对谐波减速器只能承受扭矩，不能承受弯矩的特点，在输出轴处设置了一对圆锥滚子轴承，用于承受倾覆弯矩。该传动方式结构紧凑、传动效率高；回差小、传动精度高。

Description

冲床上下料机器人
技术领域
本发明涉及一种工业机器人，特别是涉及一种用于冲床自动上下料的机器人。
背景技术
工业机器人被广泛应用于生产现场，完成焊接、搬运、装配、切割等任务。工业机器人的运用对提高生产效率和产品质量，改善劳动环境，保障人生安全，降低生产成本等方面有着十分重要的意义。目前，在绝大部分采用小型冲床加工的场合，上下料作业仍主要由人工完成，但由人工完成冲床上下料存在着效率低、劳动强度高、安全性差的缺点。另一方面，冲床下方上下料的空间狭小，若采用工业机器人作业，要求机器人的末端小巧、灵活、能够伸入冲压区域作业，所以专利EP-A-1525957所描述的SCARA型机器人并不适用，该机器人的第二臂上安装有两个电机，导致机器人的末端体积很大，无法伸入到冲床下方。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲床上下料机器人，可用于小型冲床自动上下料的机器人，以提高冲压件生产效率和安全性。针对传统SCARA机器人末端体积过大的缺点，设计的机器人末端小巧、控制性能好、定位精度高。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明由四个关节、两个臂、底座和末端执行器构成，第一关节、第二关节、第四关节具有旋转自由度，第三关节具有垂直平移自由度。第一关节的一端通过输入端壳体与底座连接，第一关节的另一端通过第一关节输出法兰与第一臂的一端连接，第一臂的另一端与第二关节输出法兰相连。作为第三关节输出的第三关节连接板与第四关节的关节架相连。第四关节输出转盘上安装有末端执行器。
所述第一关节包括第一关节伺服电机、第一关节谐波减速器、第一关节输入轴、第一关节输出轴、第一关节输出法兰、第一关节圆锥滚子轴承、第一关节输入端壳体和第一关节输出端壳体。其中第一关节谐波减速器包括第一关节波发生器、第一关节钢轮和第一关节柔轮。固定于第一关节输入端壳体上的第一关节伺服电机通过第一关节输入轴与第一关节波发生器相连，第一关节钢轮固定在第一关节输出端壳体上，第一关节柔轮作为谐波减速器的输出与第一关节输出轴相连，第一关节输出轴通过第一关节输出法兰与第一臂相连。第一关节输入端壳体和第一关节输出端壳体一起固定在底座上，第一关节圆锥滚子轴承安装在第一关节输出轴上。
所述第二关节包括第二关节伺服电机、第二关节谐波减速器、第二关节输入轴、第二关节输出轴、第二关节输出法兰、第二关节圆锥滚子轴承、第二关节输入端壳体和第二关节输出端壳体。其中第二关节谐波减速器包括第二关节波发生器、第二关节钢轮和第二关节柔轮。第二关节伺服电机固定在第二关节输入端壳体上，并通过第二关节输入轴与第二关节波发生器相连。第二关节柔轮通过第二关节输出轴、第二关节输出法兰固定在第一臂上。第二关节钢轮与第二关节输出端壳体相连。第二关节输出端壳体与第二臂相固连，第二关节圆锥滚子轴承安装在第二关节输出轴上。
所述第三关节包括第三关节步进电机、第三关节同步齿形带副、直线导轨副、由丝杠和螺母组成的丝杠螺母副、第三关节支架和第三关节连接板。第三关节步进电机固定在第三关节支架上，其轴与第三关节同步齿形带副的一个带轮相连，另一个带轮固连于丝杠的输入端。丝杠通过支承座固定侧和支承座支撑侧固定在第三关节支架上，螺母作为丝杠螺母副的输出端。直线导轨副安装在第三关节支架上，其导轨与丝杠的轴线相平行。第三关节连接板分别与丝杠螺母副的螺母和直线导轨副的滑块相固连。
所述第四关节包括第四关节步进电机、第四关节同步齿形带副、第四关节轴、推力球轴承、第四关节输出转盘和第四关节的关节架；第四关节步进电机安装在第四关节的关节架上，其轴与第四关节同步齿形带副的一个带轮相连，另一个带轮固连于第四关节轴的输入端，第四关节轴上安装有推力球轴承，第四关节轴的输出端处安装有第四关节输出转盘，用于安装末端执行器。
所述末端执行器为用于夹取工件的气动手爪。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
1、机器人末端小巧、灵活，适用于冲床上下料操作。本发明设计的机器人，末端为了方便探入冲压区域进行上下料作业，采用了灵活的设计。不同于传统SCARA机械手垂直关节下端连接执行器的庞大末端设计，本机器人将执行器放在探出的扁平的四关节臂上，能伸入冲床冲压工作区域。与一般工具容纳构件不同，本机器人末端设计了输出转盘来安装末端执行器，这样可以方便的调整末端执行器的角度，并可安装多个执行器来实现不同的动作流程，提高工作效率。
2、本发明设计的机器人，除底座、输入轴、输出轴、键等零件，都采用了硬质铝合金，使其在减轻质量的同时，保持了很好的刚度。质量减轻使机器人在工作时的惯性负载减小，从而提高了机器人的动态控制性能。该机器人加速时间短，作业效率高；能够在高速运行的情况下，保持很高的定位精度。
3、本发明的第一关节和第二关节传动装置采用了谐波传动的方式。针对谐波减速器只能承受扭矩，不能承受弯矩的特点，在输出轴处设计了一对圆锥滚子轴承，用于承受倾覆弯矩。该传动方式结构紧凑、传动效率高；回差小、传动精度高，与普通齿轮相比，传动精度提高了四倍左右。
附图说明
图1是本发明的纵剖面视图。
图2是图1所示机器人结构中第一关节的纵剖面视图。
图3是图1所示机器人结构中第二关节的纵剖面视图。
图4是图1所示机器人结构中第三关节的纵剖面视图。
图5是图1所示机器人结构中第四关节的纵剖面视图。
图中：1、第一关节，2、第二关节，3、第三关节，4、第四关节，5、底座，6、第一臂，7、第二臂，8、末端执行器，11、第一关节伺服电机，，12、第一关节谐波减速器，121、第一关节波发生器，122、第一关节钢轮，123、第一关节柔轮，13、第一关节输入轴，14、第一关节输出轴，15、第一关节圆锥滚子轴承，16、第一关节输出法兰，17、第一关节输出端壳体，18、第一关节输入端壳体，21、第二关节伺服电机，22、第二关节输入轴，23、第二关节谐波减速器，231、第二关节钢轮，232、第二关节波发生器，233、第二关节柔轮，24、第二关节输出轴，25、第二关节圆锥滚子轴承，26、第二关节输出法兰，27、第二关节输入端壳体，28、第二关节输出端壳体，31、第三关节步进电机，32、第三关节同步齿形带副，33、丝杠，34、支承座固定侧，35、支承座支撑侧，36、第三关节连接板，37、螺母，38、直线导轨副，381、滑块，39、第三关节支架，41、第四关节步进电机，42、第四关节同步齿形带副，43、第四关节轴，44、推力球轴承，45、第四关节输出转盘，46、第四关节的关节架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，冲床上下料机器人的机械结构包括：第一关节1、第二关节2、第三关节3、第四关节4、底座5、第一臂6、第二臂7和末端执行器8。其中第一关节1、第二关节2、第四关节4具有旋转自由度，第三关节3具有垂直平移自由度。第一关节1的第一关节输入端壳体18和第一关节输出端壳体17一起固定于底座5上。第一关节1的输出端固定于第一臂6的一端，第一臂6的另一端与第二关节2的输入端相连。第二关节2的输出端固定于第二臂7的一端，第二臂7的另一端与第三关节支架39相连。第四关节4与第三关节3的输出端相连。末端执行器8为用于夹取工件的气动手爪，安装于第四关节输出转盘45上。
如图2所示，第一关节1包括第一关节伺服电机11、第一关节谐波减速器12、第一关节输入轴13、第一关节输出轴14、第一关节输出法兰16和第一关节圆锥滚子轴承15。其中第一关节谐波减速器12包括第一关节波发生器121、第一关节钢轮122和第一关节柔轮123。固定于第一关节输入端壳体18上的第一关节伺服电机11通过第一关节输入轴13与第一关节波发生器121相连。第一关节钢轮122固定在第一关节输出端壳体17上，第一关节柔轮123作为输出与第一关节输出轴14相连。第一关节输出轴14通过第一关节输出法兰16与第一臂6相连。第一关节圆锥滚子轴承15安装在第一关节输出轴14上，用于承受轴向的压力和径向的倾覆弯矩，从而可以避免第一关节谐波减速器12因承受压力或倾覆弯矩而损坏。
如图3所示，第二关节2包括第二关节伺服电机21、第二关节谐波减速器23、第二关节输入轴22、第二关节输出轴24、第二关节输出法兰26和第二关节圆锥滚子轴承25。其中第二关节谐波减速器23包括第二关节波发生器232、第二关节钢轮231和第二关节柔轮233。第二关节伺服电机21固定在第二关节输入端壳体27上，并通过第二关节输入轴22与第二关节波发生器232相连。第二关节柔轮233通过第二关节输出轴24、第二关节输出法兰26固定在第一臂6上，第二关节钢轮231与第二关节输出端壳体28相连。第二关节输出端壳体28固定在第二臂7上。第二关节圆锥滚子轴承25安装在第二关节输出轴24上，用于承受轴向的压力和径向的倾覆弯矩，从而可以避免第二关节谐波减速器23因承受压力或倾覆弯矩而损坏。
如图4所示，第三关节3包括第三关节步进电机31、第三关节同步齿形带副32、直线导轨副38、由丝杠33及螺母37组成的丝杠螺母副和第三关节连接板36。第三关节步进电机31固定在三关节支架39上，其轴与第三关节同步齿形带32的一个带轮相连，另一个带轮固连于丝杠33的输入端。螺母37作为丝杠螺母副的输出端能够在垂直方向上平移。直线导轨副38安装在第三关节支架39上，其导轨与丝杠33的轴线相平行。直线导轨副38具有支承和导向的作用。第三关节连接板36分别与丝杠螺母副的螺母37和直线导轨副的滑块381相固连，这三者能够一起在垂直方向上平移，用于作为第三关节的输出端。第三关节支架39安装于第二臂7上。
如图5所示，第四关节4包括第四关节步进电机41、第四关节同步齿形带副42、第四关节轴43、第四关节输出转盘45和第四关节的关节架46。第四关节步进电机41安装在第四关节臂46上，其轴与第四关节同步齿形带副42的一个带轮相连，另一个带轮固连于第四关节轴43的输入端。第四关节轴43上安装有推力球轴承44，该轴承起支承和旋转导向作用。第四关节轴43的输出端处安装有第四关节输出转盘45，用于安装末端执行器8。第四关节的关节架46固定于第三关节连接板36上。
本发明的工作过程如下：
结合图1～图5，当第一关节伺服电机11的轴转动时，通过第一关节输入轴13带动第一关节波发生器121转动。由于第一关节钢轮122固定，第一关节柔轮123作为谐波减速器输出端转动，从而带动第一关节输出轴14转动。最终通过第一关节输出法兰16，带动第一臂6产生旋转运动。
第二关节2与第一关节1的传动结构类似，但传动方式有所不同。在第一关节中，第一关节钢轮122固定，第一关节柔轮123作为输出。在第二关节中，第二关节柔轮233固定，第二关节钢轮23 1作为输出。当第二关节伺服电机21的轴转动时，通过第二关节输入轴22带动第二关节波发生器232转动。由于第二关节柔轮233通过第二关节输出轴24、第二关节输出法兰26固定在第一臂6上，第二关节钢轮231作为谐波减速器输出转动，从而带动第二关节输入端壳体27、第二关节输出端壳体28及第二关节伺服电机21的壳体一起转动。因为第二臂7与第二关节输入端壳体28相连，从而使第二臂7相对于第一臂6转动。
当第三关节步进电机3 1的轴转动时，通过第三关节同步齿形带副32带动丝杠33转动。丝杠33的转动最终转化为螺母37、滑块381和第三关节连接板36沿丝杠33轴线方向的平移运动，从而实现了平移运动的自由度。
当第四关节步进电机41轴转动时，通过第四关节同步齿形带副42带动第四关节轴43转动，进而带动第四关节输出转盘45转动。第四关节输出转盘45的转动可以调整安装在其上的末端执行器8的方向，以使机器人在不同位姿的情况下，末端执行器8都能够顺利伸入冲床下方的空间。

Claims (2)

1.一种冲床上下料机器人，其特征在于：由四个关节(1、2、3、4)，底座(5)，两个臂(6、7)和末端执行器(8)构成，第一关节(1)、第二关节(2)、第四关节(4)具有旋转自由度，第三关节(3)具有上下平移自由度；第一关节(1)的一端通过输入端壳体(18)与底座(5)连接，第一关节(1)的另一端通过第一关节输出法兰(16)与第一臂(6)的一端连接，第一臂(6)的另一端与第二关节(2)的第二关节输出法兰(26)连接，第三关节连接板(36)与第四关节的关节架(46)连接，第四关节输出转盘(45)上安装有末端执行器(8)；
所述第一关节(1)包括第一关节伺服电机(11)、第一关节谐波减速器(12)、第一关节输入轴(13)、第一关节输出轴(14)、第一关节输出法兰(16)、第一关节圆锥滚子轴承(15)、第一关节输入端壳体(18)和第一关节输出端壳体(17)；其中第一关节谐波减速器(12)包括第一关节波发生器(121)、第一关节钢轮(122)和第一关节柔轮(123)；固定于第一关节壳体输入端(18)上的第一关节伺服电机(11)通过第一关节输入轴(13)与第一关节波发生器(121)相连，第一关节钢轮(122)固定在第一关节输出端壳体(17)上，第一关节柔轮(123)作为第一关节谐波减速器(12)输出与第一关节输出轴(14)相连，第一关节输出轴(14)通过第一关节输出法兰(16)与第一臂(6)相连，第一关节输入端壳体(18)和第一关节输出端壳体(17)一起固定在底座(5)上，第一关节圆锥滚子轴承(15)安装在第一关节输出轴(14)上；
所述第二关节(2)包括第二关节伺服电机(21)、第二关节谐波减速器(23)、第二关节输入轴(22)、第二关节输出轴(24)、第二关节输出法兰(26)、第二关节圆锥滚子轴承(25)、第二关节输入端壳体(27)和第二关节输出端壳体(28)；其中第二关节谐波减速器(23)包括第二关节波发生器(232)、第二关节钢轮(231)和第二关节柔轮(233)；第二关节伺服电机(21)固定在第二关节输入端壳体(27)上，并通过第二关节输入轴(22)与第二关节波发生器(232)相连，第二关节柔轮(233)通过第二关节输出轴(24)、第二关节输出法兰(26)固定在第一臂(6)上，第二关节钢轮(231)与第二关节输出端壳体(28)相连，第二关节输出端壳体(28)与第二臂(7)固连，第二关节圆锥滚子轴承(25)安装在第二关节输出轴(24)上；
所述第三关节(3)包括第三关节步进电机(31)、第三关节同步齿形带副(32)、直线导轨副(38)、由丝杠(33)和螺母(37)组成的丝杠螺母副、第三关节支架(39)和第三关节连接板(36)；第三关节步进电机(31)固定在第三关节支架(39)上，其轴与第三关节同步齿形带副(32)的一个带轮相连，另一个带轮固连于丝杠(33)的输入端，丝杠(33)通过支承座固定侧(34)和支承座支撑侧(35)固定在第三关节支架(39)上，螺母(37)作为丝杠螺母副的输出端，直线导轨副(38)安装在第三关节支架(39)上，其导轨与丝杠(33)的轴线相平行，第三关节连接板(36)分别与丝杠螺母副的螺母(37)和直线导轨副的滑块(381)相固连；
所述第四关节(4)包括第四关节步进电机(41)、第四关节同步齿形带副(42)、第四关节轴(43)、推力球轴承(44)、第四关节输出转盘(45)和第四关节的关节架(46)；第四关节步进电机(41)安装在第四关节的关节架(46)上，其轴与第四关节同步齿形带副(42)的一个带轮相连，另一个带轮固连于第四关节轴(43)的输入端，第四关节轴(43)上安装有推力球轴承(44)，第四关节轴(43)的输出端处安装有第四关节输出转盘(45)，用于安装末端执行器(8)。
2.根据权利要求1所述的一种冲床上下料机器人，其特征在于：所述末端执行器(8)为用于夹取工件的气动手爪。
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