CN101823263B - 机器人的臂部件及其制造方法以及具有该臂部件的机器人 - Google Patents

机器人的臂部件及其制造方法以及具有该臂部件的机器人 Download PDF

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Abstract

一种机器人的臂部件，其包括第一连接端、第二连接端及连接第一连接端与第二连接端的连接部。第一连接端及第二连接端与传动装置相连接，连接部至少一部分为用于增强臂部件刚度的中空结构。中空结构的周壁上设有开口，该开口的边缘处形成有向中空结构内部延伸的加强部，加强部包括依次连接的四个加强筋，靠近第一连接端及第二连接端的加强筋延伸方向与连接部延伸方向斜交，连接部的侧壁朝向臂部件中部凹陷。本发明还提供上述机器人的臂部件的制造方法以及具有该臂部件的机器人。上述臂部件质量较轻、强度和刚度较好且便于通过砂型铸造成型。采用上述臂部件的机器人自身重量较轻，其对用于驱动臂部件的传动装置的转矩/力矩的要求较低，且易于控制。

Description

机器人的臂部件及其制造方法以及具有该臂部件的机器人
技术领域
本发明涉及一种机器人的臂部件及其制造方法以及具有该臂部件的机器人。
背景技术
图1所示为一种六轴工业机器人，其包括基座11、可转动地设置于基座11的机架12、可转动地设置于机架12的大臂13及与大臂13可转动连接的小臂14。基座11用于将六轴工业机器人安装至地板或者类似物上，机架12能绕第一旋转轴a旋转，大臂13能绕第二旋转轴b旋转，小臂14能绕第三旋转轴c旋转。该六轴工业机器人还包括d、e、f所表示的其他三轴。一般可通过在第六轴f上安装夹具、刀具或者探测仪器等执行装置进行工作。
设计制造上述六轴工业机器人的小臂14时，一方面应考虑增强小臂14的刚度、强度以其应力分布的均匀性，以抵抗施加在小臂14上的各种复杂的作用力，并减小小臂14的振动；另一方面应考虑减轻小臂14的重量，以减小其转动惯量，从而增强小臂14的可控性及控制的精确性，使其能够准确快速定位。现有技术一般通过在小臂14上设置中空结构以达到使小臂14具有一定刚度并减轻其重量的目的，然而中空结构的截面形状一般为封闭型结构，在通过砂型铸造成型小臂14时，用于成型该中空结构的型芯不易准确定位于型腔中，易造成小臂14铸造成型后厚度均匀性不佳，降低小臂13受力时应力分布的均匀性，且较难清砂、铸造效率较低。
发明内容
鉴于上述内容，有必要提供一种质量较轻、强度和刚度较好且便于铸造成型的臂部件及其制造方法以及具有该臂部件的机器人。
一种机器人的臂部件，其包括第一连接端、第二连接端及连接第一连接端与第二连接端的连接部。第一连接端及第二连接端与传动装置相连接。连接部至少一部分为用于增强臂部件刚度的中空结构。中空结构的周壁上设有开口，开口的边缘处形成有向中空结构内部延伸的加强部，该加强部包括依次连接的四个加强筋，且其中靠近第一连接端及靠近第二连接端的两个相对设置的加强筋的延伸方向与该连接部的延伸方向斜交，该连接部的侧壁朝向该臂部件的中部凹陷。
一种机器人，具有上述的臂部件。
一种制造上述机器人的臂部件的方法，其包括以下步骤：提供砂型箱，其设有可相互结合的第一砂型箱和第二砂型箱、型芯及用于支撑型芯的支撑件，型芯用于形成臂部件的中空结构，支撑件用于在中空结构上形成开口，型芯上还设有用于在开口边缘处形成加强部的凹部；利用支撑件将型芯支撑于第一砂型箱及第二砂型箱的其中之一内，并将第一砂型箱与第二砂型箱相结合以形成与臂部件形状大小一致的型腔；向型腔内注入熔融的金属溶液，在金属溶液冷却后，将第一砂型箱与第二砂型箱相分离，并进行清砂，以形成臂部件。
上述机器人的臂部件在中空结构的周壁上设置开口，通过砂型铸造成型臂部件时，可在对应形成开口的位置设置支撑件，通过支撑件将型芯准确牢靠地定位于砂型箱中，有助于提高铸造成型的臂部件尺寸的稳定性，在满足臂部件的刚度及强度要求的情况下，可提高材料的利用率，从而减轻臂部件的重量。在铸造成型过程中，还可以在开口处进行清砂处理，因空间可较大，从而便于操作。通过在开口的边缘设置加强部可保证该臂部件具有较高的刚度及强度。
采用上述臂部件的机器人自身重量较轻，同时对用于驱动臂部件的传动装置的转矩/力矩的要求降低。另外，臂部件的转速及其控制精度可得到提高，从而有助于提高机器人的工作效率及作业的精确度。
附图说明
图1是一种现有六轴工业机器人的平面示意图。
图2是本发明实施例的机器人的臂部件的立体图。
图3是图2所示臂部件的另一方向的立体图。
图4是图2所示臂部件的全剖视图。
图5是图2所示臂部件另一剖切方向的全剖视图。
图6及图7是通过数值模拟得出的图2所示臂部件的应力分布图。
图8及图9是通过模态分析得出的图2所示臂部件的一阶振动频率与二阶振动频率图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明机器人的臂部件及具制造方法以及具有该臂部件的机器人作进一步的详细说明。
本发明机器人的臂部件可以应用于直线坐标式、圆柱坐标式、球坐标式及关节式机器人中，本实施例以应用于六轴关节式机器人中的臂部件为例加以说明。
请同时参阅图2至图5，本发明实施例机器人的臂部件200可作为六轴关节式机器人的小臂，其包括第一连接端210、第二连接端220以及连接第一连接端210及第二连接端220的长条状连接部240。连接部240包括依次连接的四个连接壁241、242、243、244，该四个连接壁241、242、243、244与第一连接端210及第二连接端220围成中空部以形成中空结构245。中空结构245的截面形状大致为矩形。
第一连接端210用于连接第一传动装置（图未示），以驱动设置于六轴关节式机器人末端的与臂部件200相连接的执行装置，比如夹具、刀具、探测器等动作。第一连接端210包括圆盘形本体211以及由本体211两侧边缘沿其轴向延伸形成的加强壁213，设置加强壁213有助于提高臂部件200的刚度。本体211上还设有多个第一连接孔2112，用于与第一传动装置相连接。
第二连接端220用于连接第二传动装置（图未示），以驱动臂部件200运动。第二连接端220包括圆盘形本体221及由本体221两侧边缘沿其轴向延伸形成的加强壁223，设置加强壁223也有助于提高臂部件200的刚度。本体221上还设有多个第二连接孔2212，用于与第二传动装置相连接。
本实施例中，第二连接端220的本体211的外径大于第一连接端210的本体221的外径，第二连接端220的厚度（轴向尺寸）大于第一连接端210的厚度。臂部件200工作时，可近似为一个悬臂梁结构，且第二连接端220为支承端，从而第二连接端220将受到较大的力矩/扭矩，采用上述结构，可以增强第二连接端220的承重能力，从而有助于提高臂部件200的应力分布的均匀性。
连接壁241与连接壁243分别平滑连接第一连接端210及第二连接端220，且分别沿第一连接端210的轴向延伸并对称设置。连接壁241、243还可朝向臂部件200的中部凹陷，以形成弓形结构，从而有助于减轻臂部200的重量。
连接壁244沿垂直于第一连接端210的轴向方向延伸，且其与第一端210及第二端220其中一侧的端面共面。
连接壁244的中部设有开口246，开口246边缘处形成有向中空结构245内部延伸且依次连接的加强部2461、2462、2463、2464，以提高臂部件200的刚度及强度。本实施例，开口246大致为矩形，加强部2461、2462、2463、2464为加强筋形式。其中，加强部2461与加强部2463沿基本垂直连接壁244的方向延伸，加强部2462与加强部2464对称设置于开口246的两侧并分别垂直加强壁2461、2463，且加强部2462与加强部2464的延伸方向与连接部240的延伸方向斜交。加强部2462、2464采用斜向延伸的方式可增加其总体长度，从而有助于进一步提高臂部件200的刚度及强度。
连接壁244与连接壁241、243、第一连接端210及第二连接端220相连接处还可形成较大的倒角248，该倒角248可改善臂部件200受力时的应力集中。
连接壁242沿垂直于第一连接端210的轴向延伸，其中部沿第一连接端210的轴向向臂部件200外突出，其邻近第一连接端210的一端通过一个较长的斜面与第一连接端210的端面相连接，其邻近第二连接端220的一端通过一个较短的斜面与第二连接端220的端面相连接。连接壁242上还设有两个穿孔2421。
上述臂部件200可选用轻质、高强度的材料，比如铸铝或铝合金材料，其制造方法包括以下步骤：
（1）提供砂型箱，其设有可相互结合的第一砂型箱和第二砂型箱、型芯及用于支撑型芯的支撑件，该型芯用于形成中空结构245，支撑件用于在该中空结构245上形成开口246，该型芯还设有用于在该开口246边缘处形成加强部2461、2462、2463、2464的凹部。本实施例中，支撑件为柱状，其截面为矩形，从而可形成矩形开口246。
（2）利用支撑件将型芯固定于其中一个砂型箱中，并将第一、第二砂型箱相结合以形成与该臂部件200形状大小一致的型腔。
（3）向步骤（2）中形成的型腔内注入熔融的金属溶液，在该金属溶液冷却后，将第一、第二砂型箱相分离，并进行清砂以清理出型芯，从而形成该臂部件200。该金属溶液优选为铸铝或铝合金金属溶液。
利用上述方法制造臂部件200时，可通过支撑件对型芯进行支撑，且支撑件设置在对应形成开口246的位置，从而便于将砂型准确牢靠地定位于砂箱中，提高铸造成型的臂部件200的尺寸的稳定性。在满足刚度及强度要求的情况下，有助于使臂部件200的壁厚更薄，从而减轻臂部件200的重量，并提高材料的利用率以及铸造的良率。同时，设置开口246及穿孔2421还便于进行清砂操作，提高了铸造的效率。
另外，开口246还可以起到收纳连接第一、第二传动装置的电缆的作用。倾斜设置的加强部2462、2464还可对电缆起到导向作用。
图6及图7所示为通过数值模拟得出的本发明臂部件200的应力分布图，该数值模拟的结果由通用的有限元分析ANSYS软件分析得出，从图中可以看出，臂部件200应力分布趋于均匀，从而可充分发挥臂部件200材料的机械性能，使得材料的利用更为合理。上述数值模拟的初始参数值见下表。
  描述   值   单位
  弹性模数   6.9E+10   N/m2
  泊松比   0.33   无量纲
  剪力模数   2.7E+10   N/m2
  质量密度   2700   Kg/m3
  抗拉强度   68935600   N/m2
  降伏强度   27574200   N/m2
  热膨胀系数   2.4E-5   1/Kelvin
  热传导率   200   W/(m.K)
  比热   900   J/(kg.K)
图8及图9所示为通过模态分析得出的本发明臂部件200的一阶振动频率与二阶振动频率图，该结果由ANSYS软件分析得出。臂部件200前五阶振动频率请参见下表，从图8、图9以及下表可以看出，臂部件200的一阶及二阶振动频率较低，从而其可具有较高的运动速度而不会引起共振，具有较佳的刚度。
  模态数   频率(弧度/秒)   频率(赫兹)   周期(秒)
  1   738.87   118.18   0.008504
  2   1238.3   198.09   0.005074
  3   3433.7   546.49   0.00183
  4   3844.8   611.92   0.001634
  5   5677.8   903.66   0.001107
可以理解，臂部件200的第一连接端210及第二连接端220不限于本实施例的结构，其也可以根据机器人的类型设置为其他形式的连接结构。中空结构245的截面形状不限于矩形，其也可以为六边形或圆形等其他可通过砂型铸造成型的形状。
本发明实施例的六轴关节式机器人（图未示）与现有技术所描述的六轴工业机器人相似（请参见图1），其区别主要在于：本发明实施例的六轴关节式机器人采用上述臂部件200作为其小臂，臂部件200的第一连接端210连接末端的执行装置（图未示），比如夹具、刀具、探测器等，该执行装置可绕第5轴f或/和第6轴g旋转。因臂部件200具有重量较轻、刚性较好的特点，不仅可减小六轴关节式机器人的自身重量，同时对用于驱动臂部件200的传动装置（比如电机）的转矩/力矩要求降低，从而可以选取价格较低或体积较小的电机。另外，臂部件200转速及其定位精度可得到提高，从而有助于提升六轴关节式机器人的工作效率及作业的精确度。
可以理解，本发明臂部件200不限于应用于六轴关节式机器人中，其还可以应用于直线坐标式、圆柱坐标式、球坐标式及其他关节式机器人中，此时可根据机器人的具体类型变更臂部件200的第一连接端210及第二连接端220的结构形式。
本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种机器人的臂部件，其包括第一连接端、第二连接端及连接该第一连接端与第二连接端的连接部，该第一连接端及第二连接端与传动装置相连接，该连接部至少一部分为用于增强臂部件刚度的中空结构，其特征在于：该中空结构的周壁上设有开口，该开口的边缘处形成有向该中空结构内部延伸的加强部，该加强部包括依次连接的四个加强筋，且其中靠近第一连接端及靠近第二连接端的两个相对设置的加强筋的延伸方向与该连接部的延伸方向斜交，该连接部的侧壁朝向该臂部件的中部凹陷。
2.如权利要求1所述的臂部件，其特征在于：该连接部为长条状，其包括依次连接的四个连接壁，该开口设于其中一个连接壁上，且该开口的延伸方向与该连接部的延伸方向相同。
3.如权利要求2所述的臂部件，其特征在于：该相邻接的连接壁之间形成有用于减小该臂部件的应力集中的倒角。
4.如权利要求1所述的臂部件，其特征在于：该第一连接端与第二连接端均包括圆盘形本体及形成于本体两侧的加强壁，且该第二连接端的本体的外径大于第一连接端的本体的外径，该第二连接端的厚度大于第一连接端的厚度。
5.如权利要求1所述的臂部件，其特征在于：该臂部件由铸铝或铝合金材料通过砂型铸造成型。
6.一种机器人，其包括如权利要求1至5中任意一项所述的臂部件。
7.如权利要求6所述的机器人，其特征在于：该臂部件为该机器人的小臂，该机器人的电缆部分收纳于该臂部件的开口中，并由该加强部导向。
8.一种制造权利要求1所述机器人的臂部件的方法，其包括以下步骤：
提供砂型箱，其设有可相互结合的第一砂型箱和第二砂型箱、型芯及用于支撑型芯的支撑件，该型芯用于形成中空结构，该支撑件用于在该中空结构上形成开口，该砂型箱还设有用于在该开口边缘处形成加强部的凹部；
利用支撑件将型芯支撑于该第一砂型箱及第二砂型箱的其中之一内，并将该第一砂型箱与第二砂型箱相结合以形成与该臂部件形状大小一致的型腔；
向该型腔内注入熔融的金属溶液，在该金属溶液冷却后，将该第一砂型箱与第二砂型箱分离，并进行清砂，以形成该臂部件。
9.如权利要求8所述的机器人的臂部件的制造方法，其特征在于：该支撑件的截面为矩形，该凹部形成于该支撑件与型芯相结合的边缘处。
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