CN102778890B - 四轴全电驱土工离心机器人 - Google Patents
四轴全电驱土工离心机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种四轴全电驱土工离心机器人，包括控制系统、X支架、Y支架、Z支架和C支架，所述Y支架由所述X支架上的X向驱动系统驱动，所述Z支架由所述Y支架上的Y向驱动系统驱动，所述Z支架上安装有两套Z向导轨导向系统，所述C支架安装有C向驱动电机，所述C向驱动电机的输出轴与上法兰盘通过键连接，所述上法兰盘的下端安装有下法兰盘，所述上法兰盘的下部和所述下法兰盘的上部分别通过圆锥滚子轴承与所述C支架连接，所述下法兰盘的下端与工作工具连接，所述C支架由所述Z支架上的Z向驱动系统驱动。本发明结构尺寸小、定位精确度高、加载能力强、行程大并能实现工具360°旋转和自动更换工具。
Description
技术领域
本发明涉及一种离心机器人，特别是涉及一种四轴全电驱土工离心机器人。
背景技术
在岩土工程领域，离心模型试验是解决岩土工程问题和进行科学研究的有力手段。土工离心试验的基本原理是将土工模型置于高速旋转的离心机中，模型受到高于重力加速度的离心场作用，来补偿因模型尺寸缩小而导致的土体自重应力损失，使模型土体能够复制原形土体的应力状态。
随着岩土工程的发展，简单的离心模型试验已不能满足需要，它需在试验过程中对离心试验模型进行挖掘、加载等操作。在试验中途停机操作模型的方法会导致试验较大扰动，而在离心机不停机的状态下完成土工模型的试验操作方法则可逼真的模拟实际施工过程，能完成这样操作过程的离心机机载设备就是土工离心机器人。
土工离心机器人出现于十年前，并在这十多年时间里获得了迅速发展。1996年Actidyn公司和Cybernetics公司联合为法国道桥试验中心（LCPC）研制成功了世界上第一台土工离心机器人，2001年日本交通厅土木研究所自行研制了土工离心机器人，2006年Actidyn公司又为美国纽约伦斯勒理工学院(RPI)研制了土工离心机器人。国内，香港科技大学从2000年开始在400g.t土工离心机上研制并配备了土工离心机器人，同济大学于2006年在150g.t土工离心机上配备了土工离心机器人。国内其它大型土工离心机也开始建设机器人系统，如成都理工大学的500g.t土工离心机、中国水利水电科学研究院的450g.t土工离心机、长江水科院的200g.t土工离心机和长安大学的60g.t土工离心机等都开始建设机器人系统。上述土工离心机器人在外观、大小、结构等方面存在较大差异，其功能也参差不齐。同济大学土工离心机器人采用液压驱动，可在100g离心场下实现三轴联动，成都理工大学正研制的土工离心机器人也采用液压驱动，设计工作离心加速度为150g。香港科技大学的土工离心机器人和国外已研制成功的土工离心机器人都采用全电机驱动，并可实现多轴联动，但其承载过载能力和加载能力有差异。长江水科院正研制的土工离心机器人采用液压和电机混合驱动，其设计工作离心加速度为70g。
采用液压驱动或液-电混合驱动的土工离心机器人的定位精度较低，基本不能完成多个工具更换功能，从而很难实现复杂离心模型试验操作，所以具备自动更换工具的土工离心机器人都采用全电驱方式。
全电驱土工离心机器人的电机、驱动器、高精度传感器等在高离心场下使用需解决很多技术难题，且高离心场易引起结构变形甚至破坏，因此，经十余年的发展，国内外该类机器人才有上文介绍的几台投入使用。香港科技大学的土工离心机器人虽然设计的最大离心加速度为150g，但其实际达到的使用加速度不到70g；LCPC试验室的机器人、日本交通厅土木研究所的机器人以及RPI的机器人的最大试验加速度也没超过100g的文献报道。这几台机器人在垂直离心力的X、Y方向加载能力为250N～1000N，离心力方向（Z向）的加载能力为3000N～5000N，绕Z轴最大旋转角度为270°或360°，可提供5N·m的扭矩，而这其中能在100g下运行的机器人的最大行程为600mm左右。要对大规模的土工离心模型进行复杂的离心试验，有待性能指标更高的土工离心机器人的开发。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种结构尺寸小、重量轻、定位精度高、加载能力强、行程大、能实现工具360°旋转和具备自动更换工具功能的四轴全电驱土工离心机器人。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种四轴全电驱土工离心机器人，包括控制系统、X支架、Y支架和Z支架，所述Y支架位于所述X支架上方，所述Z支架位于所述Y支架的上方，所述X支架、Y支架和Z支架相互轴向垂直，所述X支架上安装有两套X向导轨导向系统，所述Y支架的两端分别与所述两套X向导轨导向系统的X向滑块通过螺钉固定连接，所述Y支架由所述X支架上的X向驱动系统驱动，所述Y支架的两侧分别安装有第一Y向导轨导向系统和第二Y向导轨导向系统，所述Z支架的两侧分别与所述第一Y向导轨导向系统的Y向滑块和所述第二Y向导轨导向系统的Y向滑块通过螺钉固定连接，所述Z支架由所述Y支架上的Y向驱动系统驱动，所述Z支架上安装有两套Z向导轨导向系统，所述四轴全电驱土工离心机器人还包括C支架，所述C支架由所述Z支架上的Z向驱动系统驱动，所述C支架的两侧分别与所述两套Z向导轨导向系统的Z向滑块通过螺钉固定连接，所述C支架上安装有C向驱动电机，所述C向驱动电机的输出轴与上法兰盘通过键连接，所述上法兰盘的下端安装有下法兰盘，所述上法兰盘的下部和所述下法兰盘的上部分别通过圆锥滚子轴承与所述C支架连接，所述下法兰盘的下端与工作工具连接。
全电驱土工离心机机器人可在100g高离心场下实现X、Y、Z和C支架四轴联动定位，同时安装在C支架上的C向驱动系统能实现工具360°内正反自由旋转，具备自动更换工具功能，而且在原有土工离心机器人的基础上，增大了各向加载能力和最大行程，最大行程达900mm，重复精度优于0.2mm，各向加载力超过2500N，其中Z向最大加载力超过18000N。
X向导轨导向系统、Y向导轨导向系统和Z向导轨导向系统均采用直线导轨导向系统，直线导轨导向系统对移动支架导向和承载安装其上支架的离心过载，由于直线导轨具有承载能力强、刚性好、抗倾覆力矩大、摩擦小等特点，可保证移动支架按预设轨迹直线运动。
所述Z向驱动系统包括Z向驱动电机和Z向丝杠，所述Z向丝杠位于所述两套Z向导轨导向系统的Z向导轨之间且相互平行，所述Z向丝杠上下两端通过圆锥滚子轴承固定在Z支架上，Z向丝杠的上端头与同步带轮连接，所述同步带轮与所述Z向驱动电机输出轴上安装的同步带轮之间通过同步带连接，所述Z向丝杠上设有一个Z向丝杠螺母，所述Z向丝杠螺母与所述C支架通过螺钉固定连接。
Z向驱动系统采用Z向驱动电机通过同步带驱动Z向丝杠旋转，位于Z向丝杠上的Z向丝杠螺母带动与其连接在一起的C支架在Z向导轨导向系统的Z向导轨上滑动。
所述四轴全电驱土工离心机器人还包括快换工具系统，所述快换工具系统包括工具库支架、气动抓手、待换工具盘和待换工具，所述气动抓手包括主控盘和工作工具盘，所述主控盘安装于所述C支架的下法兰盘的下端，所述工作工具盘吸合于所述主控盘的下端，所述工作工具固定连接于所述工作工具盘的下端，所述待换工具安装于所述待换工具盘的下端，安装有待换工具的待换工具盘通过设置于待换工具下端的锥销固定于所述工具库支架上，所述工具库支架设置于用于安装所述离心机器人的模型箱内。
工具库支架有三个待换工具存放位置，可提供三套待换工具相互更换。气动抓手是机器人实现离心机不停机状态下更换工具的关键部件，包括一个主控盘和多个工具盘，采用气动驱动，具有自锁功能，其抓紧力及力矩可以保证专用工具在离心场下工作不会脱出，同时主控盘还可以提供多通道电信号接口及气路接口。
所述控制系统包括工控机、运动控制器、伺服驱动器、驱动电机、旋转变压器和磁栅传感器，所述磁栅传感器包括X向磁栅传感器、Y向磁栅传感器和Z向磁栅传感器，所述磁栅传感器由磁条和磁头组成，所述X向磁栅传感器的磁条安装于所述X支架上，所述X向磁栅传感器的磁头安装于所述Y支架上，所述Y向磁栅传感器的磁条安装于所述Y支架上，所述Y向磁栅传感器的磁头安装于所述Z支架上，所述Z向磁栅传感器的磁条安装于所述Z支架上，所述Z向磁栅传感器的磁头安装于所述C支架上，每个方向所述磁栅传感器的信号输出端与该方向的驱动电机的伺服驱动器的位移信号输入端连接，所述驱动电机的尾部均安装有旋转变压器进行转速检测，所述旋转变压器的信号输出端与对应的所述伺服驱动器的转速信号输入端连接，所述伺服驱动器的控制信号输出端与对应的驱动电机的控制信号输入端连接，所述驱动电机包括所述X向驱动系统的X向驱动电机、所述Y向驱动系统的Y向驱动电机、所述Z向驱动系统的Z向驱动电机和所述C向驱动电机，所述伺服驱动器的有线通讯接口与所述运动控制器的有线通讯接口连接，所述运动控制器的以太网通讯端与所述工控机的以太网通讯端之间采用无线路由器连接。
机器人工作时首先通过监控系统进行系统回零点操作，并建立参考坐标系，回零完成后根据试验要求通过程序设计机器人工具的运行路径，路径规划完毕且正确后执行程序，监控系统将各轴坐标通过无线以太网通讯传送至运动控制器，运动控制器进行数值解析运算后通过CAN通讯将命令发送至各伺服驱动器，伺服驱动器控制驱动电机按照指令旋转，从而驱动与之连接的丝杠旋转，带动与丝杠螺母连接的支架移动，驱动电机运行过程中通过旋转变压器和磁栅进行速度和位置测量，测量值输入至伺服驱动器与给定值进行运算，控制电机旋转并驱动与之对应支架移动至给定位置，从而实现系统的定位。
采用磁栅传感器进行位置，可减小在离心过载工况下的电机、丝杠等传力部件间因存在间隙而在正反转时造成的位移误差或这些传力部件本身发生变形而造成的位移误差，反馈系统的真实位置值至伺服驱动器进行控制从而实现系统精确定位。另外，磁栅传感器还具有耐灰尘、耐磨损、耐冲击、抗振动等优点。
所述控制系统还包括接近传感器，所述接近传感器包括X向接近传感器、Y向接近传感器和Z向接近传感器，每个所述接近传感器包括一个零位开关和一对限位开关，每对所述限位开关中的两个限位开关分别位于对应支架上的导轨导向系统的导轨的两端且位于所述导轨导向系统的滑块的行程范围内，所述零位开关设置于对应支架上并位于两个所述限位开关之间。
限位开关安装在导轨导向系统的滑块的行程的两端，保证机器人在有效行程内安全可靠运行；零位开关作为机器人运行开始前参考零点的建立，所以对机器人的控制，就是控制移动支架相对于参考零点的位移量。
所述X向驱动系统包括X向驱动电机和X向丝杠，所述X向丝杠的一端通过轴承座组件与所述X支架的一端连接，所述X向丝杠的另一端通过轴承座组件与所述X支架的另一端连接后其端头伸入所述X向驱动电机的空心轴内，并通过键与所述X向驱动电机的空心轴连接，所述X向丝杠设有两个X向丝杠螺母，所述X向丝杠螺母与所述Y支架通过螺钉固定连接。
X向驱动系统采用X向驱动电机直接驱动X向丝杠旋转，位于X向丝杠上的X向丝杠螺母带动与其连接在一起的Y支架在X向导轨导向系统的X向导轨上滑动。
所述X向驱动系统为两套，每套所述X向驱动系统的X向丝杠螺母分别与所述Y支架的两侧通过螺钉固定连接。
由于Y支架跨距大，而且X向行程长，所以采用了两套X向驱动系统驱动，保证Y支架在X向导轨导向系统的X向导轨上平稳可靠运行。
所述Y向驱动系统包括Y向驱动电机和Y向丝杠，所述Y向丝杠的一端通过轴承座组件与所述Y支架的一端连接，所述Y向丝杠的另一端通过轴承座组件与所述Y支架的另一端连接后其端头伸入所述Y向驱动电机的空心轴内，并通过键与所述Y向驱动电机的空心轴连接，所述Y向丝杠设有一个Y向丝杠螺母，所述Y向丝杠螺母与所述Z支架通过螺钉固定连接。
Y向驱动系统采用Y向驱动电机直接驱动Y向丝杠旋转，位于Y向丝杠上的Y向丝杠螺母带动与其连接在一起的Z支架在Y向导轨导向系统的Y向导轨上滑动。
所述Y向驱动系统为一套，所述Y向驱动系统的Y向丝杠螺母与所述Z支架的一侧通过螺钉固定连接。
所述X支架和Y支架均采用塑料拖链布线。X向和Y向均采用结构坚固、重量轻、强度高的塑料拖链布线，防止一起移动的电缆和管路相互缠绕、损坏。
本发明的有益效果是：
通过采用上述技术方案，四轴全电驱土工离心机器人不仅可在100g下实现四轴联动定位，工具可实现360度旋转，具备自动更换工具功能，而且在原有土工离心机器人的基础上，增大了各向加载能力和最大行程，最大行程达900mm，重复精度优于0.2mm，各向加载力超过2500N，其中Z向最大加载力超过18000N，而且工具头还配备了多路电气通道。同时，本发明还具有结构尺寸小、重量轻和定位精确度高等优点。
附图说明
图1是本发明四轴全电驱土工离心机器人的立体图；
图2是本发明四轴全电驱土工离心机器人的主视图；
图3是本发明四轴全电驱土工离心机器人的俯视图；
图4是本发明四轴全电驱土工离心机器人的左视图；
图5是本发明四轴全电驱土工离心机器人中Z支架及C支架的立体图之一；
图6是本发明四轴全电驱土工离心机器人中Z支架及C支架的立体图之二；
图7是本发明四轴全电驱土工离心机器人中Z支架及C支架的剖视图；
图8是图7中A的放大图；
图9是图7中K的放大图；
图10是图7中B的放大图；
图11是本发明四轴全电驱土工离心机器人中工具库支架和待换工具的结构示意图；
图12是本发明四轴全电驱土工离心机器人中C支架的结构示意图；
图13是本发明四轴全电驱土工离心机器人中Z支架的结构示意图；
图14是本发明四轴全电驱土工离心机器人中Y支架的结构示意图；
图15是本发明四轴全电驱土工离心机器人控制系统的结构框图。
图中：1-X支架，2-轴承座组件，3-X向丝杠，4-X向丝杠螺母，5-X向驱动电机，6-X向导轨导向系统的X向导轨，7-X向导轨导向系统的X向滑块，8-X向限位开关，9-X向零位开关，10-X向磁栅传感器的磁条，11-X向磁栅传感器的磁头，12-Y支架，13-第一Y向导轨导向系统的Y向导轨，14-第二Y向导轨导向系统的Y向导轨，15-Y向滑块，16-Y向丝杠，17-Y向丝杠螺母，18Y向驱动电机，19-Y向限位开关，20-Y向零位开关，21-Y向磁栅传感器的磁条，22Y向磁栅传感器的磁头，23-Z支架，24-Z向导轨导向系统的Z向导轨，25-Z向导轨导向系统的Z向滑块，26-Z向丝杠，27-Z向丝杠螺母，28-Z向驱动电机，29-同步带，30-Z向限位开关，31-Z向零位开关，32-Z向磁栅传感器的磁条，33-Z向磁栅传感器的磁头，34-C支架，35-C向驱动电机，36-上法兰盘，37-下法兰盘，38-圆锥滚子轴承，39-气动抓手，39A-主控盘，39B-工作工具盘，40-工作工具，41-待换工具，42-工具库支架，43-模型箱，44-拖链，45-同步带轮，46-待换工具盘，47-端盖。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1至图4所示，本发明四轴全电驱土工离心机器人，包括控制系统、X支架1、Y支架12和Z支架23，Y支架23位于所述X支架1上方，Z支架23位于Y支架12的上方，X支架1、Y支架12（如图14所示）和Z支架23（如图13所示）相互轴向垂直，X支架1上安装有两套X向导轨导向系统，Y支架12的两端分别与两套X向导轨导向系统的X向滑块7通过螺钉固定连接，Y支架12由X支架1上的X向驱动系统驱动，Y支架12的两侧分别安装有第一Y向导轨导向系统和第二Y向导轨导向系统，Z支架23的两侧分别与所述第一Y向导轨导向系统的Y向滑块15和所述第二Y向导轨导向系统的Y向滑块15通过螺钉固定连接，Z支架23由Y支架12上的Y向驱动系统驱动，Z支架23上安装有两套Z向导轨导向系统，四轴全电驱土工离心机器人还包括C支架34（如图12所示），如图7所示，C支架34安装有C向驱动电机35，C向驱动电机35的输出轴与上法兰盘36通过键连接，上法兰盘36的下端安装有下法兰盘37，上法兰盘36的下部和下法兰盘37的上部分别通过圆锥滚子轴承38与C支架34连接，下法兰盘37的下端与工作工具40连接，如图5和图6所示，C支架34由Z支架23上的Z向驱动系统驱动，C支架34的两侧分别与两套Z向导轨导向系统的Z向滑块25通过螺钉固定连接。
全电驱土工离心机机器人可在100g高离心场下实现X、Y、Z和C支架四轴联动定位，同时安装于C支架34上的C向驱动系统能实现工具360°内正反自由旋转。而且在原有土工离心机器人的基础上，增大了各向加载能力和最大行程，最大行程达900mm，重复精度优于0.2mm，各向加载力超过2500N，其中Z向最大加载力超过18000N。X向导轨导向系统、Y向导轨导向系统和Z向导轨导向系统均采用直线导轨导向系统，直线导轨导向系统对移动支架导向和承受安装其上支架的离心过载，由于直线导轨具有承载能力强、刚性好、抗倾覆力矩大、摩擦小等特点，可保证移动支架按预设轨迹直线运动。
如图5至图10所示，Z向驱动系统包括Z向驱动电机28和Z向丝杠26，Z向丝杠26位于两套Z向导轨导向系统的Z向导轨24之间且相互平行，Z向丝杠26上下两端通过圆锥滚子轴承38固定在Z支架23上，Z支架23的上端设有端盖47，Z向丝杠26的上端头与同步带轮45连接，同步带轮45与Z向驱动电机28输出轴上安装的同步带轮之间通过同步带29连接，Z向丝杠26上设有一个Z向丝杠螺母27，Z向丝杠螺母27与C支架34通过螺钉固定连接。Z向驱动系统采用Z向驱动电机28通过同步带29驱动Z向丝杠旋转，位于Z向丝杠26上的Z向丝杠螺母27带动与其连接在一起的C支架34在Z向导轨导向系统的Z向导轨24上滑动。
如图1和图11所示，所述四轴全电驱土工离心机器人还包括快换工具系统，所述快换工具系统包括工具库支架42、气动抓手39、待换工具盘46和待换工具41，气动抓手39包括主控盘39A和工作工具盘39B，主控盘39A安装于C支架34的下法兰盘37的下端，工作工具盘39B吸合于主控盘39A的下端，工作工具40固定连接于工作工具盘39B的下端，待换工具41安装于待换工具盘46的下端，安装有待换工具41的待换工具盘46通过设置于待换工具41下端的锥销固定于工具库支架42上，工具库支架42设置于用于安装所述离心机器人的模型箱43内。在本实施例中，工具库支架42有三个待换工具存放位置，可提供三套待换工具41相互更换。气动抓手39是机器人实现离心机不停机状态下更换工具的关键部件，包括一个主控盘39A和多个工作工具盘39B，采用气动驱动，具有自锁功能，其抓紧力及力矩可以保证专用工具在离心力作用下不会脱出，同时主控盘39A还可以提供多通道电信号接口及气路接口，供试验使用及气动抓手39测试信号输出。
如图15所示，所述控制系统包括工控机、运动控制器、伺服驱动器、驱动电机、旋转变压器和磁栅传感器，所述磁栅传感器包括X向磁栅传感器、Y向磁栅传感器和Z向磁栅传感器，所述磁栅传感器由磁条和磁头组成，X向磁栅传感器的磁条10安装于X支架1上，X向磁栅传感器的磁头11安装于Y支架12上，Y向磁栅传感器的磁条21安装于Y支架12上，Y向磁栅传感器的磁头12安装于Z支架23上，Z向磁栅传感器的磁条32安装于Z支架23上，Z向磁栅传感器的磁头33安装于C支架34上，每个方向所述磁栅传感器的信号输出端与该方向的驱动电机的伺服驱动器的位移信号输入端连接，所述驱动电机的尾部均安装有旋转变压器进行转速检测，所述旋转变压器的信号输出端与对应的所述伺服驱动器的转速信号输入端连接，所述伺服驱动器的控制信号输出端与对应的驱动电机的控制信号输入端连接，所述驱动电机包括所述X向驱动系统的X向驱动电机5、所述Y向驱动系统的Y向驱动电机18、所述Z向驱动系统的Z向驱动电机28和C向驱动电机35，所述伺服驱动器的有线通讯接口与所述运动控制器的有线通讯接口连接，所述运动控制器的以太网通讯端与所述工控机的以太网通讯端之间采用无线路由器连接。
机器人工作时首先通过监控系统进行系统回零点操作，并建立参考坐标系，回零完成后根据试验要求通过程序设计机器人工具头的运行路径，路径规划完毕且正确后执行程序，监控系统将各轴坐标通过无线以太网通讯传送至运动控制器，运动控制器进行数值解析运算后通过CAN通讯将命令发送至各伺服驱动器，伺服驱动器控制驱动电机按照指令旋转，从而驱动与之连接的丝杠旋转，带动与丝杠螺母连接的支架移动，驱动电机运行过程中通过旋转变压器和磁栅进行速度和位置测量，测量值输入至伺服驱动器与给定值进行运算，控制电机旋转并驱动与之对应支架移动至给定位置，从而实现系统的定位。采用磁栅传感器进行位置，可减小在离心过载工况下的电机、丝杠等传力部件间因存在间隙而在正反转时造成的位移误差或这些传力部件本身发生变形而造成的位移误差，反馈系统的真实位置值至伺服驱动器进行控制从而实现系统精确定位。另外，磁栅传感器还具有耐灰尘、耐磨损、耐冲击、抗振动等优点。
如图1和图6所示，所述控制系统还包括接近传感器，所述接近传感器包括X向接近传感器、Y向接近传感器和Z向接近传感器，X向接近传感器包括一个X向零位开关9和两个X向限位开关8，Y向接近传感器包括一个Y向零位开关20和两个Y向限位开关19，Z向接近传感器包括一个Z向零位开关31和两个Z向限位开关30，每对所述限位开关中的两个限位开关分别位于对应支架上的导轨导向系统的导轨的两端且位于所述导轨导向系统的滑块的行程范围内，所述零位开关设置于对应支架上并位于两个所述限位开关之间。限位开关安装在有效行程的两端，保证机器人在有效行程内安全可靠运行；零位开关作为机器人运行开始前参考零点的建立，所以对机器人的控制，就是控制移动支架相对于参考零点的位移量。
如图1所示，所述X向驱动系统包括X向驱动电机5和X向丝杠3，X向丝杠3的一端通过轴承座组件2与X支架1的一端连接，X向丝杠3的另一端通过轴承座组件2与X支架1的另一端连接后其端头伸入X向驱动电机5的空心轴内，并通过键与X向驱动电机5的空心轴连接，X向丝杠3设有两个X向丝杠螺母4，X向丝杠螺母4与Y支架12通过螺钉固定连接。X向驱动系统采用X向驱动电机5直接驱动X向丝杠3旋转，位于X向丝杠3上的X向丝杠螺母4带动与其连接在一起的Y支架12在X向导轨导向系统的X向导轨6上滑动。
如图1所示，在本实施例中，所述X向驱动系统为两套，每套所述X向驱动系统的X向丝杠螺母4分别与Y支架12的两侧通过螺钉固定连接。由于X向驱动系统驱动的Y支架12跨距大，而且行程长，所以采用了两套X向驱动系统，保证Y支架12在X向导轨导向系统的X向导轨6上平稳可靠运行。
如图1所示，所述Y向驱动系统包括Y向驱动电机18和Y向丝杠16，Y向丝杠16的一端通过轴承座组件2与Y支架12的一端连接，Y向丝杠16的另一端通过轴承座组件2与Y支架12的另一端连接后其端头伸入Y向驱动电机18的空心轴内，并通过键与Y向驱动电机18的空心轴连接，Y向丝杠16设有一个Y向丝杠螺母17，Y向丝杠螺母17与Z支架23的一侧通过螺钉固定连接，Z支架23的另一侧与位于第二Y向导轨导向系统的Y向导轨14上的Y向滑块15连接。
Y向驱动系统采用Y向驱动电机18直接驱动Y向丝杠16旋转，位于Y向丝杠16上的Y向丝杠螺母17带动与其连接在一起的Z支架23在第一Y向导轨导向系统的Y向导轨13上滑动。
如图1所示，所述Y向驱动系统为一套，所述Y向驱动系统的Y向丝杠螺母17与Z支架23的一侧通过螺钉固定连接。
如图1所示，所述X支架1和Y支架12均采用塑料拖链44布线。X向和Y向均采用结构坚固、重量轻、强度高的塑料拖链44布线，防止一起移动的电缆和管路相互缠绕、损坏。X向驱动电机5、Y向驱动电机18和Z向驱动电机28均采用竖直安装方式，使电机承受的离心力沿电机转轴方向，防止电机转子与定子因离心力作用相互接触而损坏，同时也保证了旋转变压器在高离心场下稳定工作。
全电驱土工离心机机器人安装在专用模型箱43上，可在100g高离心场下实现X、Y、Z和C支架四轴联动定位，模型箱43两对称壁设计了活动窗口，以便模型箱43内安装小模型箱时取下活动窗口，安装图像采集系统对模型箱进行观测。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种四轴全电驱土工离心机器人，包括控制系统、X支架、Y支架和Z支架，所述Y支架位于所述X支架上方，所述Z支架位于所述Y支架的上方，所述X支架、Y支架和Z支架相互轴向垂直，所述X支架上安装有两套X向导轨导向系统，所述Y支架的两端分别与所述两套X向导轨导向系统的X向滑块通过螺钉固定连接，所述Y支架由所述X支架上的X向驱动系统驱动，所述Y支架的两侧分别安装有第一Y向导轨导向系统和第二Y向导轨导向系统，所述Z支架的两侧分别与所述第一Y向导轨导向系统的Y向滑块和所述第二Y向导轨导向系统的Y向滑块通过螺钉固定连接，所述Z支架由所述Y支架上的Y向驱动系统驱动，所述Z支架上安装有两套Z向导轨导向系统，所述四轴全电驱土工离心机器人还包括C支架，所述C支架的两侧分别与所述两套Z向导轨导向系统的Z向滑块通过螺钉固定连接，所述C支架由所述Z支架上的Z向驱动系统驱动，所述C支架上安装有C向驱动电机，所述C向驱动电机的输出轴与上法兰盘通过键连接，所述上法兰盘的下端安装有下法兰盘，所述上法兰盘的下部和所述下法兰盘的上部分别通过圆锥滚子轴承与所述C支架连接，所述下法兰盘的下端与工作工具连接；其特征在于：所述Z向驱动系统包括Z向驱动电机和Z向丝杠，所述Z向丝杠位于所述两套Z向导轨导向系统的Z向导轨之间且相互平行，所述Z向丝杠上下两端通过圆锥滚子轴承固定在Z支架上，Z向丝杠的上端头与同步带轮连接，所述同步带轮与所述Z向驱动电机输出轴上安装的同步带轮之间通过同步带连接，所述Z向丝杠上设有一个Z向丝杠螺母，所述Z向丝杠螺母与所述C支架通过螺钉固定连接；所述X向驱动系统包括X向驱动电机和X向丝杠，所述X向丝杠的一端通过轴承座组件与所述X支架的一端连接，所述X向丝杠的另一端通过轴承座组件与所述X支架的另一端连接后其端头伸入所述X向驱动电机的空心轴内，并通过键与所述X向驱动电机的空心轴连接，所述X向丝杠设有两个X向丝杠螺母，所述X向丝杠螺母与所述Y支架通过螺钉固定连接；所述Y向驱动系统包括Y向驱动电机和Y向丝杠，所述Y向丝杠的一端通过轴承座组件与所述Y支架的一端连接，所述Y向丝杠的另一端通过轴承座组件与所述Y支架的另一端连接后其端头伸入所述Y向驱动电机的空心轴内，并通过键与所述Y向驱动电机的空心轴连接，所述Y向丝杠设有一个Y向丝杠螺母，所述Y向丝杠螺母与所述Z支架通过螺钉固定连接。
2.根据权利要求1所述的四轴全电驱土工离心机器人，其特征在于：所述四轴全电驱土工离心机器人还包括快换工具系统，所述快换工具系统包括工具库支架、气动抓手、待换工具盘和待换工具，所述气动抓手包括主控盘和工作工具盘，所述主控盘安装于所述C支架的下法兰盘的下端，所述工作工具盘吸合于所述主控盘的下端，所述工作工具固定连接于所述工作工具盘的下端，所述待换工具安装于所述待换工具盘的下端，安装有待换工具的待换工具盘通过设置于待换工具下端的锥销固定于所述工具库支架上，所述工具库支架设置于用于安装所述离心机器人的模型箱内。
3.根据权利要求1所述的四轴全电驱土工离心机器人，其特征在于：所述控制系统包括工控机、运动控制器、伺服驱动器、驱动电机、旋转变压器和磁栅传感器，所述磁栅传感器包括X向磁栅传感器、Y向磁栅传感器和Z向磁栅传感器，所述磁栅传感器由磁条和磁头组成，所述X向磁栅传感器的磁条安装于所述X支架上，所述X向磁栅传感器的磁头安装于所述Y支架上，所述Y向磁栅传感器的磁条安装于所述Y支架上，所述Y向磁栅传感器的磁头安装于所述Z支架上，所述Z向磁栅传感器的磁条安装于所述Z支架上，所述Z向磁栅传感器的磁头安装于所述C支架上，每个方向所述磁栅传感器的信号输出端与该方向的驱动电机的伺服驱动器位移信号输入端连接，所述驱动电机的尾部均安装有旋转变压器进行转速检测，所述旋转变压器的信号输出端与对应的所述伺服驱动器的转速信号输入端连接，所述伺服驱动器的控制信号输出端与对应的驱动电机的控制信号输入端连接，所述驱动电机包括所述X向驱动系统的X向驱动电机、所述Y向驱动系统的Y向驱动电机、所述Z向驱动系统的Z向驱动电机和所述C向驱动电机，所述伺服驱动器的有线通讯接口与所述运动控制器的有线通讯接口连接，所述运动控制器的以太网通讯端与所述工控机的以太网通讯端之间采用无线路由器连接。
4.根据权利要求3所述的四轴全电驱土工离心机器人，其特征在于：所述控制系统还包括接近传感器，所述接近传感器包括X向接近传感器、Y向接近传感器和Z向接近传感器，每个所述接近传感器包括一个零位开关和一对限位开关，每对所述限位开关中的两个限位开关分别位于对应支架上的导轨导向系统的导轨的两端且位于所述导轨导向系统的滑块的行程范围内，所述零位开关设置于对应支架上并位于两个所述限位开关之间。
5.根据权利要求1所述的四轴全电驱土工离心机器人，其特征在于：所述X向驱动系统为两套，每套所述X向驱动系统的X向丝杠螺母分别与所述Y支架的两侧通过螺钉固定连接。
6.根据权利要求1所述的四轴全电驱土工离心机器人，其特征在于：所述Y向驱动系统为一套，所述Y向驱动系统的Y向丝杠螺母与所述Z支架的一侧通过螺钉固定连接。
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