CN103753600B - 一种具有强迫空气对流系统的水平关节机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水平关节机器人，包括：底座，其上设有第一转轴C1及驱动所述第一转轴C1旋转的伺服电机及相应的减速装置；大臂，其一端通过所述第一转轴C1可转动地与所述底座连接，另一端设有第二转轴C2；小臂，其一端通过所述第二转轴C2可转动地与所述大臂另一端连接，所述小臂另一端设有滚珠丝杠、滚珠花键；所述小臂还设有驱动所述第二转轴C2旋转的伺服电机及相应的减速装置、驱动所述滚珠花键的伺服电机M1及相应的同步带传动系统Ⅰ、以及驱动所述滚珠丝杠的伺服电机M2及相应的同步带传动系统Ⅱ；罩，用于覆盖所述小臂；所述底座、大臂、小臂共同构成一套强迫空气对流系统。采用本发明的水平关节机器人，具有结构简单、散热性能好、精度高、刚度好、可靠性强的优点。

Description

一种具有强迫空气对流系统的水平关节机器人

技术领域

本发明涉及一种水平关节机器人，尤其是涉及一种具有强迫空气对流系统的水平关节机器人。

背景技术

水平关节机器人是目前得到广泛运用的一种实现高速、柔性分拣和装配的工业机器人，其具有三个转动自由度和一个移动自由度。目前传统的水平关节机器人中，驱动第一关节的伺服电机及减速器密闭在底座中，驱动第二至第四关节的伺服电机及传动装置密闭在小臂中，由于机器人长时间工作，散热条件差，尤其是小臂同时集聚了三个电机，加上伺服电机工作时要经常过载发热严重，在不利的条件下，小臂内的空气温度能上升至50°，甚至更高。小臂内温度的升高严重影响了伺服电机、同步带、滚珠丝杠及滚珠花键的性能及寿命，甚至造成滚珠丝杠或滚珠花键卡死的现象，此外对电缆的性能及寿命也存在威胁。

申请号为201210125115.4的中国专利公开了一种关节型机器人，其通过在工作轴两端分别设置上部蛇腹状部件以及下部蛇腹状部件的方式，使工作轴在上下移动的过程中，分别压缩上部蛇腹状部件或下部蛇腹状部件，从而使得工作轴的轴向附近的内部空间中形成空气上下对流，以抑制马达过热。然而，上述专利却存在以下弊端：(1)结构复杂，且蛇腹状部件的设置必然会影响工作轴的运动精度和运动效率；(2)空气对流区域小，主要对旋转马达进行降温，不能对整个水平关节机器人进行全面有效的过热保护。

发明内容

鉴于目前水平关节机器人存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是：提供一种结构简单、散热性能好、精度高、刚度好、可靠性强的水平关节机器人。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种水平关节机器人，包括：底座，其上设有第一转轴C1及驱动所述第一转轴C1旋转的伺服电机及相应的减速装置；大臂，其一端通过所述第一转轴C1可转动地与所述底座连接，另一端设有第二转轴C2；小臂，其一端通过所述第二转轴C2可转动地与所述大臂另一端连接，所述小臂另一端设有滚珠丝杠、滚珠花键；所述小臂还设有驱动所述第二转轴C2旋转的伺服电机及相应的减速装置、驱动所述滚珠花键的伺服电机M1及相应的同步带传动系统I、以及驱动所述滚珠丝杠的伺服电机M1及相应的同步带传动系统II；罩，用于覆盖所述小臂；其特征在于：所述底座、大臂、小臂共同构成一套强迫空气对流系统，所述强迫空气对流系统包括：通风孔，位于所述罩的靠近所述滚珠丝杠、滚珠花键一端的前上方；空气强迫对流装置，设置于所述底座的后下方端盖上；连接关节I，为中空结构，位于所述小臂与所述大臂的关节连接处；连接关节II，为中空结构，位于所述大臂与所述底座的关节连接处；中空结构I，位于所述小臂内部，用于连通所述通风孔与所述连接关节I；中空结构II，位于所述大臂内部，用于连通所述连接关节I与所述连接关节II；中空结构III，位于所述底座内部，用于连通所述连接关节II与所述空气强迫对流装置。

采用本发明的技术方案，可以对水平关节机器人系统内部所有零部件进行全面有效的降温散热，从而有效提高各零部件的使用性能及寿命，最大程度地发挥机器人的最佳性能。不仅结构简单、有利于在整个机器人内部形成空气对流，从而对机器人内部各零部件进行全面有效的降温散热；而且，底座、大臂、小臂以及各连接关节的中空结构能够进一步降低机器人的惯量，提高机器人响应速度。

根据本发明的一种实施方式，所述水平关节机器人的配线、配管与所述强迫空气对流系统共用同一通道。这样做的目的是，使配线、配管从中空结构中穿过，使得结构更加紧凑的同时，还能减少工作过程中配线、配管的弯曲程度和弯曲次数，并降低配线、配管的振动对机器人整体稳定性的影响。

根据本发明的一种实施方式，所述通风孔可拆卸地设有防尘过滤网和/或空气除湿器。这样做的目的是，能够有效避免空气中的灰尘、水汽对机器人内部部件的腐蚀、污染，并避免威胁电路安全。可拆卸的连接方式使得便于即使更换、清理和维护。

根据本发明的一种实施方式，所述空气强迫对流装置为排气扇。

根据本发明的一种实施方式，所述空气强迫对流装置外接清洁气源，并且能够双向换气。这样做的目的是，当机器人处于充满易燃易爆气体的工作环境中时，该强迫空气对流系统可作为防爆系统，从外界吸入清洁空气，有效提高机器人的安全性能。

根据本发明的一种实施方式，所述小臂还设有温度传感器。这样做的目的是，实时检测小臂内部温度，及时控制空气对流速度。

根据本发明的一种实施方式，所述水平关节机器人还包括空心管，所述空心管为两根，且和所述滚珠丝杠呈三角形分布；两根所述空心管和所述滚珠丝杠通过一个V字形铝块进行连接，所述V字形铝块与所述滚珠丝杠之间通过两个背对背安装的角接触球轴承连接。这样做的目的是，利用与滚珠丝杠呈三角形布置的两根空心管对滚珠丝杠进行看护，有效增强滚珠丝杠的刚度；两个背对背安装的角接触球轴承连接，能够增加滚珠丝杆的看护长度，减少其等效长度，从而进一步降低其挠曲变形程度。

根据本发明的一种实施方式，其中一根所述空心管上安装有用于位置检测的光栅尺，所述滚珠花键上安装有用于角度检测的光电码盘。这样做的目的是，实现闭环控制，有效补偿由于同步带传动系统弹塑性变形、滚珠丝杠传动间隙引起的滚珠花键的位移误差以及转角误差。

根据本发明的一种实施方式，所述同步带传动装置II的带轮与所述滚珠丝杠之间通过设置胀紧套实现胀紧连接；所述滚珠丝杠通过两个面对面安装的角接触球轴承与所述小臂相连接；所述滚珠花键通过两个背对背安装的角接触球轴承与所述小臂相连接。这样做的目的是，避免在滚珠丝杠上加工键槽，提高滚珠丝杠和滚珠花键的刚度，从而进一步提高机器人末端的精度和性能。

附图说明

附图1为本发明的具有强迫空气对流系统的水平关节机器人的机器人本体结构示意图；

附图2为本发明的强迫空气对流系统作为散热系统使用时的空气对流示意图；

附图3为本发明的强迫空气对流系统作为防爆系统使用时的空气对流示意图。

具体实施方式

首先介绍该水平关节机器人的本体结构，参照图1，水平关节机器人100a，包括底座2，其上设有第一转轴C1；大臂4，其一端通过所述第一转轴C1可转动地与所述底座2连接，另一端设有第二转轴C2；小臂11，其一端通过所述第二转轴C2可转动地与所述大臂4另一端连接；第二转轴C2与第一转轴C1平行。驱动大臂4相对底座2旋转的伺服电机及相应的减速装置安装在底座2内部。其他三个电机均安装在小臂11内部，其中驱动小臂11相对大臂旋转的伺服电机及相应的减速装置位于小臂11的后端，即，靠近大臂4的一端。小臂11外覆盖有罩14。

小臂11上还安装有伺服电机M1 6、伺服电机M2 7、同步带传动系统I 9、同步带传动系统II 10，此外，在小臂11的前端还安装有滚珠丝杠8、滚珠花键13。

伺服电机M1 6与同步带传动系统I 9连接，通过同步带传动系统I 9驱动滚珠花键13。伺服电机M2 7通过固定支架16安装在小臂11上，且尽量靠近大臂4以降低整个小臂11及其上零部件相对于第一、第二关节的惯量。所述固定支架16与安装电机的平板共同构成了同步带传动系统I 9的张紧机构，该张紧机构通过弹簧设置张紧力，一次性安装，不需要不定时调节，能够提供同步带所需的恒定张紧力，避免了同步带随着工作时间长产生塑性变形而引起的同步带张紧力不足、使得同步带的承载能力降低的现象。

伺服电机M2 7与同步带传动系统II 10连接，同步带传动系统II 10的带轮与滚珠丝杠8相连，且同步带传动系统II 10的带轮与滚珠丝杠8的连接方式是通过设置胀紧套实现胀紧连接。采用胀紧连接，能够有效避免由于在滚珠丝杠8上加工键槽而使整个滚珠丝杠8的承载能力、刚度下降，从而降低了滚珠丝杆8的挠曲变形，进一步提高了机器人末端的精度和性能。

滚珠丝杠8及滚珠花键13通过组件15相连，组件15与滚珠丝杠8的螺母固定连接，使得组件15能够随着丝杠螺母一起作上下升降运动。

由于滚珠花键13在工作时会产生很大的轴向力和径向力，这些力要靠组件15来传递给滚珠丝杠8，故滚珠花键13与组件15通过一个推力轴承和一个深沟球轴承相连接，用以承受由滚珠花键13上的轴向力和径向力。此外，也可以通过两个角接触球轴承背对背安装相连接，这样做的目的是尽可能地增大组件15与滚珠花键轴13的连接刚度。

滚珠丝杠8通过轴承座固定在小臂11上，该轴承座需要同时承受滚珠丝杠8上的轴向载荷和径向载荷，因此轴承座内采用两个面对面安装的角接触球轴承，或者采用一个推力球轴承或角接触球轴承和一个深沟球轴承组合的方式。

滚珠花键13通过轴承组件与小臂11相连接，由于滚珠花键13的轴向力主要有滚珠丝杠8来承受，而滚珠花键13的径向力一部分由花键螺母来承受，又由于滚珠花键13作为末端构件对整个系统的精度影响较大，故应该采取措施增加滚珠花键13的刚度，因此滚珠花键13的轴承支撑组件采用两个角接触球轴承背对背安装的方式来实现。

滚珠丝杠8的变形直接影响着整个末端系统的性能，故采用两根空心管17对滚珠丝杆8进行看护，为增强看护效果，使得两根空心管17和滚珠丝杠8呈三角形分布，两根空心管17和滚珠丝杠8通过一个V字形的铝块18进行连接。之所以采用空心管17是为了进一步降低小臂11的惯量。

从组件15传递给滚珠丝杠8的载荷是引起滚珠丝杠挠曲变形的主要因素，而该载荷既存在轴向载荷也存在径向载荷，为增强V字形铝块18的看护效果，V字形铝块18与滚珠丝杠8之间通过两个背对背安装的角接触球轴承进行连接，以增加滚珠丝杆的看护长度，减少其等效长度，从而降低了滚珠丝杠8的挠曲变形程度。

考虑到设计安装方便，空心管17两端都攻有安装螺纹及安装定位台阶，一端可以直接安装在小臂上，另一端连接V字形铝块18并通过双螺母进行锁紧。

空心管17的其中一根上面安装有用于位置检测的光栅尺，以对组件15的位置进行实时检测。光栅尺、伺服电机M2 7以及上位机形成全闭环控制，从而有效补偿了由于同步带传动系统II 10弹塑性变形、滚珠丝杠8传动间隙引起的滚珠花键13的位移误差。

由于滚珠花键13的转动通过伺服电机M1 6驱动及同步带传动系统I 9进行传动，为降低小臂11的惯量，伺服电机M1 6尽量靠近大臂4安装。此外，为增加机器人的负载能力，同步带传动系统I 9为大传动比的二级传动，然而，同时这也会使同步带传动的中心距变大，弹塑性变形引起的误差更加明显，且二级传动对误差有放大作用，为了弥补这一误差，在滚珠花键13上固定安装有光电码盘，用于对滚珠花键13的转角进行实时检测，使整个传动形成闭环，从而有效补偿上述传动产生的误差。

接下来介绍强迫空气对流系统的实施方式。参照图2和图3，小臂11通过罩14进行密封，该罩的作用是防止外界的水及粉尘进入小臂11内部，避免电路故障，同时也避免粉尘加剧对滚珠丝杆8及滚珠花键13的磨损，提高小臂内部各零部件的使用性能和寿命。

为使空气对流效果最优，通风孔12优选设置于罩14的靠近滚珠丝杠8及滚珠花键13一端的前上方。由于滚珠丝杆8及滚珠花键13受温度影响较敏感，这样便能够使温度较低的空气优先把滚珠丝杠8、滚珠花键13及轴承上的热量带走，避免滚珠丝杆8、滚珠花键13及轴承由于温升过高造成其热膨胀导致的卡死现象。

由于机器人有防尘、防水的需要，整个机器人内部都是密闭的，机器人本体内部空气难以形成对流，因此，在底座2的后下方端盖上设计安装有空气强迫对流装置1。该空气强迫对流装置1可以是排气扇，或者其他装置，其所需的电源可以直接从机器人底座后端面板上获得，不需要设置额外的电源以及配线。如此设置空气强迫对流装置1的优点是：一方面不会给整个机器人带来额外的运动惯量，另一方面位于底座处的伺服电机具有较大的功率，其发热量也大，这样布置使得位于底座内的伺服电机所产生的热量也得到及时的散逸，此外，这样布置对整个机器人的布局、布线及外观不造成影响。

此外，该水平关节机器人小臂11内部还设有中空结构I，大臂4内部设有中空结构II，底座2内部设有中空结构III，小臂11与大臂4之间的关节连接处设有中空结构的连接关节I 5，大臂4与底座2的关节连接处设有中空结构的连接关节II 3。

为了避免空气中的灰尘及潮湿的含水空气对机器人内部零部件的损坏、以及对内部电路安全的威胁，在通风孔12上设置有用于防尘的过滤网和/或空气除湿器。为了便于维护，将上述防尘过滤网以及空气除湿器等附件可拆卸地安装在罩14上，这样不必拆卸机器人及罩14，便可对防尘除湿装置进行更换及清理。

小臂11内部还设有温度传感器，以实时检测小臂内部的温度，从而能够及时调节和控制机器人内部的空气对流速度。

机器人内部的配线、配管与该强迫空气对流系统共用一个通道。这样不仅能够及时带走配线、配管上产生的热量，降低配线、配管发热对机器人内部的影响，而且能有效地延长配线、配管的使用寿命以及整个机器人的性能。此外，这样还能减少机器人的负担，尤其是在机器人加减速时要克服这些配线、配管巨大的惯性力，也避免或者极大地降低了配线、配管的振动对机器人整体稳定性的影响。整个机器人结构更加紧凑，有效节省了对机器人的安装空间要求。

下面介绍该强迫空气对流系统作为散热系统时的工作过程。参考图2，在空气强迫对流装置1的作用下，外界温度较低的空气首先通过通风孔12进入位于小臂11内部，将滚珠丝杠8、滚珠花键13及轴承上的热量带走。

接着，空气通过位于小臂11内部的中空结构I，依次流过同步带传动系统II 10及同步带传动系统I 9以及伺服电机M2 7、伺服电机M1 6，将同步带与带轮摩擦产生的热量、电机工作时产生的热量带到大臂4与小臂11的连接关节I 5处，由于该机器人的各连接关节也为中空结构，故空气能够顺畅地流过。

接着，空气流经位于大臂4内部的中空结构II以及大臂4与底座2之间的连接关节II 3所形成的气路管道，通往底座2内部的中空结构III，并在设于底座2后下方的空气强迫对流装置1的作用下，空气流出底座2，并将小臂11以及底座2中的热量排出机器人内部，从而有效地维持机器人内部的工作温度与外界环境温度趋于平衡，对整个机器人进行全面有效地散热降温。

下面再介绍该强迫空气对流系统作为防爆系统时的工作过程。当机器人处于易燃易爆的工作环境中时，还可以将该强迫空气对流系统作为防爆系统，此时应将空气强迫对流装置1外接清洁气源，并使该空气强迫对流装置1反向换气。此外，可将通风孔12上的防尘除湿装置换成防尘网。参考图3，在空气强迫对流装置1的作用下，清洁空气从底座2进入，依次经由底座2内部的中空结构III、连接关节II 3、大臂4内部的中空结构II、连接关节I 5、小臂11内部的中空结构I，最后由小臂罩14上的通风孔12排出。

尽管上面结合附图对本发明的优选实例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水平关节机器人，包括：

底座(2)，其上设有第一转轴C1及驱动所述第一转轴C1旋转的伺服电机及相应的减速装置；

大臂(4)，其一端通过所述第一转轴C1可转动地与所述底座(2)连接，另一端设有第二转轴C2；

小臂(11)，其一端通过所述第二转轴C2可转动地与所述大臂(4)另一端连接，所述小臂(11)另一端设有滚珠丝杠(8)、滚珠花键(13)；所述小臂(11)还设有驱动所述第二转轴C2旋转的伺服电机及相应的减速装置、驱动所述滚珠花键(13)的伺服电机M1(6)及相应的同步带传动系统Ⅰ(9)、以及驱动所述滚珠丝杠(8)的伺服电机M2(7)及相应的同步带传动系统Ⅱ(10)；

罩(14)，用于覆盖所述小臂(11)；

其特征在于：

所述底座(2)、大臂(4)、小臂(11)共同构成一套强迫空气对流系统，所述强迫空气对流系统包括：

通风孔(12)，位于所述罩(14)的靠近所述滚珠丝杠(8)、滚珠花键(13)一端的前上方；

空气强迫对流装置(1)，设置于所述底座(2)的后下方端盖上；

连接关节Ⅰ(5)，为中空结构，位于所述小臂(11)与所述大臂(4)的关节连接处；

连接关节Ⅱ(3)，为中空结构，位于所述大臂(4)与所述底座(2)的关节连接处；

中空结构Ⅰ，位于所述小臂(11)内部，用于连通所述通风孔(12)与所述连接关节Ⅰ(5)；

中空结构Ⅱ，位于所述大臂(4)内部，用于连通所述连接关节Ⅰ(5)与所述连接关节Ⅱ(3)；

中空结构Ⅲ，位于所述底座(2)内部，用于连通所述连接关节Ⅱ(3)与所述空气强迫对流装置(1)。

2.如权利要求1所述的水平关节机器人，其特征在于：所述水平关节机器人的配线、配管与所述强迫空气对流系统共用同一通道。

3.如权利要求1所述的水平关节机器人，其特征在于：所述通风孔(12)可拆卸地设有防尘过滤网和/或空气除湿器。

4.如权利要求1所述的水平关节机器人，其特征在于：所述空气强迫对流装置(1)为排气扇。

5.如权利要求1所述的水平关节机器人，其特征在于：所述空气强迫对流装置(1)外接清洁气源，并且能够双向换气。

6.如权利要求1－5之一所述的水平关节机器人，其特征在于：所述小臂(11)还设有温度传感器。

7.如权利要求1－2之一所述的水平关节机器人，其特征在于还包括：

空心管(17)，所述空心管(17)为两根，且和所述滚珠丝杠(8)呈三角形分布；两根所述空心管(17)和所述滚珠丝杠(8)通过一个V字形铝块(18)进行连接，所述V字形铝块(18)与所述滚珠丝杠(8)之间通过两个背对背安装的角接触球轴承连接。

8.如权利要求7所述的水平关节机器人，其特征在于：其中一根所述空心管(17)上安装有用于位置检测的光栅尺，所述滚珠花键(13)上安装有用于角度检测的光电码盘。

9.如权利要求1－2之一所述的水平关节机器人，其特征在于：

所述同步带传动系统Ⅱ(10)的带轮与所述滚珠丝杠(8)之间通过设置胀紧套实现胀紧连接；

所述滚珠丝杠(8)通过两个面对面安装的角接触球轴承与所述小臂(11)相连接；

所述滚珠花键(13)通过两个背对背安装的角接触球轴承与所述小臂(11)相连接。