CN103802129B - 精准定位高速机械臂 - Google Patents

Abstract

一种精准定位高速机械臂，包括电机、驱动部件、机架和滑块，在所述机架上具有滑槽，所述滑块安装在滑槽内，所述驱动部件驱动所述滑块沿着滑槽运动，其特征在于，所述驱动部件包括卷筒和绕在卷筒上的钢索，卷筒上具有螺纹槽，钢索盘绕在螺纹槽内，所述钢索安装在卷筒和滑槽之间构成一个运转回路，钢索以安装在滑槽内的一段与滑块底部固定。采用伺服马达驱动带有螺纹槽的卷筒，从卷筒上精确放卷钢索，即卷筒每转动一圈钢索移动的直线距离是卷筒的周长转化，在相同的转速下，钢索速度远远高于直线距离通过螺距转化的丝杠螺母副的速度，而通过伺服马达精确控制转速和转动启停，就可以实现对滑块的定位控制。

Description

精准定位高速机械臂

【技术领域】

本发明涉及自动化装备领域，尤其涉及单轴线性模组的高速机械臂装置。

【背景技术】

机械臂应用于工艺自动化，部分代替人工操作，可以按照生产工艺要求，遵循一定时间和位置规则完成工件的传送和装卸，并能完成长距离的高速搬运，并且要求对定位精确，速度控制可调程度高，比如在大型机械的流水装配作业中零件的输送、定位、装配，体育场短跑道侧安装的高速摄影机的驱动装置，都是高速机械臂的应用，目前生产和使用的机械臂一般采用滚动螺母—丝杆和同步带这两种传动方式，滚动丝杆-螺母运动副是将回转运动转化为直线运动常用的传动装置，滚动丝杆螺母传动结构传动效率高，摩擦阻力小，传动精度高，从机构传动原理上看，是由丝杠的转动运动转化为螺母的直线运动，安装在螺母上的机械臂速度取决于导程和丝杠转速，速度比较低，且该机构能够滑动的范围与丝杠的长度有关系，而丝杠的长度必须控制在一定范围内，丝杠长度超过一定限度会产生晃动而导致机构整体不稳定。现有的螺母丝杠型机械臂速度不高，定位精度低，结构长度有限。

【发明内容】

本发明针对以上的问题提出了一种能精准定位、高速运动、可移动范围长的机械臂。

本发明的技术方案是：一种精准定位高速机械臂，包括电机、驱动部件、机架和滑块，在所述机架上具有滑槽，所述滑块安装在滑槽内，所述驱动部件驱动所述滑块沿着滑槽运动，所述驱动部件包括卷筒和绕在卷筒上的钢索，卷筒上具有螺纹槽，钢索盘绕在螺纹槽内，所述钢索安装在卷筒和滑槽之间构成一个运转回路，钢索安装在滑槽内的一段与滑块底部固定。

所述滑块安装在滑槽内，沿着滑槽滑动，在滑块下方滑槽内具有两道向不同方向运行的钢索，在滑块底部向滑槽内设置连接固定部，所述连接固定部是分别对应两道钢索位置的一对固定边，其中一个固定边与钢索固定在一起。

在所述机架上一端设有驱动部件，另一端在滑槽内设有一张紧轮，所述钢索安装在滑槽的张紧轮上。

所述驱动部件中的卷筒轴向方向与滑槽平行，在卷筒与滑槽之间还设有引导钢索的左右导向轮，所述左右导向轮的第一切线方向与张紧轮处于同一水平高度，左右导向轮与第一切向方向垂直的第二切线方向对置在卷筒的螺纹槽；所述驱动部件还包括安装在机架上的固定座，而卷筒通过固定座安装在机架上，在所述固定座上具有外螺纹，在卷筒内壁有内螺纹，所述卷筒一端套在固定座上内外螺纹配合连接，固定座与卷筒内壁的螺距和卷筒上螺纹槽的槽宽相同。

所述驱动部件中的卷筒轴向方向与滑槽垂直，卷筒的切线与张紧轮处于同一水平高度，钢索直接绕卷在卷筒的螺纹槽上，所述驱动部件还包括安装在机架上的固定座，而卷筒通过固定座安装在机架上，在所述固定座上具有外螺纹，在卷筒内壁有内螺纹，所述卷筒一端套在固定座上内外螺纹配合连接，固定座与卷筒内壁的螺距和卷筒上螺纹槽的槽宽相同。

在电机与驱动部件之间通过同步轮传动和滚珠花键传动，电机与同步轮的主动轮联动，而从动轮驱动滚珠花键，所述滚珠花键通过螺钉与卷筒固定成为一整体，卷筒的另一端与固定座螺纹配合。

所述电机是伺服马达，所述钢索根据使用需用选用外圆包胶内芯采用不锈钢丝，其抗拉强度高、拉伸系数小，长度变化微小，保证运动精度。

本发明中的精准定位高速机械臂，采用伺服马达驱动带有螺纹槽的卷筒，从卷筒上精确放卷钢索，即卷筒每转动一圈钢索移动的直线距离是卷筒的周长转化，在相同的转速下，钢索速度远远高于直线距离通过螺距转化的丝杠螺母副的速度，而通过伺服马达精确控制转速和转动启停，就可以实现对滑块的定位控制，通过张紧轮张紧的钢索绷紧，钢索无窜动，整体机构的长度范围更大。

【附图说明】

图1是本发明精准定位高速机械手第一实施例结构主视图；

图2是本发明精准定位高速机械手第一实施例俯视图；

图3是本发明精准定位高速机械手第一实施例驱动部分结构示意图；

图4是本发明精准定位高速机械手第二实施例结构图；

图5是本发明精准定位高速机械手第二实施例驱动部分结构示意图。

其中：10，20、高速机械臂；11、机架；12、滑块；121、连接固定部；1211、固定边；13，23、滑槽；14,24、驱动部件；141,241、卷筒；1411,2411、螺纹槽；142,242、钢索；143、导向轮；144、第一切线方向；145、第二切线方向；15，25、张紧轮；16、固定座；17、同步轮；18、滚珠花键；19、伺服马达。

【具体实施方式】

下面将结合附图及实施例对本发明的高速机械手及高速机械手运行方式作进一步的详细说明。

原有的机械臂需要完成定位移动，因为工艺操作对位置精度要求比较高，机械臂要满足移动精准度要求，所以原有机械臂采用了滚动丝杆-螺母运动副结构，滚动丝杠通过电机带动转动，滚动丝杠的转动带动与滚动丝杠啮合的螺母移动，即滚动丝杠-螺母运动副是以滚动丝杠的转动转化成螺母的直线移动，直线移动的距离是滚动丝杠等于相同时间内滚动丝杠的由于转动而带来的螺距移动长度。原有结构能保证位移精度，但是速度低，而且由滚动丝杠的长度有限，局限了机械臂有效移动范围。

实施例1：

请参考图1和图2，本实施例提出的精准定位高速机械臂10，包括电机、驱动部件14、机架11和滑块12，在所述机架11上具有滑槽13，所述滑块12安装在滑槽13内，所述驱动部件14驱动所述滑块12沿着滑槽13运动，其特征在于，所述驱动部件14包括卷筒141和绕在该卷筒141上的钢索142，该卷筒141上具有螺纹槽1411，钢索142盘绕在螺纹槽1411内，所述钢索142安装在卷筒141和滑槽13之间构成一个运转回路，钢索142安装在滑槽13内的一段与滑块12底部固定。改变原有的滚动丝杠-螺母运动副结构采用钢索直接带动滑块，钢索142本身柔性特征能兼容转动运动和直线运动，并将转动运动转化为直线运动。

所述滑块12安装在滑槽13内，沿着滑槽13滑动，在滑块12下方滑槽13内具有两个不同方向运行的钢索142，在滑块12底部向滑槽13内设置连接固定部121，所述连接固定部121是分别对应两道钢索位置的两道固定边，其中一道固定边1211与钢索142固定在一起。

所述滑块12与钢索142的固定方式可以根据具体工业状况选择，可以是焊接或者螺丝拧紧固定，连接方式需要保持滑块12与钢索142之间无相对运动，而且滑块12只与一个方向运动的钢索142固定。

在所述机架11上一端设有驱动部件14，另一端在滑槽13内设有一张紧轮15，所述钢索142安装在滑槽13的张紧轮15上。钢索142的驱动力和精准定位都依赖于钢索142本身张紧程度，并且在张紧状态下钢索142在转动和直线运动之间的转化更准确有效率，所述钢索是采用抗拉强度高、拉伸系数小的外圆包胶内里不锈钢丝的钢索。

在本实施例中驱动部件的卷筒是串联型，即滑槽与驱动部件中的卷筒轴向方向平行，也就是滑槽内的钢索运动方向与卷筒轴向方向平行，为了让钢索绕卷在卷筒上，在卷筒与滑槽之间还设有引导钢索的左右导向轮143，所述左右导向轮143的第一切线方向144与张紧轮处于同一水平高度，左右导向轮143与第一切向方向144垂直的第二切线方向145对置在卷筒的螺纹槽；所述驱动部件14还包括安装在机架11上的固定座16，而卷筒141通过固定座16安装在机架11上，在所述固定座16上具有外螺纹，在卷筒内壁有内螺纹，所述卷筒一端套在固定座上内外螺纹配合连接，固定座与卷筒内壁的螺距和卷筒上螺纹槽的槽宽相同。

所述驱动部件主要完成以卷筒带动钢索运动，在卷筒上具有适合钢索绕卷的螺纹槽，每绕卷一圈钢索都对应安装到每一道螺纹槽中，即钢索绕卷的圈数与钢索在卷筒上缠绕的距离有明确的对应关系，钢索缠绕一圈就经过卷筒一个螺距的距离。

驱动部件中的固定座与卷筒通过螺纹啮合来配合转动，固定座上面有外螺纹，而卷筒内部具有内螺纹，固定座与卷筒之间配合螺纹的螺距与卷筒外围的螺纹槽的螺距是一样的，这样结构能够实现的效果是：将钢索初始绕在卷筒上的位置标记为第一位置，而当钢索绕在卷筒一圈之后的位标记为第二位置，第一位置和第二位置之间的位移长度，等于卷筒在固定座上反向移动的位移，钢索在卷筒上转动和卷筒在固定座上面转动角速度一样，就能够保证钢索总是在空间中同一位置绕卷到卷筒上，而左右导向轮就是确定定点绕卷的装置，左右导向轮将运动方向与卷筒轴向方向的钢索改变角度变为顺着螺纹槽方向适合绕卷的方向，左右导向轮入线的第一切向方向取决于张紧轮的水平高度，左右导向轮保持钢索水平运动，左右导向轮的第二切线方向取决于卷筒绕卷位置，第一切线方向与第二切线方向大致呈现垂直，略微有一个小角度，该小角度取决于卷筒螺纹槽与轴心线之间的夹角，在工业应用上，由于该夹角相对于整体机构十分微小，基本上可以忽略，左右导向轮导向的方向是对准绕卷位置上沿着螺纹槽的切线方向。

在电机与驱动部件之间通过同步轮17传动和滚珠花键18传动，电机与同步轮17的主动轮联动，而从动轮驱动滚珠花键，所述滚珠花键通过螺钉与卷筒固定成为一整体，卷筒的另一端与固定座16螺纹配合。

所述电机是伺服马达19，采用伺服马达可以对转速和转动圈数进行精准控制，卷筒转动的圈数跟钢索放卷/绕卷的圈数精确对应，则可以计算出钢索移动的长度，通过对伺服马达转速和启停控制能够控制高速机械手的速度和停止位置，实现对机械手的移动精确控制，卷筒的直径决定了行程的大小(卷筒每转一圈的行程＝卷筒直径×π)如果伺服马达转速为3000转/分，即50转/秒，当速度要达到10米/秒，也就是10.000m÷50＝200mm，即每转一圈为200mm，就可以达到所要求的10米/秒的速度，则通过普通的计算：卷筒外径从以上的计算公司可以明确：当我们需要一个高速运动的机械手臂时，可以通过对其速度的要求来反推绕卷钢索的卷筒尺寸，当然伺服马达的功率和转速也是可变量，建立起这样一个函数对应关系，则机械手臂的运动速度既可控又精准。

实施例2：

请参考图3，本实施例中的高速机械臂20基本机构构造与实施例1相同，其不同之处在于，在该驱动部件24中将卷筒241以其轴向垂直滑槽的方式设置，卷筒241的切线与张紧轮处于同一水平高度，则钢索242直接绕卷在卷筒241的螺纹槽2411上，省略了左右导向轮结构。在本实施例中，卷筒也安装在一个固定座上面，随着卷筒转动，卷筒本身在固定座上移动，在固定座上有外螺纹在卷筒内部有内螺纹，卷筒套在固定座上，固定座上的螺纹槽宽度与卷筒本身的螺纹槽宽度一致，卷筒本身的移动距离和由于卷筒转动而让钢索在卷筒上移动的距离相互抵消，保持钢索位置不会偏移。

在本实施例中钢索242安装在滑槽23内，钢索242绕过卷筒241和张紧轮25构成一个往返的回路，在滑槽23内部可见两道钢索242，一道放卷方向另外一道是收卷方向，在两道钢索之间的卷筒部分的外围上卷着已经绕卷在卷筒上的钢索242，也就是说不论是放卷的钢索242还是收卷的钢索都是径直地从卷筒上绕出来/径直地绕上卷筒241。

本发明中的精准定位高速机械臂，采用伺服马达驱动带有螺纹槽的卷筒，从卷筒上精确放卷钢索，即卷筒每转动一圈钢索移动的直线距离是卷筒的周长转化，在相同的转速下，钢索速度远远高于直线距离通过螺距转化的丝杠螺母副的速度，而通过伺服马达精确控制转速和转动启停，就可以实现对滑块的定位控制，通过张紧轮张紧的钢索绷紧，钢索无窜动，整体机构的长度范围更大。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种精准定位高速机械臂，包括电机、驱动部件、机架和滑块，在所述机架上具有滑槽，所述滑块安装在滑槽内，所述驱动部件驱动所述滑块沿着滑槽运动，其特征在于，所述驱动部件包括固定座、卷筒和绕在卷筒上的钢索，卷筒通过固定座安装在机架上，卷筒上具有螺纹槽，钢索盘绕在螺纹槽内，所述钢索安装在卷筒和滑槽之间构成一个运转回路，钢索以安装在滑槽内的一段与滑块底部固定；在电机与驱动部件之间通过同步轮传动和滚珠花键传动，电机与同步轮的主动轮联动，而从动轮驱动滚珠花键，所述滚珠花键通过螺钉与卷筒固定成为一整体，卷筒的另一端与固定座螺纹配合。

2.根据权利要求1所述精准定位高速机械臂，其特征在于，所述滑块安装在滑槽内，沿着滑槽滑动，在滑块下方滑槽内具有两道向不同方向运行的钢索，在滑块底部向滑槽内设置连接固定部，所述连接固定部是分别对应两道钢索位置的一对固定边，其中一个固定边与钢索固定在一起。

3.根据权利要求1所述精准定位高速机械臂，其特征在于，在所述机架上一端设有驱动部件，另一端在滑槽内设有一张紧轮，所述钢索安装在滑槽的张紧轮上。

4.根据权利要求3所述精准定位高速机械臂，其特征在于，所述驱动部件中的卷筒轴向方向与滑槽平行，在卷筒与滑槽之间还设有引导钢索的左右导向轮，所述左右导向轮的第一切线方向与张紧轮处于同一水平高度，左右导向轮与第一切向方向垂直的第二切线方向对置在卷筒的螺纹槽；在所述固定座上具有外螺纹，在卷筒内壁有内螺纹，所述卷筒一端套在固定座上内外螺纹配合连接，固定座与卷筒内壁的螺距和卷筒上螺纹槽的槽宽相同。

5.根据权利要求3所述精准定位高速机械臂，其特征在于，所述驱动部件中的卷筒轴向方向与滑槽垂直，卷筒的切线与张紧轮处于同一水平高度，钢索直接绕卷在卷筒的螺纹槽上，在所述固定座上具有外螺纹，在卷筒内壁有内螺纹，所述卷筒一端套在固定座上内外螺纹配合连接，固定座与卷筒内壁的螺距和卷筒上螺纹槽的槽宽相同。

6.根据权利要求1所述精准定位高速机械臂，其特征在于，所述电机是伺服马达，所述钢索是采用外圆包胶内里不锈钢丝的钢索。