CN104723333B - 一种集成式的两自由度机械手及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式的两自由度机械手及其控制系统，该机械手包括：位于Z轴方向上的滚珠丝杆与可同时进行直线运动和旋转运动的外筒旋转式滚珠花键；设于滚珠丝杆上的上中空电机；设于滚珠花键上的下中空电机；连接滚珠丝杆与滚珠花键的丝杆花键连接件；固定板，上中空电机和下中空电机固定于固定板上。本发明利用两个中空电机，使滚珠丝杆、滚珠花键不通过同步带直接与电机轴相连，减少了累计误差，提高了机械手的响应速度和传动精度；两个电机与滚珠丝杆、滚珠花键在一条轴上，实现了直线运动和旋转运动的解耦，结构简单、使机构体积进一步缩小，同时降低加工成本。

Description

一种集成式的两自由度机械手及其控制系统

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别是涉及一种集成式的两自由度机械手及其控制系统。

背景技术

随着我国经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，工业机器人被广泛的应用在电子工业、汽车工业、医疗等领域。一种集成的两自由度机械手是工业机器人的一个重要的组成部分，它作为直接的执行部位，被大量的应用于自动插件、焊锡、点胶，贴片等实装技术领域，其本身的结构、重量、外形尺寸和精度对整个机器人的工作性能和技术性能有着直接的影响。目前的直线加旋转运动机构普遍利用同步带、链条等转接件实现原动件与从动件的运动传递，且原动件与原动件、原动件与从动件分布在不同轴线上，其效率低、精度差、结构复杂，制造成本高。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种集成式的两自由度机械手及其控制系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成式的两自由度机械手及其控制系统，其为一种直线加旋转运动机构，能够优化结构、改善性能、提高效率与精度，同时能够降低制造成本。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种集成式的两自由度机械手，所述两自由度机械手包括：

位于Z轴方向上的滚珠丝杆与滚珠花键，所述滚珠花键为可同时进行直线运动和旋转运动的外筒旋转式滚珠花键；

设于所述滚珠丝杆上的上中空电机；

设于所述滚珠花键上的下中空电机；

连接所述滚珠丝杆与滚珠花键的丝杆花键连接件；

固定板，所述上中空电机和下中空电机固定于固定板上；

所述上中空电机旋转时，滚珠丝杆带动滚珠花键在Z轴方向上运动；所述下中空电机旋转时，滚珠花键在垂直于Z轴平面内旋转运动。

作为本发明的进一步改进，所述固定板上安装有上限位开关和下限位开关，所述丝杆花键连接件上设置有位于上限位开关和下限位开关之间的Z轴限位挡片，丝杆花键连接件通过Z轴限位挡片与上限位开关和下限位开关进行限位。

作为本发明的进一步改进，所述下中空电机下方设有用于实现下中空电机原点标定的旋转限位开关，所述旋转限位开关固定安装于所述固定板上。

作为本发明的进一步改进，所述上中空电机上方设置有与固定板垂直安装的上电机支撑板，所述下中空电机下方设置有与固定板垂直安装的下电机支撑板。

作为本发明的进一步改进，所述上中空电机与法兰螺母连接件固定安装，所述法兰螺母连接件上通过紧定螺栓安装有丝杆法兰螺母。

作为本发明的进一步改进，所述下中空电机的轴线上固定连接有花键外筒连接件，所述花键外筒连接件与花键外筒固定连接，花键外筒固定于花键外筒支撑架上，所述滚珠花键固定设置于花键外筒的轴线上。

作为本发明的进一步改进，所述丝杆花键连接件中包括相对安装的上角接触轴承和下角接触轴承，所述丝杆花键连接件包括上台阶和下台阶，丝杆花键连接件的上方和下方还固定有上轴承盖板和下轴承盖板，所述上角接触轴承位于上台阶和上轴承盖板之间，下角接触轴承位于下台阶和下轴承盖板之间。

作为本发明的进一步改进，所述滚珠丝杆与上角接触轴承过盈配合，滚珠丝杆的轴肩紧顶着上接触轴承的上端面，滚珠丝杆的轴端通过上锁紧螺母锁紧，实现滚珠丝杆轴向定位；所述滚珠花键与下角接触轴承过盈配合，滚珠花键的轴肩紧顶着下角接触轴承的下端面，滚珠花键的轴端通过下锁紧螺母锁紧，实现滚珠花键轴向定位。

相应地，一种集成式的两自由度机械手的控制系统，所述控制系统包括：计算机、与计算机相连的运动控制卡、以及与运动控制卡相连的驱动器，所述驱动器用于驱动上中空电机和下中空电机，所述计算机发送指令至运动控制卡，运动控制卡将上中空电机和下中空电机的位置实时反馈给计算机，控制滚珠花键上下极限的位置，并进行下中空电机的原点标定。

作为本发明的进一步改进，所述运动控制卡采用脉冲的方式驱动伺服，脉冲数量决定上中空电机和/或下中空电机的转动圈数，脉冲频率决定上中空电机和/或下中空电机的转动速度。

本发明的有益效果是：

利用两个中空电机，使滚珠丝杆、滚珠花键不通过同步带直接与电机轴相连，减少了累计误差，提高了机械手的响应速度和传动精度；

两个电机与滚珠丝杆、滚珠花键在一条轴上，实现了直线运动和旋转运动的解耦，结构简单、使机构体积进一步缩小，同时降低加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施例中集成式的两自由度机械手的侧视结构示意图；

图2为本发明一具体实施例中集成式的两自由度机械手的剖视结构示意图；

图3为本发明一具体实施例中集成式的两自由度机械手的控制系统模块示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种集成式的两自由度机械手，包括：

位于Z轴方向上的滚珠丝杆与滚珠花键，其中滚珠花键为可同时进行直线运动和旋转运动的外筒旋转式滚珠花键；

设于滚珠丝杆上的上中空电机；

设于滚珠花键上的下中空电机；

连接滚珠丝杆与滚珠花键的丝杆花键连接件；

固定板，上中空电机和下中空电机固定于固定板上；

上中空电机旋转时，滚珠丝杆带动滚珠花键在Z轴方向上运动；下中空电机旋转时，滚珠花键在垂直于Z轴平面内旋转运动。

本发明还公开了一种集成式的两自由度机械手的控制系统，包括：计算机、与计算机相连的运动控制卡、以及与运动控制卡相连的驱动器，驱动器用于驱动上中空电机和下中空电机，计算机发送指令至运动控制卡，运动控制卡将上中空电机和下中空电机的位置实时反馈给计算机，控制滚珠花键上下极限的位置，并进行下中空电机的原点标定。

参图1、图2所示为本发明一具体实施例中集成式的两自由度机械手的结构示意图。

本实施例中丝杆法兰螺母1通过法兰螺母连接件2与上中空电机5固定连接，上电机支撑板4将上中空电机5固定在固定板3上，上限位开关6、下限位开关16、以及旋转限位开关18分别固定在固定板3上，其中Z轴限位挡片12通过上限位开关6和下限位开关16限定Z轴的直线加旋转机构的Z轴方向上导程，旋转限位开关18实现下中空电机原点的标定。

本实施例中的上限位开关6、下限位开关16、以及旋转限位开关18均设置为光电开关，当然在其它实施例中也可以为其他类型的开关。

上角接触轴承9、下角接触轴承14分别置于丝杆花键连接件10中，其安装方向方向相对。上角接触轴承9分别被丝杆花键连接件10内上台阶与上轴承盖板8定位，下角接触轴承14分别被丝杆花键连接件10内下台阶与下轴承盖板15定位。

本实施例中，滚珠丝杆7与上角接触轴承9过盈配合，其轴肩紧顶着上角接触轴承9的上端面，轴端用上锁紧螺母11锁紧，实现滚珠丝杆7轴向定位。滚珠花键19与下角接触轴承14过盈配合，其轴肩紧顶着下角接触轴承14的下端面，滚珠花键19的轴端用下锁紧螺母13锁紧，实现滚珠花键19轴向定位。

花键外筒21通过花键外筒支撑架22与固定板3相连，花键外筒21通过花键外筒连接件23与下中空电机25固定连接。下电机支撑架17将下中空电机25固定在固定板3上。

当上中空电机5转动时，固定在上中空电机轴上的法兰螺母连接件2跟着电机轴旋转，由于法兰螺母连接件2与法兰螺母通过紧定螺栓固定连接，从而带动法兰螺母1同步旋转；法兰螺母1旋转带动滚珠丝杆7在Z轴方向上运动，由于滚珠丝杆7在Z轴方向上带动丝杆花键连接件10在Z轴方向上运动，从而带动滚珠花键19同步运动，实现滚珠花键Z方向上运动。

当下中空电机25旋转的时候，固定在下中空电机轴上的花键外筒连接件23跟着电机轴旋转，花键外筒连接件23旋转带动花键外筒21旋转，花键外筒21旋转带动滚珠花键19同步旋转，从而实现滚珠花键19在垂直于Z轴平面内的旋转运动。

本实施例中滚珠花键19下方连接有气动夹抓20，气动夹抓20为机械手的终端执行元件，可以为：夹抓，用于自动抓取、插件；吸嘴，用于贴片、晶圆切割；焊接机，用于焊锡等。

进一步地，本发明中滚珠丝杆的螺纹升角λ<当量摩擦角Φ_v，以防止自锁，保证良好传动性。

参图3所示为本发明一实施例中集成式的两自由度机械手的控制系统，其包括计算机26、运动控制卡27、以及驱动器28。

运动控制卡27通过PCI总线接口安装到计算机26上，它们之间互相传递信息。连接运动控制卡27与驱动器28连接控制卡与伺服之间的信号线。

计算机26中的控制系统软件发送指令给运动控制卡27，优选地，本实施例中运动控制卡27采用脉冲的方式驱动伺服，脉冲数量决定电机(上中空电机和/或下中空电机)的转动圈数，脉冲频率决定电机(上中空电机和/或下中空电机)的转动速度。同时运动控制卡27能够将伺服电机的位置实时反馈给计算机28中的控制系统软件。

上限位开关和下限位开关将丝杆花键连接件的位置信号反馈给运动控制卡27，运动控制卡27将信号反馈给计算机26中的控制系统软件，通过控制软件给运动控制卡发送指令控制花键上下极限位置。

旋转限位开关18将采集到的下中空电机25的位置信号反馈给运动控制卡27，运动控制卡27反馈给计算机26中的控制系统软件，通过控制软件向运动控制卡27发送指令实现下中空电机原点标定。

本发明可以应用于各种自动化设备中，适用于直线位移运动和转动，固定板上具有安装螺纹孔，结合X、Y移动平台，可以实现四个自由度运动。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

利用两个中空电机，使滚珠丝杆、滚珠花键不通过同步带直接与电机轴相连，减少了累计误差，提高了机械手的响应速度和传动精度；

两个电机与滚珠丝杆、滚珠花键在一条轴上，实现了直线运动和旋转运动的解耦，结构简单、使机构体积进一步缩小，同时降低加工成本。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述两自由度机械手包括：

位于Z轴方向上的滚珠丝杆与滚珠花键，所述滚珠花键为可同时进行直线运动和旋转运动的外筒旋转式滚珠花键；

设于所述滚珠丝杆上的上中空电机；

设于所述滚珠花键上的下中空电机；

连接所述滚珠丝杆与滚珠花键的丝杆花键连接件；

固定板，所述上中空电机和下中空电机固定于固定板上；

所述上中空电机旋转时，滚珠丝杆带动滚珠花键在Z轴方向上运动；所述下中空电机旋转时，滚珠花键在垂直于Z轴平面内旋转运动；

所述固定板上安装有上限位开关和下限位开关，所述丝杆花键连接件上设置有位于上限位开关和下限位开关之间的Z轴限位挡片，丝杆花键连接件通过Z轴限位挡片与上限位开关和下限位开关进行限位。

2.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述下中空电机下方设有用于实现下中空电机原点标定的旋转限位开关，所述旋转限位开关固定安装于所述固定板上。

3.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述上中空电机上方设置有与固定板垂直安装的上电机支撑板，所述下中空电机下方设置有与固定板垂直安装的下电机支撑板。

4.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述上中空电机与法兰螺母连接件固定安装，所述法兰螺母连接件上通过紧定螺栓安装有丝杆法兰螺母。

5.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述下中空电机的轴线上固定连接有花键外筒连接件，所述花键外筒连接件与花键外筒固定连接，花键外筒固定于花键外筒支撑架上，所述滚珠花键固定设 置于花键外筒的轴线上。

6.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述丝杆花键连接件中包括相对安装的上角接触轴承和下角接触轴承，所述丝杆花键连接件包括上台阶和下台阶，丝杆花键连接件的上方和下方还固定有上轴承盖板和下轴承盖板，所述上角接触轴承位于上台阶和上轴承盖板之间，下角接触轴承位于下台阶和下轴承盖板之间。

7.根据权利要求6所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述滚珠丝杆与上角接触轴承过盈配合，滚珠丝杆的轴肩紧顶着上接触轴承的上端面，滚珠丝杆的轴端通过上锁紧螺母锁紧，实现滚珠丝杆轴向定位；所述滚珠花键与下角接触轴承过盈配合，滚珠花键的轴肩紧顶着下角接触轴承的下端面，滚珠花键的轴端通过下锁紧螺母锁紧，实现滚珠花键轴向定位。

8.一种集成式的两自由度机械手的控制系统，所述集成式的两自由度机械手的控制系统为权利要求1～7中任一项所述的集成式的两自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：计算机、与计算机相连的运动控制卡、以及与运动控制卡相连的驱动器，所述驱动器用于驱动上中空电机和下中空电机，所述计算机发送指令至运动控制卡，运动控制卡将上中空电机和下中空电机的位置实时反馈给计算机，控制滚珠花键上下极限的位置，并进行下中空电机的原点标定。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述运动控制卡采用脉冲的方式驱动伺服，脉冲数量决定上中空电机和/或下中空电机的转动圈数，脉冲频率决定上中空电机和/或下中空电机的转动速度。