CN106426120A - 一种重负荷龙门式机器人 - Google Patents

Abstract

一种重负荷龙门式机器人，包括直角坐标式龙门机架，该机架由水平布置的纵梁、横梁以及与其垂直连接的立柱构成，相互平行的两根纵梁和两根横梁连接成矩形框架，四根立柱连接在矩形框架的四角，机架上设有2组用于安装垂直移动机构的水平滑动机构，所述机械手连接在垂直移动机构下部，所述垂直移动机构在动力驱动下沿水平滑动机构上的轨道上、下运动，所述水平滑动机构在动力驱动下沿机架上的横向滑动轨道左、右运动。该机械人直角坐标式龙门机架承受负载大，便于组装和拆卸，更换维修部件，可根据需求进行改装，扩大工作面积范围；具有两套水平滑动机构和垂直移动机构，效率高，成本低，机械手具有三维运动路线，工作灵活，能提供更好的传动精度。

Description

一种重负荷龙门式机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是一种用于重负荷的龙门式机器人。

背景技术

在生产实际中，为了提高生产效率、降低生产人力成本，常常希望使用工业机器人，而现有的工业机器人通常价格较昂贵，特别是在需要搬运、装配较大较重物体时，需要的工业机器人价格更贵，通常需要上百万元一套，而且通常为关节式机器人，而关节式机器人通常只能完成一个工序的任务，需要同时完成几个工序则需要多台机器人，当只有一台机器人时则需要频繁更换末端夹具机构，这样会导致生产效率低下，末端机构磨损加大，定位精度降低。

现有的机器人中，有用于搬运、装配、焊接等机器人，又可以分类为关节式机器人、直角坐标机器人，当需要搬运较重的物体或者装配较大较重的物体时，如图1所示的关节式机器人常常需要很大的关节、电机、结构才能满足要求，而这会导致机器人整体体积过大，占用的场地空间很大，而通常厂房的空间有限，最重要的是这样的关节式机器人价格昂贵，通常需要几十万甚至上百万元，一般的工厂难于承担，这也导致了大体积的关节式机器人难于大面积推广使用。关节式机器人在一个工位需要完成两个机器人的搬运、装配等任务时，常常需要线上自动更换末端机构，这样会导致工作效率低，而且频繁的更换工装夹具会导致机器人与夹具机构的配合磨损加大，定位精度影响加大。

当需要搬运较重的物体或者装配较大较重的物体时，如图2所示的龙门式直角坐标机器人，该机器人通常为铝型材结构，虽然整个机器人的成本低，但是铝型材质承受的重量有限，不能用于重型物体的搬运和装配等工装，同时该机器人仅在能完成一个工位的一个工序的任务，需要完成两个工序时，需要更换末端机构，这样会导致工作效率低，而且频繁的更换工装夹具会导致机器人与夹具机构的配合磨损加大，定位精度影响加大。

当需要搬运较重的物体或者装配较大较重的物体时，如图3所示的侧挂式直角坐标机器人，本体结构有钢铁材质做成，整体的机器人成本较低，10万元以内，但是侧挂式机器人无法承受较大的负载而无法完成重物体的搬运及装配等任务。由于该机器人只有一个末端操作机构，该机器人仅能完成一个工位的一个工序的任务，需要完成两个工序时，需要更换末端机构，这样会导致工作效率低，而且频繁的更换工装夹具会导致机器人与夹具机构的配合磨损加大，定位精度影响加大。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种重负荷龙门式机器人，以克服已有技术所存在的的上述不足。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：一种重负荷龙门式机器人，包括机架和机械手，所述机架为直角坐标式龙门机架，机架上设有2组用于安装垂直移动机构的水平滑动机构，所述机械手连接在垂直移动机构下部，所述垂直移动机构在垂直驱动装置驱动下沿水平滑动机构上的垂直滑轨上、下运动，所述水平滑动机构在水平驱动装置驱动下沿机架上的横向滑轨左、右运动；

所述直角坐标式龙门机架包括水平布置的纵梁、横梁以及与其垂直连接的立柱，平行设置的两根纵梁和两根横梁通过螺栓连接构成一矩形框架，四根立柱通过螺栓连接在矩形框架的四角；直角坐标式龙门机架上安装有与横梁平行的两根横向滑轨和两根横向丝杆，横向丝杆的一端通过丝杆轴承连接在横梁的左端，横向丝杆的另一端通过联轴器与安装在横梁右端的水平驱动装置传动连接；

所述水平滑动机构包括支撑架、横向滑块、丝杆螺母、垂直移动机构安装板和纵向导轨，所述横向滑块和丝杆螺母连接在支撑架底部，所述支撑架通过横向滑块与机架上的两横向滑轨滑动连接、通过丝杆螺母与机架上的两横向丝杆传动连接，横向丝杆在水平驱动装置的驱动下转动从而带动支撑架沿横向滑轨左右移动；所述垂直移动机构安装板横向安装在支撑架上部，包括前安装板和后安装板，前安装板和后安装板通过其底部的纵向滑块与支撑架上的纵向导轨滑动连接，从而使安装在垂直移动机构安装板上的垂直移动机构可沿纵向导轨前后移动；

所述垂直移动机构包括垂直支撑框架以及安装在垂直支撑框架上的垂直驱动装置、垂直丝杆、垂直滑块和垂直滑轨，所述垂直移动机构通过垂直支撑框架两侧的垂直连接板与水平滑动机构之前安装板和后安装板连接，两根平行设置的垂直滑轨竖向安装在垂直支撑框架的内框，两根垂直滑轨中间安装垂直丝杆，垂直滑轨和垂直丝杆的上下端分别与垂直支撑框架顶板和垂直支撑框架底板连接，垂直丝杆伸出垂直支撑框架顶板的一端同时与垂直驱动装置传动连接，所述垂直滑块分别与两根垂直滑轨滑动连接、并通过与其连成一体的丝杆螺母与垂直丝杆传动连接，所述机械手通过滑块螺栓与垂直滑块连接，垂直丝杆在垂直驱动装置的驱动下转动从而带动垂直滑块和机械手沿垂直滑轨上下移动。

其进一步的技术方案是：所述水平滑动机构的支撑架上设有用于调节垂直移动机构安装板位置的调节定位机构，包括定位板和调节螺杆，所述定位板包括依次安装在纵向导轨上的第一定位板、第二定位板、第三定位板和第四定位板，第一定位板和第四定位板通过定位块固定在纵向导轨前后端的支撑架上、并提供纵向导轨两端的安装定位，第二定位板和第三定位板滑动套装在纵向导轨的中部，第一定位板与第二定位板以及第三定位板与第四定位板之间分别连接两根调节螺杆，所述前安装板设在第一定位板与第二定位板之间、并通过底部的纵向滑块与纵向导轨滑动连接，所述后安装板设在第三定位板与第四定位板之间、并通过底部的纵向滑块与纵向导轨滑动连接，通过调节螺杆调节第二定位板和第三定位板的位置、从而调节前安装板和后安装板以及垂直移动机构在纵向滑轨的前后位置。

更进一步：所述垂直丝杆的上下端通过锥形滚珠轴承分别与垂直支撑框架顶板和垂直支撑框架底板转动连接。

更进一步：所述横向滑轨两端设有限位块，限位块外侧设有定位传感器。

所述水平驱动装置包括水平伺服电机和精密水平减速器，所述垂直驱动装置包括垂直伺服电机和精密垂直减速器，所述垂直伺服电机和水平伺服电机为带刹车功能伺服电机。

所述机械手包括垂直手臂杆和末端手爪，所述垂直手臂杆上端与垂直滑块连接，下端与末端手爪连接，所述末端手爪夹紧端带有齿形结构。

所述纵梁采用矩形钢管制成，所述横梁采用工字梁制成，所述横向滑轨采用“H”形型钢制成，所述立柱底端通过加强筋连接平板状底座，底座上设安装螺孔。

所述水平滑动机构、垂直移动机构和机械手的控制系统采用西门子工业控制器。

由于采用上述技术方案，本发明之一种重负荷龙门式机器人具有如下有益效果：

1．本发明的机架为直角坐标式龙门机架，双纵梁、双横梁、四立柱均采用钢铁材质加工而成，纵梁采用刚度、强度较高的工字梁，双横梁采取矩形钢管制成，设有重载型的H型横向滑轨，整个机架能承受很大的负载，负载重量甚至达到1吨，能很好的满足负载要求；立柱下连接平板形底座，可增大立柱的安装固定面积，使机器人更加平稳；

2．本发明的机架为直角坐标式龙门机架，双纵梁、双横梁，四立柱均通过螺栓连接，不仅便于组装和拆卸，利于更换维修部件，而且可根据需求进行改装，加长、加宽纵梁和横梁，从而扩大工作面积范围；

3．本发明采用了两套水平滑动机构和两套垂直移动机构，两套垂直机构同时工作，实现物体的搬运、装配等任务，因而具有效率高，成本低，能很好的满足市场特别是广大中小企业的需求；

4．本发明之水平滑动机构和垂直移动机构采用的丝杆、滑块传动，丝杆通过联轴器与减速机和马达连接，同时采用了控制精度较高的伺服电机和精密减速器，伺服电机采用编码器反馈的闭环控制，从而保证机器人能提供更好的传动精度和效率；

所述垂直伺服电机为带刹车功能伺服电机，机器人停止工作时，刹车功能可以在电机无电的情况下保持电机转子固定不动，防止在停电或断电情况下机器人垂直机构掉落而引发事故；

5．机器人的末端操作机构部分-末端手爪和垂直手臂杆通过螺栓连接在垂直移动机构上，用于物件的搬运及装配等，可根据需要更换成其他末端操作机构，如焊接手等，使机器人更具通用性；

6．本发明采用的控制系统为西门子工业控制器，技术成熟可靠，成本合适，性价比较高，能降低整套机器人的成本；

7.本发明直角坐标式龙门机架两端设有末端限位块和定位传感器，机器人的水平机构运动到该位置后传感器感应到信号停止机器人的水平机构运动，从而防止当机器人由于控制失效导致水平机构冲出滑轨；

8．本发明之垂直移动机构设在水平滑动机构上，可实现上下和左右横向运动，另外水平滑动机构的支撑架上设有用于调节垂直移动机构安装板位置的调节定位机构，调节前安装板和后安装板以及垂直移动机构在纵向滑轨的前后位置，使机械手具有三维运动路线，工作灵活、范围大。

附图说明

图1为本发明之一种重负荷龙门式机器人总体结构示意图（立体效果）：

图2为垂直移动机构、水平滑动机构与直角坐标式龙门机架连接结构示意图（立体效果）；

图3为水平滑动机构与直角坐标式龙门机架连接结构示意图（立体效果）；

图4为图3之侧视图（去掉丝杆安装支座及水平驱动装置）；

图5为垂直移动机构与机械手结构示意图（立体效果）；

图中：

A—机械手，B—直角坐标式龙门机架，C—垂直移动机构，D—水平滑动机构；

1—底座，2—立柱，3—上连接板，4—连接平板Ⅰ，7—横梁，6—连接平板Ⅱ，5—纵梁，8—定位传感器， 9—限位块，10—丝杆安装支座，11—丝杆轴承，12—横向丝杆，

13—第一定位板，14—前安装板，15—第二定位板，16—第三定位板，17—调节螺杆，

18—纵向导轨，19—后安装板，20—第四定位板，21—定位块，22—支撑架，

23—横向滑块，24—横向滑轨，25—纵向滑块，26—丝杆螺母，28—精密水平减速器，

29—水平伺服电机，30—末端手爪，31—垂直手臂杆，32—垂直支撑框架，33—垂直滑块，34—垂直滑轨，35—垂直支撑框架顶板，36—精密垂直减速器支架，37—垂直伺服电机，38—精密垂直减速器，39—滑轨螺母，40—垂直丝杆，41—滑块螺栓，42—垂直连接板，43—锥形滚珠轴承，44—垂直支撑框架底板。

具体实施方式

一种重负荷龙门式机器人，包括机架和机械手A，所述机架为直角坐标式龙门机架B，机架上设有2组用于安装垂直移动机构C的水平滑动机构D，所述机械手连接在垂直移动机构下部，所述垂直移动机构在垂直驱动装置驱动下沿水平滑动机构上的垂直滑轨上、下运动，所述水平滑动机构在水平驱动装置驱动下沿机架上的横向滑轨左、右运动；

所述直角坐标式龙门机架包括水平布置的纵梁5、横梁7以及与其垂直连接的立柱2，平行设置的两根纵梁和两根横梁通过螺栓和连接平板Ⅱ6连接构成一矩形框架，四根立柱通过螺栓和上连接板3、连接平板Ⅰ4连接在矩形框架的四角；

直角坐标式龙门机架上安装有与横梁7平行的两根横向滑轨24和两根横向丝杆12，两根横向滑轨24和两根横向丝杆12分别设置在纵梁5的前后端，横向丝杆的一端通过丝杆轴承11连接在横梁的左端，横向丝杆的另一端通过联轴器与安装在横梁右端的水平驱动装置传动连接；

所述水平滑动机构包括一矩形的支撑架22、以及安装在支撑架上的横向滑块23、丝杆螺母26、垂直移动机构安装板和两根平行设置的纵向导轨18，所述横向滑块23和丝杆螺母26连接在支撑架底部，支撑架通过横向滑块与机架上的两横向滑轨24滑动连接、通过丝杆螺母与机架上的两横向丝杆12传动连接，横向丝杆在水平驱动装置的驱动下转动从而带动支撑架沿横向滑轨左右移动；所述垂直移动机构安装板横向安装在支撑架上部，包括前安装板14和后安装板19，前安装板14和后安装板19通过其底部的纵向滑块25与支撑架上的两根纵向导轨18滑动连接，从而使安装在垂直移动机构安装板上的垂直移动机构可沿纵向导轨18前后移动；

所述垂直移动机构包括垂直支撑框架32以及安装在垂直支撑框架上的垂直驱动装置、垂直丝杆40、垂直滑块33和垂直滑轨34，所述垂直移动机构通过垂直支撑框架两侧的垂直连接板42与水平滑动机构之前安装板14和后安装板19连接，两根平行设置的垂直滑轨34竖向安装在垂直支撑框架的内框，两根垂直滑轨中间安装垂直丝杆40，垂直滑轨和垂直丝杆的上下端分别与垂直支撑框架顶板35和垂直支撑框架底板44连接，垂直丝杆伸出垂直支撑框架顶板的一端同时与垂直驱动装置传动连接，所述垂直滑块33分别与两根垂直滑轨34滑动连接、并通过与其连成一体的、位于中间的丝杆螺母与垂直丝杆40传动连接，所述机械手通过滑块螺栓41与垂直滑块连接，垂直丝杆在垂直驱动装置的驱动下转动从而带动垂直滑块和机械手沿垂直滑轨上下移动。

所述水平滑动机构的支撑架上设有用于调节垂直移动机构安装板位置的调节定位机构，包括定位板和调节螺杆17，所述定位板包括依次安装在纵向导轨18上的第一定位板13、第二定位板15、第三定位板16和第四定位板20，第一定位板和第四定位板通过定位块21固定在纵向导轨前后端的支撑架上、并提供纵向导轨18两端的安装定位，第二定位板和第三定位板滑动套装在纵向导轨的中部，第一定位板与第二定位板以及第三定位板与第四定位板之间分别连接两根调节螺杆17，两根调节螺杆分别位于纵向导轨的外侧，所述前安装板14设在第一定位板与第二定位板之间、并通过底部的纵向滑块25与纵向导轨18滑动连接，所述后安装板19设在第三定位板与第四定位板之间、并通过底部的纵向滑块25与纵向导轨18滑动连接，通过调节螺杆调节第二定位板和第三定位板的位置、从而调节前安装板和后安装板以及垂直移动机构在纵向滑轨的前后位置。

所述垂直丝杆的上下端通过锥形滚珠轴承43分别与垂直支撑框架顶板35和垂直支撑框架底板44转动连接，能提供更好的传动精度。

所述横向滑轨24两端设有限位块9，限位块外侧设有定位传感器8，可防止水平滑动机构滑出机架。

所述水平驱动装置包括水平伺服电机29和精密水平减速器28，所述垂直驱动装置包括垂直伺服电机37和精密垂直减速器38，所述垂直伺服电机和水平伺服电机为带刹车功能伺服电机。

所述机械手包括垂直手臂杆31和末端手爪30，所述垂直手臂杆上端与垂直滑块连接，下端与末端手爪连接，所述末端手爪夹紧端带有齿形结构，可提供牢固的夹紧力。

所述纵梁5采用矩形钢管制成，所述横梁7采用工字梁制成，所述横向滑轨24采用“H”形型钢制成，能承受更大的负荷，所述立柱底端通过加强筋连接平板状底座1，底座上设安装螺孔，使机器人更加平稳。

所述水平滑动机构、垂直移动机构和机械手的控制系统采用西门子工业控制器，其技术成熟可靠，成本合适，性价比较高，有利于降低整套机器人的成本。

该一种重负荷龙门式机器人之构成直角坐标式龙门机架的横梁、纵梁、立柱之间的连接，以及垂直移动机构和水平滑动机构各部件的连接，机械手与垂直移动机构的连接方式均为螺栓连接，便于组装、拆卸、更换维修部件，和根据需求进行改装。

Claims (8)

1.一种重负荷龙门式机器人，包括机架和机械手（A），其特征在于：所述机架为直角坐标式龙门机架（B），机架上设有2组用于安装垂直移动机构（C）的水平滑动机构（D），所述机械手连接在垂直移动机构下部，所述垂直移动机构在垂直驱动装置驱动下沿水平滑动机构上的垂直滑轨上、下运动，所述水平滑动机构在水平驱动装置驱动下沿机架上的横向滑轨左、右运动；

所述直角坐标式龙门机架包括水平布置的纵梁（5）、横梁（7）以及与其垂直连接的立柱（2），平行设置的两根纵梁和两根横梁通过螺栓连接构成一矩形框架，四根立柱通过螺栓连接在矩形框架的四角；直角坐标式龙门机架上安装有与横梁（7）平行的两根横向滑轨（24）和两根横向丝杆（12），横向丝杆的一端通过丝杆轴承（11）连接在横梁左端，横向丝杆的另一端通过联轴器与安装在横梁右端的水平驱动装置传动连接；

所述水平滑动机构包括支撑架（22）、横向滑块(23)、丝杆螺母(26)、垂直移动机构安装板和纵向导轨(18)，所述横向滑块(23)和丝杆螺母(26)连接在支撑架底部，所述支撑架通过横向滑块与机架上的两横向滑轨(24)滑动连接、通过丝杆螺母与机架上的两横向丝杆(12)传动连接，横向丝杆在水平驱动装置的驱动下转动从而带动支撑架沿横向滑轨左右移动；所述垂直移动机构安装板横向安装在支撑架上部，包括前安装板(14)和后安装板(19)，前安装板（14）和后安装板（19）通过其底部的纵向滑块（25）与支撑架上的纵向导轨（18）滑动连接，从而使安装在垂直移动机构安装板上的垂直移动机构可沿纵向导轨(18)前后移动；

所述垂直移动机构包括垂直支撑框架（32）以及安装在垂直支撑框架上的垂直驱动装置、垂直丝杆(40)、垂直滑块（33）和垂直滑轨（34），所述垂直移动机构通过垂直支撑框架两侧的垂直连接板（42）与水平滑动机构之前安装板（14）和后安装板（19）连接，两根平行设置的垂直滑轨（34）竖向安装在垂直支撑框架的内框，两根垂直滑轨中间安装垂直丝杆（40），垂直滑轨和垂直丝杆的上下端分别与垂直支撑框架顶板（35）和垂直支撑框架底板（44）连接，垂直丝杆伸出垂直支撑框架顶板的一端同时与垂直驱动装置传动连接，所述垂直滑块（33）分别与两根垂直滑轨（34）滑动连接、并通过与其连成一体的丝杆螺母与垂直丝杆（40）传动连接，所述机械手通过滑块螺栓（41）与垂直滑块连接，垂直丝杆在垂直驱动装置的驱动下转动从而带动垂直滑块和机械手沿垂直滑轨上下移动。

2.根据权利要求1所述的一种重负荷龙门式机器人，其特征在于：所述水平滑动机构的支撑架上设有用于调节垂直移动机构安装板位置的调节定位机构，包括定位板和调节螺杆（17），所述定位板包括依次安装在纵向导轨（18）上的第一定位板（13）、第二定位板（15）、第三定位板（16）和第四定位板（20），第一定位板和第四定位板通过定位块（21）固定在纵向导轨前后端的支撑架上、并提供纵向导轨（18）两端的安装定位，第二定位板和第三定位板滑动套装在纵向导轨的中部，第一定位板与第二定位板以及第三定位板与第四定位板之间分别连接两根调节螺杆(17)，所述前安装板（14）设在第一定位板与第二定位板之间、并通过底部的纵向滑块（25）与纵向导轨（18）滑动连接，所述后安装板（19）设在第三定位板与第四定位板之间、并通过底部的纵向滑块（25）与纵向导轨（18）滑动连接，通过调节螺杆调节第二定位板和第三定位板的位置、从而调节前安装板和后安装板以及垂直移动机构在纵向滑轨的前后位置。

3.根据权利要求2所述的一种重负荷龙门式机器人，其特征在于：所述垂直丝杆的上下端通过锥形滚珠轴承（43）分别与垂直支撑框架顶板（35）和垂直支撑框架底板（44）转动连接。

4.根据权利要求3所述的一种重负荷龙门式机器人，其特征在于：所述横向滑轨（24）两端设有限位块（9），限位块外侧设有定位传感器（8）。

5.根据权利要求4所述的一种重负荷龙门式机器人，其特征在于：所述水平驱动装置包括水平伺服电机（29）和精密水平减速器（28），所述垂直驱动装置包括垂直伺服电机（37）和精密垂直减速器（38），所述垂直伺服电机和水平伺服电机为带刹车功能伺服电机。

6.根据权利要求5所述的一种重负荷龙门式机器人，其特征在于：所述机械手包括垂直手臂杆（31）和末端手爪（30），所述垂直手臂杆上端与垂直滑块连接，下端与末端手爪连接，所述末端手爪夹紧端带有齿形结构。

7.根据权利要求6所述的一种重负荷龙门式机器人，其特征在于：所述纵梁（5）采用矩形钢管制成，所述横梁（7）采用工字梁制成，所述横向滑轨（24）采用“H”形型钢制成，所述立柱底端通过加强筋连接平板状底座（1），底座上设安装螺孔。

8.根据权利要求7所述的一种重负荷龙门式机器人，其特征在于：所述水平滑动机构、垂直移动机构和机械手的控制系统采用西门子工业控制器。