CN106426177B - 精密装配机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密装配机器人，包括底座、转台、大臂、小臂、腕关节、前端旋转关节和气动夹紧装置，转台转动安装在底座上，大臂一端与转台铰接，大臂另一端与小臂一端铰接，小臂另一端与腕关节一端铰接，前端旋转关节转动安装在腕关节另一端，气动夹紧装置安装在前端旋转关节外端；底座上安装有用于带动转台转动的转台滚珠丝杠驱动机构，转台上安装有用于带动大臂转动的大臂滚珠丝杠驱动机构，大臂上安装有用于带动小臂转动的小臂滚珠丝杠驱动机构，小臂上安装有用于带动腕关节转动的腕关节驱动机构，腕关节上安装有用于带动前端旋转关节转动的前端关节驱动机构。本发明传动平稳，定位精度高，生产效率高，使用寿命长，使用范围广。

Description

精密装配机器人

技术领域

本发明涉及一种用于全自动流水生产线的机器人，尤其涉及一种采用高精度滚珠丝杠传动的精密装配机器人。

背景技术

几年来，随着工业技术的不断发展，工业领域的焊接、铸造、喷漆、搬运、装配等场合已经开始大量使用机器人替代人工作业。另外在军事、海洋探测、航天、医疗农业、林业甚至服务业、娱乐行业也都开始使用机器人，机器人已经成为替代人力的重要且必不可少的自动化装备之一。目前，机器人在工业领域主要应用于汽车工业、机电电讯工业、通用机械工业、金属加工、铸造等部门，机器人的工业应用分为四个方面，即材料加工、零件制造、产品检验和装配。由于我国的机器人产业起步较晚，在某些关键技术上虽有突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很少。在我国，工业机器人市场份额大部分被进口机器人占据着，在关键国际强手面前，国内的机器人产业面临着巨大的压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，大力发展机器人产业将会为中国的产业升级注入新动力。

我们想要与国际强手竞争，想要实现“弯道超车”，就必须寻找一个突破口。针对进口工业机器人结构复杂、维修保养不便、价格高昂的缺点，进口品牌的工业机器人，其结构相当复杂、由于布局紧凑，维修保养时拆卸很难，恢复后有很难保证精度要求，造成敢用不敢动、不敢拆、不敢修的尴尬局面。加之进口工业机器人价格昂贵，动辄数十万上百万的价格及后期昂贵的保养维护费用，是一些中小型企业无法承受之痛；他们有配备机器人的强烈愿望，却没有引进昂贵的进口机器人的实力。因此，我们思考如何采用简单合理结构，制造出价格低廉又简便好用而且能达到我们所需精度的机器人，以便于大面积推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种精密装配机器人，其结构合理、生产简单且操作维修方便，传动平稳，定位精度高，生产效率高，使用寿命长，使用范围广。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种精密装配机器人，其特征在于：包括底座、转台、大臂、小臂、腕关节、前端旋转关节和气动夹紧装置，所述转台转动安装在底座上，所述大臂的一端与转台铰接，所述大臂的另一端与小臂的一端铰接，所述小臂的另一端与腕关节的一端铰接，所述前端旋转关节转动安装在腕关节的另一端，所述气动夹紧装置安装在前端旋转关节的外端；所述底座上安装有用于带动转台转动的转台滚珠丝杠驱动机构，所述转台上安装有用于带动大臂转动的大臂滚珠丝杠驱动机构，所述大臂上安装有用于带动小臂转动的小臂滚珠丝杠驱动机构，所述小臂上安装有用于带动腕关节转动的腕关节驱动机构，所述腕关节上安装有用于带动前端旋转关节转动的前端关节驱动机构。

上述的精密装配机器人，其特征在于：所述转台滚珠丝杠驱动机构包括第一伺服电机、第一滚珠丝杠、第一丝杠螺母、第一螺母座、套筒、转台托板和转台转轴，所述第一伺服电机的输出轴与第一滚珠丝杠的一端固定连接，所述第一丝杠螺母与第一滚珠丝杠相配合，所述第一丝杠螺母固定安装在第一螺母座上，所述第一螺母座设置在套筒内，所述套筒固定在转台托板的底部，所述转台托板通过转台转轴与底座转动连接，所述转台托板固定在转台的底部，所述第一伺服电机安装在底座上。

上述的精密装配机器人，其特征在于：所述大臂滚珠丝杠驱动机构包括第二伺服电机、第二滚珠丝杠、第二丝杠螺母、第二螺母座和大臂转轴，所述第二伺服电机的输出轴与第二滚珠丝杠的一端固定连接，所述第二丝杠螺母与第二滚珠丝杠相配合，所述第二丝杠螺母固定安装在第二螺母座上，所述第二螺母座转动连接在大臂上，所述大臂通过大臂转轴与转台转动连接，所述第二伺服电机安装在转台上。

上述的精密装配机器人，其特征在于：所述小臂滚珠丝杠驱动机构包括第三伺服电机、第三滚珠丝杠、第三丝杠螺母、第三螺母座和小臂转轴，所述第三伺服电机的输出轴与第三滚珠丝杠的一端固定连接，所述第三丝杠螺母与第三滚珠丝杠相配合，所述第三丝杠螺母固定安装在第三螺母座上，所述第三螺母座转动连接在小臂上，所述小臂通过小臂转轴与大臂转动连接，所述第三伺服电机安装在大臂上。

上述的精密装配机器人，其特征在于：所述腕关节驱动机构包括第四伺服电机、小同步带轮、大同步带轮、齿形同步带和腕关节转轴，所述小同步带轮固定安装在第四伺服电机的输出轴上，所述大同步带轮固定安装在腕关节转轴上，所述小同步带轮和大同步带轮通过齿形同步带连接形成带传动，所述腕关节通过腕关节转轴与小臂转动连接，所述腕关节转轴与腕关节固定连接，所述第四伺服电机安装在小臂上。

上述的精密装配机器人，其特征在于：所述前端关节驱动机构包括第五伺服电机、轴承、轴承杯和前端转轴，所述第五伺服电机的输出轴与前端转轴的一端固定连接，所述前端转轴通过轴承和轴承杯与腕关节转动连接，所述轴承安装在轴承杯内，所述轴承杯与腕关节固定连接，所述前端旋转关节固定在前端转轴上，所述第五伺服电机安装在腕关节上。

上述的精密装配机器人，其特征在于：所述前端转轴上螺纹连接有锁紧螺母，所述锁紧螺母设置在靠近腕关节处。

上述的精密装配机器人，其特征在于：所述气动夹紧装置为手指气缸，所述手指气缸上安装有夹爪。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明结构合理，零件品种少，生产简单；操作简便，维修方便。

2、本发明的转台、大臂、小臂均采用高精度滚珠丝杠传动，传动平稳，传动效率高；采用的滚珠丝杠消除了轴向间隙，提高了自身刚性，使精密装配机器人定位精度及定位速度大大提高。

3、本发明的腕关节采用同步带传动，其传动对轴作用力小，结构紧凑；传动平稳，噪音小；无滑差，传动比精准，使精密装配机器人运行稳定。

4、本发明生产效率高，可五轴联动，能完成多种运行动作；工作半径大，完成单个动作循环时间可以小于三秒，可大幅降低人体劳动强度，使用以替代人力。

5、本发明成本较低，性价比高，使用范围广，可以根据生产要求更换前端夹具，应用于多种零部件装配流水生产线。

6、本发明在精密装配机器人组合动作时其各个关节动作更加灵活自如，角度调节更为精准；使用寿命长，运行过程中磨损小，能有效降低机器人的生产成本。

7、本发明目前已经应用于灯管自动组装生产线的插装灯帽工序，可以一次完成指定位置夹取灯帽、指定位置旋转涂胶、指定位置精准插装灯帽等工作，可完全替代人工，具有动作精准、工作效率高、重复定位精度高、噪音小等优点，并且优化了工作现场环境，提高了成品合格率、降低了生产成本。

8、本发明便于推广使用，很多部件都非常便于生产、购买，因而其生产成本很低，又能满足多种零部件装配流水生产线使用，并能达到较高定位精度，能很好替代人工。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的立体图。

图3为本发明底座、转台和转台滚珠丝杠驱动机构的安装关系示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为图3的侧视图。

图6为本发明转台、大臂、小臂和大臂滚珠丝杠驱动机构的安装关系示意图。

图7为本发明大臂、小臂和小臂滚珠丝杠驱动机构的安装关系示意图。

图8为本发明小臂、腕关节和腕关节驱动机构的安装关系示意图。

图9为本发明腕关节、前端旋转关节、气动夹紧装置和前端关节驱动机构的安装关系示意图。

附图标记说明:

1—底座； 2—转台； 3—大臂；

4—小臂； 5—腕关节； 6—前端旋转关节；

7—气动夹紧装置； 8—转台滚珠丝杠驱动机构；

8-1—第一伺服电机； 8-2—第一滚珠丝杠； 8-3—第一丝杠螺母；

8-4—第一螺母座； 8-5—套筒； 8-6—转台托板；

8-7—转台转轴； 9—大臂滚珠丝杠驱动机构； 9-1—第二伺服电机；

9-2—第二滚珠丝杠； 9-3—第二丝杠螺母； 9-4—第二螺母座；

9-5—大臂转轴； 10—小臂滚珠丝杠驱动机构； 10-1—第三伺服电机；

10-2—第三滚珠丝杠； 10-3—第三丝杠螺母； 10-4—第三螺母座；

10-5—小臂转轴； 11—腕关节驱动机构； 11-1—第四伺服电机；

11-2—小同步带轮； 11-3—齿形同步带； 11-4—大同步带轮；

11-5—腕关节转轴； 12—前端关节驱动机构； 12-1—第五伺服电机；

12-2—轴承杯； 12-3—轴承； 12-4—锁紧螺母；

12-5—前端转轴； 13—夹爪。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括底座1、转台2、大臂3、小臂4、腕关节5、前端旋转关节6和气动夹紧装置7，所述转台2转动安装在底座1上，所述大臂3的一端与转台2铰接，所述大臂3的另一端与小臂4的一端铰接，所述小臂4的另一端与腕关节5的一端铰接，所述前端旋转关节6转动安装在腕关节5的另一端，所述气动夹紧装置7安装在前端旋转关节6的外端；所述底座1上安装有用于带动转台2转动的转台滚珠丝杠驱动机构8，所述转台2上安装有用于带动大臂3转动的大臂滚珠丝杠驱动机构9，所述大臂3上安装有用于带动小臂4转动的小臂滚珠丝杠驱动机构10，所述小臂4上安装有用于带动腕关节5转动的腕关节驱动机构11，所述腕关节5上安装有用于带动前端旋转关节6转动的前端关节驱动机构12。

该精密装配机器人转台滚珠丝杠驱动机构8、大臂滚珠丝杠驱动机构9和小臂滚珠丝杠驱动机构10均采用高精度滚珠丝杠传动，由伺服电机带动滚珠丝杠旋转，将旋转运动转化为丝杠螺母的直线运动，再由丝杠螺母驱动各个关节的执行元件绕各自的旋转轴旋转一定角度。转台2可绕转台转轴8-7转动角度达120°，即转台2正转约60°，反转约60°；大臂3可绕大臂转轴9-5转动角度达120°，即大臂3向前转动约60°，向后转动约60°；小臂4可绕旋小臂转轴10-5转动角度达120°，即小臂4向上转动约60°，向下转动约60°。滚珠丝杠传动平稳，传动效率高，采用的滚珠丝杠消除了轴向间隙，提高了自身刚性，使精密装配机器人定位精度及定位速度大大提高。腕关节5可绕腕关节转轴11-5转动角度达180°，即腕关节向上转动约90°，向下转动约90°；前端旋转关节6可绕前端转轴12-5转动任意角度，五轴同时动作，协调运动，精密装配机器人可组合产生多种运动路径，使气动夹紧装置7可以在工作半径内的任意位置方便快捷地夹取、安装工件。

如图3至图5所示，所述转台滚珠丝杠驱动机构8包括第一伺服电机8-1、第一滚珠丝杠8-2、第一丝杠螺母8-3、第一螺母座8-4、套筒8-5、转台托板8-6和转台转轴8-7，所述第一伺服电机8-1的输出轴与第一滚珠丝杠8-2的一端固定连接，所述第一丝杠螺母8-3与第一滚珠丝杠8-2相配合，所述第一丝杠螺母8-3固定安装在第一螺母座8-4上，所述第一螺母座8-4设置在套筒8-5内，所述套筒8-5固定在转台托板8-6的底部，所述转台托板8-6通过转台转轴8-7与底座1转动连接，所述转台托板8-6固定在转台2的底部，所述第一伺服电机8-1安装在底座1上。

在工作过程中，第一伺服电机8-1输出动力使第一滚珠丝杠8-2旋转，带动第一丝杠螺母8-3和第一螺母座8-4同时沿第一滚珠丝杠8-2的轴向做直线运动(运动方向随第一滚珠丝杠8-2旋转方向的变化而变化)。因第一螺母座8-4位于套筒8-5内，套筒8-5又与转台托板8-6连接，因此在第一螺母座8-4做直线运动的同时，驱动套筒8-5移动并带动转台托板8-6绕转台转轴8-7顺时钟或逆时钟方向转动，到达精密装配机器人工作时转台所需指定的位置。

如图6所示，所述大臂滚珠丝杠驱动机构9包括第二伺服电机9-1、第二滚珠丝杠9-2、第二丝杠螺母9-3、第二螺母座9-4和大臂转轴9-5，所述第二伺服电机9-1的输出轴与第二滚珠丝杠9-2的一端固定连接，所述第二丝杠螺母9-3与第二滚珠丝杠9-2相配合，所述第二丝杠螺母9-3固定安装在第二螺母座9-4上，所述第二螺母座9-4转动连接在大臂3上，所述大臂3通过大臂转轴9-5与转台2转动连接，所述第二伺服电机9-1安装在转台2上。

在工作过程中，第二伺服电机9-1输出动力使第二滚珠丝杠9-2旋转，带动第二丝杠螺母9-3和第二螺母座9-4同时沿第二滚珠丝杠9-2的轴向做直线运动(运动方向随第二滚珠丝杠9-2旋转方向的变化而变化)。因第二螺母座9-4与大臂3转动连接，因此在第二螺母座9-4做直线运动的同时，驱动大臂3绕大臂转轴9-5顺时钟或逆时钟方向转动，到达精密装配机器人工作时大臂所需指定位置。

如图7所示，所述小臂滚珠丝杠驱动机构10包括第三伺服电机10-1、第三滚珠丝杠10-2、第三丝杠螺母10-3、第三螺母座10-4和小臂转轴10-5，所述第三伺服电机10-1的输出轴与第三滚珠丝杠10-2的一端固定连接，所述第三丝杠螺母10-3与第三滚珠丝杠10-2相配合，所述第三丝杠螺母10-3固定安装在第三螺母座10-4上，所述第三螺母座10-4转动连接在小臂4上，所述小臂4通过小臂转轴10-5与大臂3转动连接，所述第三伺服电机10-1安装在大臂3上。

在工作过程中，第三伺服电机10-1输出动力使第三滚珠丝杠10-2旋转，带动第三丝杠螺母10-3和第三螺母座10-4同时沿第三滚珠丝杠10-2的轴向做直线运动(运动方向随第三滚珠丝杠10-2旋转方向的变化而变化)。因第三螺母座10-4与小臂4转动连接，因此在第三螺母座10-4做直线运动的同时，驱动小臂4绕小臂转轴10-5顺时钟或逆时钟方向转动，到达精密装配机器人工作时小臂所需指定位置。

如图8所示，所述腕关节驱动机构11包括第四伺服电机11-1、小同步带轮11-2、大同步带轮11-4、齿形同步带11-3和腕关节转轴11-5，所述小同步带轮11-2固定安装在第四伺服电机11-1的输出轴上，所述大同步带轮11-4固定安装在腕关节转轴11-5上，所述小同步带轮11-2和大同步带轮11-4通过齿形同步带11-3连接形成带传动，所述腕关节5通过腕关节转轴11-5与小臂4转动连接，所述腕关节转轴11-5与腕关节5固定连接，所述第四伺服电机11-1安装在小臂4上。

在工作过程中，由第四伺服电机11-1驱动小同步带轮11-2转动，再由齿形同步带11-3将动力传输至大同步带轮11-4，大同步带轮11-4通过腕关节转轴11-5与腕关节5连接为一体，在大同步带轮11-4转动时，可使腕关节5绕腕关节转轴11-5顺时钟或逆时钟方向转动，到达精密装配机器人工作时腕关节所需指定位置。腕关节5转动角度达180°，腕关节向上转动约90°，向下转动约90°。齿形同步带11-3对腕关节转轴11-5作用力小，结构紧凑；传动平稳，噪音小；无滑差，传动比精准，使精密装配机器人运行稳定。

如图9所示，所述前端关节驱动机构12包括第五伺服电机12-1、轴承12-3、轴承杯12-2和前端转轴12-5，所述第五伺服电机12-1的输出轴与前端转轴12-5的一端固定连接，所述前端转轴12-5通过轴承12-3和轴承杯12-2与腕关节5转动连接，所述轴承12-3安装在轴承杯12-2内，所述轴承杯12-2与腕关节5固定连接，所述前端旋转关节6固定在前端转轴12-5上，所述第五伺服电机12-1安装在腕关节5上。

在工作过程中，第五伺服电机12-1带动前端转轴12-5转动，前端转轴12-5的转动角度不受限制，可以转动任意角度，由前端转轴12-5带动前端旋转关节6转动。

本实施例中，所述前端转轴12-5上螺纹连接有锁紧螺母12-4，所述锁紧螺母12-4设置在靠近腕关节5处。

如图9所示，所述气动夹紧装置7为手指气缸，所述手指气缸上安装有夹爪13，夹爪13可根据精密装配机器人的应用场合及所要夹取工件的外形设计成不同形式，以方便快捷夹取、释放工件或完成指定动作。

本发明的工作原理为：转台2、大臂3和小臂4均采用高精度滚珠丝杠传动，其传动平稳，传动效率高，采用的双滚珠丝杠消除了轴向间隙，提高了自身刚性，使精密装配机器人定位精度及定位速度提高。腕关节5采用同步带传动，其传动对轴作用力小，结构紧凑；传动平稳，噪音小；无滑差，传动比精准，使精密装配机器人运行稳定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.精密装配机器人，其特征在于：包括底座(1)、转台(2)、大臂(3)、小臂(4)、腕关节(5)、前端旋转关节(6)和气动夹紧装置(7)，所述转台(2)转动安装在底座(1)上，所述大臂(3)的一端与转台(2)铰接，所述大臂(3)的另一端与小臂(4)的一端铰接，所述小臂(4)的另一端与腕关节(5)的一端铰接，所述前端旋转关节(6)转动安装在腕关节(5)的另一端，所述气动夹紧装置(7)安装在前端旋转关节(6)的外端；所述底座(1)上安装有用于带动转台(2)转动的转台滚珠丝杠驱动机构(8)，所述转台(2)上安装有用于带动大臂(3)转动的大臂滚珠丝杠驱动机构(9)，所述大臂(3)上安装有用于带动小臂(4)转动的小臂滚珠丝杠驱动机构(10)，所述小臂(4)上安装有用于带动腕关节(5)转动的腕关节驱动机构(11)，所述腕关节(5)上安装有用于带动前端旋转关节(6)转动的前端关节驱动机构(12)。

2.按照权利要求1所述的精密装配机器人，其特征在于：所述转台滚珠丝杠驱动机构(8)包括第一伺服电机(8-1)、第一滚珠丝杠(8-2)、第一丝杠螺母(8-3)、第一螺母座(8-4)、套筒(8-5)、转台托板(8-6)和转台转轴(8-7)，所述第一伺服电机(8-1)的输出轴与第一滚珠丝杠(8-2)的一端固定连接，所述第一丝杠螺母(8-3)与第一滚珠丝杠(8-2)相配合，所述第一丝杠螺母(8-3)固定安装在第一螺母座(8-4)上，所述第一螺母座(8-4)设置在套筒(8-5)内，所述套筒(8-5)固定在转台托板(8-6)的底部，所述转台托板(8-6)通过转台转轴(8-7)与底座(1)转动连接，所述转台托板(8-6)固定在转台(2)的底部，所述第一伺服电机(8-1)安装在底座(1)上。

3.按照权利要求1所述的精密装配机器人，其特征在于：所述大臂滚珠丝杠驱动机构(9)包括第二伺服电机(9-1)、第二滚珠丝杠(9-2)、第二丝杠螺母(9-3)、第二螺母座(9-4)和大臂转轴(9-5)，所述第二伺服电机(9-1)的输出轴与第二滚珠丝杠(9-2)的一端固定连接，所述第二丝杠螺母(9-3)与第二滚珠丝杠(9-2)相配合，所述第二丝杠螺母(9-3)固定安装在第二螺母座(9-4)上，所述第二螺母座(9-4)转动连接在大臂(3)上，所述大臂(3)通过大臂转轴(9-5)与转台(2)转动连接，所述第二伺服电机(9-1)安装在转台(2)上。

4.按照权利要求1所述的精密装配机器人，其特征在于：所述小臂滚珠丝杠驱动机构(10)包括第三伺服电机(10-1)、第三滚珠丝杠(10-2)、第三丝杠螺母(10-3)、第三螺母座(10-4)和小臂转轴(10-5)，所述第三伺服电机(10-1)的输出轴与第三滚珠丝杠(10-2)的一端固定连接，所述第三丝杠螺母(10-3)与第三滚珠丝杠(10-2)相配合，所述第三丝杠螺母(10-3)固定安装在第三螺母座(10-4)上，所述第三螺母座(10-4)转动连接在小臂(4)上，所述小臂(4)通过小臂转轴(10-5)与大臂(3)转动连接，所述第三伺服电机(10-1)安装在大臂(3)上。

5.按照权利要求1所述的精密装配机器人，其特征在于：所述腕关节驱动机构(11)包括第四伺服电机(11-1)、小同步带轮(11-2)、大同步带轮(11-4)、齿形同步带(11-3)和腕关节转轴(11-5)，所述小同步带轮(11-2)固定安装在第四伺服电机(11-1)的输出轴上，所述大同步带轮(11-4)固定安装在腕关节转轴(11-5)上，所述小同步带轮(11-2)和大同步带轮(11-4)通过齿形同步带(11-3)连接形成带传动，所述腕关节(5)通过腕关节转轴(11-5)与小臂(4)转动连接，所述腕关节转轴(11-5)与腕关节(5)固定连接，所述第四伺服电机(11-1)安装在小臂(4)上。

6.按照权利要求1所述的精密装配机器人，其特征在于：所述前端关节驱动机构(12)包括第五伺服电机(12-1)、轴承(12-3)、轴承杯(12-2)和前端转轴(12-5)，所述第五伺服电机(12-1)的输出轴与前端转轴(12-5)的一端固定连接，所述前端转轴(12-5)通过轴承(12-3)和轴承杯(12-2)与腕关节(5)转动连接，所述轴承(12-3)安装在轴承杯(12-2)内，所述轴承杯(12-2)与腕关节(5)固定连接，所述前端旋转关节(6)固定在前端转轴(12-5)上，所述第五伺服电机(12-1)安装在腕关节(5)上。

7.按照权利要求6所述的精密装配机器人，其特征在于：所述前端转轴(12-5)上螺纹连接有锁紧螺母(12-4)，所述锁紧螺母(12-4)设置在靠近腕关节(5)处。

8.按照权利要求1所述的精密装配机器人，其特征在于：所述气动夹紧装置(7)为手指气缸，所述手指气缸上安装有夹爪(13)。