CN106584443A - 一种模块化的电动执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化的电动执行器，由电机输出动力，编码器对驱动电机的转速和角位移进行实时反馈，在控制器的调控下，经减速器和同步带机构可以将合适的驱动转矩和转速传递给螺杆螺母机构，滑块连接件同时连接螺母和直线导轨上的滑块，夹爪固定安装在滑块上，最终实现夹爪的开合动作。本发明提供的模块化的电动执行器，体积小、结构紧凑、集成度高、工作噪音小、免维护，而且具备自锁保持功能，定位精度较高，可以妥善解决目前市场中电动执行器所存在的一些弊端问题。

Description

一种模块化的电动执行器

技术领域

本发明涉及一种机器人末端使用的执行器，尤其涉及一种模块化的电动执行器。

背景技术

科技水平的日新月异，推动着传统的手工作业模式逐渐向工业自动化模式过渡。当代社会，在各行各业里，具备不同职能的工业机器人屡见不鲜。它们通过执行预先规划好的操作指令，执行一些比如搬运、上下料、焊接、喷涂、装配等任务，凭借其所具有的操作灵活性和定位的准确性，在某些领域里已经基本能够取代人工完成一些生产制造的作业任务。机器人在工业领域的大量投入使用，节省了人工劳动力和成本，同时也极大程度上地提高了工厂的实际生产效率。

在工业机器人方面，多自由度机械臂较为常见，常用的机械臂以4轴、6轴和7轴居多。在实际作业时，需要在机械臂的末端法兰盘上安装具有不同功能的执行器(又称机械手)，通过两者的配合操作以完成特定的作业任务。

目前，机器人末端执行器主要以电动执行器和气动执行器两种为主。电动执行器通常采用直流电机(有刷、无刷)、步进电机等作为驱动元件，气动执行器采用气压推进的方式。电动执行器采用了电机驱动的方式，通常会通过一些中间传动机构如带传动、齿轮传动、螺旋传动等，将合适的扭矩和速度传递给手爪，结构上稍微复杂，有一定的功率损失，且价格较高，但是机构性能稳定，工作寿命长，环境适应能力强。气动执行器结构相对简单，能耗低，响应速度快，成本低廉，但是定位精度、稳定性以及环境适应能力不如电动执行器。此外，由于气动执行器需要气源，需要定期维护，而且工作时噪音较大，因而在某些对噪音有严格限制的场合也常常受限。因此，在对工作稳定性以及环境适应性要求较高的场合通常会优先采用电动执行器。

尽管电动执行器相比于气动执行器在性能方面表现出了诸多的优点，但是目前大多的电动执行器，在工作可靠性、安全性方面，仍然存在着一定的隐患，亟待改善。经文献检索，公开日为2016年07月27日，公开号为CN205394576U的一种零间隙导向结构及电动夹爪，它提出通过利用电机输出轴上的齿轮驱动与交叉导轨内滑道固定连接的齿条，进而将电机的旋转运动转换为与交叉导轨内滑道固连的夹爪的直线运动。其传动方式简单合理，传动精度也比较高，但是其结构本身不具备自锁功能，即当系统掉电时，如果夹爪正处于夹持工件的状态，会因系统失电而丧失夹紧力。由于夹紧力不能自保持，导致工件从夹爪中松脱，在操作现场容易引发进一步的安全事故问题。

此外，对于现今市场上的大多电动执行器，其集成度都欠低，需要为其添加外部控制系统才能正常使用。在应用层次上，对于某些特殊场合，电动执行器也存在着一定的局限性。比如在现代电子半导体生产制造领域，通常会对工厂的洁净度、噪音有严格的要求。由于大多电动执行器中的中间传动机构，比如齿轮齿条传动，工作前的润滑措施必不可少，在电动执行器出厂以及后期维护时均需要定期定量地补给润滑油或润滑脂，长期工作难免会因润滑油泄露而存在着污染工厂环境的隐患。此外，中间机构在实际运转时，也在所难免会产生一定的噪音。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种模块化的电动执行器，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为了提高电动执行器的可靠性、安全性以及使用上的方便性，消除内部润滑介质泄露而污染环境的隐患，并有效降低机构运转时产生的噪音影响，以便电动执行器将来能够更好地投入现代化工厂使用，本发明提供了一种模块化的电动执行器，该电动执行器体积小、结构紧凑、集成度高、工作噪音小、免维护；而且具备自锁保持功能，定位精度较高，可以妥善解决目前市场中电动执行器所存在的一些弊端问题。

本发明的模块化的电动执行器，包括

-壳体，所述壳体内设有长度小于壳体长度的横梁，横梁与壳体顶部之间的空间为上槽、与壳体底部之间的空间为下槽；

-直线导轨机构，包括设置在所述壳体顶部上的导轨、两沿所述导轨滑动的滑块；

-两夹爪，分别与两所述滑块连接；

-两滑块连接件，设置在所述上槽内，分别与两所述滑块连接；

-螺杆螺母机构，设置在所述上槽内，包括具有正旋螺纹和反旋螺纹的螺杆、分别与正旋螺纹和反旋螺纹螺接的T形正旋螺母和T形反旋螺母，T形正旋螺母和T形反旋螺母分别嵌套在两滑块连接件中并形成紧配合，所述滑块连接件连接有将T形正旋螺母或T形反旋螺母紧压在其内的压板，所述螺杆与T形正旋螺母及T形反旋螺母均为单线梯形螺牙；

-驱动单元，设置在所述下槽内，包括电机、对电机的转速和角位移信息进行实时反馈的编码器、与电机输出端连接的减速器；

-同步带机构，设置在所述横梁端部与壳体侧壁之间的空间内，包括两齿轮数相等的带轮、与两带轮传动连接的同步带，其中一个带轮与所述减速器的输出端连接、另一个带轮与所述螺杆连接；

-接近传感器，设置在所述横梁上，由其中一个滑块连接件触发，用于标记零位、对所述滑块的运动进行软限位；

-控制器，设置在所述下槽内，对所述驱动单元进行控制；

-电气接口，设置在所述壳体上，用于所述电动执行器与外部电源连接、与多自由度机械臂通信。

进一步的，还包括与所述横梁和减速器连接的L形支撑板，所述螺杆的一端及减速器的输出端穿过所述支撑板分别与两带轮连接，所述支撑板折弯的端部通过螺钉与壳体底部连接进行张紧。

进一步的，所述螺杆的两端分别转动连接有安装在所述上槽内的轴承，其中一个轴承连接有对其轴向限位的轴套，另一个轴承与所述支撑板连接。

进一步的，所述滑块与滑块连接件之间连接有滑动条，所述滑动条的一端逐渐变薄。

进一步的，所述滑动条上设有凸台，所述滑块连接件上设有能够使所述凸台嵌入的凹槽。

进一步的，所述夹爪的内侧面上设有两V形凸台。

进一步的，所述壳体表面上设有多条窄槽。

进一步的，所述壳体上设有多个用于安装过渡法兰盘的螺纹孔。

进一步的，所述壳体的材质为铝合金，包括内部设有所述横梁的外壳以及安装在外壳周缘上的左封板、右封板和下封板。

进一步的，所述T形正旋螺母与T形反旋螺母的材质均为高强度工程塑料。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、外壳采用一体化结构，执行器的零部件均直接或间接地安装在以外壳为基体的安装面上，便于实现小型化；

2、执行器内部集成了控制器、驱动单元、同步带机构、螺杆螺母机构和直线导轨机构，构成了一套完整的驱动装置，其集成度高、模块化，使用上更加便捷；

3、通过同步带机构进行运动换向，使执行器的整体结构更为紧凑，而且同步带机构能够减小系统的振动，降低噪音，提高系统工作的平稳性；

4、螺杆螺母机构具备自锁功能，可保证在突然掉电时电动执行器的夹持力仍然有效，避免所夹持的工件松脱；

5、螺杆螺母机构中的螺母材质均为工程塑料，使得螺杆和螺母发生相对转动时产生的噪音较小，由于材料本身的自润滑性，因而无需涂抹润滑介质，实现免维护的功能；

6、执行器采用了电机驱动，通过利用编码器的实时反馈，可实现对电机的转速和转角进行精确调控，经减速器、同步带机构、螺杆螺母机构和直线导轨机构，最终实现夹爪的开合动作，其开合的位置精度也可以得到保证；

7、电动执行器采用了接近传感器作为其执行开合动作时的软限位，避免了运动部件发生碰撞，保证了机构运动时的安全性，同时，在执行器刚上电时，作为标志机构的机械零位，保证了执行器动作时运动位置的确定性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的模块化的电动执行器的整体外观示意图；

图2为本发明的模块化的电动执行器的整体结构爆炸示意图；

图3为本发明的模块化的电动执行器的剖视图；

图4为本发明的模块化的电动执行器的外壳的结构示意图；

图5为本发明的模块化的电动执行器的螺杆螺母机构示意图；

图6为本发明的模块化的电动执行器的滑块连接件的结构示意图；

图7为本发明的模块化的电动执行器的滑动条的结构示意图；

图8为本发明的模块化的电动执行器的夹爪的结构示意图；

图9为本发明的模块化的电动执行器与多自由度机械臂的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

结合图1、图2和图3，本发明的一种模块化的电动执行器包括：由外壳15和左封板16、右封板17及下封板18构成的壳体10、同步带机构、螺杆螺母机构、两个滑块连接件40、直线导轨机构、两个夹爪30、驱动单元、支撑板73、控制器82、接近传感器81和电气接口83。

具体的，壳体10的材质为铝合金，包括内部设有横梁11的外壳15以及安装在外壳周缘上的左封板16、右封板17和下封板18。外壳15采用了一体化结构，外壳15内部通过横梁11分为上槽12和下槽13，横梁11与壳体顶部之间的空间为上槽12、与壳体底部之间的空间为下槽13，横梁11的长度小于壳体10的长度，以提供安装支撑板73和同步带机构的空间；外壳15外表面刻有多条窄槽14，方便人手取放；表面有4个螺纹孔，方便与多自由度的机器人连接。此外，外壳15的材质为铝合金，在此机械结构的基础上，大大降低了电动执行器的自重；通过左封板16、右封板17和下封板18与外壳15共同构成一个封闭的壳体10，以保护执行器内部零部件免受温度、湿度、机械碰撞等一些不良因素的影响。

结合图1、图2、图3和图4，电动执行器的组成零部件均直接或间接地安装在以外壳1为基体的内外侧安装面上。其中，直线导轨机构安装在外壳15顶部上，其余零部件均安装在内部；上槽12用于放置螺杆螺母机构和所述滑块连接件40；在螺杆螺母机构的带动下，滑块连接件40在上槽中可往复移动；下槽13主要放置驱动单元和控制器82，驱动单元通过同步带机构驱动螺杆螺母机构，控制器82对驱动单元进行控制；接近传感器81安装在上槽12和下槽13分界的横梁11上。

具体的，结合图1、图2、图3、图6、图7、和图8，直线导轨机构包括设置在外壳15顶部上的导轨21、两沿导轨21滑动的滑块22，在每个滑块22的下方一侧通过沉头螺钉固定连接一个滑动条23；滑动条23的一端两侧边均设有一定的斜度，使滑动条23的一端逐渐变薄，以便于滑动时导向；滑动条23的一侧表面上设有凸台231，对应的，在滑块连接件40上设有与凸台231相匹配的凹槽221。在装配时，将凸台231嵌入到滑块连接件40上方的凹槽221中即可。

螺杆螺母机构设置在上槽12内，包括具有正旋螺纹和反旋螺纹的螺杆51、分别与正旋螺纹和反旋螺纹螺接的T形正旋螺母52和T形反旋螺母52，T形正旋螺母和T形反旋螺母分别嵌套在两滑块连接件40中并形成紧配合，滑块连接件40连接有将T形正旋螺母或T形反旋螺母紧压在其内的压板53，螺杆51与T形正旋螺母52及T形反旋螺母52均为单线梯形螺牙。

于是，螺杆螺母机构的动作将滑块连接件40的移动，进而带动滑动条23的运动，由于滑动条23与滑块22固定，最终可实现滑块22在导轨21上的往复移动。而两夹爪30是通过螺钉固定在直线导轨机构的两滑块22上的，两滑块22的往复运动带动两夹爪30往复运动，从而实现两夹爪30的开合。具体的，夹爪30的内侧面均设有两个V形凸台31，在实际夹持工件时，V形凸台31将嵌入到工件两侧的凹槽中，通过机械约束的方式进一步保证了工件的可靠夹持。

结合图3和图5，螺杆螺母机构的螺杆51通过两个轴承54支撑在外壳15中的轴承安装孔中。为防止轴承54产生轴向窜动，两个轴承分别通过轴套55和支撑板73进行轴向限位。将T形正旋螺母52和T形反旋螺母52表面嵌套在相邻滑块连接件40中并形成紧配合，并通过压板53压紧，可靠防止其产生轴向滑移。本发明将螺母和滑块连接件分别独立加工，并没有将螺纹牙直接在滑块连接件上加工形成一体件，其目的在于减小制造难度，降低加工成本。此外，两个螺母的材质均为高强度工程塑料，且材料本身具备自润滑性，从而大大降低了螺母相对于螺杆周向转动时的滑动摩擦及机械磨损，同时也大大削弱了螺杆螺母机构传动时产生的噪音，在使用上可以达到无需润滑、免维护的目的。

螺杆螺母机构的动作通过驱动单元和同步带机构实现。具体的，驱动单元设置在下槽13内，包括电机61、对电机61的转速和角位移信息进行实时反馈的编码器62、与电机61输出端连接的减速器63；同步带机构设置在横梁11端部与壳体10侧壁之间的空间内，包括两齿轮数相等的带轮71、与两带轮71传动连接的同步带72，其中一个带轮71与减速器63的输出端连接、另一个带轮71与螺杆51连接。同步带机构的主要作用是将驱动单元所输出运动进行换向，不起减速作用，因而可以使电动执行器在结构的整体布局方面变得更加紧凑，充分利用外壳15内部的有效空间。此外，通过同步带机构进行运动和动力的传递，可以大大降低机械系统的振动及噪声，提高运动系统的平稳性，而且传动比准确，传动精度较高。同步带机构所传递的运动进而传递给了螺杆螺母机构，螺杆51转动时，两个螺母将沿螺杆轴线作反方向等位移相对运动。此外，两螺母和螺杆均为单线梯形螺牙，该机构本身具备自锁性，即使系统突然掉电，执行器依然能够保持之前夹持工件时的夹紧力，避免了因夹持力消失而使工件从所述夹爪中松脱现象的发生。

具体的，支撑板73为L形，与横梁11和减速器63连接，螺杆51的一端及减速器63的输出端穿过支撑板73分别与两带轮71连接，支撑板73折弯的端部通过沉头螺钉74与壳体10底部连接进行张紧。该张紧方法简单方便，避免了张紧机构的单独设计。

驱动单元通过减速器63输出端的法兰固定连接在支撑板73上，且同步带机构的其中一个带轮71通过紧定螺钉固定在减速器63的输出轴上；电动执行器实际动作时，动力由电机61输出，经减速器减速后获得合适的转速和转矩，然后传递给同步带机构，同步带机构再将运动传递给螺杆螺母机构，由螺杆螺母机构的动作实现两夹爪的开合。

优选的，驱动单元中的电机61采用了直流石墨碳刷电机，其价格较便宜，适用于频繁起停和正反转的工况；编码器62采用的是磁性编码器，分辨率为500CPR，体积较小、分辨率较高、抗干扰能力较强，可对电机61的转速和角位移信息进行实时反馈，在控制器82的作用下，通过闭环控制的方式对转速和角位移进行精确调节。

本发明中的接近传感器81采用的是SICK公司的IM系列电感式接近开关，体积小、响应速度快，其外形呈圆柱状，表面具有螺纹，通过螺母锁紧固定在外壳15内的横梁11上。在电动执行器工作时，该传感器行使着零位标记和软限位两种功能。为了确保电动执行器工作时滑块22运动到任意位置的确定性，机构本身需要有个基准零位作为参考，于是在电动执行器每次上电时，执行器都将执行一次“找零”动作。螺杆螺母机构的运动将带动滑块连接件40的移动，当滑块连接件40运动到接近传感器81的触头位置时，传感器将受到触发，此时系统将以该触发点处滑块22的绝对位置作为机构的基准零点，以后滑块22运动的任意位置都将以此作为参考，从而确保了执行器动作行程的确定性。此外，在执行器执行具体任务的过程中，如果由于系统异常导致其运动超程，当滑块22运动到基准零点位置也会使执行器立即停止动作，避免了机构内部零部件发生碰撞，起到软限位保护。电气接口83用于电动执行器与外部电源连接，并可通过IO通道使其与多自由度机械臂实时通信。

如图9所示，具体使用时，将电动执行器50固连在过渡法兰盘100上，过渡法兰盘100再与多自由度机械臂150固定连接，即可工作。

本发明的模块化的电动执行器体积小、结构紧凑、集成度高，内部设有一套完整的控制系统、驱动单元、传动机构(同步带机构、螺杆螺母机构)和执行机构(直线导轨机构)，使本发明的电动执行器形成模块化，无需再为其扩展外部辅助设备。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模块化的电动执行器，其特征在于：包括

-壳体，所述壳体内设有长度小于壳体长度的横梁，横梁与壳体顶部之间的空间为上槽、与壳体底部之间的空间为下槽；

-直线导轨机构，包括设置在所述壳体顶部上的导轨、两沿所述导轨滑动的滑块；

-两夹爪，分别与两所述滑块连接；

-两滑块连接件，设置在所述上槽内，分别与两所述滑块连接；

-螺杆螺母机构，设置在所述上槽内，包括具有正旋螺纹和反旋螺纹的螺杆、分别与正旋螺纹和反旋螺纹螺接的T形正旋螺母和T形反旋螺母，T形正旋螺母和T形反旋螺母分别嵌套在两滑块连接件中并形成紧配合，所述滑块连接件连接有将T形正旋螺母或T形反旋螺母紧压在其内的压板，所述螺杆与T形正旋螺母及T形反旋螺母均为单线梯形螺牙；

-驱动单元，设置在所述下槽内，包括电机、对电机的转速和角位移信息进行实时反馈的编码器、与电机输出端连接的减速器；

-同步带机构，设置在所述横梁端部与壳体侧壁之间的空间内，包括两齿轮数相等的带轮、与两带轮传动连接的同步带，其中一个带轮与所述减速器的输出端连接、另一个带轮与所述螺杆连接；

-接近传感器，设置在所述横梁上，由其中一个滑块连接件触发，用于标记零位、对所述滑块的运动进行软限位；

-控制器，设置在所述下槽内，对所述驱动单元进行控制；

-电气接口，设置在所述壳体上，用于所述电动执行器与外部电源连接、与多自由度机械臂通信。

2.根据权利要求1所述的模块化的电动执行器，其特征在于：还包括与所述横梁和减速器连接的L形支撑板，所述螺杆的一端及减速器的输出端穿过所述支撑板分别与两带轮连接，所述支撑板折弯的端部通过螺钉与壳体底部连接进行张紧。

3.根据权利要求2所述的模块化的电动执行器，其特征在于：所述螺杆的两端分别转动连接有安装在所述上槽内的轴承，其中一个轴承连接有对其轴向限位的轴套，另一个轴承与所述支撑板连接。

4.根据权利要求1所述的模块化的电动执行器，其特征在于：所述滑块与滑块连接件之间连接有滑动条，所述滑动条的一端逐渐变薄。

5.根据权利要求4所述的模块化的电动执行器，其特征在于：所述滑动条上设有凸台，所述滑块连接件上设有能够使所述凸台嵌入的凹槽。

6.根据权利要求1所述的模块化的电动执行器，其特征在于：所述夹爪的内侧面上设有两V形凸台。

7.根据权利要求1所述的模块化的电动执行器，其特征在于：所述壳体表面上设有多条窄槽。

8.根据权利要求7所述的模块化的电动执行器，其特征在于：所述壳体上设有多个用于安装过渡法兰盘的螺纹孔。

9.根据权利要求8所述的模块化的电动执行器，其特征在于：所述壳体的材质为铝合金，包括内部设有所述横梁的外壳以及安装在外壳周缘上的左封板、右封板和下封板。

10.根据权利要求1所述的模块化的电动执行器，其特征在于：所述T形正旋螺母与T形反旋螺母的材质均为高强度工程塑料。