CN107263453A - 一种多功能五轴机械臂工作站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能五轴机械臂工作站，包括底座、旋转台、后臂、中臂、前臂以及末端执行器，底座内固定连接有第二行星齿轮减速机，第二行星齿轮减速机的输出轴通过法兰与旋转台固接，后臂的底部通过法兰与第二涡轮蜗杆减速机的输出轴固接，后臂的顶部通过法兰与第一涡轮蜗杆减速机的输出轴固接，前臂通过法兰与第一行星齿轮减速机的输出轴固接，在前臂的自由端固接有伺服舵机，伺服舵机连接有夹具。本发明的机器臂具有五个自由度，使得打印工作更加灵活全面，并且对打印物体的侧面加工减少了二次加工，提高了3D打印的工作效率。各电机的输出轴直接作用于底座、后臂、中臂、前臂以及末端执行器，提高了打印的精度。

Description

一种多功能五轴机械臂工作站

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体的说，是指一种多功能五轴机械臂工作站。

背景技术

现有技术中机器人的机械臂技术是集中了机构学、信息学、传感技术及自动控制等多种学科而形成的高新技术，随着机械臂在生活、工业领域中的广泛应用，机械臂的方案设计被不断改进和创新，不断提高控制精度、稳定性和生产效率等性能，根据应用场合的不同，机械臂的设计方案也多种多样，尤其是机械臂在3D打印技术中的应用。其中，FDM熔融沉积成型工艺是现目前常用的3D打印技术制造工艺，其材料一般是以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。

但由于现有技术中配合FDM熔融沉积成型工艺3D打印机的机械臂只具有3个自由度，不能对打印物体的侧面进行打印加工，需要再次对打印物体的侧面进行二次加工才能完整成型，使得3D打印的工作效率降低。为了增加机械臂的自由度，大多机械臂采用连杆传动，而连杆放大了机械臂运动时的误差，这又使精度得不到保障。再者，现有技术中机械臂电机的安装位置，容易使机械臂在运动过程中产生较大的惯性力偶距，也对机械臂3D打印的精度造成了极大的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能五轴机械臂工作站，以解决现有技术中自由度少的机械臂在其运动过程中，对末端执行器控制精度不高的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

提供一种多功能五轴机械臂工作站，包括底座、旋转台、后臂、中臂、前臂以及末端执行器，所述底座内固定连接有第二行星齿轮减速机，旋转台与底座之间安装有a推力球轴承，第二行星齿轮减速机的输出轴通过法兰与旋转台固定连接，在旋转台的顶部固定连接有支架，支架内固定连接有第二涡轮蜗杆减速机，后臂的底部通过法兰与第二涡轮蜗杆减速机的输出轴固定连接，在中臂内固定连接有第一涡轮蜗杆减速机和第一行星齿轮减速机，后臂的顶部通过法兰与第一涡轮蜗杆减速机的输出轴固定连接，前臂通过法兰与第一行星齿轮减速机的输出轴固定连接，所述前臂的自由端固定连接有伺服舵机，伺服舵机的输出轴固定连接有用于固定末端执行器的夹具。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括控制箱，控制箱通过电缆线连接有安装在前臂上的插头，插头连接有安装在底座内的传感器信号处理器，并且插头还分别与伺服舵机、第一行星齿轮减速机、第一涡轮蜗杆减速机、第二涡轮蜗杆减速机、第二行星齿轮减速机以及末端执行器相连接，所述传感器信号处理器分别连接有用于检测第一行星齿轮减速机步数与第一涡轮蜗杆减速机步数的第一角度传感器、用于检测第二涡轮蜗杆减速机步数的第二角度传感器以及用于检测第二行星齿轮减速机步数的基准方向传感器和比较方向传感器，第一角度传感器安装在前臂上，第二角度传感器安装在后臂内，基准方向传感器和比较方向传感器安装在底座内。

进一步，所述末端执行器为金属打印头、机器手、笔、激光头或CNC电机。

进一步，所述末端执行器为金属打印头，在金属打印头内的物料管的外侧设有石墨管，石墨管的外侧设有保护气通道，保护气通道的外侧缠绕有感应圈。

进一步，所述感应圈通过外接ZVS开关电路驱动。

进一步，所述金属打印头的下方设有水冷装置，水冷装置包括半导体制冷片、水冷罐以及铜管，所述半导体制冷片的顶部设有吸热台，半导体制冷片的底部设有吸热底板，所述水冷罐的侧壁上分别开设有进水口与出水口，所述铜管呈螺旋盘状紧贴于吸热底板的底部，铜管两端分别与进水口、出水口密封连接。

进一步，所述水冷罐的下方设有水冷底座，在水冷底座内固定连接有第三行星齿轮减速机，水冷罐与水冷底座之间安装有b推力球轴承，所述第三行星齿轮减速机的输出轴通过法兰与水冷罐固定连接。

进一步，所述控制箱包括微型计算机、送料机构、水泵、触屏单元以及急停开关手柄，微型计算机分别与送料机构、水泵、触屏单元以及急停开关手柄相连接，送料机构与金属打印头相连接，水泵与进水口相连接。

进一步，所述前臂上还设有便于增加第六轴电机用的电机驱动以及启动金属打印头的触摸传感器，电机驱动通过紧固件预留安装在前臂上，触摸传感器与金属打印头相连接。

进一步，所述底座、旋转台、后臂、中臂以及前臂的材质均为聚甲基丙烯酸甲脂。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的机器臂具有五个自由度，分别是支架相对于底座的水平转动、后臂相对于支架的关节转动、中臂相对于后臂的关节转动、前臂相对于中臂的扭转以及末端执行器相对于前臂的摆动，使得打印工作更加灵活全面，其中，前臂相对于中臂的扭转能够实现机械臂对打印物体的侧面加工，减少了打印物体的二次加工，提高了3D打印的工作效率。

(2)本发明的底座、后臂、中臂、前臂以及末端执行器之间均是通过法兰与各电机直接连接，不同于现有技术中的机械臂通过连杆传动，使各电机减速器的输出轴直接作用于底座、后臂、中臂、前臂以及末端执行器，提高了机械臂运动过程中的精度，并且各电机均安装在相应零部件之内，避免了机械臂在运动过程中产生较大的惯性力偶距而影响其精度的问题。

(3)本发明的第一角度传感器、第二角度传感器、基准方向传感器以及比较方向传感器检测各电机的旋转角度，并通过传感器信号处理器反馈至控制箱，控制箱根据各电机的步数，自动控制后臂、中臂、前臂以及末端执行器的旋转角度。

(4)本发明在金属打印头内增设石墨管，使耗材不仅被金属打印头加热，同时还被石墨管辅助加热，提高了3D打印的效率，石墨管的保护气通道保护石墨管不被氧化，并且采用ZVS开关电路感应加热技术，可实现对低熔点金属的快速融化。

(5)本发明的水冷装置通过半导体制冷片的热电效应产生温差，使吸热台上形成较低的温度，吸收更多的热量，由于打印材料为金属，自身有很好的导热性，通过吸热台可以传导至整个打印件，对打印件进行快速的冷却。

(6)本发明的底座、后臂、中臂以及前臂均为聚甲基丙烯酸甲脂，不同于现有技术中采用铝合金材料的机械臂，聚甲基丙烯酸甲脂是一种高硬度树脂材料，具有硬度高、刚体性能好、质量轻、绝缘、阻燃、美观的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为金属打印头的剖视图；

图3为水冷装置的结构示意图；

图4为铜管安装在吸热底板上的结构示意图；

图5为ZVS开关电路的电路原理图；

图6为机械臂、水冷装置以及控制箱安装在外壳内的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件如下：

1、底座，2、旋转台，3、后臂，4、中臂，5、前臂，6、伺服舵机，7、第一行星齿轮减速机，8、第一涡轮蜗杆减速机，9、第二涡轮蜗杆减速机，10、第二行星齿轮减速机，11、夹具，12、末端执行器，121、石墨管，122、保护气通道，123、物料管，124、感应圈，13、插头，14、a推力球轴承，15、支架，16、吸热台，17、半导体制冷片，18、吸热底板，19、进水口，20、出水口，21、水冷罐，22、b推力球轴承，23、第三行星齿轮减速机，24、水冷底座，25、铜管，26、控制箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

一种多功能五轴机械臂工作站，如图1至图5所示，包括底座1、旋转台2、后臂3、中臂4、前臂5以及末端执行器12，在底座1内固定连接有第二行星齿轮减速机10，旋转台2与底座1之间安装有a推力球轴承14，第二行星齿轮减速机10的输出轴通过法兰与旋转台2固定连接，在旋转台2的顶部固定连接有支架15，第二行星齿轮减速机10驱动支架15在底座1上水平转动。支架15内固定连接有第二涡轮蜗杆减速机9，后臂3的底部通过法兰与第二涡轮蜗杆减速机9的输出轴固定连接，从而使后臂能够在支架15上竖直转动。中臂4内固定连接有第一涡轮蜗杆减速机8和第一行星齿轮减速机7，其中，后臂3的顶部通过法兰与第一涡轮蜗杆减速机8的输出轴固定连接，以使中臂4能够在后臂3与中臂4的平面内转动；前臂5通过法兰与第一行星齿轮减速机7的输出轴固定连接，以使前臂5能够相对于中臂4扭转。前臂5的自由端固定连接有伺服舵机6，伺服舵机6的输出轴固定连接有夹具11，夹具11夹持末端执行器12，伺服舵机6能够带动末端执行器12摆动。

本发明的机械臂还包括插头13、控制箱26、传感器信号处理器、用于检测第一行星齿轮减速机7步数与第一涡轮蜗杆减速机8步数的第一角度传感器、用于检测第二涡轮蜗杆减速机9步数的第二角度传感器以及用于检测第二行星齿轮减速机10步数的基准方向传感器和比较方向传感器。其中，控制箱26中用于机械臂的处理芯片采用STM32F746，用于机械臂的控制芯片采用ATMEGA2560，传感器信号处理器的芯片为TCA9548，第一角度传感器与第二角度传感器均采用MPU6050，基准方向传感器与比较方向传感器均采用QMC5883L。插头13与第一角度传感器安装在前臂5上，第二角度传感器安装在后臂3内，传感器信号处理器、基准方向传感器以及比较方向传感器安装在底座1内。第一角度传感器、第二角度传感器、基准方向传感器以及比较方向传感器均与传感器信号处理器相连接，伺服舵机6、第一行星齿轮减速机7、第一涡轮蜗杆减速机8、第二涡轮蜗杆减速机9、第二行星齿轮减速机10、末端执行器12以及传感器信号处理器均与插头13相连接，插头13通过电缆线与控制箱26内的芯片相连接。

本发明的末端执行器12可以夹持金属打印头、机器手、笔、激光头或CNC电机，例如：夹持金属打印头可以进行3D打印，夹持机器手可以进行搬运零件、焊接电路板，夹持笔能够作图、绘画，夹持激光头可以进行激光雕刻，夹持CNC电机可以进行机械加工，因此，使械臂的应用范围更广泛。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步改进，如图2所示，末端执行器12为金属打印头时，在金属打印头内的物料管123的外侧设有石墨管121，石墨管121的外侧设有保护气通道122，保护气通道122的外侧缠绕有感应圈124，感应圈124通过外接ZVS开关电路驱动。ZVS开关电路的电路图如图5所示，图中L1、L2分别与感应圈124相连接，感应圈采用铜线制作而成，±48V与电源相连接，通过ZVS开关电路实现高效率的中频感应逆变，石墨管121通过自身感应出来的电流产生焦耳热，使物料被迅速融化，液态的金属通过喷头被挤出，感应圈内的保护气通道122中充入干燥的氮气，一方面能够隔热，另一方面防止石墨管121的氧化。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步改进，如图3、图4所示，金属打印头的下方设有水冷装置，水冷装置包括半导体制冷片17、水冷罐21以及铜管25，半导体制冷片17的顶部设有吸热台16，半导体制冷片17的底部设有吸热底板18，水冷罐21的侧壁上分别开设有进水口19与出水口20，铜管25呈螺旋盘状紧贴于吸热底板18的底部，铜管25两端分别与进水口19、出水口20密封连接。在水冷罐21的下方还设有水冷底座24，在水冷底座24内固定连接有第三行星齿轮减速机23，水冷罐21与水冷底座24之间安装有b推力球轴承22，第三行星齿轮减速机23的输出轴通过法兰与水冷罐21固定连接。

液态金属通过半导体制冷片17构成的热电冷却单元快速冷却，半导体制冷片17的热电效应产生温差，使吸热台16上形成较低的温度，吸收更多的热量，由于打印材料为金属，自身有很好的导热性，通过吸热台16可以传导至整个打印物体，从而使被打印物体迅速成型。铜管25呈螺旋盘状紧贴于吸热底板18的底部，能够使冷水的温度最大限度的传递至吸热底板18。此外，第三行星齿轮减速机23驱动水冷罐21水平转动，使本发明的机械臂可在计算机的控制下进一步实现打印物体的侧面打印。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步改进，上述控制箱26还包括微型计算机、送料机构、水泵、触屏单元以及急停开关手柄，微型计算机主要由上述STM32F746的机械臂处理芯片与ATMEGA2560的机械臂控制芯片组成，并且微型计算机分别与送料机构、水泵、触屏单元以及急停开关手柄相连接，送料机构与金属打印头相连接，水泵与进水口19相连接。前臂5上还设有便于增加第六轴电机用的电机驱动以及启动金属打印头的触摸传感器，电机驱动通过紧固件预留安装在前臂5上，触摸传感器与金属打印头相连接。

上述TCA9548的传感器信号处理器将第一角度传感器、第二角度传感器、基准方向传感器以及比较方向传感器的信息反馈至微型计算机，机械臂通过微型计算机的控制自动按照模型进行打印。送料机构对金属打印头送料，水泵使冷水依次由进水口19、铜管25以及出水口20进行循环。

另外，上述底座1、旋转台2、后臂3、中臂4以及前臂5的材质均为聚甲基丙烯酸甲脂，聚甲基丙烯酸甲脂是一种高硬度树脂材料，具有硬度高、刚体性能好、质量轻、绝缘、阻燃、美观的优点。机械臂上法兰的安装板、电机的安装板均采用三氯甲烷溶解粘接，能够使机械臂的结构更加结实，并且减少结构机械性松动，进一步提高机械臂运动时的精度。上述法兰均为航空铝合金制成的法兰，具有精密、减小扭转变形的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：包括底座(1)、旋转台(2)、后臂(3)、中臂(4)、前臂(5)以及末端执行器(12)，所述底座(1)内固定连接有第二行星齿轮减速机(10)，旋转台(2)与底座(1)之间安装有a推力球轴承(14)，第二行星齿轮减速机(10)的输出轴通过法兰与旋转台(2)固定连接，在旋转台(2)的顶部固定连接有支架(15)，支架(15)内固定连接有第二涡轮蜗杆减速机(9)，后臂(3)的底部通过法兰与第二涡轮蜗杆减速机(9)的输出轴固定连接，在中臂(4)内固定连接有第一涡轮蜗杆减速机(8)和第一行星齿轮减速机(7)，后臂(3)的顶部通过法兰与第一涡轮蜗杆减速机(8)的输出轴固定连接，前臂(5)通过法兰与第一行星齿轮减速机(7)的输出轴固定连接，所述前臂(5)的自由端固定连接有伺服舵机(6)，伺服舵机(6)的输出轴固定连接有用于固定末端执行器(12)的夹具(11)。

2.根据权利要求1所述的多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：还包括控制箱(26)，控制箱(26)通过电缆线连接有安装在前臂(5)上的插头(13)，插头(13)连接有安装在底座(1)内的传感器信号处理器，并且插头(13)还分别与伺服舵机(6)、第一行星齿轮减速机(7)、第一涡轮蜗杆减速机(8)、第二涡轮蜗杆减速机(9)、第二行星齿轮减速机(10)以及末端执行器(12)相连接，所述传感器信号处理器分别连接有用于检测第一行星齿轮减速机(7)步数与第一涡轮蜗杆减速机(8)步数的第一角度传感器、用于检测第二涡轮蜗杆减速机(9)步数的第二角度传感器以及用于检测第二行星齿轮减速机(10)步数的基准方向传感器和比较方向传感器，第一角度传感器安装在前臂(5)上，第二角度传感器安装在后臂(3)内，基准方向传感器和比较方向传感器安装在底座(1)内。

3.根据权利要求2所述的多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：所述末端执行器(12)为金属打印头、机器手、笔、激光头或CNC电机。

4.根据权利要求3所述的多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：所述末端执行器(12)为金属打印头，在金属打印头内的物料管(123)的外侧设有石墨管(121)，石墨管(121)的外侧设有保护气通道(122)，保护气通道(122)的外侧缠绕有感应圈(124)。

5.根据权利要求4所述的多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：所述感应圈(124)通过外接ZVS开关电路驱动。

6.根据权利要求5所述的多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：所述金属打印头的下方设有水冷装置，水冷装置包括半导体制冷片(17)、水冷罐(21)以及铜管(25)，所述半导体制冷片(17)的顶部设有吸热台(16)，半导体制冷片(17)的底部设有吸热底板(18)，所述水冷罐(21)的侧壁上分别开设有进水口(19)与出水口(20)，所述铜管(25)呈螺旋盘状紧贴于吸热底板(18)的底部，铜管(25)两端分别与进水口(19)、出水口(20)密封连接。

7.根据权利要求6所述的多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：所述水冷罐(21)的下方设有水冷底座(24)，在水冷底座(24)内固定连接有第三行星齿轮减速机(23)，水冷罐(21)与水冷底座(24)之间安装有b推力球轴承(22)，所述第三行星齿轮减速机(23)的输出轴通过法兰与水冷罐(21)固定连接。

8.根据权利要求7所述的多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：所述控制箱(26)包括微型计算机、送料机构、水泵、触屏单元以及急停开关手柄，微型计算机分别与送料机构、水泵、触屏单元以及急停开关手柄相连接，送料机构与金属打印头相连接，水泵与进水口(19)相连接。

9.根据权利要求8所述的多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：所述前臂(5)上还设有便于增加第六轴电机用的电机驱动以及启动金属打印头的触摸传感器，电机驱动通过紧固件预留安装在前臂(5)上，触摸传感器与金属打印头相连接。

10.根据权利要求1至9任一项所述的多功能五轴机械臂工作站，其特征在于：所述底座(1)、旋转台(2)、后臂(3)、中臂(4)以及前臂(5)的材质均为聚甲基丙烯酸甲脂。