CN108098826A - 一种大型工业机器人液压伺服关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业机器人液压伺服关节装置，包括液压伺服关节壳体、双螺旋传动装置、伺服关节角度测量装置。液压伺服关节壳体包括输出法兰端盖、油缸壳体，进油腔进油口与回油腔进油口，输出法兰端盖与油缸壳体紧固。双螺旋传动装置包括螺旋轴套、空心螺杆、输出螺杆、壳体端盖。输出螺杆与壳体端盖通过紧固螺纹连接，空心螺杆外螺纹与螺旋轴套内螺纹构成第一级螺旋副；空心螺杆内螺纹与输出螺杆外螺纹构成第二级螺旋副，一二级螺旋副旋向相反。关节角度测量装置包括通孔编码器，编码器连接轴盖、固定套筒，编码器罩壳。本发明装置采用通孔编码器内置安装方法，液压伺服关节整体具有结构紧凑，尺寸减小，运行平稳，控制精度高等特点。

Description

一种大型工业机器人液压伺服关节

技术领域

本发明涉及一种大型工业机器人液压伺服关节，属于工业机器人技术领域。

背景技术

随着工业工程技术的进步，工业机器人在建筑、制造、搬运等行业得到了大力的发展。在工业机器人领域中，机器人关节是整个系统的核心部件，其结构、重量、精度等性能好坏直接影响到机器人的性能。目前工业机器人关节普遍采用RV减速器的传动方式，RV减速器虽然控制精度高，但价格昂贵，寿命较短；且选用电动机作为机器人关节的动力驱动源，不能够承受较大载荷，不适用于水下等特殊工程作业环境中。目前国外对液压伺服关节驱动关节的研究已相当成熟，而国内尚未出现以液压伺服关节作为工业机器人关节单元的系列产品。

双螺旋摆动油缸是一种利用大螺旋升角将空心螺杆直线运动转化为输出轴旋转运动的液压执行元件。它将液压推动力转化为输出扭矩，目前广泛应用于工程与港口机械等大型工程机械上。由于其体积小，重量轻，传动精度高等特点，在液压机器人领域中，螺旋摆动油缸已普遍应用于旋转液压关节中。目前工业机器人领域对运动控制精度要求极高，控制精度通常要求在毫米量级以内，为了提高机器人旋转液压关节的控制精度，迫切需要设计一种高精度的旋转液压伺服关节。

发明专利：“一种可连续旋转的自伺服液压机器人关节”（授权公告号：CN104179746）提出了一种液压伺服关节技术方案。伺服电机的输出轴与阀芯通过轴线键连接，阀芯套在阀套内，通过伺服电机的转动控制阀体内转子，从而实现液压伺服360°连续旋转。该装置能实现液压伺服关节连续选择，但装置系统组成十分复杂，且伺服关节输出扭矩不大，不适用于大型工业机器人液压关节。

实用新型专利“带内装角度变位传感器的伺服摆动油缸”（授权公告号:CN2495838Y）提出了一种自带角度传感器的伺服关节结构，该结构中将叶片式摆动油缸输出轴通过联轴器与角度编码器相连，将伺服摆动油缸的角度变化直接传送给角度传感器，但该装置由于叶片式摆动油缸尺寸大，且摆动油缸存在很大内部泄漏，不适用作为高控制精度的机器人液压伺服关节。

发明内容

本发明的目的在于旨在解决上述技术缺陷，提出一种结构简单，尺寸紧凑，安装便捷，又满足控制精度的大型工业机器人液压伺服关节。

为实现上述目的，本发明专利采用的技术方案是：一种大型工业机器人液压伺服关节，包括液压伺服关节壳体、双螺旋传动装置和伺服关节角度测量装置，其中：

所述液压伺服关节壳体包括输出法兰端盖、油缸壳体、进油腔进油口与回油腔回油口，输出法兰端盖与油缸壳体通过螺纹副紧固连接，并通过销钉Ⅰ保证输出法兰端盖与油缸壳体之间不会发生相对转动，油缸壳体内设置有进油腔和回油腔，相应的，油缸壳体上设置有进油腔进油口与回油腔回油口；

所述双螺旋传动装置包括螺旋轴套、空心螺杆、输出螺杆和壳体端盖，双螺旋传动装置位于液压伺服关节壳体内，螺旋轴套与油缸壳体内壁焊成一个整体，空心螺杆穿过螺旋轴套，空心螺杆中部空心，输出螺杆整体插入空心螺杆内，输出螺杆一端与壳体端盖通过紧固螺纹连接，并用销钉Ⅱ保证二者之间不会发生相对转动，输出螺杆与壳体端盖之间通过非金属平垫，实现了轴向定位；空心螺杆外螺纹与螺旋轴套内螺纹构成第一级螺旋副；空心螺杆内螺纹与输出螺杆外螺纹构成第二级螺旋副，第一级螺旋副和第二级螺旋副旋转方向相反；空心螺杆将油缸内腔分割成两个环状内腔：即为进油腔与回油腔；进油腔与进油腔进油口相连，回油腔与回油腔回油口相连；

所述伺服关节角度测量装置包括通孔编码器，编码器连接轴盖、固定套筒，编码器罩壳，编码器连接轴盖左端通过连接螺栓与壳体端盖紧固，右侧轴端与通孔编码器通孔实现过盈配合，并通过螺钉紧固；固定套筒通过紧定螺钉与油缸壳体紧固，编码器罩壳通过开槽沉头螺钉与固定套筒、通孔编码器紧固。

本发明中，所述空心螺杆外缘面与油缸壳体内腔连接处设置有T型圈Ⅰ与挡圈Ⅰ，进行密封，空心螺杆内侧与所述输出螺杆间设置有T型圈Ⅱ与挡圈Ⅱ，进行密封。

本发明中，所述输出螺杆左端轴肩与所述输出法兰端盖间设置有O型圈Ⅰ，进行密封。

本发明中，所述输出螺杆右侧与所述壳体端盖间设置有O型圈Ⅲ和挡圈Ⅲ，进行密封。

本发明中，所述油缸壳体左端面与所述输出法兰端盖之间设置有O型圈Ⅱ，进行密封。

本发明中，所述输出螺杆与所述油缸壳体内腔处设置有Y型圈Ⅰ密封与导向环Ⅰ。

本发明中，所述输出螺杆左侧端面与所述输出法兰端盖间设置有非金属平垫Ⅰ。

本发明中，所述油缸壳体与所述壳体端盖之间设置有非金属平垫Ⅱ与O型圈Ⅳ。

本发明机器人液压伺服关节的工作原理是：液压油源通过进油腔进油口流入至进油腔，进油腔液压油压力大于回油腔压力，液压力推动空心螺杆向右移动，通过双螺旋传动装置驱动输出螺杆逆时针旋转输出。当液压油源通过回油腔回油口进入回油腔，液压力推动空心螺杆向左移动，通过双螺旋传动装置驱动输出螺杆顺时针旋转输出。输出法兰端盖与输出螺杆紧固。输出法兰端盖上均布有8个安装孔，通过法兰紧固螺栓与机器人关节臂紧固，输出螺杆左侧为花键，通过花键连接将驱动扭矩输出，驱动机器人关节臂进行角度摆动。

在输出螺杆驱动过程中，输出螺杆角度信号通过编码器连接轴盖传递给通孔编码器，通孔编码器在跟随输出螺杆旋转过程中，将液压伺服关节角度信息以电信号形式通过电缆输出。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用通孔角度编码器内置的安装方法，液压伺服关节尺寸减小，结构紧凑，适用于对安装空间要求高的工程场合。

2.本发明采用双螺旋摆动油缸作为液压伺服关节执行机构，运行平稳，输出扭矩大，可实现180°大摆动角度输出。

3.本发明装置，摆动油缸内部采用多道动密封与静密封，内部泄漏小，容积效率高。角度传感器采用高精度角度编码器，所述输出螺杆直接将角度信号传递给传感器，可靠性高，液压伺服关节控制精度高。

附图说明

图1为本发明液压伺服关节整体结构剖视图及其局部放大图，表示出了液压伺服关节的内部结构。其中：（a）为整体结构剖视图，（b）为局部放大图Ⅰ，（c）为局部放大图Ⅱ，（d）为局部放大图Ⅲ。

图2为本发明液压伺服关节的局部俯视示意图。

图3为本发明液压伺服关节的左视示意图。

图中标号：101—输出法兰端盖，102—油缸壳体，103—销钉Ⅰ，104—法兰紧固螺栓，105—进油腔进油口，106—平衡阀安装螺纹孔，107—回油腔回油口，108—油塞螺栓，201—输出螺杆，202—空心螺杆，203—螺旋轴套，204—壳体端盖，205—O型圈Ⅰ，206—非金属平垫Ⅰ，207—O型圈Ⅱ，208—导向环Ⅰ，209—Y型圈Ⅰ，210—挡圈Ⅰ，211—T型圈Ⅰ，212—T型圈Ⅱ，213—挡圈Ⅱ，214—挡圈Ⅲ，215—O型圈Ⅲ，216—导向环Ⅱ，217—Y型圈Ⅱ，218—非金属平垫Ⅱ，219—O型圈Ⅳ，220—销钉Ⅱ，301—编码器连接轴盖，302—通孔编码器，303—固定套筒，304—编码器罩壳，305—连接螺栓，306—组合垫圈，307—紧定螺钉，308—开槽沉头螺钉。

具体实施方式

下面结合附图通过对实施例的描述给出本发明的细节，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。本发明以某液压机器人液压伺服关节为例进行说明，应当理解，本发明的安装装置及安装方法同样适用于其他设备的安装。

实施例1：

本发明装置各部件的结构组成叙述如下：

如图1，图2和图3所示，所述液压伺服关节包含如下装置：液压伺服关节壳体、双螺旋传动装置和伺服关节角度测量装置。所述液压伺服关节壳体包括关节壳体输出法兰端盖101、油缸壳体102、进油腔进油口105和回油腔回油口107。输出法兰端盖101与油缸壳体102通过螺纹副连接紧固，并同销钉Ⅰ103保证二者之间不会发生相互转动。油缸壳体102上具有三个平衡阀安装螺纹孔106，用于液压平衡阀的固定安装。输出法兰端盖101上均布有8个安装孔，通过法兰紧固螺栓104与机器人关节臂紧固。油缸壳体102上具有进油腔进油口105和回油腔回油口107，所述进油腔进油口105和回油腔回油口107分别设置油塞螺栓108，分别用于进油腔、回油腔的注油和放油。

所述双螺旋传动装置包括输出螺杆201、空心螺杆202、螺旋轴套203与壳体端盖204。所述双螺旋传动装置位于油缸壳体102内，其中：输出螺杆201右端具有梯形传动螺纹，左端为花键形式。螺旋轴套203与油缸壳体102具有相同轴线，通过电焊方式固定在油缸壳体102缸体内壁上，空心螺杆202位于螺旋轴套203内，输出螺杆201、空心螺杆202与螺旋轴套203具有相同轴线，空心螺杆202外螺纹与螺旋轴套203内螺纹啮合，空心螺杆202内螺纹与输出螺杆201外螺纹啮合。

如图1局部放大图Ⅰ所示，输出螺杆201左端轴肩与输出法兰端盖101之间具有O型圈Ⅰ起到防泄漏密封作用，输出螺杆201端面处与输出法兰端盖101之间具有非金属平垫Ⅰ206进行轴向定位；油缸壳体102左端面与输出法兰端盖101之间具有O型圈Ⅱ207，起到防泄漏密封作用；输出螺杆201右侧与油缸壳体102内腔左侧处具有导向环Ⅰ208与Y型圈Ⅰ209，起到导向与密封防泄漏作用。

如图1局部放大图Ⅱ所示，空心螺杆202外缘面与油缸壳体102内腔连接处具有挡圈Ⅰ210与T型圈Ⅰ211，挡圈Ⅰ210套于T型圈Ⅰ211上；空心螺杆202内侧与输出螺杆201之间具有T型圈Ⅱ212与挡圈Ⅱ213，挡圈Ⅱ213套于T型圈Ⅱ212上，起到密封防泄漏作用。

如图1局部放大图Ⅲ所示，输出螺杆201与壳体端盖204之间通过螺旋副连接紧固，并通过销钉Ⅱ220保证二者之间不会发生相对转动。输出螺杆201右侧与壳体端盖204内腔处具有挡圈Ⅲ214与O型圈Ⅲ215；壳体端盖204与油缸壳体102内腔右侧处具有导向环Ⅱ216与Y型圈217，起到导向与密封防泄漏作用；油缸壳体102与壳体端盖204之间具有非金属平垫Ⅱ218起到轴向定位作用，油缸壳体102内腔右侧处与壳体端盖204外缘面具有O型圈Ⅳ，起到防尘作用。

所述伺服关节角度测量装置包括编码器连接轴盖301、通孔编码器302、固定套筒303与编码器罩壳304。编码器连接轴盖301左端通过连接螺栓305与壳体端盖204紧固，编码器连接轴盖301与壳体端盖204之间具有组合垫圈306。编码器连接轴盖301右侧轴端与通孔编码器302通孔实现过盈配合，并通过螺钉紧固。固定套筒303通过紧定螺钉307与油缸壳体102紧固，编码器罩壳304通过开槽沉头螺钉308与固定套筒303、通孔编码器302紧固。

本发明的具体工作过程如下：液压油源经过进油腔进油口105流入至进油腔壳体内的进油腔，进油腔液压油压力大于回油腔压力，液压力推动空心螺杆202向右移动，由于空心螺杆202与螺旋轴套203的螺旋副啮合作用，空心螺杆202即作轴线直线运动，又做逆时针旋转运动，同时空心螺杆202与输出螺杆201也具有一级螺旋副啮合作用，空心螺杆202旋转运动传递给输出螺杆201，同时空心螺杆202的向右轴线运动也带动输出螺杆201作逆时针旋转运动，通过两级螺旋副的放大作用，只要较小的工作行程，就可以得到较大输出旋转角度。同理当液压油通过回油腔回油口107流入回油腔，液压力推动空心螺杆202向左运动，驱动输出螺杆201顺时针旋转输出。

输出法兰端盖101与油缸壳体102紧固。输出法兰端盖101上均布有8个安装孔，通过法兰紧固螺栓104与机器人关节臂紧固，输出螺杆201左侧为花键，通过花键连接将驱动扭矩输出，驱动机器人关节臂进行角度摆动。

在输出螺杆201驱动过程中，输出螺杆201的角度信号通过编码器连接轴盖301传递给通孔编码器302，通孔编码器302在跟随输出螺杆201旋转过程中，将液压伺服关节角度信息以电信号形式通过电缆输出。

以上结合附图和实施例详细描述了本发明的具体实施方式，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大型工业机器人液压伺服关节，包括液压伺服关节壳体、双螺旋传动装置和伺服关节角度测量装置，其特征在于：

所述液压伺服关节壳体包括输出法兰端盖、油缸壳体、进油腔进油口与回油腔回油口，输出法兰端盖与油缸壳体通过螺纹副紧固连接，并通过销钉Ⅰ保证输出法兰端盖与油缸壳体之间不会发生相对转动，油缸壳体内设置有进油腔和回油腔，相应的，油缸壳体上设置有进油腔进油口与回油腔回油口；

所述双螺旋传动装置包括螺旋轴套、空心螺杆、输出螺杆和壳体端盖，双螺旋传动装置位于液压伺服关节壳体内，螺旋轴套与油缸壳体内壁焊成一个整体，空心螺杆穿过螺旋轴套，空心螺杆中部空心，输出螺杆整体插入空心螺杆内，输出螺杆一端与壳体端盖通过紧固螺纹连接，并用销钉Ⅱ保证二者之间不会发生相对转动，输出螺杆与壳体端盖之间通过非金属平垫，实现了轴向定位；空心螺杆外螺纹与螺旋轴套内螺纹构成第一级螺旋副；空心螺杆内螺纹与输出螺杆外螺纹构成第二级螺旋副，第一级螺旋副和第二级螺旋副旋转方向相反；空心螺杆将油缸内腔分割成两个环状内腔：即为进油腔与回油腔；进油腔与进油腔进油口相连，回油腔与回油腔回油口相连；

所述伺服关节角度测量装置包括通孔编码器，编码器连接轴盖、固定套筒，编码器罩壳，编码器连接轴盖左端通过连接螺栓与壳体端盖紧固，右侧轴端与通孔编码器通孔实现过盈配合，并通过螺钉紧固；固定套筒通过紧定螺钉与油缸壳体紧固，编码器罩壳通过开槽沉头螺钉与固定套筒、通孔编码器紧固。

2.根据权利要求1所述的大型工业机器人液压伺服关节，其特征在于：所述空心螺杆外缘面与油缸壳体内腔连接处设置有T型圈Ⅰ与挡圈Ⅰ，进行密封，空心螺杆内侧与所述输出螺杆间设置有T型圈Ⅱ与挡圈Ⅱ，进行密封。

3.根据权利要求1所述的大型工业机器人液压伺服关节，其特征在于：所述输出螺杆左端轴肩与所述输出法兰端盖间设置有O型圈Ⅰ，进行密封。

4.根据权利要求1所述的大型工业机器人液压伺服关节，其特征在于：所述输出螺杆右侧与所述壳体端盖间设置有O型圈Ⅲ和挡圈Ⅲ，进行密封。

5.根据权利要求1所述的大型工业机器人液压伺服关节，其特征在于：所述油缸壳体左端面与所述输出法兰端盖之间设置有O型圈Ⅱ，进行密封。

6.根据权利要求1所述的大型工业机器人液压伺服关节，其特征在于：所述输出螺杆与所述油缸壳体内腔处设置有Y型圈Ⅰ密封与导向环Ⅰ。

7.根据权利要求1所述的大型工业机器人液压伺服关节，其特征在于：所述输出螺杆左侧端面与所述输出法兰端盖间设置有非金属平垫Ⅰ。

8.根据权利要求1所述的大型工业机器人液压伺服关节，其特征在于：所述油缸壳体与所述壳体端盖之间设置有非金属平垫Ⅱ与O型圈Ⅳ。