CN108582149B - 一种机器人转动关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人转动关节，属于机器人技术领域。该转动关节包括轴承座、螺杆、滚轮、滑块、十字螺母、大齿轮、减速电机、输出轴、机座等，轴承座、减速电机、机座固定连接，螺杆一端由轴承支承于轴承座上，另一端由轴承支承于机座上，位于螺杆上的十字螺母可沿螺杆轴向移动，滚轮空套在十字螺母两侧的小轴上并随十字螺母移动；输出轴由轴承支承在机座的中心，与大齿轮固定连接，滚轮与大齿轮的齿廓啮合传递动力，与机座上的径向槽面接触的滑块精确周向定位滚轮。本发明机器人转动关节是改变现有机器人关节运动控制的关键部件，定位精度高，承载能力大，使用寿命长，结构紧凑，在高性能机器人装置中有重要的应用前景。

Description

一种机器人转动关节

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种机器人转动关节。

背景技术

工业机器人的转动关节是一个平面运动副，两个构件的相对运动转角小于360°，通常是往复的转动。对于高精度的工业机器人转动关节，目前主要采用电机和大速比减速器驱动，如多级行星传动减速器或谐波齿轮减速器等。为了满足机器人转动关节的重复定位精度和转动的运动精度要求，需要提高大速比减速器的加工精度和装配精度要求，存在高精度机器人转动关节的加工难度大、制造成本高的问题。由于大速比减速器的传动零件较多，传动零件的磨损直接影响转动关节的定位精度和工作稳定性。一旦传动系统零件发生磨损，如啮合面磨损，控制系统无法弥补产生的定位误差，必须更换减速器。因此，现有的高精度工业机器人转动关节存在所有传动零件磨损影响关节使用寿命的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人转动关节，解决现有机器人转动关节由大速比减速器驱动存在的不足，以期获得一种定位精度高，使用寿命长，制造成本低的机器人驱动关节。

本发明是通过以下技术方案予以实现的。

本发明一种机器人转动关节，包括螺杆、轴承座、十字螺母、推力轴承、径向轴承、滑块、滚轮、大齿轮、减速电机、从动齿轮、主动齿轮、中心轴承、输出轴、机座、左端盖、右端盖。所述螺杆沿圆周均匀分布且径向布置，数量为n(n≥4)，螺杆的外端轴径通过轴承与轴承座连接，内端轴径通过轴瓦与机座连接，螺杆的内端部与从动齿轮固定连接，螺杆中部螺纹与十字螺母连接，所述减速电机轴端固定的主动齿轮与从动齿轮啮合，形成机器人转动关节的传动系统。所述轴承座、减速电机和螺杆的轴线位于机座的轴向对称平面内，所述轴承座和减速电机的外壳与机座固定连接。所述十字螺母的轴线与螺杆轴线重合，十字螺母对称其轴线设置有径向小轴，该径向小轴的轴线与十字螺母的轴线垂直相交，且与输出轴的轴线平行。所述滑块是长方体结构，对称位于十字螺母的两侧，两个滑块的中心孔与十字螺母的径向小轴配合形成定位连接。所述滑块和滚轮两者的内孔直径相同，依次装入十字螺母的小轴上，与小轴形成可转动连接，所述滑块和滚轮关于十字螺母轴线对称布置。所述输出轴由中心轴承支承在机座的中心，在机座一侧设置输出轴伸或在机座两侧设置输出轴伸。所述大齿轮对称布置在机座的两侧，齿数为m(m≠n，m≥5)，两个大齿轮的轴线与输出轴的轴线重合，都与输出轴采用可拆固定连接。所述滚轮是轴对称的圆柱形结构，对称分布在机座的两侧，其轴线平行于输出轴的轴线，滚轮内孔与十字螺母的径向小轴配合形成可转动连接，两者的外圆面同时分别与两个大齿轮齿廓啮合。所述机座是圆盘形的轴对称结构，其中心阶梯形圆柱孔安装中心轴承，外圆上均布固定安装轴承座，周向设有均布的径向槽、径向孔和扇形通孔，三者的数量都为n，所述径向槽的两个侧面对称于螺杆轴线且与机座的中心线平行，所述径向槽的侧面与滑块外侧面接触，所述径向孔中固定安装减速电机，所述扇形通孔容纳主动齿轮和从动齿轮，所述径向槽的对称面与径向孔的中心线之间的夹角等于主动齿轮和从动齿轮的轴交角。所述左端盖和右端盖结构相同，位于机座的两侧，分别与机座固定连接，两者的中心孔与输出轴间隙配合，并由O形圈进行密封。

进一步的，所述的螺杆和十字螺母采用梯形螺纹或滚珠螺纹，所有螺杆和十字螺母的螺纹旋向相同。

进一步的，所述的主动齿轮和从动齿轮的速比为1，两者的齿部结构相同，采用直齿锥齿轮或螺旋形锥齿轮。

进一步的，所述的大齿轮的齿廓由圆弧、直线和渐开线组成，主工作齿廓为渐开线。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、转动关节定位精度高，转动平稳。由减速电机驱动螺杆带动十字螺母沿径向往复移动，十字螺母小轴上的滚轮直接与大齿轮接触，滚轮的移动控制输出轴转动；关节静止时，由于螺杆和螺母的自锁性，滚轮的位置精度不受电机至十字螺母的传动零件磨损所产生的齿侧间隙影响，因而具有很好的重复定位精度。大齿轮的前齿面和后齿面同时与两个或两个以上滚轮接触，大齿轮的位置不受输出轴上负载力矩方向变化的影响，因而具有很好的定位稳定性。关节转动时，由于传动系统速比大，实时检测十字螺母的位置，滚轮的微小移动量易于实时控制且不受传动系统传动零件磨损的影响，输出轴的转动定位精度高。

2、工作机构刚度大，承载能力大。由滚轮、滑块、十字螺母和大齿轮组成关节工作机构，输出轴上的负载力矩通过大齿轮与滚轮接触传递给十字螺母的小轴，其大部分经滑块传递给机座，传力路线较短，刚度较大；两个大齿轮和多组滚轮同时参与工作。因此，具有较大的承载能力。

3、结构紧凑，使用寿命长。关节传动系统沿圆周均布且采用一级锥齿轮传动，大大减小了关节的径向尺寸，大齿轮和滚轮的接触是滚动接触，磨损小，其它运动副可在闭式空间内获得很好的润滑，因而结构紧凑，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明机器人转动关节的主视结构示意图。

图2是本发明机器人转动关节的K-K剖面左视结构示意图。

图中：1：轴承座、2：推力轴承、3：径向轴承、4：螺杆、5：右端盖、6：滚轮、7：挡板、8：十字螺母、9：从动齿轮、10：轴瓦、11：O形圈、12：胀套、13：大齿轮、14：螺钉、15：减速电机、16：键、17：主动齿轮、18：中心轴承、19：输出轴、20：轴端螺栓、21：滑块、22：左端盖、23：机座、24：承载螺栓。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。

图1中四个螺杆4沿机座23圆周均匀分布，每个螺杆4外端支承于轴承座1中，内端支承于机座的孔中；滑块21安装在十字螺母8的小轴上，与机座23的径向槽间隙配合，可沿该径向槽往复径向移动。

四个减速电机15沿机座23圆周均布，每个减速电机输出轴上固定连接的主动齿轮17与固定于螺杆4的从动齿轮9啮合，减速电机15通过主动齿轮17和从动齿轮9啮合驱动螺杆4转动，带动十字螺母8沿螺杆轴线移动。

四个滚轮6安装在十字螺母小轴的轴端，可绕小轴的轴线转动；齿数为5的大齿轮13与输出轴19固定连接，可绕机座23中心转动，四个滚轮6交替与大齿轮13的前齿面和后齿面接触，推动大齿轮13绕其轴线转动。

图2中螺杆4的外端由径向轴承3和推力轴承2支承在轴承座1中，轴承座1通过承载螺栓24与机座23固定连接，螺杆4的内端由轴瓦10支承在机座23的孔中。

十字螺母8和螺杆4形成螺旋副，十字螺母两侧的小轴安装滑块21和滚轮6并由挡板7和轴端螺栓20进行轴向定位。从动齿轮9通过键16与螺杆4固定连接，输出轴19通过两个中心轴承18支承在机座23的中心孔中，位于机座23两侧的大齿轮13的内孔与输出轴19间隙配合并通过胀套12形成固定连接。

减速电机15的外壳通过螺钉14与机座23固定连接，其轴端通过轴瓦10支承在机座23的孔中，主动齿轮17通过键12与减速电机15的输出轴固定连接。

位于机座23两侧的左端盖22和右端盖5分别空套在输出轴19上，通过螺栓与机座23固定连接，O型圈11分别安装在左端盖22和右端盖5的密封槽中，以防润滑油泄漏。

当四个减速电机静止时，关节处于定位状态，至少有两个滚轮作用于大齿轮的前齿面和后齿面，能防止输出轴相对于机座转动。例如，在图1所示状态下，位于大齿轮13左、右两侧的滚轮分别作用于大齿轮的前齿面和后齿面，形成关节的可靠定位。

当四个减速电机按设定的运动规律转动时，四个滚轮交替与大齿轮的齿面接触，推动大齿轮转动，关节处于工作状态。例如，在图1所示状态下，位于大齿轮13上、下两侧的滚轮处于径向行程的极限状态，滚轮不工作，而大齿轮13左、右两侧的滚轮处于工作状态。当左滚轮向关节中移动时，上滚轮和右滚轮做离开关节中心移动，大齿轮13逆时针转动。反之，当右滚轮向关节中移动时，上滚轮和左滚轮做离开关节中心移动，大齿轮顺时针转动。因此，灵活控制四个电机的运动规律可实现关节的可靠定位和可逆转动。

Claims (4)

1.一种机器人转动关节，其特征在于：所述转动关节包括螺杆(4)、轴承座(1)、十字螺母(8)、推力轴承(2)、径向轴承(3)、滑块(21)、滚轮(6)、大齿轮(13)、减速电机(15)、从动齿轮(9)、主动齿轮(17)、中心轴承(18)、输出轴(19)、机座(23)、左端盖(22)、右端盖(5)；

所述螺杆(4)沿圆周均匀分布且径向布置，数量为n，n≥4，螺杆(4)的外端轴径通过轴承与轴承座(1)连接，内端轴径通过轴瓦与机座(23)连接，螺杆(4)的内端部与从动齿轮(9)固定连接，螺杆(4)中部螺纹与十字螺母(8)连接，所述减速电机(15)轴端固定的主动齿轮(17)与从动齿轮(9)啮合，形成机器人转动关节的传动系统；

所述轴承座(1)、减速电机(15)和螺杆(4)的轴线位于机座(23)的轴向对称平面内，所述轴承座(1)和减速电机(15)的外壳与机座(23)固定连接；

所述十字螺母(8)的轴线与螺杆(4)轴线重合，十字螺母(8)对称其轴线设置有径向小轴，该径向小轴的轴线与十字螺母(8)的轴线垂直相交，且与输出轴(19)的轴线平行；

所述滑块(21)是长方体结构，对称位于十字螺母(8)的两侧，两个滑块的中心孔与十字螺母(8)的径向小轴配合形成定位连接；

所述滑块(21)和滚轮(6)两者的内孔直径相同，依次装入十字螺母(8)的小轴上，与小轴形成可转动连接，所述滑块(21)和滚轮(6)关于十字螺母(8)轴线对称布置；

所述输出轴(19)由中心轴承(18)支承在机座(23)的中心，在机座(23)一侧设置输出轴伸或在机座(23)两侧设置输出轴伸；

所述大齿轮(13)对称布置在机座(23)的两侧，齿数为m，m≠n且≥5，两个大齿轮(13)的轴线与输出轴(19)的轴线重合，都与输出轴(19)采用可拆固定连接；

所述滚轮(6)是轴对称的圆柱形结构，对称分布在机座(23)的两侧，其轴线平行于输出轴(19)的轴线，滚轮(6)内孔与十字螺母(8)的径向小轴配合形成可转动连接，两者的外圆面同时分别与两个大齿轮(13)齿廓啮合；

所述机座(23)是圆盘形的轴对称结构，其中心阶梯形圆柱孔安装中心轴承(18)，外圆上均布固定安装轴承座(1)，周向设有均布的径向槽、径向孔和扇形通孔，三者的数量都为n，所述径向槽的两个侧面对称于螺杆(4)轴线且与机座(23)的中心线平行，所述径向槽的侧面与滑块(21)外侧面接触，所述径向孔中固定安装减速电机(15)，所述扇形通孔容纳主动齿轮(17)和从动齿轮(9)，所述径向槽的对称面与径向孔的中心线之间的夹角等于主动齿轮(17)和从动齿轮(9)的轴交角；

所述左端盖(22)和右端盖(5)结构相同，位于机座(23)的两侧，分别与机座(23)固定连接，两者的中心孔与输出轴(19)间隙配合，并由O形圈(11)进行密封。

2.根据权利要求1所述的机器人转动关节，其特征在于，所述的螺杆(4)和十字螺母(8)采用梯形螺纹或滚珠螺纹，所有螺杆(4)和十字螺母(8)的螺纹旋向相同。

3.根据权利要求1所述的机器人转动关节，其特征在于，所述的主动齿轮(17)和从动齿轮(9)的速比为1，两者的齿部结构相同，采用直齿锥齿轮或螺旋形锥齿轮。

4.根据权利要求1所述的机器人转动关节，其特征在于，所述的大齿轮(13)的齿廓由圆弧、直线和渐开线组成，主工作齿廓为渐开线。

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