CN110497399A - 一种三旋转自由度定位工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三旋转自由度定位工业机器人，包括旋转台、翻转架和旋转箱，翻转架安装在旋转台上，翻转架包括两支承架一和支承架二，旋转箱可旋转地连接在两支承架一和支承架二间，旋转箱通过杯型谐波减速器连接到从动轴一，从动轴一可旋转地连接在支承架一上，通过同步带传动机构一连接到翻转电机，翻转电机固定连接在支承架一上，旋转箱一侧可旋转地连接有从动齿轮轴，从动齿轮轴外端固定连接有法兰，内端通过锥齿轮传动机构连接到主动齿轮轴一端，主动齿轮轴可旋转地连接在旋转箱，主动齿轮轴另一端连接有驱动机构。本发明能够满足底部360°旋转，旋转箱270°翻转，法兰180°的旋转，能够用于搬运、焊接、喷涂制造等作业，定位精度高，承载能力强。

Description

一种三旋转自由度定位工业机器人

技术领域

本发明涉及一种三旋转自由度定位工业机器人，属于定位机器人技术领域。

背景技术

三旋转自由度定位机器人是属于工业机器人的一种工业机器人在我国的使用情况中，汽车及其零配件占有很大的份额，而在其他行业里，工业机器人的应用还非常的欠缺，比如在芯片、光伏、LED、生化制药等领域，所以说，我国的工业机器人技术还有待大大提高。

在工业产业中的定位机器人，承载能力、定位精度差，尤其是在加工制造领域，对于定位机器人的定位精度和承载能力要求更高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种三旋转自由度定位工业机器人，以解决上述现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种三旋转自由度定位工业机器人，包括旋转台、翻转架和旋转箱，翻转架安装在旋转台上，翻转架采用两对称的支承架一和支承架二，旋转箱两端可旋转地连接在两支承架一和支承架二间，旋转箱一端通过杯型谐波减速器连接到从动轴一，从动轴一可旋转地连接在支承架一上，且伸出支承架一后通过同步带传动机构一连接到翻转电机，翻转电机固定连接在支承架一上，旋转箱一侧面中部可旋转地连接有从动齿轮轴，从动齿轮轴外端固定连接有法兰，内端通过锥齿轮传动机构连接到主动齿轮轴一端，主动齿轮轴可旋转地连接在旋转箱另一端，主动齿轮轴另一端连接有驱动机构。

优选的，上述同步带传动机构一包括从动皮带轮一、主动皮带轮一、同步皮带一和主动轴一，从动皮带轮一固定连接在从动轴一上，主动皮带轮一固定连接在主动轴一上，同步皮带一套接在从动皮带轮一和主动皮带轮一，主动轴一可旋转地连接在支承架一下部，内端穿过支承架一后固定连接翻转电机。

优选的，上述驱动机构包括法兰轴、谐波减速器一和从动轴二，法兰轴一端通过联轴器连接到主动齿轮轴，另一端连接到谐波减速器一的输出一端，杯型谐波减速器一的输入端连接从动轴二，从动轴二可旋转地连接在支承架二上，且伸出支承架二后通过同步带传动机构二连接到驱动步进电机，驱动步进电机固定连接在支承架二上。

优选的，上述同步带传动机构二包括从动皮带轮二、主动皮带轮二、同步皮带二和主动轴二，从动皮带轮二固定连接在从动轴二上，主动皮带轮一固定连接在主动轴二上，同步皮带二套接在从动皮带轮二和主动皮带轮二，主动轴二可旋转地连接在支承架二下部，内端穿过支承架二后固定连接驱动步进电机。

优选的，上述主动齿轮轴通过一对轴承一连接到轴承套杯一上，轴承套杯一固定连接在旋转箱右端内侧设置的套筒上。

优选的，上述旋转箱上下侧设置有顶盖和底盖，顶盖中部固定连接有轴承套杯二，轴承套杯二通过一对轴承二可旋转地连接到从动齿轮轴。

优选的，上述旋转台包括底座、谐波减速器二、旋转电机和旋转圆盘，底座为下端开口的空腔结构，旋转圆盘可旋转地连接在底座上端，底部通过谐波减速器二连接到旋转电机，旋转电机固定连接在底座上。

优选的，上述旋转圆盘通过十字交叉滚子轴承连接到底座的台阶孔一上。

优选的，上述旋转电机通过法兰盘连接到底座的台阶孔二上，谐波减速器二的钢轮固定连接在法兰盘上，柔轮固定连接到旋转圆盘，波发生器连接到旋转电机的电机轴。

优选的，上述底座侧面设置有底盖。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

（1）本发明采用旋转台、翻转架和旋转箱构成的三自由度旋转定位机器人，能够满足底部360°旋转，旋转箱270°翻转，法兰180°的旋转，能够用于搬运、焊接、喷涂制造等作业，定位精度高，承载能力强，整机结构简单紧凑，零件模块化结构，便于加工、拆装；

（2）采用锥齿轮传动机构，实现90°的传动转向，传动平稳可靠，安装方便，采用杯型谐波减速器进行传动，重量轻、体积小，结构简单、安装方便，运动平稳、传动效率高，传动速比大，承载能力高，传动精度高，能够确保机器人的传动、定位速度、定位精度的性能，同步带传动，传动稳定可靠，传动精度高，并能够起到缓冲作用；

（3）同步带传动，传动精确高，谐波减速器一，重量轻、体积小，结构简单、安装方便，运动平稳、传动效率高，传动速比大，承载能力高，传动精度高，能够确保机器人的传动、定位速度、定位精度的性能，旋转电机和驱动步进电机位于支撑架内侧，降低旋转台的旋转惯量，旋转更平稳，设备结构更紧凑，降低旋转台的制造成本和性能要求；

（4）轴承套杯组件结构便于轴承的快速安装，提高安装效率和安装精度；

（5）旋转箱结构方便内部零件的安装，也便于旋转箱的制造，套杯连接方式，便于轴承的快速安装，提高安装效率和安装精度；

（6）旋转台结构紧凑，电机内置悬挂，避免重量加载到旋转圆盘，降低负载重量，采用谐波减速器二传动，重量轻、体积小，结构简单、安装方便，运动平稳、传动效率高，传动速比大，承载能力高，传动精度高，能够确保机器人的传动、定位速度、定位精度的性能。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是图2中A-A剖面结构示意图；

图4是图2中B-B半剖结构示意图；

图5是图3中C-C剖视结构示意图；

图6是图3中D-D剖视结构示意图；

图7是旋转台结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图7所示，一种三旋转自由度定位工业机器人，包括旋转台1、翻转架2和旋转箱3，翻转架2安装在旋转台1上，翻转架2采用两对称的支承架一4和支承架二5，旋转箱3两端通过圆锥滚子轴承37可旋转地连接在两支承架一4和支承架二5上，旋转箱3一端通过杯型谐波减速器6连接到从动轴一7，从动轴一7可旋转地连接在支承架一4上，且伸出支承架一4后通过同步带传动机构一连接到翻转电机8，翻转电机8固定连接在支承架一4上，旋转箱3一侧面中部可旋转地连接有从动齿轮轴9，从动齿轮轴9外端固定连接有法兰10，内端通过锥齿轮传动机构连接到主动齿轮轴11一端，主动齿轮轴11可旋转地连接在旋转箱3另一端，主动齿轮轴11另一端连接有驱动机构，采用锥齿轮传动机构，实现90°的传动转向，传动平稳可靠，安装方便，采用杯型谐波减速器进行传动，重量轻、体积小，结构简单、安装方便，运动平稳、传动效率高，传动速比大，承载能力高，传动精度高，能够确保机器人的传动、定位速度、定位精度的性能；同步带传动机构一包括从动皮带轮一22、主动皮带轮一23、同步皮带一24和主动轴一25，从动皮带轮一22固定连接在从动轴一7上，主动皮带轮一23固定连接在主动轴一25上，同步皮带一24套接在从动皮带轮一22和主动皮带轮一23，主动轴一25可旋转地连接在支承架一4下部，内端穿过支承架一4后固定连接翻转电机8，翻转电机8通过电机架一38固定连接在支承架一4内侧，主动轴一25与翻转电机8的电机轴通过联轴器连接，联轴器位于电机架1的空腔内，同步带传动，传动稳定可靠，传动精度高，并能够起到缓冲作用；

优选的，上述驱动机构包括法兰轴12、谐波减速器13和从动轴二14，法兰轴12一端通过联轴器15连接到主动齿轮轴11，另一端连接到谐波减速器一13的输出一端，谐波减速器一13的输入端连接从动轴二14，从动轴二14可旋转地连接在支承架二5上，且伸出支承架二5后通过同步带传动机构二连接到驱动步进电机15，驱动步进电机15通过电机架二39固定连接在支承架二5上；同步带传动机构二包括从动皮带轮二26、主动皮带轮二27、同步皮带二28和主动轴二29，从动皮带轮二26固定连接在从动轴二14上，主动皮带轮一27固定连接在主动轴二29上，同步皮带二28套接在从动皮带轮二26和主动皮带轮二27，主动轴二29可旋转地连接在支承架二5下部，内端穿过支承架二5后通过联轴器固定连接驱动步进电机15，联轴器位于电机架二的内腔内，同步带传动，传动精确高，谐波减速器一，重量轻、体积小，结构简单、安装方便，运动平稳、传动效率高，传动速比大，承载能力高，传动精度高，能够确保机器人的传动、定位速度、定位精度的性能，旋转电机和驱动步进电机位于支撑架内侧，降低旋转台的旋转惯量，旋转更平稳，设备结构更紧凑，降低旋转台的制造成本和性能要求。

优选的，上述主动齿轮轴11通过一对轴承一30连接到轴承套杯一31上，轴承套杯一31内端通过设置的法兰固定连接在旋转箱3右端内侧设置的套筒上，该组件结构便于轴承的快速安装，提高安装效率和安装精度。

优选的，上述旋转箱3上下侧设置有顶盖32和底盖33，顶盖32中部固定连接有轴承套杯二34，轴承套杯二34通过一对轴承二35可旋转地连接到从动齿轮轴9，该结构方便内部零件的安装，也便于旋转箱的制造，套杯连接方式，便于轴承的快速安装，提高安装效率和安装精度。

优选的，上述从动轴一、从动轴二、主动轴一和主动轴二均通过一对轴承三连接到轴承套杯，轴承套杯固定连接在支承架一或支承架二上，该组件结构便于轴承的快速安装，提高安装效率和安装精度。

优选的，上述旋转台1包括底座16、谐波减速器二17、旋转电机18和旋转圆盘19，底座19为下端开口的空腔结构，旋转圆盘19可旋转地连接在底座19上端，底部通过谐波减速器二17连接到旋转电机18，旋转电机18固定连接在底座16上，旋转台结构紧凑，电机内置悬挂，避免重量加载到旋转圆盘，降低负载重量，采用谐波减速器二传动，重量轻、体积小，结构简单、安装方便，运动平稳、传动效率高，传动速比大，承载能力高，传动精度高，能够确保机器人的传动、定位速度、定位精度的性能。

优选的，上述旋转圆盘19通过十字交叉滚子轴承20连接到底座16的台阶孔一上，能够提高旋转圆盘的承载能力和旋转精度。

优选的，上述旋转电机18通过法兰盘21连接到底座16的台阶孔二上，谐波减速器二17的钢轮固定连接在法兰盘21上，柔轮固定连接到旋转圆盘19，波发生器连接到旋转电机18的电机轴，安装方便，连接可靠稳定。

优选的，上述底座19侧面设置有底盖36，便于对底座内零件进行检修。

由于定位机器人机械结构要求整机尺寸比较紧凑，总体质量不宜过重，故在机器人的三个机构中均采用了谐波减速器。谐波减速器作为一种减速装置，它的结构相对简单，主要由钢轮、柔轮以及波发生器三个部分组成，虽然结构简单，但谐波减速器相对于其他减速器来说，却有着很多的优点：

（1）重量轻、体积小；与一般的减速装置比较来说，当需要输出相同力矩时，谐波减速器的重量会比其他减速减轻一半，占有的体积也会减少将近三分之一；

（2）结构简单、安装方便；由于主要基本构件仅为钢轮、柔轮和波发生器，其他组件也比较简单，且输入、输出轴同轴线，故谐波减速器结构简单、安装起来也很容易。

（3）运动平稳、传动效率高；谐波减速器工作时，柔轮与钢轮啮合时，相对位置的两处均有啮合，从而不会产生冲击现象，故运动平稳。传动效率高是因为柔轮轮齿在工作时做着均匀的径向移动，因此，就算输入很高转速，钢轮与柔轮相对而言都只做了速度极小的相对滑移，磨损较小，从而传动效率高，可高达96%。

（4）传动速比大；单级谐波减速器传动比范围在30～320，多级传动可高达30000以上。而且它不仅可以减速，有的场合还可以进行增速。

（5）承载能力高；由于减速器在工作时同时啮合齿数较多，钢轮与柔轮之间的齿啮合是面接触，并且柔轮采用特殊的高强度钢制成，所以承载能力高。

（6）传动精度高；由于谐波减速器在传动过程中啮合齿数多，从而产生的误差也随着平均化，即多齿啮合可以对误差进行补偿，所以传动精度很高。与其他等级相同的齿轮传动相比较，其产生的误差是这些齿轮传动的四分之一。同时，当增大波发生器的半径时，可以使得啮合齿隙很小，甚至是无侧隙啮合，故减速器传动空程小，也适用于反向转动。

如图1-7所示，底座的旋转电机在法兰盘固定悬挂着（悬挂在底座内），旋转电机的电机轴直接连接谐波减速器二输入端，最终由谐波减速器二输出端通过螺钉与旋转圆盘连接，从而实现旋转圆盘的转动，为防止转盘上的零件总质量过高而压坏谐波减速器二，在旋转盘与底座之间装有一个十字交叉滚子轴承，起回转支承作用，在图2中左侧是驱动旋转箱的运动链，旋转电机通过装在支承架一上的同步带传动机构一将运动和力矩传递到杯型谐波减速器的输入端，最终由杯型谐波减速器的输出法兰通过螺钉与旋转箱直接连接，从而实现旋转箱的翻转运动。在图2中的右侧，其原理和右侧驱动基本相同，只是在在谐波减速器移输出端是通过法兰轴传动，法兰轴连接到主动锥齿轮轴，再由锥齿轮换向，最终来带动连接旋转箱上方安装的法兰上负载进行旋转定位。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：包括旋转台（1）、翻转架（2）和旋转箱（3），翻转架（2）安装在旋转台（1）上，翻转架（2）采用两对称的支承架一（4）和支承架二（5），旋转箱（3）两端可旋转地连接在两支承架一（4）和支承架二（5）间，旋转箱（3）一端通过杯型谐波减速器（6）连接到从动轴一（7），从动轴一（7）可旋转地连接在支承架一（4）上，且伸出支承架一（4）后通过同步带传动机构一连接到翻转电机（8），翻转电机（8）固定连接在支承架一（4）上，旋转箱（3）一侧面中部可旋转地连接有从动齿轮轴（9），从动齿轮轴（9）外端固定连接有法兰（10），内端通过锥齿轮传动机构连接到主动齿轮轴（11）一端，主动齿轮轴（11）可旋转地连接在旋转箱（3）另一端，主动齿轮轴（11）另一端连接有驱动机构。

2.根据权利要求1所述的一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：同步带传动机构一包括从动皮带轮一（22）、主动皮带轮一（23）、同步皮带一（24）和主动轴一（25），从动皮带轮一（22）固定连接在从动轴一（7）上，主动皮带轮一（23）固定连接在主动轴一（25）上，同步皮带一（24）套接在从动皮带轮一（22）和主动皮带轮一（23），主动轴一（25）可旋转地连接在支承架一（4）下部，内端穿过支承架一（4）后固定连接翻转电机（8）。

3.根据权利要求1所述的一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：驱动机构包括法兰轴（12）、谐波减速器（13）和从动轴二（14），法兰轴（12）一端通过联轴器（15）连接到主动齿轮轴（11），另一端连接到谐波减速器一（13）的输出一端，谐波减速器一（13）的输入端连接从动轴二（14），从动轴二（14）可旋转地连接在支承架二（5）上，且伸出支承架二（5）后通过同步带传动机构二连接到驱动步进电机（15），驱动步进电机（15）固定连接在支承架二（5）上。

4.根据权利要求3所述的一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：同步带传动机构二包括从动皮带轮二（26）、主动皮带轮二（27）、同步皮带二（28）和主动轴二（29），从动皮带轮二（26）固定连接在从动轴二（14）上，主动皮带轮一（27）固定连接在主动轴二（29）上，同步皮带二（28）套接在从动皮带轮二（26）和主动皮带轮二（27），主动轴二（29）可旋转地连接在支承架二（5）下部，内端穿过支承架二（5）后固定连接驱动步进电机（15）。

5.根据权利要求1所述的一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：主动齿轮轴（11）通过一对轴承一（30）连接到轴承套杯一（31）上，轴承套杯一（31）固定连接在旋转箱（3）右端内侧设置的套筒上。

6.根据权利要求1所述的一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：旋转箱（3）上下侧设置有顶盖（32）和底盖（33），顶盖（32）中部固定连接有轴承套杯二（34），轴承套杯二（34）通过一对轴承二（35）可旋转地连接到从动齿轮轴（9）。

7.根据权利要求1所述的一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：旋转台（1）包括底座（16）、谐波减速器二（17）、旋转电机（18）和旋转圆盘（19），底座（19）为下端开口的空腔结构，旋转圆盘（19）可旋转地连接在底座（19）上端，底部通过谐波减速器二（17）连接到旋转电机（18），旋转电机（18）固定连接在底座（16）上。

8.根据权利要求7所述的一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：旋转圆盘（19）通过十字交叉滚子轴承（20）连接到底座（16）的台阶孔一上。

9.根据权利要求7所述的一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：旋转电机（18）通过法兰盘（21）连接到底座（16）的台阶孔二上，谐波减速器二（17）的钢轮固定连接在法兰盘（21）上，柔轮固定连接到旋转圆盘（19），波发生器连接到旋转电机（18）的电机轴。

10.根据权利要求7所述的一种三旋转自由度定位工业机器人，其特征在于：底座（19）侧面设置有底盖（36）。