CN111532764B - 一种用于真空环境的多自由度大行程机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于真空环境的多自由度大行程机械手，包括底座横移机构、传动机构及波纹管，传动机构包括升降传动机构、翻转传动机构、夹紧传动机构、驱动座及横移架，该机械手可整体安装固定于真空仓及样品输送管道的外侧，在相应的传动机构的驱动下能实现抓取放下、伸出缩回、上升下降、翻转等多自由度变化方式，运动变化行程大，且通过真空密封零件隔离，实现了电机与真空环境的隔离，降低了对机械手驱动电机的要求，极大的降低了制造成本；在保证行程的前提下，不占用任何真空仓内部空间，为样品进行真空试验提供充足条件。

Description

一种用于真空环境的多自由度大行程机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，特别涉及一种用于真空环境的多自由度大行程机械手。

背景技术

在试验样品真空实验中，经常需要将样品从样品输送管道内将样品自动送入真空仓内工作台上进行实验，并且需要机械手抓取样品实现翻转等动作；由于真空仓内部直径较大，从样品输送管道将样品转移至真空仓中心需要很大的行程，现有技术通常是在真空仓内部设计安装一种关节机械手实现样品的转运、翻转等动作；但是由于行程较大，所用关节机械手占用真空仓内部空间也相应增加，有时甚至由于空间占用问题影响样品的测试；而且整个关节机械手所处工作环境为真空环境，对机械手驱动部件要求要比常规条件要高，相应的对关节机械手内部所有驱动、传动原件要求满足真空条件下稳定运行，这样极大的提高了制造成本，而且电机在真空环境下长期运行的可靠度、稳定性不足。

发明内容

针对上述问题，为了尽量不占用真空仓内部空间、方便机械手拆装，本发明利用法兰安装的方式设计了一种多轴同心传动的机械手，将机械手整体安装固定于真空管道一侧；整个机械手位于真空仓及真空管道的外侧，完全不占用真空仓内部任何空间，另外通过真空密封装置将机械手驱动电机与真空环境隔绝，使电机处于大气环境，降低了电机对真空度的要求，降低了成本的同时提高了机械手运行稳定性。

为实现上述的目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于真空环境的多自由度大行程机械手，可整体安装固定于真空仓及样品输送管道的外侧，机械手通过螺钉固定连接于样品输送管道的法兰处即可实现试验样品的转运、翻转等动作。

该机械手主要包含底座横移机构、传动机构及波纹管。

进一步的，机械手的底座横移机构包括伺服电机、电机固定座、联轴器、丝杠固定端轴承座、底座、直线导轨、滚珠丝杠、丝杠支撑端轴承座、安装法兰，其中，滚珠丝杠通过固定端轴承座、支撑端轴承座固定于底座，伺服电机通过联轴器固定连接于滚珠丝杠一端；两根直线导轨通过螺钉固定连接于底座两侧；安装法兰通过螺钉固定连接于底座一侧。

进一步的，传动机构包括升降传动机构、翻转传动机构、夹紧传动机构、驱动座及横移架；其中驱动座及横移架分别通过轴承将升降传动机构、翻转传动机构、夹紧传动机构固定连接在一起。

进一步的，升降传动机构包括升降伺服电机、升降真空密封装置、升降滚珠丝杠、升降丝杠螺母、升降驱动座、升降滚珠衬套、中间传动杆、升降致动架、升降驱动连杆，升降滚珠丝杠与升降伺服电机通过轴承连接，且在升降伺服电机的驱动下进行升降运动，升降滚珠丝杠通过轴承固定连接于上述横移架，升降丝杠螺母固定连接于上述升降驱动座上，升降滚珠衬套固定连接于上述横移架，中间传动杆通过轴承固定连接于上述升降驱动座，并且穿过上述升降滚珠衬套与横移架连接；升降致动架通过螺钉固定连接于上述中间传动杆端部，升降驱动连杆一端通过轴承铰接于上述升降致动架。

升降真空密封装置固定连接于靠近升降伺服电机的上述升降滚珠丝杠的一端将升降伺服电机与真空环境隔离。

进一步的，翻转传动机构包括翻转伺服电机、翻转真空密封装置、翻转滚珠衬套、翻转拉杆、翻转接头、第一直线轴承、翻转致动杆、第二直线轴承，翻转拉杆与翻转伺服电机通过轴承连接，翻转拉杆的一侧通过两个翻转滚珠衬套固定连接于夹紧传动杆的中心孔处，另一侧通过轴承固定连接于上述横移架上，翻转拉杆可绕其轴线方向自由转动；翻转接头通过螺钉固定连接于上述翻转拉杆的端侧，翻转致动杆通过第一直线轴承固定连接于上述翻转接头的端侧轴销处，在第一直线轴承的作用下，翻转致动杆可以沿上述轴销轴线方向来回移动，同时翻转致动杆通过两个第二直线轴承分别固定连接于夹爪。

翻转真空密封装置设置于靠近翻转伺服电机的上述翻转拉杆的一端以将翻转伺服电机与真空环境隔离开。

进一步的，夹紧传动机构由夹紧伺服电机、夹紧真空密封装置、夹紧滚珠丝杠、夹紧驱动座、夹紧滚珠衬套、夹紧传动杆、夹紧致动接头、夹紧连杆和夹爪组成，夹紧滚珠丝杠与夹紧伺服电机通过轴承连接，夹紧滚珠丝杠通过轴承铰接于横移架上，夹紧驱动座通过丝杠螺母固定链接于上述夹紧滚珠丝杠，夹紧传动杆一侧通过轴承铰接于上述夹紧驱动座，此时夹紧传动杆在轴承作用下，只能够沿其轴线方向转动；夹紧致动接头通过螺钉固定连接于上述夹紧传动杆另一端；两个夹紧连杆通过滚珠衬套分别固定连接于上述夹紧致动接头轴销处，此时夹紧连杆在滚珠衬套作用下可以沿其轴线方向自由转动，并且在其限制范围内可以沿其轴线方向上下移动；两个夹爪一端通过滚珠衬套固定连接于上述翻转致动杆两端，另一端通过铰接销固定链接于上述夹紧连杆处。

夹紧真空密封装置设置于靠近夹紧伺服电机的上述夹紧滚珠丝杠的一端以将夹紧伺服电机与真空环境隔离开。

所述机械手的具体工作过程为：在伺服电机驱动作用下和滚珠丝杠作用下，通过丝杠螺母可以带动上述传动机构在滚珠丝杠轴线方向进行往复移动；此时就实现了机械手伸出缩回动作，该动作行程可设计较大，可满足在管道内的窄小空间内大行程的功能需求。

升降滚珠丝杠在升降伺服电机作用下带动升降驱动座往复移动，由于中间传动杆固定连接于升降驱动座上，并且中间传动杆通过升降滚珠衬套固定连接于横移架，所以中间传动杆在升降驱动座的带动下沿其轴线方向往复移动；进而带动升降驱动连杆的上下运动，使得夹爪在升降驱动连杆的作用下实现上下升降运动。

翻转拉杆在翻转伺服电机作用下沿其轴线方向转动，致使翻转致动杆跟随翻转拉杆1324沿其轴线方向转动，继而带动夹爪转动。

夹紧滚珠丝杠在夹紧伺服电机作用下沿其轴线方向转动，在丝杠螺母的作用下带动夹紧驱动座沿其轴线方向往复移动，由于夹紧传动杆固定连接于夹紧驱动座上，并且通过夹紧滚珠衬套固定连接于中间传动杆轴孔内，所以在夹紧驱动座作用下可以沿其轴线方向往复移动；夹紧连杆在夹紧致动接头作用下致使夹爪沿靠近或远离翻转致动杆轴线方向移动，继而实现夹爪的夹紧与放松动作。

本发明与现有技术相比，有益效果包括以下方面：

1、本发明提出一种法兰安装式机械手，采用多根同心中空轴传动的方式，通过真空密封零件隔离，实现了电机与真空环境的隔离，降低了对机械手驱动电机的要求，极大的降低了制造成本；

2、整个机械手安装于样品输送管道外侧，在保证行程的前提下，不占用任何真空仓内部空间，为样品进行真空试验提供充足条件。

3、机械手整体安装于真空仓外侧，在相应的传动机构的驱动下能实现抓取放下、伸出缩回、上升下降、翻转等多自由度变化方式，且运动变化行程大，具有配置灵活、功能快速齐全的特点。

附图说明

图1为含机械手的真空样品操作装置立体图；

图2为机械手的整体结构示意图；

图3为机械手底座横移机构的结构示意图；

图4为机械手传动机构的剖面结构示意图；

图5为机械手传动机构靠夹爪端的局部示意图；

图中，1-机械手，2-样品输送管道，3-真空仓，11-底座横移机构，12-波纹管，13-传动机构，111-伺服电机，112-电机固定座，113-联轴器，114-丝杠固定端轴承座，115-底座，116-直线导轨，117-滚珠丝杠，118-丝杠支撑端轴承座，119-安装法兰，131-升降传动机构，132-翻转传动机构，133-夹紧传动机构，134-驱动座，135-横移架，1311-升降伺服电机，1312-升降真空密封装置，1313-升降滚珠丝杠，1314-升降丝杠螺母，1315-升降驱动座，1316-升降滚珠衬套，1317-中间传动杆，1318-升降致动架，1319-升降驱动连杆，1321-翻转伺服电机，1322-翻转真空密封装置，1323-翻转滚珠衬套，1324-翻转拉杆，1325-翻转接头，1326-第一直线轴承，1327-翻转致动杆，1328-第二直线轴承，1331-夹紧伺服电机，1332-夹紧真空密封装置，1333-夹紧滚珠丝杠，1334-夹紧驱动座，1335-夹紧滚珠衬套，1336-夹紧传动杆，1337-夹紧致动接头，1338-夹紧连杆，1339-夹爪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如说明书附图1所示为设有本发明的机械手的真空样品操作装置立体图，包括有机械手1、样品输送管道2和真空仓3，其中，机械手1整体安装固定于样品输送管道2的一侧；整个机械手1位于真空仓3及样品输送管道的外侧，机械手1通过螺钉固定连接于样品输送管道2法兰处即可实现试验样品的转运、翻转等动作。

如说明书附图2所示，该机械手1由底座横移机构11、传动机构13及波纹管12组成。

如说明书附图3所示细节结构，机械手1的底座横移机构11由伺服电机111、电机固定座112、联轴器113、丝杠固定端轴承座114、底座115、直线导轨116、滚珠丝杠117、丝杠支撑端轴承座118、安装法兰119组成，其中滚珠丝杠117通过固定端轴承座114、支撑端轴承座118固定于底座115，伺服电机111通过联轴器113固定连接于滚珠丝杠117一端；两根直线导轨116通过螺钉固定连接于底座115两侧；安装法兰119通过螺钉固定连接于底座115一侧。

如说明书附图4所示传动机构的细节结构，该传动机构13由升降传动机构131、翻转传动机构132、夹紧传动机构133、驱动座134及横移架135组成；其中驱动座134及横移架135分别通过轴承将升降传动机构131、翻转传动机构132、夹紧传动机构133固定连接在一起。

其中升降传动机构131由升降伺服电机1311、升降真空密封装置1312、升降滚珠丝杠1313、升降丝杠螺母1314、升降驱动座1315、升降滚珠衬套1316、中间传动杆1317、升降致动架1318、升降驱动连杆1319组成，升降滚珠丝杠1313与升降伺服电机1311通过轴承连接，且在升降伺服电机1311的驱动下进行升降运动，升降滚珠丝杠1313通过轴承固定连接于上述横移架135，升降丝杠螺母1314固定连接于上述升降驱动座1315上，升降滚珠衬套1316固定连接于上述横移架135，中间传动杆1317通过轴承固定连接于上述升降驱动座1315，并且穿过上述升降滚珠衬套1316与横移架135连接；升降致动架1318通过螺钉固定连接于上述中间传动杆1317端部，升降驱动连杆1319一端通过轴承铰接于上述升降致动架1318。升降真空密封装置1312固定连接于靠近升降伺服电机1311的上述升降滚珠丝杠1313的一端将升降伺服电机1311与真空环境隔离。

翻转传动机构132由翻转伺服电机1321、翻转真空密封装置1322、翻转滚珠衬套1323、翻转拉杆1324、翻转接头1325、第一直线轴承1326、翻转致动杆1327、第二直线轴承1328组成，翻转拉杆1324与翻转伺服电机1321通过轴承连接，翻转真空密封装置1322设置于靠近翻转伺服电机1321的上述翻转拉杆1324的一端以将翻转伺服电机1321与真空环境隔离开，翻转拉杆1324的一侧通过两个翻转滚珠衬套1323固定连接于夹紧传动杆1336中心孔处，另一侧通过轴承固定连接于上述横移架135处，翻转拉杆1324可绕其轴线方向自由转动；翻转接头1325通过螺钉固定连接于上述翻转拉杆1324的端侧，翻转致动杆1327通过第一直线轴承1326固定连接于上述翻转接头1325端侧轴销处，在第一直线轴承1326的作用下，翻转致动杆1327可以沿上述轴销轴线方向来回移动，同时翻转致动杆1327通过两个第二直线轴承1328分别固定连接于夹爪1339。

夹紧传动机构133由夹紧伺服电机1331、夹紧真空密封装置1332、夹紧滚珠丝杠1333、夹紧驱动座1334、夹紧滚珠衬套1335、夹紧传动杆1336、夹紧致动接头1337、夹紧连杆1338和夹爪1339组成，夹紧滚珠丝杠1333与夹紧伺服电机1331通过轴承连接，夹紧真空密封装置1332设置于靠近夹紧伺服电机1331的上述夹紧滚珠丝杠1333的一端以将夹紧伺服电机1331与真空环境隔离开，夹紧滚珠丝杠1333通过轴承铰接于横移架135，夹紧驱动座1334通过丝杠螺母固定链接于上述夹紧滚珠丝杠1333，夹紧传动杆1336一侧通过轴承铰接于上述夹紧驱动座1334，此时夹紧传动杆1336在轴承作用下，只能够沿其轴线方向转动；夹紧致动接头1337通过螺钉固定连接于上述夹紧传动杆1336另一端；两个夹紧连杆1338通过滚珠衬套分别固定连接于上述夹紧致动接头1337轴销处，此时夹紧连杆1338在滚珠衬套作用下可以沿其轴线方向自由转动，并且在其限制范围内可以沿其轴线方向上下移动；两个夹爪1339一端通过滚珠衬套固定连接于上述翻转致动杆1327两端，另一端通过铰接销固定链接于上述夹紧连杆1338处。

工作时，在伺服电机111的驱动作用下和滚珠丝杠117作用下，通过丝杠螺母可以带动上述传动机构13在滚珠丝杠117轴线方向往复移动；此时就实现了机械手伸出缩回动作，且该动作行程可设计较大，可满足在管道内的窄小空间内大行程的功能需求。

升降滚珠丝杠1313在升降伺服电机1311作用下带动升降驱动座1315往复移动，由于中间传动杆1317固定连接于升降驱动座1315上，并且中间传动杆1317通过升降滚珠衬套1316固定连接于横移架135，所以中间传动杆1317在升降驱动座1315的带动下沿其轴线方向往复移动；此时夹爪1339在升降驱动连杆1319的作用下实现上下运动。

翻转拉杆1324在翻转伺服电机1321作用下沿其轴线方向转动，致使翻转致动杆1327跟随翻转拉杆1324沿其轴线方向转动，继而带动夹爪1339转动。

夹紧滚珠丝杠1333在夹紧伺服电机1331作用下沿其轴线方向转动，在丝杠螺母的作用下带动夹紧驱动座1334沿其轴线方向往复移动，由于夹紧传动杆1336固定连接于夹紧驱动座1334上，并且通过夹紧滚珠衬套1335固定连接于中间传动杆1317轴孔内，所以在夹紧驱动座1334作用下可以沿其轴线方向往复移动；夹紧连杆1338在夹紧致动接头1337作用下致使夹爪1339沿靠近或远离翻转致动杆1327轴线方向移动，继而实现夹爪1339的夹紧与放松动作。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种用于真空环境的多自由度大行程机械手，该机械手(1)整体安装固定于真空仓(3)及样品输送管道(2)的外侧，包括底座横移机构(11)、传动机构(13)及波纹管(12)，其中，所述底座横移机构(11)由伺服电机(111)、电机固定座(112)、联轴器(113)、丝杠固定端轴承座(114)、底座(115)、直线导轨(116)、滚珠丝杠(117)、丝杠支撑端轴承座(118)、安装法兰(119)组成，滚珠丝杠(117)通过固定端轴承座(114)、支撑端轴承座(118)固定于底座(115)，伺服电机(111)通过联轴器(113)固定连接于滚珠丝杠(117)一端；两根直线导轨(116)通过螺钉固定连接于底座(115)两侧；安装法兰(119)通过螺钉固定连接于底座(115)一侧；所述传动机构(13)包括升降传动机构(131)、翻转传动机构(132)、夹紧传动机构(133)、驱动座(134)及横移架(135)，所述翻转传动机构(132)包括翻转伺服电机(1321)、翻转真空密封装置(1322)、翻转滚珠衬套(1323)、翻转拉杆(1324)、翻转接头(1325)、第一直线轴承(1326)、翻转致动杆(1327)和第二直线轴承(1328)，夹紧传动机构(133)包括夹紧伺服电机(1331)、夹紧真空密封装置(1332)、夹紧滚珠丝杠(1333)、夹紧驱动座(1334)、夹紧滚珠衬套(1335)、夹紧传动杆(1336)、夹紧致动接头(1337)、夹紧连杆(1338)和夹爪(1339)，夹紧滚珠丝杠(1333)与夹紧伺服电机(1331)通过轴承连接，夹紧真空密封装置(1332)设置于靠近夹紧伺服电机(1331)的上述夹紧滚珠丝杠(1333)的一端以将夹紧伺服电机(1331)与真空环境隔离开，所述夹紧滚珠丝杠(1333)通过轴承铰接于横移架(135)，夹紧驱动座(1334)通过丝杠螺母固定链接于上述夹紧滚珠丝杠(1333)，夹紧传动杆(1336)一侧通过轴承铰接于上述夹紧驱动座(1334)，此时夹紧传动杆(1336)在轴承作用下，只能够沿其轴线方向转动，所述夹紧致动接头(1337)通过螺钉固定连接于上述夹紧传动杆(1336)另一端；两个夹紧连杆(1338)通过滚珠衬套分别固定连接于上述夹紧致动接头(1337)轴销处，夹紧连杆(1338)在滚珠衬套作用下可以沿其轴线方向自由转动，并且在其限制范围内可以沿其轴线方向上下移动；两个夹爪(1339)一端通过滚珠衬套固定连接于上述翻转致动杆(1327)两端，另一端通过铰接销固定链接于上述夹紧连杆(1338)处。

2.根据权利要求1所述的一种用于真空环境的多自由度大行程机械手，其特征在于：驱动座(134)及横移架(135)分别通过轴承将升降传动机构(131)、翻转传动机构(132)、夹紧传动机构(133)固定连接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种用于真空环境的多自由度大行程机械手，其特征在于：升降传动机构(131)包括升降伺服电机(1311)、升降真空密封装置(1312)、升降滚珠丝杠(1313)、升降丝杠螺母(1314)、升降驱动座(1315)、升降滚珠衬套(1316)、中间传动杆(1317)、升降致动架(1318)、升降驱动连杆(1319)，升降滚珠丝杠(1313)与升降伺服电机(1311)通过轴承连接，且在升降伺服电机(1311)的驱动下进行升降运动，升降真空密封装置(1312)设置于靠近升降伺服电机(1311)的上述升降滚珠丝杠(1313)的一端。

4.根据权利要求3所述的一种用于真空环境的多自由度大行程机械手，其特征在于：所述升降滚珠丝杠(1313)通过轴承固定连接于上述横移架(135)，升降丝杠螺母(1314)固定连接于上述升降驱动座(1315)上，升降滚珠衬套(1316)固定连接于上述横移架(135)，中间传动杆(1317)通过轴承固定连接于上述升降驱动座(1315)，并且穿过上述升降滚珠衬套(1316)与横移架(135)连接；升降致动架(1318)通过螺钉固定连接于上述中间传动杆(1317)端部，升降驱动连杆(1319)一端通过轴承铰接于上述升降致动架(1318)。

5.根据权利要求1所述的一种用于真空环境的多自由度大行程机械手，其特征在于：翻转拉杆(1324)与翻转伺服电机(1321)通过轴承连接，翻转真空密封装置(1322)设置于靠近翻转伺服电机(1321)的上述翻转拉杆(1324)的一端。

6.根据权利要求5所述的一种用于真空环境的多自由度大行程机械手，其特征在于：所述翻转拉杆(1324)的一侧通过两个翻转滚珠衬套(1323)固定连接于夹紧传动杆(1336)中心孔处，另一侧通过轴承固定连接于上述横移架(135)处，翻转拉杆(1324)可在翻转伺服电机(1321)的驱动下绕其轴线方向自由转动。

7.根据权利要求5所述的一种用于真空环境的多自由度大行程机械手，其特征在于：所述翻转接头(1325)通过螺钉固定连接于上述翻转拉杆(1324)的端侧，翻转致动杆(1327)通过第一直线轴承(1326)固定连接于上述翻转接头(1325)端侧轴销处，在第一直线轴承(1326)的作用下，翻转致动杆(1327)可以沿上述轴销轴线方向来回移动，同时翻转致动杆(1327)通过两个第二直线轴承(1328)分别固定连接于夹爪(1339)。

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