CN111745628A - 一种圆柱坐标式三轴长行程机械手 - Google Patents

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CN111745628A CN202010613933.3A CN202010613933A CN111745628A CN 111745628 A CN111745628 A CN 111745628A CN 202010613933 A CN202010613933 A CN 202010613933A CN 111745628 A CN111745628 A CN 111745628A
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高霄
张向伟
相鹏飞
周海龙
刘瑜
李冬艳
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Abstract

本发明公开了一种圆柱坐标式三轴长行程机械手，包括水平旋转轴C轴模块、竖向升降Z轴模块、横向两级伸缩X轴模块，水平旋转C轴模块负载带动竖向升降Z轴模块和横向两级伸缩X轴模块整体旋转；竖向升降Z轴模块安装于水平旋转C轴模块之上，负载带动横向两级伸缩X轴模块整体做竖向升降运动；横向两级伸缩X轴模块为两级长行程伸缩结构，与竖向升降Z轴模块连接；在横向两级伸缩X轴模块的末端可拆卸的连接手爪模块，水平旋转轴C轴模块、竖向升降Z轴模块、横向两级伸缩X轴模块相互配合运动使得手爪模块可在一定的圆柱空间内进行自由运动，实现工件的抓取，满足大部分机床的上下料需求。

Description

一种圆柱坐标式三轴长行程机械手
技术领域
本发明属于数控机床自动化生产线技术领域，具体涉及一种圆柱坐标式三轴长行程机械手。
背景技术
在数控机床自动化生产线中，上下料机械手通过手爪先将工件从毛坯料仓抓取并放入至机床进行自动化加工，待加工完成，再将已加工完成的工件放回成品料仓。目前，在产线中对机床进行自动上下料的机械手主要有两种：一种是六轴关节机械手，一种是三轴桁架机械手。六轴关节机械手的优点是自由度高，可通过变换机械手姿态实现自动上下料、焊接、冲压、喷涂、搬运等工作，缺点在于制造成本较高，运动控制算法复杂，在给机床上下料时，由于自由度较多，校点比较麻烦；三轴桁架机械手采用三根直线轴组成，一般从机床顶部对工件进行上下料，控制算法简单，校点也比较容易，但缺点在于占地面积较大，不利于产线重组变更，柔性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种圆柱坐标式三轴长行程机械手，采用一个旋转轴和两根直线轴来对机床进行上下料，以解决现有技术数控机床自动化生产线中工件自动上下料中的问题。
为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种圆柱坐标式三轴长行程机械手，包括：水平旋转轴C轴模块、竖向升降Z轴模块、横向两级伸缩X轴模块；
所述水平旋转C轴模块用于负载带动所述竖向升降Z轴模块和所述横向两级伸缩X轴模块整体旋转；所述竖向升降Z轴模块安装于水平旋转C轴模块之上，负载带动横向两级伸缩X轴模块整体做竖向升降运动；所述横向两级伸缩X轴模块为两级长行程伸缩结构，安装在所述竖向升降Z轴模块之上；所述横向两级伸缩X轴模块的末端连接有手爪模块，所述水平旋转轴C轴模块、竖向升降Z轴模块、横向两级伸缩X轴模块相互配合运动使得手爪模块能够在一定的圆柱空间内进行自由运动。
进一步的，所述水平旋转轴C轴模块包括：C轴基座、连接法兰板、RV减速机安装基板、C轴RV减速机驱动模块；
所述RV减速机安装基板固定安装于C轴基座上，所述C轴RV减速机驱动模块通过定位法兰面与RV减速机安装基板配合安装，所述连接法兰板与C轴RV减速机驱动模块的输出法兰面固定连接，所述连接法兰板作为水平旋转轴C轴模块的输出。
进一步的，所述竖向升降Z轴模块包括：Z轴立柱、Z轴滑板、Z轴丝杠、丝杠支座、Z轴同步带轮、Z轴驱动模块、Z轴同步带、Z轴导轨、Z轴滑块、Z轴丝母座；
所述Z轴立柱安装于连接法兰板上，所述Z轴导轨安装于Z轴立柱的两立面上，所述丝杠支座安装于Z轴立柱的凹形腔内，所述Z轴丝杠安装于丝杠支座上，所述Z轴同步带轮安装于Z轴丝杠的顶端，所述Z轴驱动模块安装于Z轴立柱的背面顶部，所述Z轴驱动模块通过Z轴同步带与所述Z轴同步带轮相连；所述Z轴丝母座与Z轴滑板连接，所述Z轴丝母座与Z轴丝杠相配合，所述Z轴滑板背面安装有四个Z轴滑块，所述Z轴滑块与Z轴导轨相配合。
进一步的，所述横向两级伸缩X轴模块包括：X轴一级臂、X轴驱动模块、X轴二级臂、手爪模块、X轴二级伸缩导轨、X轴二级滑块安装板、X轴驱动齿条、X轴一级伸缩导轨、X轴一级臂左端同步带轮、X轴两级驱动同步带、X轴一级伸缩滑块、滑板同步带固定块、二级臂同步带固定块、X轴一级臂右端同步带轮、X轴二级伸缩滑块；
所述X轴一级伸缩滑块安装于Z轴滑板上，所述X轴一级伸缩滑块与X轴一级伸缩导轨相配合，所述X轴一级伸缩导轨安装于所述X轴一级臂上，所述X轴驱动齿条安装于所述X轴一级臂上，所述X轴驱动齿条与X轴一级伸缩导轨相平行；所述X轴驱动模块安装于Z轴滑板上，并通过输出端齿轮与X轴驱动齿条相配合；所述X轴二级滑块安装板安装于X轴一级臂上；所述X轴二级伸缩滑块安装于X轴二级滑块安装板的内侧面上，并与X轴二级伸缩导轨相配合；所述X轴二级伸缩导轨安装于X轴二级臂上，所述手爪模块可拆卸的安装于X轴二级臂末端；
所述X轴一级臂左端同步带轮和X轴一级臂右端同步带轮分别安装于X轴一级臂的左右两端，通过X轴两级驱动同步带相连；所述X轴两级驱动同步带与分别位于X轴一级臂的左右两端的X轴一级臂左端同步带轮、X轴一级臂右端同步带轮组成闭合结构，所述X轴两级驱动同步带一端通过滑板同步带固定块固定于Z轴滑板上，X轴两级驱动同步带的另一端通过二级臂同步带固定块固定于X轴二级臂上。
进一步的，所述水平旋转轴C轴模块的C轴水平旋转角度为±174°。
进一步的，所述竖向升降Z轴模块的Z轴竖向升降最大距离为600mm。
进一步的，所述横向两级伸缩X轴模块的X轴横向伸缩最大距离为800mm。
进一步的，所述手爪模块的最大负载为10kg。
进一步的，所述RV减速机安装基板与C轴基座之间、所述C轴RV减速机驱动模块与RV减速机安装基板之间均通过销钉定位，螺钉锁紧。
进一步的，所述C轴基座采用铸造矩形壳体，在矩形壳体直角处进行大倒角。
相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：
本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手，是由一根旋转轴和两根直线轴组成的三轴长行程机械手，在X轴末端连接手爪模块，三轴相互配合运动使得手爪可在一定的圆柱空间内进行自由运动，实现工件的抓取，满足大部分机床的上下料需求。和六轴机械手相比，本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手成本较低，自由度较少，控制算法简单，可靠性高，校点也相对容易，满足一般工况下机床的上下料需求；与三轴桁架机械手相比，本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手占地面积小，装配调试简单，特别是在产线重组变线时，柔性更好。
进一步的，本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手的横向两级伸缩X轴模块的末端连接有手爪模块，通过更换不同形式的手爪模块，可实现多品种工件的抓取与摆放，也可在机械手末端安装标准握爪抓取标准托盘，利于自动化并线生产。
进一步的，本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手的X轴采用两级差动伸缩结构，其传动特点是一级臂相对于Z轴竖向滑板伸出的距离为总伸出行程的1/2，二级臂相对于一级臂伸出的距离为总伸出行程的1/2，此种结构既能实现增程，又能将上料速度提升一倍，且安装调试方便。
进一步的，本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手的Z轴升降部件主体采用丝杆传动，直线导轨导向与支撑，精度及保持性好；Z轴基体采用工字形铸造主体，整体刚度及稳定性高；驱动部分采用使用同步带转接，降低整个Z轴部件的高度，结构紧凑。
进一步的，本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手的C轴旋转机构采用RV减速机传动与支撑，传动精度高，刚性好；RV减速机通过基板安装于C轴基座上，并通过销钉定位及螺钉锁紧，装配性好。
进一步的，本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手的整体结构紧凑，外观整齐、美观，且通过X轴的两级差动伸缩结构，实现机械手抓取范围的较大扩展。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手的等轴测示意图；
图2是本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手的后视结构剖视示意图；
图3是本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手的X轴等轴测示意图；
图4是本发明实施例提供的圆柱坐标式三轴长行程机械手的X轴局部结构剖视示意图；
其中：1-C轴基座，2-连接法兰板，3-Z轴立柱，4-X轴一级臂，5-Z轴滑板，6-Z轴丝杠，7-丝杠支座，8-Z轴同步带轮，9-Z轴驱动模块，10-Z轴同步带，11-Z轴导轨，12-Z轴滑块，13-X轴驱动模块，14-X轴二级臂，15-手爪模块，16-X轴二级伸缩导轨，17-X轴二级滑块安装板，18-X轴驱动齿条，19-X轴一级伸缩导轨，20-Z轴丝母座，21-RV减速机安装基板，22-C轴RV减速机驱动模块，23-X轴一级臂左端同步带轮，24-X轴两级驱动同步带，25-X轴一级伸缩滑块，26-滑板同步带固定块，27-二级臂同步带固定块，28-X轴一级臂右端同步带轮，29-X轴二级伸缩滑块。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施例提供一种圆柱坐标式三轴长行程机械手，以解决数控机床自动化生产线中工件自动上下料的问题，结构稳定可靠，成本可控，操作简单，柔性较高。
本发明一种圆柱坐标式三轴长行程机械手，包括一根旋转轴和两根直线轴，水平旋转轴为水平旋转轴C轴模块，两根直线轴分别为竖向升降Z轴模块、横向两级伸缩X轴模块；其中，水平旋转C轴模块作为三轴机械手基座，位于机械手最底部，负载带动竖向升降Z轴模块和横向两级伸缩X轴模块整体旋转；竖向升降Z轴模块通过连接法兰板2安装于水平旋转C轴模块之上，负载带动横向两级伸缩X轴模块整体做竖向升降运动；横向两级伸缩X轴模块为两级长行程伸缩结构，与竖向升降Z轴模块的Z轴滑板5连接；在横向两级伸缩X轴模块的末端可拆卸的连接手爪模块15。水平旋转轴C轴模块、竖向升降Z轴模块、横向两级伸缩X轴模块相互配合运动使得手爪模块15可在一定的圆柱空间内进行自由运动，实现工件的抓取，满足大部分机床的上下料需求。
所述水平旋转轴C轴模块主要由C轴基座1、连接法兰板2、RV减速机安装基板21、C轴RV减速机驱动模块22等组成。其中，所述C轴基座1底面为圆柱坐标式三轴长行程机械手固定面，所述RV减速机安装基板21通过销钉定位及螺钉锁紧安装于C轴基座1上，所述C轴RV减速机驱动模块22通过定位法兰面与RV减速机安装基板21配合安装，所述连接法兰板2与C轴RV减速机驱动模块22的输出法兰面固定连接，作为水平旋转轴C轴模块的输出。所述水平旋转轴C轴模块是由伺服电机+RV减速机驱动。C轴基座1采用铸造矩形壳体，在矩形壳体直角处进行大倒角，以便C轴基座1安装固定。
所述竖向升降Z轴模块主要由Z轴立柱3、Z轴滑板5、Z轴丝杠6、丝杠支座7、Z轴同步带轮8、Z轴驱动模块9、Z轴同步带10、Z轴导轨11、Z轴滑块12、Z轴丝母座20等组成。其中，所述Z轴立柱3安装于连接法兰板2上，所述Z轴导轨11安装于Z轴立柱3的两立面上，且为竖直方向安装，所述丝杠支座7安装于Z轴立柱3的凹形腔内，所述Z轴丝杠6安装于丝杠支座7上，所述Z轴同步带轮8安装于Z轴丝杠6的顶端，所述Z轴驱动模块9安装于Z轴立柱3的背面顶部，Z轴驱动模块9通过Z轴同步带10与Z轴丝杠6顶端的Z轴同步带轮8相连；所述Z轴丝母座20与Z轴滑板5连接，所述Z轴丝母座20与Z轴丝杠6相配合，所述Z轴滑板5背面安装有四个Z轴滑块12，Z轴滑块12与Z轴导轨11相配合。所述Z轴模块采用伺服电机+同步带+丝杆传动，直线导轨导向与支撑的方式，带着Z轴滑板5做竖向直线运动。Z轴立柱3采用工字形铸造主体，整体刚度好，稳定性高；驱动部分采用同步带转接，降低整个Z轴部件的高度。
所述横向两级伸缩X轴模块主要由X轴一级臂4、X轴驱动模块13、X轴二级臂14、手爪模块15、X轴二级伸缩导轨16、X轴二级滑块安装板17、X轴驱动齿条18、X轴一级伸缩导轨19、X轴一级臂左端同步带轮23、X轴两级驱动同步带24、X轴一级伸缩滑块25、滑板同步带固定块26、二级臂同步带固定块27、X轴一级臂右端同步带轮28、X轴二级伸缩滑块29等组成。其中，所述X轴一级伸缩滑块25安装于Z轴滑板5上，并与X轴一级伸缩导轨19相配合，所述X轴一级伸缩导轨19安装于X轴一级臂4上，安装方向为横向，所述X轴驱动齿条18安装于X轴一级臂4上，并且与X轴一级伸缩导轨19相平行，所述X轴驱动模块13安装于Z轴滑板5上，并通过输出端齿轮与X轴驱动齿条18相配合，所述X轴二级滑块安装板17安装于X轴一级臂4上，安装面为X轴一级臂4的外侧右端面，所述X轴二级伸缩滑块29安装于X轴二级滑块安装板17的内侧面上，并与X轴二级伸缩导轨16相配合，所述X轴二级伸缩导轨16安装于X轴二级臂14上，安装方向为横向，所述手爪模块15安装于X轴二级臂14末端。所述X轴一级臂左端同步带轮23和X轴一级臂右端同步带轮28分别安装于X轴一级臂4的左右两端，通过X轴两级驱动同步带24相连，所述X轴两级驱动同步带24同于X轴一级臂4的左右两端的同步带轮组成闭合结构，并且X轴两级驱动同步带24一端通过滑板同步带固定块26固定于Z轴滑板5上，另一端通过二级臂同步带固定块27固定于X轴二级臂14上，从而使得X轴二级臂14和X轴一级臂4运动相关联。
本发明实施例中，所述横向两级伸缩X轴模块是由伺服电机+齿轮齿条驱动，直线导轨导向与支撑，且X轴模块通过Z轴滑板5与Z轴相连。X轴一级臂4在齿轮齿条的驱动下相对Z轴滑板5进行横向伸缩，X轴二级臂14通过导轨滑块与X轴一级臂4相配合，采用同步带传动的联动方式，当X轴一级臂4在齿轮齿条驱动下向前伸出时，X轴二级臂14以二倍于X轴一级臂4的速度向前伸出且实现増程，其传动特点是X轴一级臂4相对于Z轴滑板5伸出的距离为总伸出行程的1/2，X轴二级臂14相对于X轴一级臂4伸出的距离为总伸出行程的1/2，此种结构既能实现增程，又能将上料速度提升一倍，且安装调试方便。
本发明提出的一种圆柱坐标式三轴长行程机械手，其行程为：C轴水平旋转±174°，Z轴竖向升降600mm，X轴横向伸缩800mm，末端手爪负载10kg，通过三轴间相互配合运动，手爪可在一定的圆柱空间内进行自由运动，实现工件的抓取，具有动作迅速、稳定性高、抓取精度较高且成本低的特点，满足大部分机床的上下料需求。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，包括：水平旋转轴C轴模块、竖向升降Z轴模块、横向两级伸缩X轴模块；
所述水平旋转C轴模块用于负载带动所述竖向升降Z轴模块和所述横向两级伸缩X轴模块整体旋转；所述竖向升降Z轴模块安装于水平旋转C轴模块之上，负载带动横向两级伸缩X轴模块整体做竖向升降运动；所述横向两级伸缩X轴模块为两级长行程伸缩结构，安装在所述竖向升降Z轴模块之上；所述横向两级伸缩X轴模块的末端连接有手爪模块(15)，所述水平旋转轴C轴模块、竖向升降Z轴模块、横向两级伸缩X轴模块相互配合运动使得手爪模块(15)能够在一定的圆柱空间内进行自由运动。
2.根据权利要求1所述的圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，所述水平旋转轴C轴模块包括：C轴基座(1)、连接法兰板(2)、RV减速机安装基板(21)、C轴RV减速机驱动模块(22)；
所述RV减速机安装基板(21)固定安装于C轴基座(1)上，所述C轴RV减速机驱动模块(22)通过定位法兰面与RV减速机安装基板(21)配合安装，所述连接法兰板(2)与C轴RV减速机驱动模块(22)的输出法兰面固定连接，所述连接法兰板(2)作为水平旋转轴C轴模块的输出。
3.根据权利要求2所述的圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，所述竖向升降Z轴模块包括：Z轴立柱(3)、Z轴滑板(5)、Z轴丝杠(6)、丝杠支座(7)、Z轴同步带轮(8)、Z轴驱动模块(9)、Z轴同步带(10)、Z轴导轨(11)、Z轴滑块(12)、Z轴丝母座(20)；
所述Z轴立柱(3)安装于连接法兰板(2)上，所述Z轴导轨(11)安装于Z轴立柱(3)的两立面上，所述丝杠支座(7)安装于Z轴立柱(3)的凹形腔内，所述Z轴丝杠(6)安装于丝杠支座(7)上，所述Z轴同步带轮(8)安装于Z轴丝杠(6)的顶端，所述Z轴驱动模块(9)安装于Z轴立柱(3)的背面顶部，所述Z轴驱动模块(9)通过Z轴同步带(10)与所述Z轴同步带轮(8)相连；所述Z轴丝母座(20)与Z轴滑板(5)连接，所述Z轴丝母座(20)与Z轴丝杠(6)相配合，所述Z轴滑板(5)背面安装有四个Z轴滑块(12)，所述Z轴滑块(12)与Z轴导轨(11)相配合。
4.根据权利要求3所述的圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，所述横向两级伸缩X轴模块包括：X轴一级臂(4)、X轴驱动模块(13)、X轴二级臂(14)、手爪模块(15)、X轴二级伸缩导轨(16)、X轴二级滑块安装板(17)、X轴驱动齿条(18)、X轴一级伸缩导轨(19)、X轴一级臂左端同步带轮(23)、X轴两级驱动同步带(24)、X轴一级伸缩滑块(25)、滑板同步带固定块(26)、二级臂同步带固定块(27)、X轴一级臂右端同步带轮(28)、X轴二级伸缩滑块(29)；
所述X轴一级伸缩滑块(25)安装于Z轴滑板(5)上，所述X轴一级伸缩滑块(25)与X轴一级伸缩导轨(19)相配合，所述X轴一级伸缩导轨(19)安装于所述X轴一级臂(4)上，所述X轴驱动齿条(18)安装于所述X轴一级臂(4)上，所述X轴驱动齿条(18)与X轴一级伸缩导轨(19)相平行；所述X轴驱动模块(13)安装于Z轴滑板(5)上，并通过输出端齿轮与X轴驱动齿条(18)相配合；所述X轴二级滑块安装板(17)安装于X轴一级臂(4)上；所述X轴二级伸缩滑块(29)安装于X轴二级滑块安装板(17)的内侧面上，并与X轴二级伸缩导轨(16)相配合；所述X轴二级伸缩导轨(16)安装于X轴二级臂(14)上，所述手爪模块(15)可拆卸的安装于X轴二级臂(14)末端；
所述X轴一级臂左端同步带轮(23)和X轴一级臂右端同步带轮(28)分别安装于X轴一级臂(4)的左右两端，通过X轴两级驱动同步带(24)相连；所述X轴两级驱动同步带(24)与分别位于X轴一级臂(4)的左右两端的X轴一级臂左端同步带轮(23)、X轴一级臂右端同步带轮(28)组成闭合结构，所述X轴两级驱动同步带(24)一端通过滑板同步带固定块(26)固定于Z轴滑板(5)上，X轴两级驱动同步带(24)的另一端通过二级臂同步带固定块(27)固定于X轴二级臂(14)上。
5.根据权利要求1所述的圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，所述水平旋转轴C轴模块的C轴水平旋转角度为±174°。
6.根据权利要求1所述的圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，所述竖向升降Z轴模块的Z轴竖向升降最大距离为600mm。
7.根据权利要求1所述的圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，所述横向两级伸缩X轴模块的X轴横向伸缩最大距离为800mm。
8.根据权利要求1所述的圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，所述手爪模块(15)的最大负载为10kg。
9.根据权利要求2所述的圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，所述RV减速机安装基板(21)与C轴基座(1)之间、所述C轴RV减速机驱动模块(22)与RV减速机安装基板(21)之间均通过销钉定位，螺钉锁紧。
10.根据权利要求2所述的圆柱坐标式三轴长行程机械手，其特征在于，所述C轴基座(1)采用铸造矩形壳体，在矩形壳体直角处进行大倒角。
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