CN202895245U - 用于工业机器人的臂组件和工业机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于工业机器人（10）的臂组件和工业机器人（10），该臂组件包括蜗杆（22）、与所述蜗杆（22）啮合的齿轮（24）以及臂（14），该蜗杆（22）能够旋转以驱动所述齿轮（24）来移动所述臂（14），并且所述蜗杆（22）能够在第一位置与第二位置之间运动，在该第一位置中，所述蜗杆（22）能够旋转以驱动齿轮（24），在该第二位置中，所述蜗杆（22）与所述齿轮（24）之间的相对运动被防止。

Description

用于工业机器人的臂组件和工业机器人

技术领域

本实用新型涉及一种用于工业机器人的臂组件，以及一种具有至少一个这种臂组件的工业机器人。 

背景技术

工业机器人现在广泛应用于各种工业，例如在移印（pad printing）工业中用来拾取和放置部件或者在诸如半导体工业和汽车工业中用于简单的组装操作。 

一种类型的常用工业机器人是选择顺应性装配机器手臂（SCARA）机器人。简要地说，SCARA机器人具有三个臂。第一臂与竖直取向的支撑件连接并且可围绕第一竖直轴线相对于竖直取向的支撑件水平地旋转。第二臂与第一臂连接并且可围绕第二竖直轴线相对于第一臂水平地旋转。第三臂与第二臂连接并且可围绕第三竖直轴线相对于第二臂水平地旋转。第三臂也可相对于第二臂竖直地，即沿第三竖直轴线线性地运动。 

第一臂和第二臂中的每一个都是由马达通过减速齿轮单独地驱动。对于第三臂，它通过马达和引导螺杆竖直地（向上地和向下地）运动，并且通过另外的马达由同步带沿两个方向（即，沿顺时针方向和逆时针方向）旋转达到360°。 

与这种机器人关联的长久问题是“齿隙（backlash）”。简单地说，在实践中发现，当机器手臂运动到其预设运动端点时，在预设位置停止之前存在轻微的振动。这由以下事实引起：在彼此啮合的驱动齿轮和从动齿轮之间存在对缝间隙（clearance gap）。当驱动齿轮突然停止时，从动齿轮的动量和载荷促使从动齿轮继续运动并通过对缝间隙，直到从动齿轮碰撞到静止的驱动 齿轮（该驱动齿轮在碰撞时已经停止）。当运动部件碰撞静止部件时产生振动和声响。 

减小在机器手臂运动中的齿隙的一种方法是使用谐波齿轮。谐波齿轮具有三个主要部件，即输出齿轮、输入齿轮和输入驱动椭圆三脚架（input driveellipse splider）。谐波齿轮具有大的减速比（也称为“齿数比”），该减速比可以达到300:1。谐波齿轮的尺寸紧凑并且输入齿轮和输出齿轮位于相同轴线上。谐波齿轮可以显著减小齿隙，并且因此适合用于需要机器手臂的精确定位的工业机器人，诸如SCARA机器人。 

然而，谐波齿轮的缺点是，三个部件之间的高的运动摩擦产生噪音、磨损和裂纹。所有三个元件需要高精度制造工艺，因而成本昂贵。世界上仅有很少制造商可以生产可靠的且质量良好的谐波齿轮。这至少部分地造成SCARA机器人的相对高的价格。 

实用新型内容

因此，本实用新型的目的是提供一种用于工业机器人的臂组件，和一种具有至少一个这种臂组件的工业机器人，其中前述缺点被减轻或者至少向行业和公共提供了有用的替代。 

根据本实用新型的第一方面，提供了一种用于工业机器人的臂组件，所述臂组件包括蜗杆构件、与所述蜗杆构件啮合的齿轮构件以及臂构件，其中所述蜗杆构件能够旋转以驱动所述齿轮构件来移动所述臂构件，并且其中所述蜗杆构件来在第一位置与第二位置之间运动，在该第一位置中，所述蜗杆构件能够旋转以驱动所述齿轮构件，在该第二位置中，所述蜗杆构件和所述齿轮构件之间的相对运动被防止，所述臂组件还包括气动气缸，该气动气缸用来在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述蜗杆构件，其中所述蜗杆构件被支撑在平台上，该平台能够通过所述气动气缸移动，并且其中所述平 台被支撑在基座上方并且能够相对于该基座枢转。 

优选地，当所述蜗杆构件处于所述第二位置时，所述蜗杆构件被推靠在所述齿轮构件上。 

优选地，当所述蜗杆构件处于所述第一位置时，对缝间隙存在于所述蜗杆构件与所述齿轮构件之间，并且当所述蜗杆构件处于所述第二位置时，在所述蜗杆构件和所述齿轮构件之间不存在对缝间隙。 

优选地，该臂组件还包括马达，所述马达与所述蜗杆构件连接以旋转所述蜗杆构件。 

优选地，所述齿轮构件能够围绕相对于所述基座固定的轴线旋转。 

优选地，所述齿轮构件是直齿轮。 

优选地，所述齿轮构件是斜齿轮。 

根据本实用新型的第二方面，提供了一种包括至少一个臂组件的工业机器人，所述臂组件包括蜗杆构件、与所述蜗杆构件啮合的齿轮构件以及臂构件，其中所述蜗杆构件能够旋转以驱动所述齿轮构件来移动所述臂构件，并且其中所述蜗杆构件能够在第一位置与第二位置之间运动，在该第一位置中，所述蜗杆构件能够旋转以驱动所述齿轮构件，在该第二位置中，所述蜗杆构件与所述齿轮构件之间的相对运动被防止，所述臂组件还包括气动气缸，该气动气缸用来在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述蜗杆构件，其中所述蜗杆构件被支撑在平台上，该平台能够通过所述气动气缸移动，并且其中所述平台被支撑在基座上方并且能够相对于该基座枢转。 

优选地，该工业机器人包括多个所述臂组件。 

优选地，所述工业机器人包括第一臂和第二臂，该第一臂和第二臂可枢转地彼此连接，其中所述第一臂和第二臂中的每一个包括所述臂组件。 

优选地，该工业机器人还包括第三臂，所述第三臂能够可旋转地和线性地运动。 

优选地，所述机器人为选择顺应性装配机器手臂机器人。 

与常规臂组件相比，在根据本实用新型的臂组件的运行期间存在明显更小的齿隙，并且特别地与使用谐波齿轮的那些臂组件相比，可以以显著低的成本构造根据本实用新型的臂组件。 

附图说明

现在仅以示例方式并参考附图来描述根据本实用新型的一种用于工业机器人的臂组件和一种具有至少一个这种臂组件的工业机器人，其中： 

图1是根据本实用新型的实施方式的工业机器人的透视图； 

图2是图1的工业机器人的臂组件中的蜗轮的顶视图； 

图3是图2的蜗轮处于未锁定状态时的放大视图； 

图4是图2的蜗轮处于锁定状态时的放大视图； 

图5是图1的工业机器人的臂组件的顶视图； 

图6是图5的臂组件的部分的侧视图；并且 

图7是图1的工业机器人的控制接口以及电力和数据连接的示意图。 

具体实施方式

参考图1，示出了根据本实用新型的实施方式的工业机器人（为选择顺应性装配机器手臂（SCARA）机器人）并且总体上标示为10。 

机器人10具有直立支撑件12，第一臂14的第一纵向端可枢转地连接到该直立支撑件12。第一臂14与支撑件12连接使得当支撑件12的中心纵向轴线A-A竖直取向时，第一臂14可以绕轴线A-A相对于支撑件12沿顺时针和逆时针方向水平旋转。更一般地，第一臂14可以在垂直于支撑件12的轴线A-A的平面中旋转。 

第一臂14的第二纵向端可枢转地连接第二臂16的第一纵向端，使得当 轴线A-A竖直取向时，第二臂16可以围绕平行于轴线A-A的轴线B-B相对于第一臂14沿两个方向水平旋转。 

第二臂16的第二纵向端附近设置有第三臂18，该第三臂18为细长形状并且平行于轴线A-A。第三臂18可以围绕平行于轴线A-A的轴线C-C相对于第二臂16沿两个方向旋转。第三臂18也可以沿平行于轴线C-C的轴线来回线性运动，因而可沿图1中的双向箭头D-D的指示方向来回线性运动。就图1而言，第三臂18可以向上和向下运动。 

第一臂14和第二臂16中的每一个都被相应的马达单独驱动。至于第三臂18，它可以通过马达和导螺杆竖直地线性运动，并且可以通过另一马达由同步带（timing belt）相对于第二臂16沿两个方向旋转达到360°。 

图2示出了适于用在机器人10的臂组件中的蜗轮，该蜗轮总体上标示为20。蜗轮20具有与齿轮24啮合的蜗杆22。齿轮24可以是直齿轮或斜齿轮。蜗杆22连接到马达26（见图5）的输出轴。来自马达26的动力通过蜗杆22绕其旋转轴线E-E的旋转被传输以驱动齿轮24移动连接到该驱动齿轮24上的载荷，在这种情况下，该载荷是第一机器手臂14。蜗杆22的轴28和齿轮24的轴30设置成彼此成直角，并且这些轴28、30通常由轴承支撑以便旋转运动。 

由于蜗轮具有高的齿数比，因此它们适合于从马达到载荷的高动力高扭矩传输。蜗轮提供最平滑且最安静的传动装置，并且可以传输高的扭矩。蜗轮也容易制造，仅具有两个部件。蜗轮的制造成本比谐波齿轮的制造成本低得多。尽管蜗轮具有适于用在SCARA机器人中的机械特性，但齿隙的问题仍待解决。 

图3和图4示出根据本实用新型的臂组件的蜗轮20的运行和构造原理，其中齿隙的问题被解决或至少被减轻。图3示出当蜗杆22绕其旋转轴线E-E的旋转将驱动齿轮24绕其自身旋转轴线旋转时蜗杆22和齿轮24之间的啮 合方式。从图3中的圈起部分G可以看到，当蜗杆22和齿轮24在这种未锁定状态时，在蜗杆22和齿轮24之间总是存在对缝间隙。 

本实用新型的基本构思是当蜗杆22停止时闭合这种对缝间隙，以便当蜗杆22停止时将蜗杆22锁定到齿轮24上，以停止齿轮24的运动。如图4中所示出的，实现这种结果的一种方式是当蜗杆22将要停止时在蜗杆22上施加外力F以朝向齿轮24移动该蜗杆22。因而当蜗杆22在将停止时被这样移动并被推往齿轮24上时，在蜗杆22和齿轮24之间不存在对缝间隙，如图4中的圈起部分H中所显示的。当蜗杆22和齿轮24处于彼此锁定和抵靠的这种锁定状态时，防止了蜗杆22和齿轮24之间的相对运动。齿隙因此被防止，或者至少被减小。 

图5更详细地示出了机器人10中的臂组件。蜗杆22被安装到且支撑在平台32上以便同时运动。蜗杆22的轴（未示出）与马达26的输出轴（未示出）连接，该输出轴也安装在平台32上。马达26的输出因此引致蜗杆22绕其自身旋转轴线E-E旋转运动。气动气缸34的输出连接到平台32，使得气动气缸34的运行将按以下将讨论的方式移动平台32。 

蜗杆22与齿轮24啮合，该齿轮24与第一臂14固定地连接以便绕第一臂14的旋转轴线A-A进行同时旋转运动。齿轮24可以相对于基座36旋转，该基座36相对于旋转轴线A-A固定。齿轮24的中心孔（未示出）通过装配到齿轮24上的支撑轴承37紧固到基座36上。 

参考图6，可以看到平台32通过销38支撑在基座36上方，使得平台32可以相对于基座36枢转。销38与平台32固定在一起并且可以相对于基座36枢转。可选择地，平台32可以是相对于销38可枢转的，该销38与基座36固定在一起。通过这种布置，气动气缸34可操作以移动平台32相对于基座36朝向和远离轴线A-A枢转，并且因而朝向和远离齿轮24。 

在使用时，当启动马达26时，该马达26促使蜗杆22沿其旋转轴线E-E 旋转，这相应地引起齿轮24绕其旋转轴线A-A旋转。因此引起第一臂14绕轴线A-A的相应旋转运动。在这种运动期间，气动气缸34不作用于平台32上，并且对缝间隙存在于蜗杆22和齿轮24之间。 

当马达26将要停止时，例如，当第一臂14将要达到其预设运动端点时，机器人10发送信号以促使气动气缸34作用到平台32上，从而促使平台32相对于基座36朝向齿轮24枢转以闭合蜗杆22和齿轮24之间的对缝间隙。由于蜗杆22在那时已经停止，蜗杆22被推靠在齿轮24上以锁定齿轮24并抵抗相对于蜗杆22的任何运动。当蜗杆22停止时，第一臂14因而立即停止并且精确地停止在预设运动端点。齿隙因此被消除，或者至少减小。 

当马达26开始运动以进行下一个定位循环时，机器人10发送信号以促使气动气缸34作用到平台32上，从而促使平台32相对于基座36远离齿轮24地枢转，使得合适的对缝间隙再次存在于蜗杆22和齿轮24之间，允许蜗杆22的旋转带动齿轮24的旋转运动。 

虽然机器人10至此被描述为仅具有一个根据本实用新型的臂组件，但可以预想，机器人10可以具有两个这种臂组件，该两个臂组件分别用来调节第一臂14和第二臂16的运动。 

如图7中更详细地示出的，机器人10具有用作人机接口的接口控制面板52。用户可以通过操纵接口控制面板52而监视、控制、改变或调节机器人10的工作。特别地，接口控制面板52具有开始按钮54，可以按压该开始按钮54以开始机器人10的运行。接口控制面板52通过运动控制器56与机器人10的各种部件数据通信，该运动控制器56是具有数据处理能力的微处理器。 

运动控制器56与驱动器58数据通信以便控制伺服马达26的运行，并且运动控制器56与阀60数据通信以便控制气动气缸34的运行，阀60与该气动气缸34连接。更特别地，驱动器58通过编码器电缆62和电力电缆64 与伺服马达26连接。 

运动控制器56控制伺服马达66的运行以通过与上述蜗轮20具有相同结构的蜗轮（未示出）驱动第二臂16。更特别地，运动控制器56与驱动器68数据通信，该驱动器68相应地通过编码器电缆70和电力电缆72与伺服马达66连接，以便控制伺服马达66的运行。 

运动控制器56通过阀控制气动气缸的运行，以便在第二臂16的运动中至少减小齿隙。为清楚起见，图7中没有显示出气缸和阀。气动气缸、阀、马达66和第二臂16的结构和布置类似于关于第一臂14的那些，因而在此不再重复。 

运动控制器56通过电力电缆78与驱动器76数据通信以便控制转动马达74的运行。马达74可操作以促使机器人10的第三臂18沿两个方向旋转至少360°。运动控制器56也与阀80数据通信以便控制气动气缸82的运行，该气动气缸82可操作以用于选择性地引起第三臂18的沿图1中的双向箭头D-D指示的方向的线性运动。 

运动控制器56还与真空阀84数据通信以控制固定于第三臂18的下端的真空吸杯86的运行。因此，可以引起真空吸杯86在与其接触的工件（未示出）上施加吸力（在真空阀84运行时），从而从拾取位置移动工件，并且在释放位置释放吸力以释放工件。 

下面将讨论在第一臂14的运动期间臂组件的运行的进一步细节。应当理解，第二臂16的运行的原理和方式与第一臂14的那些相同。 

让我们假定第一臂14开始运动过90°，例如从0°位置到90°位置。运动控制器56发出信号以指示阀60运行气动气缸34，以使得平台32远离齿轮24地枢转，以便将蜗杆22远离齿轮24枢转，并且因此将蜗轮20移动至未锁定状态。然后，运动控制器56发出信号以指示驱动器58促使伺服马达26旋转蜗杆22，相应地旋转齿轮24，以便带动第一臂14从0°位置朝向 90°位置高速旋转运动°运动控制器56通过驱动器58和编码器电缆62同时监视第一臂14的旋转运动。 

当已经发现第一臂14已经从0°位置朝向90°位置旋转过至少80°的角度时，运动控制器56发出信号以促使阀60运行气动气缸34，以使平台32朝向齿轮24枢转，以便逐渐闭合蜗杆22和齿轮24之间的对缝间隙。马达26的旋转速度同时减小，因而引起第一臂14的旋转速度减小，使得当第一臂14到达90°位置时，马达26停止旋转并且因此蜗杆22停止旋转，并且蜗轮20处于锁定状态中，在该锁定状态中，蜗杆22和齿轮24之间的对缝间隙被闭合。这带来精确的定位和第一臂14的齿隙的显著减小（或者甚至消除）。 

如果随后希望将第一臂14移动回到0°位置，则运动控制器56发出信号以指示阀60运行气动气缸34以使平台32远离齿轮24地枢转，以便将蜗杆22枢转离开齿轮24，并且因此将蜗轮20移动到未锁定状态。运动控制器56然后发出信号以指示驱动器58促使伺服马达26旋转蜗杆22，相应地旋转齿轮24，以便带动第一臂14从90°位置向后朝向0°位置高速旋转运动。运动控制器56通过驱动器58和编码器电缆62同时监视第一臂14的旋转运动。 

当发现第一臂14已经从90°位置朝向0°位置旋转过至少80°的角度时，运动控制器56发出信号以促使阀60运行气动气缸34以使平台32朝向齿轮24枢转，以便逐渐闭合蜗杆22和齿轮24之间的对缝间隙。马达26的旋转速度同时减小，因此引起第一臂14的旋转速度减小，使得当第一臂14达到0°位置时，马达26停止旋转并且因此蜗杆22停止旋转，并且蜗轮20处于锁定状态，在该锁定状态中，蜗杆22和齿轮24之间的对缝间隙被闭合。 

应当理解，上面仅展示出可以实现本实用新型的示例，并且可以对此作出各种修改和/或变化而不偏离本实用新型的精神。也应当理解，在此为简单 起见而在单个实施方式的内容中所描述的本实用新型的各种特征可以单独地提供或以任何适当的子组合的方式提供。 

Claims (12)

1.一种用于工业机器人的臂组件，其特征在于，所述臂组件包括：

蜗杆构件；

与所述蜗杆构件啮合的齿轮构件；和

臂构件，

其中所述蜗杆构件能够旋转以驱动所述齿轮构件来移动所述臂构件，并且

其中所述蜗杆构件能够在第一位置与第二位置之间运动，在所述第一位置中，所述蜗杆构件能够旋转以驱动所述齿轮构件，在所述第二位置中，所述蜗杆构件和所述齿轮构件之间的相对运动被防止，

所述臂组件还包括气动气缸，所述气动气缸用来使所述蜗杆构件在所述第一位置与所述第二位置之间移动，

其中所述蜗杆构件被支撑在平台上，该平台能够通过所述气动气缸移动，并且

其中所述平台被支撑在基座上方并且相对于所述基座能够枢转。

2.根据权利要求1所述的臂组件，其特征在于，当所述蜗杆构件处于所述第二位置时，所述蜗杆构件被推靠在所述齿轮构件上。

3.根据权利要求1或2所述的臂组件，其特征在于，当所述蜗杆构件处于所述第一位置时，对缝间隙存在于所述蜗杆构件与所述齿轮构件之间，并且当所述蜗杆构件处于所述第二位置时，在所述蜗杆构件和所述齿轮构件之间不存在对缝间隙。

4.根据权利要求1或2所述的臂组件，其特征在于，该臂组件还包括马达，所述马达与所述蜗杆构件连接以旋转所述蜗杆构件。

5.根据权利要求1或2所述的臂组件，其特征在于，所述齿轮构件能够围绕相对于所述基座固定的轴线旋转。

6.根据权利要求1或2所述的臂组件，其特征在于，所述齿轮构件是直齿轮。

7.根据权利要求1或2所述的臂组件，其特征在于，所述齿轮构件是斜齿轮。

8.一种工业机器人，其特征在于，所述工业机器人包括至少一个根据权利要求1所述的臂组件。

9.根据权利要求8所述的工业机器人，其特征在于，该工业机器人包括多个所述臂组件。

10.根据权利要求9所述的工业机器人，其特征在于，所述工业机器人包括第一臂和第二臂，该第一臂和第二臂可枢转地彼此连接，其中所述第一臂和第二臂中的每一个包括所述臂组件。

11.根据权利要求10所述的工业机器人，其特征在于，该工业机器人还包括第三臂，所述第三臂能够可旋转地和线性地运动。

12.根据权利要求8或9所述的工业机器人，其特征在于，所述机器人为选择顺应性装配机器手臂机器人。

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