CN204976626U - 集成式的两自由度机械手及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种集成式的两自由度机械手及其控制系统，两自由度机械手包括：位于Z轴方向上的丝杆和花键，丝杆和花键水平设置，且丝杆和花键通过花键丝杆连接件固定连接；设于丝杆下方的伺服电机；设于花键下方的中空电机；位于中空电机上的编码器，花键贯穿编码器；固定板，包括相互垂直设置的底板和后侧板，伺服电机和中空电机固定安装于底板上，花键丝杆连接件滑动安装于后侧板上。本实用新型利用中空电机和伺服电机来实现机构的直线位移加旋转运动，即可以实现直线位移及垂直位移方向的平面内的旋转运动，其传动精度高、体积小、结构简单，制造成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及工业机器人技术领域，特别是涉及一种集成式的两自由度机械手及其控制系统。
背景技术
随着我国经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，以及中国制造2025的目标提出，工业机器人将被更广泛地应用在制造业的各个领域。
集成式的两自由度机械手是工业机器人的一个重要的组成部分，作为直接的执行部位，被大量的应用在自动插件、焊锡、点胶、贴片等实装技术领域。其本身的结构、重量、外形尺寸和精度对整个机器人的工作性能和技术性能有着直接的影响。目前已有的直线加旋转运动的机构普遍采用同步带、链条等转接件来实现原动件与从动件的运动传递，并且原动件与原动件、原动件与从动件的分布不在同一根轴线上，因此现有的直线加旋转的运动机构存在效率低、精度差、结构复杂、制造成本高的问题。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种集成式的两自由度机械手及其控制系统。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种集成式的两自由度机械手及其控制系统，其为一种直线加旋转运动机构，能够优化结构、改善性能、提高效率与精度，同时能够降低制造成本。
为了实现上述目的，本实用新型实施例提供的技术方案如下：
一种集成式的两自由度机械手，所述两自由度机械手包括：
位于Z轴方向上的丝杆和花键，所述丝杆和花键水平设置，且丝杆和花键通过花键丝杆连接件固定连接；
设于丝杆下方的伺服电机；
设于花键周围的中空电机；
位于中空电机上的编码器，所述花键贯穿所述编码器；
固定板，包括相互垂直设置的底板和后侧板，所述伺服电机和中空电机固定安装于底板上，花键丝杆连接件滑动安装于所述后侧板上；
所述伺服电机旋转时，丝杆通过花键丝杆连接件带动花键在Z轴方向上运动，所述中空电机旋转时，花键在垂直于Z轴的平面内旋转运动。
作为本实用新型的进一步改进，所述伺服电机与丝杆之间固定有联轴器。
作为本实用新型的进一步改进，所述联轴器固定安装于伺服电机的转动轴上，联轴器的另一端与丝杆固定安装，联轴器外侧安装有联轴器外筒及联轴器盖板，所述联轴器外筒上还安装有用于与丝杆固定安装的轴承。
作为本实用新型的进一步改进，所述后侧板上设有与丝杆相对应的上硬限位和下硬限位。
作为本实用新型的进一步改进，所述后侧板上固定安装有沿Z轴方向的滑轨，所述花键丝杆连接件上固定安装有滑块，所述滑块在滑轨上沿Z轴方向上下运动。
作为本实用新型的进一步改进，所述中空电机包括中空电机定子、位于中空电机定子外侧的中空电机转子、以及位于中空电机转子外侧的永磁铁贴片。
作为本实用新型的进一步改进，所述后侧板上固定安装有与花键对应的上限位光电开关和下限位光电开关，花键丝杆连接件上固定安装有与上限位光电开关和下限位光电开关对应的光电开关挡块。
作为本实用新型的进一步改进，所述底板和后侧板上的连接处固定安装有若干加强筋。
相应地，一种集成式的两自由度机械手的控制系统，所述控制系统包括：计算机、与计算机相连的控制器、以及与控制器相连的第一驱动器和第二驱动器，所述第一驱动器用于驱动伺服电机，第二驱动器用于驱动中空电机并接收编码器的位置反馈信息以保证中空电机的运动精度。
作为本实用新型的进一步改进，所述控制器采用脉冲的方式驱动伺服，脉冲数量决定伺服电机和/或中空电机的转动圈数，脉冲频率决定伺服电机和/或中空电机的转动速度。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型利用中空电机和伺服电机来实现机构的直线位移加旋转运动，即可以实现直线位移及垂直位移方向的平面内的旋转运动，其传动精度高、体积小、结构简单，制造成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型一具体实施例中集成式的两自由度机械手的剖视结构示意图；
图2为本实用新型一具体实施例中集成式的两自由度机械手的立体结构示意图；
图3为本实用新型一具体实施例中集成式的两自由度机械手的控制系统模块示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
本实用新型公开了一种集成式的两自由度机械手，所述两自由度机械手包括：
位于Z轴方向上的丝杆和花键，所述丝杆和花键平行设置，且丝杆和花键通过花键丝杆连接件固定连接；
设于丝杆下方的伺服电机；
设于花键周围的中空电机；
位于中空电机上的编码器，所述花键贯穿所述编码器；
固定板，包括相互垂直设置的底板和后侧板，所述伺服电机和中空电机固定安装于底板上，花键丝杆连接件滑动安装于所述后侧板上；
所述伺服电机旋转时，丝杆通过花键丝杆连接件带动花键在Z轴方向上运动，所述中空电机旋转时，花键在垂直于Z轴的平面内旋转运动。
本实用新型还公开了一种集成式的两自由度机械手的控制系统，所述控制系统包括：计算机、与计算机相连的控制器、以及与控制器相连的第一驱动器和第二驱动器，所述第一驱动器用于驱动伺服电机，第二驱动器用于驱动中空电机并接收编码器的位置反馈信息以保证中空电机的运动精度。
参图1、图2所示为本实用新型一具体实施例中集成式的两自由度机械手的结构示意图。
本实施例中外筒11的中间部分的上端面与底板25下孔端面紧密配合并固定，外筒11上端面与转换件10下端面配合并固定，花键电机花键连接件9的下端面与转换件10的上端面配合并固定。
将装配好的中空电机与底板装配，本实施例中的中空电机包括中空电机定子15、位于中空电机定子外侧的中空电机转子13、以及位于中空电机转子外侧的永磁铁贴片14，永磁铁贴片14和中空电机转子13通过轴承12与外筒11安装。中空电机的中空电机转子13与花键电机花键连接件9中间的孔配合，确保中空电机下部的圆环套入底板25上端的孔中，还要确保中空电机的下端的精车面与底板25上部凸出的精车面紧密配合，最后固定好中空电机。
支撑块23用螺钉装到后侧板29上，并将下限位光电开关16、上限位光电开关18用螺钉装配到后侧板29上。下硬限位2装到联轴器外筒5上端。联轴器外筒5所在的底板的十字端与后侧板29十字槽过盈配合。
丝杆1下端与对应的轴承3的内圈过盈配合，并且用轴承内圈压紧螺母4压紧轴承内圈。将已经部分装配好的螺杆通过联轴器外筒5下端穿过，轴承3装到联轴器外筒5上端的孔中，并将联轴器轴承盖板6盖到轴承3外圈的端面上固定好。联轴器7一端装配到伺服电机的转动轴上，并用紧定螺钉固定。
伺服电机装入联轴器外筒5所在的底板的下侧的孔中，使得联轴器7另一端装到丝杆的一端，并且伺服电机前端面与孔的上表面紧密配合并固定，而后用紧定螺钉联轴器7固定在丝杆的一端。
最后，将已经部分装配好的后侧板29和底板25组装起来，确保两者垂直。滑轨31装配到后侧板29的条形精加工位置，保证滑轨31的垂度。编码器22套在中空电机旋转轴上并固定。将花键19上端与对应的轴承17的内圈过盈配合，并且用轴承内圈压紧螺母33压紧轴承内圈。将已经部分装配好的花键穿入花键滑块34的孔中，将轴承外圈套入丝杆滑块的孔中，并用花键轴承外圈盖片21压在轴承17的外圈端面上。花键丝杆连接件28后侧的花键滑块34滑入花键丝杆连接件28对应的槽中。花键19套入中空电机的中空轴中，并将丝杆法兰螺母27套入花键丝杆连接件28对应的孔中，并用螺钉固定。花键丝杆连接件28与滑块32用螺钉固定。调整花键滑块34的位置，保证花键19、中空电机转子13、外筒11的同心度，然后用紧定螺钉固定好花键滑块34。上硬限位30在后侧板29上用螺钉固定。
最后在光电开关通电的情况下，在上限位光电开关16、下限位光电开关18处调整，将光电开关挡块20用螺钉固定到花键丝杆连接件28上。
花键最底端可以用法兰在连接机械手来完成夹取物体和插件，连接吸嘴可以用来贴片、圆晶切割，连接焊接机，可以完成锡焊。
当伺服电机26转动时，带动联轴器7转动，从而使得丝杆1转动，进而带动丝杆法兰螺母27的升降，也带动了花键丝杆连接件28的升降，从而实现了花键19平行于Z轴的上下移动。而中空电机转子13的转动，带动了花键19的转动，从而实现了垂直于Z轴平面内的旋转运动。
本实施例中底板25和后侧板29上的连接处固定安装有加强筋8、24，该加强筋为三角形，在其他实施例中也可以为其他形状的加强筋。
进一步地，本实用新型中丝杆的螺纹升角λ<当量摩擦角Φv，以防止自锁，保证良好传动性。
本实用新型中的直线加旋转运动机构，对比现有产品，本实用新型优化了结构、改善了性能、提高了效率和精度，同时降低了制造成本，因此本实用新型有着重要的现实意义。本实用新型利用一个伺服电机和一个中空电机分别带动丝杆和花键，丝杆螺母副和花键上的对顶轴承直接通过一个金属块连接，这样的结构减少了累计误差，提高了机构的响应速度和传动精度。并且中空电机与花键、伺服电机与丝杆分立在同一平面的两条不相同的平行轴上，实现了直线运动和旋转运动的解耦。本实用新型结构简单、机构体积大大的缩小，同时降低了加工成本。
参图3所示为本实用新型一实施例中集成式的两自由度机械手的控制系统，其包括：计算机35、与计算机相连的控制器36、以及与控制器相连的第一驱动器37和第二驱动器38，第一驱动器37用于驱动伺服电机，第二驱动器38用于驱动中空电机并接收编码器位置反馈信息以保证中空电机的运动精度。
计算机35可依据运动要求对控制器36进行编程，控制器36可以向第一驱动器37和第二驱动器38发出脉冲来达到控制电机运动的目的。伺服电机自带的编码器将伺服电机的实时位置反馈给第一驱动器，以此来保证伺服电机的位置精度；编码器可以将中空电机的实时位置反馈给第二驱动器，以此来保证中空电机的运动精度；计算机可以全程监控两自由度机械手的运动状态。
具体地，计算机35和控制器36是通过以太网线连接的，并且可以交互信息。控制器36与第一驱动器37和第二驱动器38、上限位光电开关和下限位光电开关之间是由控制总线连接的，其中与第一驱动器第二驱动器之间是可以交互信息，只能接收光电开关的信息。
第一驱动器36与伺服电机构成闭环控制回路，第二驱动器38与中空电机和编码器构成的子系统构成闭环控制回路。
计算机35中的控制系统软件可以对控制器36进行编程，控制器36采用脉冲的方式驱动伺服，脉冲数量决定电机的转动圈数，脉冲频率决定电机的转动速度，同时第一驱动器37和第二驱动器38能够将伺服电机和中空电机的位置实时反馈给控制器36，与此同时，控制器36还可将数据传输到计算机中的控制系统软件上。尤其要指出，本实用新型中编码器是中空电机的位置反馈，上、下光电开关将丝杆花键连接件的位置信号反馈给控制器36。
本实用新型可以应用于各种自动化设备中，适用于直线位移运动和转动，固定板上具有安装螺纹孔，结合X、Y移动平台，可以实现四个自由度运动。
由以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型利用中空电机和伺服电机来实现机构的直线位移加旋转运动，即可以实现直线位移及垂直位移方向的平面内的旋转运动，其传动精度高、体积小、结构简单，制造成本低。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述两自由度机械手包括：
位于Z轴方向上的丝杆和花键，所述丝杆和花键平行设置，且丝杆和花键通过花键丝杆连接件固定连接；
设于丝杆下方的伺服电机；
设于花键周围的中空电机；
位于中空电机上的编码器，所述花键贯穿所述编码器；
固定板，包括相互垂直设置的底板和后侧板，所述伺服电机和中空电机固定安装于底板上，花键丝杆连接件滑动安装于所述后侧板上；
所述伺服电机旋转时，丝杆通过花键丝杆连接件带动花键在Z轴方向上运动，所述中空电机旋转时，花键在垂直于Z轴的平面内旋转运动。
2.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述伺服电机与丝杆之间固定有联轴器。
3.根据权利要求2所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述联轴器固定安装于伺服电机的转动轴上，联轴器的另一端与丝杆固定安装，联轴器外侧安装有联轴器外筒及联轴器盖板，所述联轴器外筒上还安装有用于与丝杆固定安装的轴承。
4.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述后侧板上设有与丝杆相对应的上硬限位和下硬限位。
5.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述后侧板上固定安装有沿Z轴方向的滑轨，所述花键丝杆连接件上固定安装有滑块，所述滑块在滑轨上沿Z轴方向上下运动。
6.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述中空电机包括中空电机定子、位于中空电机定子外侧的中空电机转子、以及位于中空电机转子外侧的永磁铁贴片。
7.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述后侧板上固定安装有与花键对应的上限位光电开关和下限位光电开关，花键丝杆连接件上固定安装有与上限位光电开关和下限位光电开关对应的光电开关挡块。
8.根据权利要求1所述的集成式的两自由度机械手，其特征在于，所述底板和后侧板上的连接处固定安装有若干加强筋。
9.一种如权利要求1~8中任一项所述的集成式的两自由度机械手的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：计算机、与计算机相连的控制器、以及与控制器相连的第一驱动器和第二驱动器，所述第一驱动器用于驱动伺服电机，第二驱动器用于驱动中空电机并接收编码器的位置反馈信息以保证中空电机的运动精度。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述控制器采用脉冲的方式驱动伺服，脉冲数量决定伺服电机和/或中空电机的转动圈数，脉冲频率决定伺服电机和/或中空电机的转动速度。
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| CN116922430A (zh) * | 2022-04-10 | 2023-10-24 | 苏州钧舵机器人有限公司 | 一种新型旋转夹取装置 |
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