CN2465893Y - 垂直关节型机器人操作机 - Google Patents
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Abstract
一种垂直关节型机器人操作机。由S、L、U、R、B和T轴传动装置和末端执行器组成,其中:各轴关节由交流伺服电机和减速器构成,S轴固定在底座上,通过腰座与L、U轴相连,L轴输出端固定于下臂,U轴的输出端经拉杆与四轴座连接,R轴安装在四轴座与上臂间,B轴、T轴一端安装在上臂上,另一端固定腕端上,其中T轴的谐波减速器T的刚轮的端面做为末端执行器。它具有6个转动或摆动的自由度,完成机器人的弧焊、搬运、装配等多种作业,重量轻,动态控制性能好,重复定位精度高。
Description
本实用新型属于工业机器人的机械本体，具体地说是一种垂直关节型机器人操作机。
近年来由于工业生产技术不断提高，在国内，工业机器人在弧焊、点焊、搬运、装配等领域的应用越来越普及，尤其在汽车、摩托车、工程机械、电子产品等企业对机器人的需求量越来越大。近年来，国内一些部门已经进行了6kg～10kg的机器人操作机制作，但普遍存在的问题是杆、臂件使用钢件，外观较粗糙重量大，减速器精度、刚度不高，传动部件设计不尽合理，结构不够紧凑等缺点。
为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种整机重量轻，动态控制性能好，结构紧凑，传动装置设计合理，重复精度高的垂直关节型机器人操作机。
本实用新型的技术方案是：由S轴、L轴、U轴、R轴、B轴、T轴传动装置和末端执行器，各轴关节由电机和减速器构成，其中：S轴固定在底座上，通过腰座与L轴、U轴相连，L轴输出端固定于下臂，U轴的输出端经拉杆与安装在下臂上的四轴座连接，R轴安装在四轴座与上臂之间，B、T轴一端安装在上臂上，另一端固定于腕端上，其T轴的谐波减速器T刚轮的端面做为末端执行器；
所述S轴传动由辅助支承轴承S、RV减速器S和电机S组成，其中壳体与腰座固连的电机S通过输入齿轮S与RV减速器S相连，所述RV减速器S的端盖固定于底座上，外壳作为输出固定于腰座上，设辅助支承轴承S于输入齿轮S上；
所述L轴传动由电机L、RV减速器L、支承轴承L组成，其中：电机L轴通过输入齿轮L与RV减速器L相连，RV减速器L的端面上固定有作为其输出端的下臂，电机L与RV减速器L的外壳均固定于腰座上，下臂及曲柄上分别加设一输入齿轮L、U轴中输入齿轮U的支承轴承L；
所述U轴的传动与L轴的结构相似，由RV减速器U、电机U组成，其中电机U轴上固定有RV减速器U的输入齿轮U，RV减速器U的输出端面上安装一U轴形成平行四边形的曲柄，曲柄通过拉杆与活动安装在下臂上的四轴座相连，其电机U及RV减速器U的外壳均固定在腰座上；
所述R轴为电机R、谐波减速器R同轴传动结构，其中电机R通过电机安装座固定于四轴座上，谐波减速器R通过其上的刚轮与四轴座安装在一起，柔轮固定于与上臂安装在一起的R轴的输出轴R上，其波发生器则固定于电机R的轴上，十字交叉轴承R设于输出轴R和四轴座之间；
所述B轴为横放的短尺寸电机B，及同步齿形带B、同步齿形带轮B及短杯型谐波减速器B的传动结构，其中电机B固定于上臂上，其轴与同步齿型带B的一个同步齿型带轮B相连，另一个同步齿型带轮B固定于谐波减速器B的波发生器轴上，谐波减速器B的柔轮固定于上臂上，刚轮固定于腕端上，腕端与上臂中间设有轴承B支承；
所述T轴为短尺寸电机T横放，及同步齿型带轮T、同步齿形带T、相互啮合的输入齿轮T、输出伞齿轮T及短杯型谐波减速T的传动结构，其中电机T固定于上臂上，其轴通过与其固连的同步齿型带轮T，同步齿型带T和输入伞齿轮T的轴T相连，输出伞齿轮T的轴T′上固定有谐波减速器T的波发生器，其谐波减速器T柔轮安装在腕端上，刚轮的端面做为末端执行器，末端执行器与腕端之间设有十字交叉轴承T；
为了提高下臂的位置精度，所述L轴的下臂与U轴的曲柄中间设有的附加轴承L支承装置；所述B、T轴传动中同步齿形带B、T设有带张力调整机构。
本实用新型具有如下优点：
1. 结构紧凑，重复定位精度高。本实用新型应用3D仿真技术确定了本实用新型的整机外形。在动力学分析的基础上，应用有限元分析软件对腰座、下臂、上臂、拉杆、四轴座等关键件进行了结构优化设计。由于S、L、U轴的电机轴直接作为RV减速器S、L、U的输入轴，该传动符合最短传动准则，且RV减速器S、L、U均选用高刚度、高精度的减速器，所以它们具有结构紧凑，关节刚度高，传动精度高，易于安装和维护等特点；R轴传动装置中，由于电机R轴直接作为谐波减速器R的输入轴，谐波减速器R的柔轮又直接作为输出轴，所以，该传动结构部件最少，结构最紧凑；B、T轴传动装置中，由于电机B、T的横放，减掉了一般常用的伞齿轮传动，使结构简化；加之采用了高精度、短杯谐波减速器R、T传动，进一步提高了传动精度，上臂的宽度变窄，结构更为紧凑，方便装配和维护；由于十字交叉轴承的应用，还提高了末端执行器的刚度和旋转精度。
2. 整机重量轻，刚度好。本实用新型腰座、下臂、上臂、拉杆、曲柄、R轴座、和腕端均应用了优质铸造铝合金，使其既保持了刚度又减轻了本实用新型的重量，采用了该种轻质材料，使其较应用钢、铸铁材料制成的整机重量轻20％。由于重量减轻，使惯性负载降低，从而提高了本实用新型的动态控制指标。
3. 动态控制性能好，应用范围广。本实用新型具有6个转动或摆动的自由度，可使末端执行器的工具端达到工作空间的3个位置与3个姿态角，完成机器人的弧焊、搬运、装配等多种作业。末端执行器的负载能力为6kg。
图1为本实用新型总体结构示意图；
图2为图1中S、L、U轴传动结构示意图；
图3为图1中R轴传动结构示意图；
图4为图1中B、T轴传动结构示意图。
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，由S轴1、L轴2、U轴3、R轴4、B轴5、T轴6传动装置和末端执行器12组成，其中：各轴关节由电机和减速器构成，S轴1固定在底座7上，通过腰座8与L轴2、U轴3相连，L轴2输出端固定于下臂9，U轴3的输出端经拉杆13与安装在下臂9上的四轴座14连接，R轴4安装在四轴座14与上臂10之间，B轴5一端安装在上臂10上，另一端固定于腕端11上，B轴5、T轴6一端安装在上臂10上，另一端固定于腕端11上，其T轴6的谐波减速器T67刚轮的端面做为末端执行器12；
如图2所示，S轴1传动由辅助支承轴承S11、RV减速器S12和电机S14组成，其中壳体与腰座8固连的电机S14通过输入齿轮S13与RV减速器S12相连，所述RV减速器S12的端盖固定于底座7上，外壳作为输出固定于腰座8上，设辅助支承轴承S11于输入齿轮S13上；
L轴2传动由电机L21、RV减速器L23、支承轴承L25组成，其中：电机L21轴通过输入齿轮L22与RV减速器L23相连，RV减速器L23的端面上固定有作为其输出端的下臂9，电机L21与RV减速器L23的外壳均固定于腰座8上，为了提高下臂9的精度及输入齿轮L 22的位置精度，下臂9及曲柄31之间加设一附加支承轴承L24，输入齿轮L22、U33上分别加设一支承轴承L25；
U轴3的传动与L轴2的结构相似，由RV减速器U32、电机U34组成，其中电机U34轴上固定有RV减速器U32的输入齿轮U33，RV减速器U32的输出端面上安装一U轴3形成平行四边形的曲柄31，曲柄31通过拉杆13与活动安装在下臂9上的四轴座14相连，其电机U34及RV减速器U32的外壳均固定在腰座8上；
其中：支承轴承L25为输入齿轮L22、U33的附加支承；
如图3所示，R轴4为电机R41、谐波减速器R43同轴传动结构，其中电机R41通过电机安装座42固定于四轴座14上，谐波减速器R43通过其上的刚轮与四轴座14安装在一起，柔轮固定于与上臂10安装在一起的R轴4的输出轴R46上，其波发生器则固定于电机R41的轴上，十字交叉轴承R45设于输出轴R46和四轴座14之间；
如图4所示，B轴5为横放的短尺寸电机B51，及同步齿形带B54、同步齿形带轮B52及短杯型谐波减速器B58的传动结构，其中电机B51固定于上臂10上，其轴与同步齿型带B54的一个同步齿型带轮B52相连，另一个同步齿型带轮B52固定于谐波减速器B58的波发生器轴B57上，谐波减速器B58的柔轮固定于上臂10上，刚轮固定于腕端11上，腕端11与上臂10中间设有轴承B55支承；
T轴6为短尺寸电机T61横放，及同步齿型带轮T62、同步齿形带T63、相互啮合的输入齿轮T65、输出伞齿轮T66及短杯型谐波减速T67的传动结构，其中电机T61固定于上臂10上，其轴通过与其固连的同步齿型带轮T62，同步齿型带T63和输入伞齿轮T65的轴T64相连，输出伞齿轮T66的轴T′69上固定有谐波减速器T67的波发生器，其谐波减速器T67柔轮安装在腕端11上，刚轮的端面做为末端执行器12，末端执行器12与腕端11之间设有十字交叉轴承T68；
为了提高下臂9的位置精度，所述L轴2的下臂9与U轴3的曲柄31中间设有的附加轴承L24支承装置；所述B轴5、T轴6传动中同步齿形带B54、T63设有带张力调整机构B53。
本实用新型各关节由交流伺服电机和减速器组成，通过有限元分析并进行结构优化设计，除底座外，腰座、下臂、拉杆、曲柄、R轴座、上臂和连同腕端一起各构件均应用了优质铸造铝合金，材料牌号为201A-T5，使其既保持了刚度又减轻了本实用新型的重量，采用了该种轻质材料，使其较应用钢、铸铁材料制成的整机重量轻20％。由于重量减轻，使惯性负载降低，从而提高了本实用新型的动态控制指标。
本实用新型工作过程是：
由于输入齿轮S13固定在电机S14的轴上，当电机S14轴转动时，腰座8就将进行相应的转动，即实现了S轴的运动控制；电机L21的轴转动，输入齿轮L22也转动，作为RV减速器L23的输入，使其输出端下臂9做相应的转动，即实现了L轴的运动控制；
电机U34的轴转动，输入齿轮U33也同时转动作为RV减速器U32的输入，由于电机U34外壳及RV减速器U32的外壳都固定于腰座8上，所以RV减速器U32的输出端面将与曲柄U31同时做相应的转动，通过拉杆13实现U轴的运动控制；
电机R41的轴转动使谐波减速器R43的波发生器转动，谐波减速器R43由于刚轮固定，柔轮带动输出轴R46转动，则上臂10作与输出轴R46相同的转动，实现R轴4的运动控制；
电机B51轴的转动，通过同步齿型带轮B52，使谐波减速器B59的波发生器转动，进而使谐波减速器B59的刚轮作为输出端转动，并带动腕端11作相同的转动。实现B轴5的运动控制，其中同步齿型带轮B52的带传动张力的调整通过作为调整机构的螺钉B53进行。
电机T61轴的转动，通过同步齿型带轮T62传动，使输出伞齿轮T66带动谐波减速器T67的波发生器转动，由于谐波减速器T67的柔轮固定，刚轮作为输出端转动，则带动末端执行器12作相同的转动，实现T轴6的运动控制，其中同步齿型带T63带传动张力的调整通过作为调整机构的螺钉53进行。
Claims (9)
1. 一种垂直关节型机器人操作机，由S轴(1)、L轴(2)、U轴(3)、R轴(4)、B轴(5)、T轴(6)传动装置和末端执行器(12)，各轴关节由电机和减速器构成，其特征在于：其中：S轴(1)固定在底座(7)上，通过腰座(8)与L轴(2)、U轴(3)相连，L轴(2)输出端固定于下臂(9)，U轴(3)的输出端经拉杆(13)与安装在下臂(9)上的四轴座(14)连接，R轴(4)安装在四轴座(14)与上臂(10)之间，B、T轴(5、6)一端安装在上臂(10)上，另一端固定于腕端(11)上，其T轴(6)的谐波减速器T(67)刚轮的端面做为末端执行器(12)。
2. 按照权利要求1所述的垂直关节型机器人操作机，其特征在于：所述S轴(1)传动由辅助支承轴承S(11)、RV减速器S(12)和电机S(14)组成，其中壳体与腰座(8)固连的电机S(14)通过输入齿轮S(13)与RV减速器S(12)相连，所述RV减速器S(12)的端盖固定于底座(7)上，外壳作为输出固定于腰座(8)上，设辅助支承轴承S(11)于输入齿轮S(13)上。
3. 按照权利要求1所述的垂直关节型机器人操作机，其特征在于：所述L轴(2)传动由电机L(21)、RV减速器L(23)、支承轴承L(25)组成，其中：电机L(21)轴通过输入齿轮L(22)与RV减速器L(23)相连，RV减速器L(23)的端面上固定有作为其输出端的下臂(9)，电机L(21)与RV减速器L(23)的外壳均固定于腰座(8)上，下臂(9)及曲柄(31)上分别加设一输入齿轮L(22)、U轴(3)中输入齿轮U(33)的支承轴承L(25)。
4. 按照权利要求1所述的垂直关节型机器人操作机，其特征在于：所述U轴(3)的传动与L轴(2)的结构相似，由RV减速器U(32)、电机U(34)组成，其中电机U(34)轴上固定有RV减速器U(32)的输入齿轮U(33)，RV减速器U(32)的输出端面上安装一U轴(3)形成平行四边形的曲柄(31)，曲柄(31)通过拉杆(13)与活动安装在下臂(9)上的四轴座(14)相连，其电机U(34)及RV减速器U(32)的外壳均固定在腰座(8)上。
5. 按照权利要求1所述的垂直关节型机器人操作机，其特征在于：所述R轴(4)为电机R(41)、谐波减速器R(43)同轴传动结构，其中电机R(41)通过电机安装座(42)固定于四轴座(14)上，谐波减速器R(43)通过其上的刚轮与四轴座(14)安装在一起，柔轮固定于与上臂(10)安装在一起的R轴(4)的输出轴R(46)上，其波发生器则固定于电机R(41)的轴上，十字交叉轴承R(45)设于输出轴R(46)和四轴座(14)之间。
6. 按照权利要求1所述的垂直关节型机器人操作机，其特征在于：所述B轴(5)为横放的短尺寸电机B(51)，及同步齿形带B(54)、同步齿形带轮B(52)及短杯型谐波减速器B(58)的传动结构，其中电机B(51)固定于上臂(10)上，其轴与同步齿型带B(54)的一个同步齿型带轮B(52)相连，另一个同步齿型带轮B(52)固定于谐波减速器B(58)的波发生器轴(57)上，谐波减速器B(58)的柔轮固定于上臂(10)上，刚轮固定于腕端(11)上，腕端(11)与上臂(10)中间设有轴承B(55)支承。
7. 按照权利要求1所述的垂直关节型机器人操作机，其特征在于：所述T轴(6)为短尺寸电机T(61)横放，及同步齿型带轮T(62)、同步齿形带T(63)、相互啮合的输入齿轮T(65)、输出伞齿轮T(66)及短杯型谐波减速T(67)的传动结构，其中电机T(61)固定于上臂(10)上，其轴通过与其固连的同步齿型带轮T(62)，同步齿型带T(63)和输入伞齿轮T(65)的轴T(64)相连，输出伞齿轮T(66)的轴T′(69)上固定有谐波减速器T(67)的波发生器，其谐波减速器T(67)柔轮安装在腕端(11)上，刚轮的端面做为末端执行器(12)，末端执行器(12)与腕端(11)之间设有十字交叉轴承T(68)。
8. 按照权利要求1、3或4所述的垂直关节型机器人操作机，其特征在于：所述L轴(2)的下臂(9)与U轴(3)的曲柄(31)中间设有的附加轴承L(24)支承装置。
9. 按照权利要求1所述的垂直关节型机器人操作机，其特征在于：所述B轴(5)、T轴(6)传动中同步齿形带B(54)、T(63)设有带张力调整机构B(53)。
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