CN85109415A - 各种用途的工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明为关于一种有密集变速传动和可变模量结构的多轴工业机器人。它由机座(1)，摇臂(7)和悬臂(9)组成。模量结构由在摇臂中，不仅悬臂有传动装置(26)而且摇臂本身也有传动装置(16)来实现。其优点是摇臂中安放传动装置，而只从动元件(21、31)凸出。从动元件定为中心，并与机座和悬臂固定，故摇臂对外壳，围绕从动元件旋转。回转装置各由一驱动马达(11、13)和一两级传动装置(17、20和27、30)构成。其第二级也由一齿轮传动装置构成。

Description

此发明是关于一种有不同用途的工业机器人（机械手），它由一个机座，在其上有可回转的摇臂和一只安装在摇臂上可回转的悬臂组成，同时，安装在摇臂上的驱动马达驱动悬臂回转，承受悬臂负荷的摇臂与其转向轴至少在静力上大致达到平衡。

这类工业机器人在DE-OS3115061已经提到，其摇臂回转驱动装置位于机座上，摇臂通过一配重达到平衡。这个机器人是为操作较重负荷而发展的。首先是作为焊接机器人而设计的。

越来越多的工业机器人用于装配目的，因此，大量地制造这类机器人。为了这种使用目的，一般来说，操作比较轻的负荷，这种工业机器人就可制造得轻一些，但由于需要数量较大，所以必须比迄今现有的机器人要经济才行。

迄今现有的机器人，就象DE-OS3115061提到的那种，只能有限地适应上述提到的目的，尤其是现有的机器人使用起来不经济，因为它们都是为一定的目的而单独设计的。

因此，上述发明的任务，就是研制一种工业机器人，适应各种使用目的，具有经济性。

此发明具有特色地完成了这项任务。

这种解决方案基于此构思，即用模量结构制造工业机器人，以使其最佳地适应各种使用目的。把摇臂当作核心模量适合各种使用目的，又以便比较经济地大量生产。然后各按其使用目的，摇臂与各种不同的机座和或者与悬臂连接在一起。通过把摆动和回转的驱动马达安装在摇臂上，可使机座的设计简便，而且费用低廉。

总的来看，一方面机座与摇臂之间和另一方面摇臂与悬臂之间的接口要实现标准化，其结果是：悬臂与机座作为标准部件相互独立设计，然后又通摇臂彼此联接起来。最佳适应使用目的的机器人应具有轴的准确数量和类型。因为这在很大程度上对经济性具有决定性的作用。

摆动结构使模量结构成为可能，而根据发明，模量结构可以对工业机器人进行低成本地改装，使之用于其它目的。前面提到的优点不仅对组合部件系统起了作用，而且对单件生产设计，象六轴工业机器人也起了作用。把摇臂和悬臂的回转驱动装置安装在摇臂里，可以简化摇臂和机座的设计过程，这在单件的设计中可起到低成本的作用。

到目前为止，摇臂与悬臂的回转传动装置表现为齿轮传动箱，根据相应的标准，可把齿轮传动箱也安装在机座或悬臂里。如果作为整套结构部件的摇臂完全采取上面提到的回转传动装置，而只有两个回转传动装置的从动元件从摇臂上露在外面，那么成本就更加低廉。

在所示的极为经济的结构中，从动元件与定心构成标准化轮凸缘，只需要把它与机座和悬臂用螺丝联在一起就行了。如果改变一下，使用行星齿轮传动或诸如此类的，就可把外部空心轮或行星齿轮拖架作为从动元件安装起来并且使之与机座或悬臂联在一起。

摇臂和悬臂的回转传动装置可以以不同的方式构式。这样，可以安装一个不需要减速齿轮的传动马达，而且直接安装在各回转轴上。由于回转传动装置的无间隙性和准确的控制，有利的是，由驱动马达和至少两级齿轮传动箱构成回转驱动装置，并把齿轮皮带传动作为第一级齿轮传动。根据所示结构例子，第二级传动也可以是齿轮皮带传动或者是齿轮传动。同样如此，整个传动都可构成齿轮传动。

把两个齿轮皮带传动装置与一个在同一平面前后安装的中间轴安装在一起，还有另一优点，即摆动机体的结构体积小，此外，根据发明，此种安装法可减轻由于主要安装了驱动马达而造成的摇臂的平衡，根据不同悬臂携带工具的负荷，可使用附加重量使摇臂围绕其回转轴达到平衡。同样，主要通过附加重量，在曲拐臂上起作用的弹簧，或用介质附加园筒或诸如此类的东西，可使摇臂达到平衡。为了排除附加的传动偏差的误差影响，位移传感器要尽可能位于离从动一边较近的地方。在摇臂的回转传动装置上，与机座相联的、作定向旋转和从动元件，可根据机座结构表示一个相对的或绝对的固定的基点。围绕此基点，传动箱与摇臂同步滚压。与此相适应，中间轴构成从动一边的最后运动结构部分，位移传感器有利地安排在这上面。由于结构稳定的原因，把位移传感器装在悬臂回转从动装置的中间轴上也较为有利，虽然这里的从动元件是最后运动传动元件。

这种提到的传动设计也带来了一部分问题：即按顺序拉紧了两级构成的齿轮皮带传动。在第一级齿轮传动中是很明显的，驱动马达可调节，因此使第一级传动的齿轮皮带拉紧了。这在第二级传动中就更成问题。因此本发明建议，把中间轴安装在与机体相对的、偏心的、可调节的外壳部位上，而且偏心调节可作为拉紧第二齿轮皮带的手段。

另一方面，发明还提出一种可能性，把两级传动齿轮箱与前面建议的装置安装在一起，为了消除啮合的间隙，与分开的、相对的扭曲的小齿轮装配在一起。这个建议来说于较早的专利申请P3115061和P3308413里，此专利申请的内容已经指出，因此这样做是特别有用的，即把最后一级传动作为所谓钢级传动，用钢级传动可克服由于重量大、运速快造成的摆动技术问题。

最有利的是摇臂和悬臂的回转传动装置的从动元件制成空心的，这样就为安装动力和控制线、工具和诸如此类的东西留出了一条通道，实际上从模件结构意义上讲，形成了一种密致的结构，此结构不会由于传动技术阻碍能量的输入。在模件的机械法兰盘交口处，附加了电线的插头或接线板交口。

悬臂和摇臂的活动轴承结构，使得设计简便，成本低，而且工业机器人的工作范围也比较宽。根据发明，由于工业机器人也适宜于操作较重负荷的工作，两边的叉形轴承结构等等也可以用来支承这种重负荷。

鉴于模件制造方法成本低，两个活动的轴承是有其优点的，因此可以自由地选择轴承的位置，围绕此轴承，摇臂对着机座和悬臂对着摇臂回转。

把驱动马达安装在摇臂的同一边，把活动轴承安装在摇臂的另一边，其优点是：在不致使驱动马达影响工业机器人工作范围的情况下，能轻而易举地使摇臂达到平衡。

如果从经济性和模件制造方法考虑，尽可能把悬臂制造得小而轻。由于悬臂和摇臂以及摇臂和机座的轴颈安在摇臂的同一边，因此，要限制悬臂的长度。这样悬臂就应该象摇臂对其回转轴一样达到平衡。解决这个问题的方法在DE-OS3048067中已有了，即把用于手根动力的驱动马达安装在悬臂回转轴一边，由于工作台的原因，马达之间要有较大的距离，作为被其驱动的空心轴。解决这个问题的方法DE-OS里已经有了，即通过有两个万向接头轴承的中间轴，把空心轴与其附加驱动马达联接在一起。但是这样做又大大提高了悬臂结构长度。

为解决这个问题，本发明建议，把驱动马达按扇形方式安装，这就只需要短而直的中间轴，把驱动马达与附加在空心轴上的、相应的伞齿轮传动箱联在一起。这种结构除缩短了长度外，另一优点是，在驱动马达与其中间轴之间可以进行简便的插头连接，而这样连接又能容易地互换驱动马达。

根据发明，悬臂的构成也能很好地应用于其根据发明而构成的工业机器人。

发明的细节见图纸。图纸用图表和实例对发明进行了描述。它们是：

图一.工业机器人（机械手）的侧视图，摇臂与悬臂围绕水平轴旋转。

图二.工业机器人的侧视图，其摇臂和悬臂围绕垂直轴旋转。

图三.根据图一，按Ⅲ-Ⅲ线排列的水平截面。

图四.图三变体的纵截面。

图五.悬臂的侧视图。

图六.根据图五，悬臂的垂直断面图。

图一和图二展示了工业机器人（机器手）的基本设计型，它使人们认识到，根据发明的基本构思可以制造出各种变体，而不需要对发明的变体一一加以描述。

在两种情况下，机座1可以构成立柱式，它围绕底部3的垂直轴2旋转。立柱1由驱动马达4驱动，而在图1的情况下，用多级传动来驱动立柱1，多级传动是通过象征性地描述的中间轴5和位移传感器6来表示。这个位移传感器6有自己熟悉的任务，即给回转传动装置输送控制技术脉冲。

在图一的装置中，立柱1的上端有一只摇臂7围绕一水平回转轴8旋转，通过回转轴10，在摇臂7上安装了悬臂9。悬臂9的自由的一端有所谓的手15，借助于它，使用一个或多个轴，就能操纵工具的特殊运动。

驱动摇臂7所必需的驱动马达11位于一个与悬臂9平衡的位置上，与回转轴8相关联。驱动马达11安在摇臂7的机体52的法兰盘旁。驱动悬臂9所需要的驱动马达13安在回转轴8的近处。主要是关系到与配置摇臂7的力臂有关的悬臂9和驱动马达11的平衡分布，把驱动马达13的位置安放在最适合的地方。在机器人组合件系统中，使用统一的摇臂7就能通过附加重量来比较各种不同的悬臂负荷。

此外，图一所示的是，在每个驱动马达11、13和配置的回转轴8、10之间，各安了一个中间轴12、14，通过各中间轴能导出二级驱动。

以图二为例，表示的是，摇臂7和悬臂9也可安装在垂直和或倾斜的（特殊情况下）轴8、10上。安置方式主要取决于工业机器人的特殊任务要求。

在图二中，机座1当作升降支柱，而马达4通过一个减速齿轮传动装置驱动一个没有表现出的主轴，并沿轴2延伸。通过主轴旋转，主轴螺母（没有表示出）可以升降，摇臂7安装在其旁。

在其它结构中，机座1能当作一轴和多轴的、可处理和（或）可摆动的、地面相连的滑座，又当作支架或同样的设备。但机座也可不活动，只形成一个工作面。同样，悬臂9也可成不同的形状结构，也能带动不同的工具或其它悬臂。工业机器人最适应于不同的使用目的，并能随意呈现出许多轴。所表示的结构形式，可作轻型结构，它特别适合当作装配机器人或轻型焊接机器人。可操作较重负荷，还采用了重型结构形式。

以图三的结构为例，首先得出，摇臂7提供一机体52。机体 52在支柱1旁活动，支承23。同样，悬臂9安在摇臂7旁支承24。由此得出结果是，悬臂9的活动面置入侧面，为不影响摇臂的活动面。另一方面，其优点是，驱动马达11、13安装在与活动轴承23、24相对的摇臂7的一边的法兰盘上。这样，就构成了一个对悬臂9自由活动的空间。同时，如图五、六所示，多轴的驱动马达36、37、38安装在扇形悬臂9的活动范围之内。

以图三结构为例，为摇臂7和悬臂9回转在摇臂7的外壳52内，安装完整的回转驱动装置16、26。回转驱动装置16、26结构一样，各由驱动马达11、13及一个两级传动装置17、20和27、30构成。第一传动级由齿轮皮带传动17、27构成，驱动马达通过它们驱动位于中间轴上的中间轮18、28。对准中间轴12、14，在摇臂7的马达一边各有一个位移传感器22，它以已知方式将控制脉冲输入到驱动马达11、13中。

以图三为例，第二级传动各有齿轮皮带传动装置20、30。它通过传动轮以从动轮方式传给从动元件21、31。从动元件21、31在回转外壳52内露出来。从图三可见，从动元件21、31从外侧各显示出输法兰51和定心50，通过定心，从动元件与支柱1或机座和悬臂联结并旋紧。通过立柱1和悬臂9用螺丝拧紧。

机座或立柱1各按本身的自由度相对或绝对固定地点。其结果，齿轮皮带传动20围绕固定的从动元件21滚压，而且摇臂7也围绕从动元件21和轴8旋转。对着立柱1，摇臂7的活动轴承23在此通过从动元件21的轴承在回转外壳52内构成。

与摇臂7相比，悬臂9活动比较自如。通过从动元件31和悬臂9之间的固定联接，后者在回转驱动装置26开动时，也随之旋转。回转驱动装置16和26虽然结构相同，但其运动作用却相反。

在悬臂9中，活动的轴承24通过从动元件31的支承在回转外壳52内形成。

根据发明，齿轮皮带传动17、27拉紧问题是这样解决的，传动装置一侧的马达11、13在摇臂7的外壳52内可以进行调节。因此，第二级的皮带传动20、30的拉紧不受其影响。为了导致拉紧，安装偏心外壳部件25，在其中装上驱动轮19、29的轴承。借助于偏心调节，第二驱动级20、30的齿轮皮带可以拉紧。因为通过改变中间轴12或14的位置，于是通过调节所属驱动马达17、13，第一驱动级的齿轮皮带传动17、27的应力就能实现。

以图四的结构为例，所表示的，摇臂7和悬臂9的回转驱动装置16、26的第二驱动级也通过钢级传动，即园柱齿轮传动35，即可构成。

此处出现两个彼此分离的小齿轮32、33，它们借助于扭动夹紧器34可相互彼此调节。扭动夹紧器的任务是把皮带传动17、27的中间轮53、54固定住。两个小齿轮32、33以不同的方向对各自的从动元件21、31起作用。从动元件又与立柱1或悬臂9联结在一起。所以在摆动-回转传动16中，小齿轮32、33滚压使从动齿轮啮合。并且反作用到摇臂7的回转运动上。这个驱动结构的其它细节从DE-PS3308413得知。

图五和图六表示出悬臂9的特殊结构，还包括上述理论的其它结构，与此无关。

如在图三所示，悬臂9处于到摇臂7的一个活动轴承中。悬臂9有一个手15，它的特征是，有1、2或3个轴。因此，要求驱动这个单一的轴。

以本发明的结构为例，驱动马达36、37和38为这些轴直接以扇形安装在悬臂上，使其驱动轴位于悬臂9的回转平面上。按这种方式，可以使驱动马达36、37、38在悬臂9的回转过程中不致与摇臂7或立柱1以及诸如此类设备相撞。以图五为例，形象地表示出，所谓手15就手腕轴意义来说有回转轴40，就手指旋转轴的意义来说有旋转轴41。旋转轴41和旋转轴39是同轴的，所以手15对着悬臂9可以旋转。以图六为例说明，驱动技术如图五的配置一样加以解以。可以看出，驱动马达36、37、38的单个驱动轴42、43、44，与插式联结器45是同轴进行的。可以得知，中间驱动马达37与它的驱动轴43直接作用在小齿轮46上。其它两个驱动马达36和38通过伞齿轮47、48作用在附加的空心轴上。所有的轴构成了一个同轴配置49，这是已知的。

根据发明，此设计优点是，必须活动的手15运动范围比现有的都大得多。此外，带有驱动结构的优点是可以使机械手有多种变化。

部件名称

1.机座、支柱、升降支柱;

2.垂直轴

3.地面部分

4.驱动马达

5.中间轴

6.位移传感器

7.摇臂

8.回转轴

9.悬臂

10.回转轴

11.驱动马达（摇臂）

12.中间轴

13.驱动马达（悬臂）

14.中间轴

15.手

16.回转驱动装置（摇臂）

17.齿轮皮带传动

18.中间轮

19.驱动轮

20.齿轮皮带传动

21.从动元件、从动轮

22.位移传感器

23.摇臂活动轴承

24.悬臂活动轴承

25.偏心外壳部份

26.回转装置（摇臂）

27.齿轮皮带传动

28.中间轴

29.驱动轮

30.齿轮皮带传动

31.从动元件、从动轮

32.小齿轮

33.小齿轮

34.扭动夹紧器

35.齿轮传动装置

36.驱动马达

37.驱动马达

38.驱动马达

39.旋转轴

40.转向轴

41.旋转轴

42.驱动轴

43.驱动轴

44.驱动轴

45.插接件

46.直接驱动

47.伞齿轮装置

48.伞齿轮装置

49.同轴轴配置

50.定心

51.轮法兰盘

52.外壳

53.中间轴

54.中间轴

Claims (13)

1、各种用途的工业机器人(机械手)，都是由一个机座、其上有一只回转的摇臂和一只安装在摇臂上可回转的悬臂组成，这样，安装在摇臂上的驱动马达驱动悬臂回转。承受悬臂负荷的摇臂与其转向轴至少在静力上大致达到平衡，其特征是：摆动回转驱动装置(16)的驱动马达(11)也安装在摇臂(7)上，摆动回转驱动装置(16)的从动元件(21)在摇臂(7)上可围绕驱动装置的转向轴(8)旋转，并在机座(1)上作固定旋转。

2、根据权利要求1，工业机器人的特征是：摇臂（7）和悬臂（9）的回转驱动装置（16、26）完全安装在摇臂（7）的外壳（52）里面，只有从动元件（21、31）露在外面。

3、根据权利要求1和2，工业机器人的特征是：摇臂与悬臂回转驱动装置（16、26）的从动元件（21、31）与定心（50）构成轮凸缘（51），并且与机座（1）或悬臂（9）旋紧在一起。

4、根据权利要求1或下列权利之一，工业机器人的特征是：摇臂（7）和悬臂（9）的回转驱动装置各由一个马达（11、13）和一个至少有两级传动构成，同时，至少第一级传动由齿轮皮带传动（17、27）构成。

5、根据权利要求4，工业机器人的特征是：两个传动与一个中间轴（12、14）构成两级齿皮带传动（17、20和27、30），齿轮皮带传动（17、20和27、30）是在同一平面连续进行的。

6、根据权利要求5，工业机器人之特征是：在中间轴上（12、14），位移传感器（22）用于控制属于中间轴的回转驱动装置（16、26）。

7、根据权利要求3或下列权利，工业机器人之特征是：中间轴（12、14）各配置在一个与摇臂一外壳（52）相对的，偏心的可调节的外壳部位（25），偏心调节作为拉紧齿轮皮带传动（20、30）的手段。

8、根据权利要求4或下列权利，工业机器人之特征是：总是第二个传动机构成齿轮传动（35），并与前面建议的结构（32、33、34）装在一起，为了消除啮合的间隙，与分开的、相对的扭曲的小齿轮（32、33）连接在一起。

9、根据权利要求1和下列权利之一，工业机器人之特征是：回转驱动装置（16、26）的从动元件（21、31）为摇臂（7）或悬臂（9）构成空心，并作为动力和控制线路，工具和诸如此类的通道。

10、根据权利要求1或下列权利之一，工业机器人之特征是：摇臂（7）通过驱动马达（11、13）的分布，使之平衡，同时，悬臂（9）的驱动马达（13）安装在摇臂（7）的回转轴（8）附近。

11、根据权利要求1，工业机器人之特征是：机座（11）上的摇臂（7）和摇臂（7）上的悬臂（9）是用轴承滑动（23、24）。

12、根据权利要求11，工业机器人之特征是：轴承部位（23、24）都安装在摇臂（7）的一边，驱动马达（11、13）安装在摇臂（7）的另一边。

13、尤其根据权利要求1或下列权利之一，工业机器人之特征是：悬臂（9）具有扇形安装的驱动马达（36、37、38）来驱动悬臂（9）上的其它轴（39、40、41），同时，马达的驱动轴位于悬臂（9）的回转平面上。

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