一种用于数控机床上下料的四自由度工业机器人

摘要

本发明公开了一种用于数控机床上下料的四自由度工业机器人，其包括固定基座、大臂、小臂和末端执行部件，所述大臂包括大臂定柱和大臂动柱，小臂包括小臂定柱和小臂动柱，所述大臂定柱可转动的连接在固定基座上，大臂动柱与大臂定柱相连，所述大臂动柱于大臂定柱内作直线伸缩运动，所述小臂定柱可转动的连接在大臂动柱上，小臂动柱与小臂定柱相连，所述小臂动柱于小臂定柱内做直线伸缩运动，所述末端执行部件固定安装在小臂动柱末端，末端执行部件上安装有夹紧机构。本发明与现有的上下料机器人相比，具有明显的不同和优势，弥补了市场空缺，更加针对和适用于各类数控机床上下料工作，其特点是应用范围广、占用空间小、承载大、灵活度高、成本低、路径规划简单、控制简单易操作，在数控机床行业及机械加工行业的自动化改造中具有广泛的市场前景和应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人，尤其涉及一种用于数控机床上下料的四自由度工业机器人。

背景技术

常规金属切削机床分为卧式和立式，对应的机床工件装夹也为水平或垂直。针对机床上下料的机器人而言，只需要1个姿态自由度和3个位置自由度即可，但现有上下料机器人普遍存在自由度冗余的情况。金属切削机床的布局和位置尺寸，都是针对人工操作设计的，遵循人机工程原理。因此要求机床加工区域的结构要相对紧凑，尤其是车床。随着机床上下料自动化的要求越来越高，将机器人用于机床自动化上下料的尝试也越来越多。桁架机器人结构尺寸大、行程长、需要根据机床结构尺寸定制，且刚性差，不适应金属切削机床自动上下料的需求。关节型机器人动作灵活，但是在狭小空间中，容易发生干涉碰撞，轨迹规划困难，操作不便，且负载较小。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的空缺与不足，提供一种用于数控机床上下料的四自由度工业机器人，填补现有数控机床上下料机器人的空缺。

为实现上述目的，本发明的技术方案是一种用于数控机床上下料的四自由度工业机器人，其包括固定基座、大臂、小臂和末端执行部件，大臂包括大臂定柱和大臂动柱，小臂包括小臂定柱和小臂动柱，所述大臂定柱可转动的连接在固定基座上，大臂动柱与大臂定柱相连，所述大臂动柱于大臂定柱内作直线伸缩运动，所述小臂定柱可转动的连接在大臂动柱上，小臂动柱与小臂定柱相连，所述小臂动柱于小臂定柱内做直线伸缩运动，所述末端执行部件固定安装在小臂动柱上，末端执行部件上安装有夹紧机构。

进一步的，固定基座上固定安装有第一减速器，第一减速器一侧与固定基座相连，另外一侧与第一伺服电机相连。第一减速器与第一伺服电机分别固定安装在肩关节的两侧，大臂动柱与固定基座通过第一减速器实现相互转动。相比较于现有的工业机器人，本发明机器人第一转动关节的尺寸更小，此设计可以大大减少基座的尺寸，从而减少整体占用空间。

进一步的，肩关节的下方固定安装有第二伺服电机，第二伺服电机轴固定安装有同步带轮。大臂定柱内部安装有丝杆，丝杆靠近肩关节一端安装有同步带轮，此同步带轮与第二伺服电机轴同步带轮通过同步带传动。此设计使第二伺服电机不占用额外工作空间，整体结构更加紧凑，减少冗余，稳定性也进一步提高。

进一步的，大臂动柱可滑动的安装在大臂定柱内，第二伺服电机带动丝杆转动，实现大臂直线伸缩运动，其中大臂动柱外侧和大臂定柱内侧分别设有滑动键槽，通过键导向，实现大臂动柱在大臂定柱内的直线伸缩运动，大臂动柱上方安装有肘轴电机座。此设计机构不仅解决了传统机器人工作空间的限制，而且使各运动过程解耦，简化了机器人运动轨迹规划，方便编程控制，降低了成本和操作难易度。

进一步的，肘轴电机座上方固定安装第二减速器，第二减速器下方安装有第三伺服电机，第三伺服电机轴固定安装有同步带轮，第二减速器靠近肘轴电机座的一侧固定安装有同步带轮，与第三伺服电机轴的同步带轮通过同步带相连，驱动减速器，实现与小臂之间的相互转动，第三伺服电机的安装空间与第二伺服电机在一个平面内，且都在大臂下方，更好的利用额外空间，不占用机器人工作空间，使其能够在狭小空间使用，加大了其使用范围。

进一步的，小臂定柱通过其肘关节固定安装在第二减速器的另外一侧。小臂定柱肘关节靠外一侧固定安装有第四伺服电机，第四伺服电机轴固定安装一个齿轮。小臂定柱内安装有丝杆，丝杆靠近肘关节一端固定安装有一个齿轮，与第四伺服电机轴的齿轮啮合，小臂动柱可滑动的安装在小臂定柱内，第四伺服电机通过齿轮啮合驱动，实现小臂动柱的伸缩运动。此结构设计使小臂整体结构简单不臃肿，提高了稳定性，也简化了肘关节的制作过程。

进一步的，小臂定柱与大臂动柱通过第二减速器实现相互转动，小臂动柱外侧和小臂定柱内侧设有滑动键槽。第四伺服电机驱动，齿轮啮合，丝杆传动，键导向，实现小臂动柱在小臂定柱内的直线伸缩运动。

进一步的，末端执行部件固定安装在小臂动柱末端，末端执行部件的顶端设置有相应所需的夹紧机构，夹紧机构的内部根据实际所需加设柔性调节机构，可以增加机器人上下料的精度和安全性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本机器人占用空间小，尤其适合狭小空间机床上下料操作的要求，同时具有较好的精度、刚度和灵活性，实现金属切削机床上下料自动化，该机器人可以在空间中实现3个位置自由度和1个姿态自由度，1轴和3轴为转动关节，2轴和4轴是移动关节，2、3、4轴形成圆柱坐标，1轴带动整个圆柱坐标部件转动，改变机器人末端的姿态，同时也扩大圆柱坐标机器人的工作空间，满足工件上下料的需求。通常情况下，本机器人实现机床上下料操作为点位运动，对四个运动轴没有联动的需求，因此本机器人可以采用简单PLC控制，降低整机成本。当然，本机器人控制可以但不仅限于PLC。设计制造过程采用轻量化思想，整机重量和尺寸都得以降低，且尺寸降低的同时加大了工作使用范围，整体美观，各部件制作简单、稳定性强、承载大，具有很大的市场前景和应用价值。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明机器人的立体结构图。

图2为本发明机器人斜侧面图。

图3为本发明机器人大臂剖面图。

图4为本发明机器人肩关节。

图5为本发明机器人肘关节。

图6为本发明机器人肘轴电机座。

图中，101-固定基座，102-大臂，103-小臂，104-末端执行部件，1-第一伺服电机，2-第二伺服电机，3-肩关节，4-第三伺服电机，5-肘轴电机座，6-第二减速器，7-第四伺服电机，8-肘关节，9-小臂定柱，10-小臂动柱，11-末端夹紧机构，12-大臂动柱，13-大臂定柱，14-第一减速器，15-同步带轮，16-同步带，17-丝杆轴承座，18-同步带轮，19-防松螺母，20-丝杆螺母，21-导向键，22-键槽，23-同步带轮，24-大齿轮，25-小齿轮，26-同步带，27-同步带轮。

具体实施方式

如图所示，一种用于数控机床上下料的四自由度工业机器人，其包括固定基座（101）、大臂（102）、小臂（103）和末端执行部件（104），大臂（102）包括大臂定柱（13）和大臂动柱（12），小臂（103）包括小臂定柱（9）和小臂动柱（10），所述大臂定柱（13）可通过第一减速器（14）可转动的连接在固定基座（101）上，大臂动柱（12）与大臂定柱（13）相连，所述大臂动柱（12）于大臂定柱（13）内作直线伸缩运动，所述小臂定柱（9）通过第二减速器（6）可转动的连接在大臂动柱（12）上，小臂动柱（10）与小臂定柱（9）相连，所述小臂动柱（10）于小臂定柱（9）内做直线伸缩运动，所述末端执行部件（104）固定安装在小臂动柱（10）上，末端执行部件（104）上安装有夹紧机构（11）。

在本发明实施例中，固定基座（101）通过螺栓固定在所需工作位置，固定基座（101）上方固定安装有第一减速器（14），第一减速器（14）左侧与固定基座（101）通过螺栓固定相连，右侧与第一伺服电机（1）相连。第一减速器（14）与第一伺服电机（1）分别通过螺栓固定安装在肩关节（3）的两侧，大臂动柱（13）与固定基座（101）通过第一减速器（14）实现相互转动。相比较于现有的工业机器人，本发明机器人第一转动关节的尺寸更小，此设计可以大大减少基座的尺寸，从而减少整体占用空间。

在本发明实施例中，第二伺服电机（2）通过螺栓固定安装在肩关节（3）的下方，其输出轴端固定安装有一个同步带轮（15）。大臂定柱（13）内安装有丝杆（23），丝杆（23）靠近肩关节一端安装有同步带轮（18）和丝杆轴承座（17），丝杆轴承座（17）通过螺栓连接固定在肩关节（3）上，丝杆轴承座（17）左边设有防松螺母（19），丝杆轴承座（17）右侧与丝杆（23）接触处有台阶，可以防止丝杆（23）的窜动，丝杆（23）右边与安装在大臂动柱（12）上的丝杆螺母（20）配合，丝杆同步带轮（18）与第二伺服电机（2）轴同步带轮（15）通过同步带（16）传动。此设计使第二伺服电机（2）不占用额外工作空间，整体结构更加紧凑，减少冗余，稳定性也进一步提高。

在本发明实施例中，大臂动柱（12）可滑动的安装在大臂定柱（13）内，通过第二伺服电机（2）带动同步带（16）驱动丝杆（23），实现大臂动柱（12）的伸缩往返直线运动，其中大臂动柱（12）外侧和大臂定柱（13）内侧都设有滑动键槽（22），键槽（22）左端不完全打通，留出台阶，达到限位的作用。大臂动柱（12）通过键（21）导向，丝杆螺母副配合，实现大臂动柱（12）在大臂定柱（13）的直线伸缩运动。此设计机构不仅解决了传统机器人工作空间的限制，而且使各运动过程解耦，简化了轨迹规划和控制。

在本发明实施例中，大臂动柱（12）上方安装有肘轴电机座（5），肘轴电机座（5）上方固定安装第二减速器（6），下方安装有第三伺服电机（4），其直接通过螺栓固定在肘轴电机座（5）上，且安装在大臂（102）的下方，第三伺服电机（4）轴固定安装有同步带轮（27）。第二减速器（6）靠近肘轴电机座（5）的一侧固定安装有同步带轮（23），与第三伺服电机（4）轴的同步带轮（27）通过同步带（26）传动，使第三伺服电机（4）能够驱动小臂（103）的转动，实现小臂（103）与大臂（102）之间的转动。第三伺服电机（4）与第二伺服电机（2）安装在一个平面，且都安装在大臂（102）下方，更好的利用额外空间，不占用实际工作空间，使其能够适应狭小空间内的使用，加大了使用范围。

在本发明实施例中，小臂定柱（9）通过其肘关节（8）固定安装在第二减速器（6）的另外一侧。小臂定柱肘关节（8）靠外一侧固定安装有第四伺服电机（7），第四伺服电机（7）轴固定安装一个齿轮（25）。小臂（103）内同样安装丝杆，运动、装配方式与大臂（102）相同，丝杆靠近肘关节一端也安装有一个齿轮（24），与第四伺服电机（7）轴的小齿轮（25）进行啮合传动，小臂动柱（10）可滑动的安装在小臂定柱（9）内。小臂动柱（10）外侧和小臂定柱（9）内侧与大臂（102）伸缩机构相同，设有滑动键槽，第四伺服电机（7）通过齿轮啮合，带动丝杆转动，键导向，小臂动柱（10）进行伸缩直线运动。此部分具体结构与大臂（102）相关结构相同。此结构设计使小臂（103）整体结构简单不臃肿，提高了稳定性，也简化了肘关节（8）的制作过程。

在本发明实施例中，末端执行部件（104）固定安装在小臂动柱（10）最外一端，末端执行部件（104）设置安装有工作所需的夹紧机构（11），夹紧机构（11）可以根据实际所需加设柔性调节机构，以增加机器人上下料的精度和安全性。

需要强调的是：发明不局限于上述实施例，各部件的连接、固定方式可随实际情况进行改变，在本发明公开的技术方案的基础上，本行业的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。