衝床上下料機器人的製作方法

2023-05-12 06:26:31 2

專利名稱：衝床上下料機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種工業機器人，特別是涉及一種用於衝床自動上下料的機器人。
背景技術：
工業機器人被廣泛應用於生產現場，完成焊接、搬運、裝配、切割等任務。工業機器 人的運用對提高生產效率和產品質量，改善勞動環境，保障人生安全，降低生產成本等方面 有著十分重要的意義。目前，在絕大部分採用小型衝床加工的場合，上下料作業仍主要由人 工完成，但由人工完成衝床上下料存在著效率低、勞動強度高、安全性差的缺點。另一方面， 衝床下方上下料的空間狹小，若採用工業機器人作業，要求機器人的末端小巧、靈活、能夠 伸入衝壓區域作業，所以專利EP-A-1525957所描述的SCARA型機器人並不適用，該機器人 的第二臂上安裝有兩個電機，導致機器人的末端體積很大，無法伸入到衝床下方。

發明內容
本發明的目的在於提供一種衝床上下料機器人，可用於小型衝床自動上下料的機
器人，以提高衝壓件生產效率和安全性。針對傳統SCARA機器人末端體積過大的缺點，設計
的機器人末端小巧、控制性能好、定位精度高。 本發明的目的是通過以下技術方案來實現的 本發明由四個關節、兩個臂、底座和末端執行器構成，第一關節、第二關節、第四關 節具有旋轉自由度，第三關節具有垂直平移自由度。第一關節的一端通過輸入端殼體與底 座連接，第一關節的另一端通過第一關節輸出法蘭與第一臂的一端連接，第一臂的另一端 與第二關節輸出法蘭相連。作為第三關節輸出的第三關節連接板與第四關節的關節架相 連。第四關節輸出轉盤上安裝有末端執行器。 所述第一關節包括第一關節伺服電機、第一關節諧波減速器、第一關節輸入軸、第 一關節輸出軸、第一關節輸出法蘭、第一關節圓錐滾子軸承、第一關節輸入端殼體和第一關 節輸出端殼體。其中第一關節諧波減速器包括第一關節波發生器、第一關節鋼輪和第一關 節柔輪。固定於第一關節輸入端殼體上的第一關節伺服電機通過第一關節輸入軸與第一 關節波發生器相連，第一關節鋼輪固定在第一關節輸出端殼體上，第一關節柔輪作為諧波 減速器的輸出與第一關節輸出軸相連，第一關節輸出軸通過第一關節輸出法蘭與第一臂相 連。第一關節輸入端殼體和第一關節輸出端殼體一起固定在底座上，第一關節圓錐滾子軸 承安裝在第一關節輸出軸上。 所述第二關節包括第二關節伺服電機、第二關節諧波減速器、第二關節輸入軸、第 二關節輸出軸、第二關節輸出法蘭、第二關節圓錐滾子軸承、第二關節輸入端殼體和第二關 節輸出端殼體。其中第二關節諧波減速器包括第二關節波發生器、第二關節鋼輪和第二關 節柔輪。第二關節伺服電機固定在第二關節輸入端殼體上，並通過第二關節輸入軸與第二 關節波發生器相連。第二關節柔輪通過第二關節輸出軸、第二關節輸出法蘭固定在第一臂 上。第二關節鋼輪與第二關節輸出端殼體相連。第二關節輸出端殼體與第二臂相固連，第CN
二關節圓錐滾子軸承安裝在第二關節輸出軸上。 所述第三關節包括第三關節步進電機、第三關節同步齒形帶副、直線導軌副、由絲 槓和螺母組成的絲槓螺母副、第三關節支架和第三關節連接板。第三關節步進電機固定在 第三關節支架上，其軸與第三關節同步齒形帶副的一個帶輪相連，另一個帶輪固連於絲槓 的輸入端。絲槓通過支承座固定側和支承座支撐側固定在第三關節支架上，螺母作為絲槓 螺母副的輸出端。直線導軌副安裝在第三關節支架上，其導軌與絲槓的軸線相平行。第三 關節連接板分別與絲槓螺母副的螺母和直線導軌副的滑塊相固連。 所述第四關節包括第四關節步進電機、第四關節同步齒形帶副、第四關節軸、推力 球軸承、第四關節輸出轉盤和第四關節的關節架；第四關節步進電機安裝在第四關節的關 節架上，其軸與第四關節同步齒形帶副的一個帶輪相連，另一個帶輪固連於第四關節軸的 輸入端，第四關節軸上安裝有推力球軸承，第四關節軸的輸出端處安裝有第四關節輸出轉 盤，用於安裝末端執行器。 所述末端執行器為用於夾取工件的氣動手爪。
本發明與背景技術相比，具有的有益的效果是 1、機器人末端小巧、靈活，適用於衝床上下料操作。本發明設計的機器人，末端為 了方便探入衝壓區域進行上下料作業，採用了靈活的設計。不同於傳統SCARA機械手垂直 關節下端連接執行器的龐大末端設計，本機器人將執行器放在探出的扁平的四關節臂上， 能伸入衝床衝壓工作區域。與一般工具容納構件不同，本機器人末端設計了輸出轉盤來安 裝末端執行器，這樣可以方便的調整末端執行器的角度，並可安裝多個執行器來實現不同 的動作流程，提高工作效率。 2、本發明設計的機器人，除底座、輸入軸、輸出軸、鍵等零件，都採用了硬質鋁合 金，使其在減輕質量的同時，保持了很好的剛度。質量減輕使機器人在工作時的慣性負載減 小，從而提高了機器人的動態控制性能。該機器人加速時間短，作業效率高；能夠在高速運 行的情況下，保持很高的定位精度。 3、本發明的第一關節和第二關節傳動裝置採用了諧波傳動的方式。針對諧波減速 器只能承受扭矩，不能承受彎矩的特點，在輸出軸處設計了一對圓錐滾子軸承，用於承受傾 覆彎矩。該傳動方式結構緊湊、傳動效率高；回差小、傳動精度高，與普通齒輪相比，傳動精 度提高了四倍左右。


圖1是本發明的縱剖面視圖。 圖2是圖1所示機器人結構中第一關節的縱剖面視圖。
圖3是圖1所示機器人結構中第二關節的縱剖面視圖。
圖4是圖1所示機器人結構中第三關節的縱剖面視圖。
圖5是圖1所示機器人結構中第四關節的縱剖面視圖。 圖中1、第一關節，2、第二關節，3、第三關節，4、第四關節，5、底座，6、第一臂，7、 第二臂，8、末端執行器，11、第一關節伺服電機，，12、第一關節諧波減速器，121、第一關節波 發生器，122、第一關節鋼輪，123、第一關節柔輪，13、第一關節輸入軸，14、第一關節輸出軸， 15、第一關節圓錐滾子軸承，16、第一關節輸出法蘭，17、第一關節輸出端殼體，18、第一關節
5輸入端殼體，21、第二關節伺服電機，22、第二關節輸入軸，23、第二關節諧波減速器，231、第 二關節鋼輪，232、第二關節波發生器，233、第二關節柔輪，24、第二關節輸出軸，25、第二關 節圓錐滾子軸承，26、第二關節輸出法蘭，27、第二關節輸入端殼體，28、第二關節輸出端殼 體，31、第三關節步進電機，32、第三關節同步齒形帶副，33、絲槓，34、支承座固定側，35、支 承座支撐側，36、第三關節連接板，37、螺母，38、直線導軌副，381、滑塊，39、第三關節支架， 41、第四關節步進電機，42、第四關節同步齒形帶副，43、第四關節軸，44、推力球軸承，45、第 四關節輸出轉盤，46、第四關節的關節架。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。 如圖1所示，衝床上下料機器人的機械結構包括第一關節1、第二關節2、第三關 節3、第四關節4、底座5、第一臂6、第二臂7和末端執行器8。其中第一關節1、第二關節2、 第四關節4具有旋轉自由度，第三關節3具有垂直平移自由度。第一關節l的第一關節輸 入端殼體18和第一關節輸出端殼體17 —起固定於底座5上。第一關節1的輸出端固定於 第一臂6的一端，第一臂6的另一端與第二關節2的輸入端相連。第二關節2的輸出端固 定於第二臂7的一端，第二臂7的另一端與第三關節支架39相連。第四關節4與第三關節 3的輸出端相連。末端執行器8為用於夾取工件的氣動手爪，安裝於第四關節輸出轉盤45 上。 如圖2所示，第一關節1包括第一關節伺服電機11、第一關節諧波減速器12、第一 關節輸入軸13、第一關節輸出軸14、第一關節輸出法蘭16和第一關節圓錐滾子軸承15。其 中第一關節諧波減速器12包括第一關節波發生器121、第一關節鋼輪122和第一關節柔輪 123。固定於第一關節輸入端殼體18上的第一關節伺服電機11通過第一關節輸入軸13與 第一關節波發生器121相連。第一關節鋼輪122固定在第一關節輸出端殼體17上，第一關 節柔輪123作為輸出與第一關節輸出軸14相連。第一關節輸出軸14通過第一關節輸出法 蘭16與第一臂6相連。第一關節圓錐滾子軸承15安裝在第一關節輸出軸14上，用於承受 軸向的壓力和徑向的傾覆彎矩，從而可以避免第一關節諧波減速器12因承受壓力或傾覆 彎矩而損壞。 如圖3所示，第二關節2包括第二關節伺服電機21、第二關節諧波減速器23、第二 關節輸入軸22、第二關節輸出軸24、第二關節輸出法蘭26和第二關節圓錐滾子軸承25。其 中第二關節諧波減速器23包括第二關節波發生器232、第二關節鋼輪231和第二關節柔輪 233。第二關節伺服電機21固定在第二關節輸入端殼體27上，並通過第二關節輸入軸22 與第二關節波發生器232相連。第二關節柔輪233通過第二關節輸出軸24、第二關節輸出 法蘭26固定在第一臂6上，第二關節鋼輪231與第二關節輸出端殼體28相連。第二關節 輸出端殼體28固定在第二臂7上。第二關節圓錐滾子軸承25安裝在第二關節輸出軸24 上，用於承受軸向的壓力和徑向的傾覆彎矩，從而可以避免第二關節諧波減速器23因承受 壓力或傾覆彎矩而損壞。 如圖4所示，第三關節3包括第三關節步進電機31、第三關節同步齒形帶副32、直 線導軌副38、由絲槓33及螺母37組成的絲槓螺母副和第三關節連接板36。第三關節步進 電機31固定在三關節支架39上，其軸與第三關節同步齒形帶32的一個帶輪相連，另一個帶輪固連於絲槓33的輸入端。螺母37作為絲槓螺母副的輸出端能夠在垂直方向上平移。 直線導軌副38安裝在第三關節支架39上，其導軌與絲槓33的軸線相平行。直線導軌副38 具有支承和導向的作用。第三關節連接板36分別與絲槓螺母副的螺母37和直線導軌副的 滑塊381相固連，這三者能夠一起在垂直方向上平移，用於作為第三關節的輸出端。第三關 節支架39安裝於第二臂7上。 如圖5所示，第四關節4包括第四關節步進電機41、第四關節同步齒形帶副42、第 四關節軸43、第四關節輸出轉盤45和第四關節的關節架46。第四關節步進電機41安裝在 第四關節臂46上，其軸與第四關節同步齒形帶副42的一個帶輪相連，另一個帶輪固連於第 四關節軸43的輸入端。第四關節軸43上安裝有推力球軸承44，該軸承起支承和旋轉導向 作用。第四關節軸43的輸出端處安裝有第四關節輸出轉盤45，用於安裝末端執行器8。第 四關節的關節架46固定於第三關節連接板36上。
本發明的工作過程如下 結合圖1 圖5，當第一關節伺服電機11的軸轉動時，通過第一關節輸入軸13帶 動第一關節波發生器121轉動。由於第一關節鋼輪122固定，第一關節柔輪123作為諧波 減速器輸出端轉動，從而帶動第一關節輸出軸14轉動。最終通過第一關節輸出法蘭16，帶 動第一臂6產生旋轉運動。 第二關節2與第一關節1的傳動結構類似，但傳動方式有所不同。在第一關節中， 第一關節鋼輪122固定，第一關節柔輪123作為輸出。在第二關節中，第二關節柔輪233固 定，第二關節鋼輪23 l作為輸出。當第二關節伺服電機21的軸轉動時，通過第二關節輸入 軸22帶動第二關節波發生器232轉動。由於第二關節柔輪233通過第二關節輸出軸24、 第二關節輸出法蘭26固定在第一臂6上，第二關節鋼輪231作為諧波減速器輸出轉動，從 而帶動第二關節輸入端殼體27、第二關節輸出端殼體28及第二關節伺服電機21的殼體一 起轉動。因為第二臂7與第二關節輸入端殼體28相連，從而使第二臂7相對於第一臂6轉 動。 當第三關節步進電機3 1的軸轉動時，通過第三關節同步齒形帶副32帶動絲槓33 轉動。絲槓33的轉動最終轉化為螺母37、滑塊381和第三關節連接板36沿絲槓33軸線方 向的平移運動，從而實現了平移運動的自由度。 當第四關節步進電機41軸轉動時，通過第四關節同步齒形帶副42帶動第四關節 軸43轉動，進而帶動第四關節輸出轉盤45轉動。第四關節輸出轉盤45的轉動可以調整安 裝在其上的末端執行器8的方向，以使機器人在不同位姿的情況下，末端執行器8都能夠順 利伸入衝床下方的空間。
權利要求
一種衝床上下料機器人，其特徵在於由四個關節(1、2、3、4)，底座(5)，兩個臂(6、7)和末端執行器(8)構成，第一關節(1)、第二關節(2)、第四關節(4)具有旋轉自由度，第三關節(3)具有上下平移自由度；第一關節(1)的一端通過輸入端殼體(18)與底座(5)連接，第一關節(1)的另一端通過第一關節輸出法蘭(16)與第一臂(6)的一端連接，第一臂(6)的另一端與第二關節(2)的第二關節輸出法蘭(26)連接，第三關節連接板(36)與第四關節的關節架(46)連接，第四關節輸出轉盤(45)上安裝有末端執行器(8)。
2. 根據權利要求1所述的一種衝床上下料機器人，其特徵在於所述第一關節(1)包 括第一關節伺服電機(11)、第一關節諧波減速器(12)、第一關節輸入軸(13)、第一關節輸 出軸(14)、第一關節輸出法蘭(16)、第一關節圓錐滾子軸承(15)、第一關節輸入端殼體 (18)和第一關節輸出端殼體(17);其中第一關節諧波減速器(12)包括第一關節波發生器 (121)、第一關節鋼輪(122)和第一關節柔輪(123);固定於第一關節殼體輸入端(18)上的 第一關節伺服電機(11)通過第一關節輸入軸(13)與第一關節波發生器(121)相連，第一 關節鋼輪(122)固定在第一關節輸出端殼體(17)上，第一關節柔輪(123)作為第一關節諧 波減速器(12)輸出與第一關節輸出軸(14)相連，第一關節輸出軸(14)通過第一關節輸出 法蘭(16)與第一臂(6)相連，第一關節輸入端殼體(18)和第一關節輸出端殼體(17) —起 固定在底座(5)上，第一關節圓錐滾子軸承(15)安裝在第一關節輸出軸(14)上。
3. 根據權利要求1所述的一種衝床上下料機器人，其特徵在於第二關節(2)包括第 二關節伺服電機(21)、第二關節諧波減速器(23)、第二關節輸入軸(22)、第二關節輸出軸 (24)、第二關節輸出法蘭(26)、第二關節圓錐滾子軸承(25)、第二關節輸入端殼體(27)和 第二關節輸出端殼體(28);其中第二關節諧波減速器(23)包括第二關節波發生器(232)、 第二關節鋼輪(231)和第二關節柔輪(233);第二關節伺服電機(21)固定在第二關節輸入 端殼體(27)上，並通過第二關節輸入軸(22)與第二關節波發生器(232)相連，第二關節柔 輪(233)通過第二關節輸出軸(24)、第二關節輸出法蘭(26)固定在第一臂(6)上，第二關 節鋼輪(231)與第二關節輸出端殼體(28)相連，第二關節輸出端殼體(28)與第二臂(7) 固連，第二關節圓錐滾子軸承(25)安裝在第二關節輸出軸(24)上。
4. 根據權利要求1所述的一種衝床上下料機器人，其特徵在於所述第三關節(3)包 括第三關節步進電機(31)、第三關節同步齒形帶副(32)、直線導軌副(38)、由絲槓(33)和 螺母(37)組成的絲槓螺母副、第三關節支架(39)和第三關節連接板(36);第三關節步進 電機(31)固定在第三關節支架(39)上，其軸與第三關節同步齒形帶副(32)的一個帶輪 相連，另一個帶輪固連於絲槓(33)的輸入端，絲槓(33)通過支承座固定側(34)和支承座 支撐側(35)固定在第三關節支架(39)上，螺母(37)作為絲槓螺母副的輸出端，直線導軌 副(38)安裝在第三關節支架(39)上，其導軌與絲槓(33)的軸線相平行，第三關節連接板 (36)分別與絲槓螺母副的螺母(37)和直線導軌副的滑塊(381)相固連。
5. 根據權利要求1所述的一種衝床上下料機器人，其特徵在於所述第四關節(4)包 括第四關節步進電機(41)、第四關節同步齒形帶副(42)、第四關節軸(43)、推力球軸承 (44)、第四關節輸出轉盤(45)和第四關節的關節架(46);第四關節步進電機(41)安裝在 第四關節的關節架(46)上，其軸與第四關節同步齒形帶副(42)的一個帶輪相連，另一個帶 輪固連於第四關節軸(43)的輸入端，第四關節軸(43)上安裝有推力球軸承(44)，第四關節 軸(43)的輸出端處安裝有第四關節輸出轉盤(45)，用於安裝末端執行器(8)。
6.根據權利要求1所述的一種衝床上下料機器人，其特徵在於所述末端執行器(8) 為用於夾取工件的氣動手爪。
全文摘要
本發明公開了一種衝床上下料機器人。由四個關節，底座，兩個臂、和末端執行器構成，第一關節、第二關節、第四關節具有旋轉自由度，第三關節具有上下平移自由度；第一關節的一端通過輸入端殼體與底座連接，第一關節的另一端通過第一關節輸出法蘭與第一臂的一端連接，第一臂的另一端與第二關節的第二關節輸出法蘭連接，第三關節連接板與第四關節的關節架連接，第四關節輸出轉盤上安裝有末端執行器。本發明的第一、第二關節傳動裝置採用了諧波傳動的方式。針對諧波減速器只能承受扭矩，不能承受彎矩的特點，在輸出軸處設置了一對圓錐滾子軸承，用於承受傾覆彎矩。該傳動方式結構緊湊、傳動效率高；回差小、傳動精度高。
文檔編號B25J17/00GK101758497SQ20101003950
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月5日 優先權日2010年1月5日
發明者吳文祥, 朱世強, 王會方, 鄭東鑫 申請人:浙江大學