CN104858875A - 一种新型的三轴机器人结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的三轴机器人结构，其包括：双Y轴传动导向系统总成(100)；X轴传动导向系统总成(200)；机架(300)；工作部(400)；斜拉臂总成(500)；X轴传动导向系统总成(200)对称固定在机架(300)两侧；双Y轴传动导向系统总成(100)安装于所述X轴传动导向系统总成(200)所确定工作平面上；斜拉臂总成(500)为多组呈对称分布吊装于双Y轴传动导向系统总成(100)下方，并于另一端与工作部(400)连接构成多杆连接结构。本发明具有稳定、集成度较高、低成本，应用广的优点。其结构新颖、简洁，并具有良好的运行稳定性。

Description

一种新型的三轴机器人结构

技术领域

本发明涉及本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种新型的三轴机器人结构。

背景技术

随着中国经济继续稳步发展、产业结构不断升级、人力成本的加大，自动化水平不断提高，工业机器人以其具有连续作业、效率高、适应性强等优势被广泛应用于工业生产中，如应用在光伏设备、上下料机械手、移栽设备、涂胶设备、贴片设备中，以从事重型或高重复性高精度要求的生产加工过程。

其中三轴机器人应用最为广泛，其典型应用有激光焊接机床、激光切割机床、涂胶机、贴片机、小型数控机床、雕铣机、及3D打印机。

业界最常用的三轴机器人结构为直角坐标系下三轴互相垂直，线轨导向，工作部布置于单轴上。这种三轴机器人因其设计方便、结构简单被广泛应用，但其存在以下缺点：

1、直角坐标系三轴机器人，各轴独立，驱动单元往往需随动，分布比较离散，不利于成本控制。

2、在中型、高速应用中，该结构形式Z轴设计较为困难。其中第一种情况：设计为Z轴为工作台面举升，平面定位至少需要两组驱动单元和传动导向组件，意味着成本增加。第二种情况：Z轴为工作部随动，其安装精度要求较高，并需要同步提高其余两轴驱动单元性能参数。

业界典型三轴机器人结构还有直角坐标系下三轴互相平行并联臂结构。其结构简单、各轴空间均布，方便调试安装，近几年被广泛应用于各行业。但其存在空间利用率较低，鱼眼轴承易磨损、鱼眼轴承转角角度范围限制等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的三轴机器人结构，其能够在保证精度及稳定的前提下，有效精简Z轴传动结构构成，且安装调试相对简化，有效降低成本。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种新型的三轴机器人结构，其包括：

双Y轴传动导向系统总成；X轴传动导向系统总成；机架；工作部；斜拉臂总成；

X轴传动导向系统总成对称固定在机架两侧；

双Y轴传动导向系统总成安装于所述X轴传动导向系统总成所确定工作平面上；

斜拉臂总成为多组呈对称分布吊装于双Y轴传动导向系统总成下方，并于另一端与工作部连接构成多杆连接结构。

更进一步地，所述的双Y轴传动导向系统总成包括：

双Y轴滑台；Y轴驱动电机；联轴器；线性导轨组件；双Y轴支架；丝杠端头支座和丝杠及螺母组件；

所述双Y轴滑台安装于线性导轨组件上，并可左右自由滑动；线性导轨组件安装于双Y轴支架上；双Y轴支架两端安装于两侧的X轴传动导向系统总成上；

Y轴驱动电机分别固定安装在双Y轴支架两端；Y轴驱动电机通过联轴器连接到丝杠及螺母组件的一端；丝杠及螺母组件的两端头由丝杠端头支座支撑，并通过丝杠端头支座固定于双Y轴支架上。

更进一步地，所述的X轴传动导向系统总成包括：

X轴驱动电机、联轴器、丝杠端头支座、丝杠及螺母组件、丝杠螺母安装座和线性导轨组件；

所述X轴驱动电机固定于机架的电机支架上；所述X轴驱动电机通过所述联轴器与所述丝杠及螺母组件连接，所述丝杠及螺母组件通过所述丝杠端头支座固定于所述机架上；所述丝杠螺母安装座固定于所述丝杠及螺母组件的两端；

所述线性导轨组件固定于所述机架上；

所述线性导轨组件和丝杠螺母安装座一同连接在所述双Y轴传动导向系统总成上的双Y轴支架上。

更进一步地，所述的斜拉臂总成包括：

工作部斜拉臂支座、轴承、紧固轴销、斜拉臂和滑台斜拉臂支座；

所述工作部斜拉臂支座与工作部连接；所述的滑台斜拉臂支座连接于所述双Y轴滑台上；

所述工作部斜拉臂支座和滑台斜拉臂支座通过斜拉臂连接，中间由轴承过渡，紧固轴销完成定位安装。

更进一步地，所述的斜拉臂为多个。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明能够在保证精度及稳定的前提下，有效精简Z轴传动结构构成，使三轴装置驱动更为集中布置，并有利于三轴系统的电缆走线布置；而且其安装调试相对简化，有效降低成本。因此本发明具有稳定、集成度较高、低成本，应用广的优点。其结构新颖、简洁，并具有良好的运行稳定性。

附图说明

图1为本发明整机结构组成示意图；

图2为本发明整机结构组成拆解示意图；

图3为本发明的原理及计算示意图；

图4为双Y轴传动导向系统总成示意图；

图5为X轴传动导向系统总成示意图；

图6为斜拉臂总成示意图。

附图中：

双Y轴传动导向系统总成100；X轴传动导向系统总成200；机架300；工作部400；斜拉臂总成500；双Y轴滑台101；Y轴驱动电机102；联轴器103；线性导轨组件104；滑块104-1；双Y轴支架105；丝杠端头支座106；丝杠及螺母组件107；X轴驱动电机201；联轴器202；丝杠端头支座203；丝杠及螺母组件204；丝杠螺母安装座205；线性导轨组件206；工作部斜拉臂支座501；轴承502；紧固轴销503；斜拉臂504；滑台斜拉臂支座505。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提供的一种新型三轴机器人结构，其用一组平行轴代替传统垂直三轴机器人中的两个垂直轴，可作为新型三轴结构丰富三轴系列产品选择。本发明的一种新型三轴机器人结构的结构组成如图1和图2所示，包括双Y轴传动导向系统总成100；X轴传动导向系统总成200；机架300；工作部400；斜拉臂总成500。

机架300固定或放置于地面。

X轴传动导向系统总成200为两组，其通过螺栓固定在机架300两侧。

双Y轴传动导向系统总成100通过螺栓紧固配位安装于两组X轴传动导向系统总成200所确定工作平面上。

斜拉臂总成500为两套，通过螺栓吊装于双Y轴传动导向系统总成100下方。

工作部400的两端通过螺栓连接两组斜拉臂总成500，构成稳定的多杆连接结构。

工作时，机架300两侧的X轴传动导向系统总成200为安装其上的双Y轴传动导向系统总成100及并装在上面的工作部400、斜拉臂总成500提供X方向的驱动及导向。双Y轴传动导向系统总成100为其上吊装的两套斜拉臂总成500提供Y方向驱动及导向，由斜拉臂总成500将双Y轴传动导向系统总成100的Y方向运动转换为工作部400在Y、Z方向的方向位置变化。结合X轴传动导向系统总成200提供的X向位置控制，对工作部400形成X、Y、Z三方位的位置完全控制。

上述的新型三轴机器人结构采用两组平行轴(即双Y轴传动导向系统总成100)用于定位两个滑台(双Y轴传动导向系统总成100上的双Y轴滑台)，通过分别控制两个滑台的运动及相对运动以及斜拉臂总成500上端的铰接点位置，从而控制工作部400在Y轴方向上的空间点位置及与Z轴垂直方向的空间点位置运动。同时引入与双Y轴及悬臂所确定的Y、Z运动幅面垂直的第三轴，从而完成工作部的空间三维度三坐标定位。下面结合图3所示的简化的整机构成求解原理，对本发明对工作部400形成X、Y、Z三方位的位置控制进行说明：

工作部的△z的运动控制及换算：

斜拉臂总成500与双Y轴传动导向系统总成100构成的直角三角形满足：L²＝a²+b²；其中L为该直角三角形的斜边；a为该直角三角形Z轴方向(即竖直方向)上的直边；b为该直角三角形Y轴方向上的直边。

设a、b为初始状态值，可知对任意位置有工作部上高度值变化△z可换算为两只Y轴的滑台的变化。以工作部400上升为例，△y1为左端Y轴电机驱动对应滑台移动的距离，△y2为右端Y轴电机驱动对应滑台移动的距离。

其策略为△y1取负值滑台左移，△y2取正值滑台右移动，并约束其运行长度相等即△y1＝-△y2＝△y’。

(b+△y’)+(a-△z)²＝L²  公式(1)

即： $\mathrm{\Δ}{y}^{,}=\sqrt{L^2-{[a-\mathrm{\Δz}]}^2}-b$   公式(2)

公式中：△y’为工作部400在单一Y轴方向的变化值；△z为工作部400在竖直高度变化值。即对任意位置相对工作原点的Y轴变化值有：

$\mathrm{\Δy}1=\sqrt{L^2-{[a-\mathrm{\Δz}]}^2}-b$   公式(3)

$\mathrm{\Δy}2=b-\sqrt{L^2-{[a-\mathrm{\Δz}]}^2}$   公式(4)

工作部400的△y的运动控制及换算：

工作部400的△y运动策略为Y轴双电机同时同向运动距离△y，即

△y1＝△y  公式(5)

△y2＝△y  公式(6)

工作部400的△x的运动控制及换算：

工作部400的△x运动策略为X电机驱动双Y轴传动导向系统总成100及安装其上的工作部400按X轴运动距离△x，即：

△x＝△x  公式(7)

工作部400在各维度的运动控制策略独立且不干涉，直接叠加可得：

$\mathrm{\Δy}2=\mathrm{\Δy}+\sqrt{L^2-{[a-\mathrm{\Δz}]}^2}\#-b$

$\mathrm{\Δy}1=\mathrm{\Δy}+b-\sqrt{L^2-{[a-\mathrm{\Δz}]}^2}$

△x＝△x  公式(8)

公式(6)、公式(7)和公式(8)中的参数与上述公式中的相应参数相同，这里不再详细描述。

通过上述公式可以看出，已知工作部400的空间位置及其目标位置移动趋势的情况下，可通过简单公式求解，获得各轴驱动系统的位置坐标。

以下对各子系统进行详细说明：

双Y轴传动导向系统总成100的结构如图4所示，其包括双Y轴滑台101；Y轴驱动电机102；联轴器103；线性导轨组件104；双Y轴支架105；丝杠端头支座106和丝杠及螺母组件107。

双Y轴滑台101为两个，均安装于线性导轨组件104的滑块104-1上，可左右自由滑动；线性导轨组件104固定并安装于双Y轴支架105上；

Y轴驱动电机102为两个，分别固定安装在双Y轴支架105两端；Y轴驱动电机102通过联轴器103连接到丝杠及螺母组件107的一端；丝杠及螺母组件107的两端头由丝杠端头支座106支撑，并通过丝杠端头支座106固定于双Y轴支架105上；

双Y轴支架105两端固定安装于两侧的X轴传动导向系统总成200的线性导轨组件206上，并与两侧X轴传动导向系统总成200的丝杠及螺母组件204固定；

丝杠及螺母组件107为两组，呈平行排布；每一组丝杠及螺母组件107通过螺栓与一个双Y轴滑台101紧固在一起。

工作时，Y轴驱动电机102提供动力输出带动联轴器103及与其连接的丝杠及螺母组件107转动，最终驱动双Y轴滑台101沿线性导轨组件104方向滑动。上述系统并排两组，分别控制一个Y轴滑台101沿线性导轨组件104方向平移。

X轴传动导向系统总成200的结构组成如图5所示，其包括X轴驱动电机201、联轴器202、丝杠端头支座203、丝杠及螺母组件204、丝杠螺母安装座205、线性导轨组件206。

X轴驱动电机201固定于机架300的电机支架上；丝杠及螺母组件206通过丝杠端头支座203固定于机架300上，X轴驱动电机201通过联轴器202与丝杠及螺母组件206连接。丝杠螺母安装座205通过螺栓固定于丝杠及螺母组件206的两端。线性导轨组件206通过螺栓固定于机架300上，最终线性导轨组件206和丝杠螺母安装座205一同通过螺栓固定连接在双Y轴支架105上。

工作时，X轴驱动电机201提供动力输出带动联轴器202与其连接的丝杠及螺母组件204，最终驱动双Y轴支架105沿线性导轨组件206方向滑动。上述系统并排两组，分别位于双Y轴支架105，共同控双Y轴传动导向系统总成100沿线性导轨组件206所确定方向平移。

上述工作部400包括：工作安装台，以及安装在所述工作安装台上的功能装备。所述工作安装台的两端与所述斜拉臂总成500的一端连接。

斜拉臂总成500为两组，两组对称分布，每一组均通过下方的工作部斜拉臂支座501与工作部400的工作安装台连接固定，滑台斜拉臂支座505固定连接于一个双Y轴滑台101。

每一组斜拉臂总成500的结构组成如图6所示，包括工作部斜拉臂支座501；轴承502；紧固轴销503；斜拉臂504和滑台斜拉臂支座505。

每一组斜拉臂总成500中的斜拉臂504为三个，其一起在正视方向构成平行四连杆机构，确保工作部斜拉臂支座501朝向与滑台斜拉臂支座505始终平行。同时三个斜拉臂504在空间位置构成三角形稳定结构，进一步确保工作台平稳。上述斜拉臂504也可以为两个或者更多个。

工作部斜拉臂支座501和滑台斜拉臂支座505通过斜拉臂504连接，中间由轴承502过渡，紧固轴销503完成定位安装。

上述斜拉臂504铰接为单自由度旋转，轴承502可采用标准轴承，其传动精度及疲劳寿面易保证。

对称布置的两组斜拉臂总成500可有效保证工作部400的台架具有较高承载能力，及抗倾覆能力。

工作时，工作部400和两组Y轴滑台101、两组斜拉臂总成500，共同构成四连杆机构。滑台斜拉臂支座505固定连接于一个双Y轴滑台101上，双Y轴滑台101受驱动带动滑台斜拉臂支座505水平运动，带动斜拉臂504上端点位置水平运动。两组双Y轴滑台101的同向运动转化为工作部的水平移动，两个双Y轴滑台101的相对运动转化为工作部400的竖直方向移动。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.一种新型的三轴机器人结构，其特征在于，所述新型三轴机器人结构包括：

双Y轴传动导向系统总成(100)；X轴传动导向系统总成(200)；机架(300)；工作部(400)；斜拉臂总成(500)；

X轴传动导向系统总成(200)对称固定在机架(300)两侧；

双Y轴传动导向系统总成(100)安装于所述X轴传动导向系统总成(200)所确定工作平面上；

斜拉臂总成(500)为多组呈对称分布吊装于双Y轴传动导向系统总成(100)下方，并于另一端与工作部(400)连接构成多杆连接结构。

2.根据权利要求1所述的新型三轴机器人结构，其特征在于，所述的双Y轴传动导向系统总成(100)包括：

双Y轴滑台(101)；Y轴驱动电机(102)；联轴器(103)；线性导轨组件(104)；双Y轴支架(105)；丝杠端头支座(106)和丝杠及螺母组件(107)；

所述双Y轴滑台(101)安装于线性导轨组件(104)上，并可左右自由滑动；线性导轨组件(104)安装于双Y轴支架(105)上；双Y轴支架(105)两端安装于两侧的X轴传动导向系统总成(200)上；

Y轴驱动电机(102)分别固定安装在双Y轴支架(105)两端；Y轴驱动电机(102)通过联轴器(103)连接到丝杠及螺母组件(107)的一端；丝杠及螺母组件(107)的两端头由丝杠端头支座(106)支撑，并通过丝杠端头支座(106)固定于双Y轴支架(105)上。

3.根据权利要求2所述的新型三轴机器人结构，其特征在于，所述的X轴传动导向系统总成(200)包括：

X轴驱动电机(201)、联轴器(202)、丝杠端头支座(203)、丝杠及螺母组件(204)、丝杠螺母安装座(205)和线性导轨组件(206)；

所述X轴驱动电机(201)固定于机架(300)的电机支架上；所述X轴驱动电机(201)通过所述联轴器(202)与所述丝杠及螺母组件(206)连接，所述丝杠及螺母组件(206)通过所述丝杠端头支座(203)固定于所述机架(300)上；所述丝杠螺母安装座(205)固定于所述丝杠及螺母组件(206)的两端；

所述线性导轨组件(206)固定于所述机架(300)上；

所述线性导轨组件(206)和丝杠螺母安装座(205)一同连接在所述双Y轴传动导向系统总成(100)上的双Y轴支架(105)上。

4.根据权利要求2或3所述的新型三轴机器人结构，其特征在于，所述的斜拉臂总成(500)包括：

工作部斜拉臂支座(501)、轴承(502)、紧固轴销(503)、斜拉臂(504)和滑台斜拉臂支座(505)；

所述工作部斜拉臂支座(501)与工作部(400)连接；所述的滑台斜拉臂支座(505)连接于所述双Y轴滑台(101)上；

所述工作部斜拉臂支座(501)和滑台斜拉臂支座(505)通过斜拉臂(504)连接，中间由轴承(502)过渡，紧固轴销(503)完成定位安装。

5.根据权利要求4所述的新型三轴机器人结构，其特征在于，所述的斜拉臂(504)为多个。