CN108406754A - 一种丝杠伺服关节机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丝杠伺服关节机械臂，包括若干节依次连接的单元体，单元体的一端设置有固定法兰，单元体的另一端设置有与固定法兰相对应的旋转法兰，单元体包括外壳，外壳固定连接固定法兰，外壳内设置有丝杠伺服单元，丝杠伺服单元包括数控电机，数控电机通过滚珠丝杠连接有移动座，移动座连接有传动机构，传动机构包括旋转轮和张紧轮以及设置在旋转轮和张紧轮之间的传动带，传动带与移动座固定连接，旋转轮连接有输出轴，输出轴固定连接旋转法兰。本发明的有益效果：丝杠伺服单元精度高，传动效率高，抗冲击性好，成本极低，非常适合关节式机器人使用。

Description

一种丝杠伺服关节机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，具体来说，涉及一种丝杠伺服关节机械臂。

背景技术

现代的工业化生产要求是快速高效，工业机器人或称机械臂能够提升生产的效率和产品的质量，替代劳动力，是现在的重点发展方向。

机械臂需求特点是精确、机身紧凑，出力大。但在实际应用中根据负载不同是不能一味提高电机功率来提高最终需要的力量的。那么需要应用减速器连接动力源和目的执行机构之间的中间装置，在速度允许的范围内提高扭矩。

目前成熟并标准化的减速器有：齿轮减速器、涡轮减速器、行星减速器、摆线针轮RV减速器和谐波减速器。

1）齿轮减速器的优点为成本低，技术成熟，其缺点为增大减速比会同比增大体积或减速级数，齿侧间隙导致精度降低且不可避免，并且随一级二级的减速比增加而叠加。

2）涡轮减速器的优点为结构紧凑，传动比大，其缺点为摩擦传动，效率低。同时导致轮侧间隙增大，精度降低且不可避免，且属于自锁机构，限制应用范围。

3）行星减速器的优点为体积小、重量轻，承载能力高，传动比大，效率高，其缺点为齿轮背隙导致回差。

4）摆线针轮RV减速器的优点为具有减速比大，体积小。传动效率高，耐冲击，其缺点为摆线轮齿型的修正，不是标准摆线，保证回转精度，需修正啮合齿型，背隙导致加工精度要求太高，配合度也要求很高，器件精度高，安装复杂，成本高。

5）谐波减速器由三部分组成：谐波发生器、柔性论和刚轮，其工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形，靠柔轮与刚轮啮合来传递动力，并达到减速的目的，其优点为谐波是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积小，精度很高，其缺点为柔轮寿命有限、不耐冲击、刚性相对较差。

现有的关节机器人，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置，而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部。这两种减速器属于机器人的核心零部件。可是，这两种减速器的核心技术一直掌握在国外公司手中，最好的当属日本的Nabtesco和HarmonicDrive，这限制着中国机器人的快速发展，因此早日实现减速器的国产化至关重要，并且这两种减速器价格昂贵，导致关节机器人的生产成本较高。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种丝杠伺服关节机械臂，可满足关节机器人高精度、大扭矩、低成本的需要。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种丝杠伺服关节机械臂，包括若干节依次连接的单元体，所述单元体的一端设置有固定法兰，所述单元体的另一端设置有与所述固定法兰相对应的旋转法兰，所述单元体包括外壳，所述外壳固定连接所述固定法兰，所述外壳内设置有丝杠伺服单元，所述丝杠伺服单元包括数控电机，所述数控电机通过滚珠丝杠连接有移动座，所述移动座连接有传动机构，所述传动机构包括旋转轮和张紧轮以及设置在所述旋转轮和所述张紧轮之间的传动带，所述传动带与所述移动座固定连接，所述旋转轮连接有输出轴，所述输出轴固定连接所述旋转法兰。

进一步地，所述数控电机包括伺服电机。

进一步地，所述滚珠丝杠包括丝杠以及设置在所述丝杠上的滚珠螺母，所述丝杠通过联轴器连接所述数控电机的电机轴。

进一步地，所述移动座固定连接在所述滚珠螺母上。

进一步地，所述移动座通过传动带固定板固定连接所述传动带。

进一步地，所述传动机构还包括传动带托辊。

进一步地，所述传动机构还包括与所述张紧轮相对应的张紧架。

可选地，所述旋转法兰与所述固定法兰位于同一平面上。

可选地，所述旋转法兰所在平面与所述固定法兰所在平面相垂直。

本发明的有益效果：丝杠伺服单元精度高，传动效率高，抗冲击性好，成本极低，非常适合关节式机器人使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的丝杠伺服关节机械臂的轴视图；

图2是根据本发明实施例所述的单元体的正视图；

图3是根据本发明实施例所述的单元体的俯视图；

图4是根据图2所示的单元体的A-A剖视图。

图中：

1、数控电机；2、丝杠；3、移动座；4、旋转轮；5、张紧轮；6、传动带；7、输出轴；8、滚珠螺母；9、传动带固定板；10、传动带托辊；11、张紧架；12、联轴器；13、固定法兰；14、旋转法兰；15、单元体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，根据本发明实施例所述的一种丝杠伺服关节机械臂，包括若干节依次连接的单元体15，所述单元体15的一端设置有固定法兰13，所述单元体15的另一端设置有与所述固定法兰13相对应的旋转法兰14，所述单元体15包括外壳，所述外壳固定连接所述固定法兰13，所述外壳内设置有丝杠伺服单元，所述丝杠伺服单元包括数控电机1，所述数控电机1通过滚珠丝杠连接有移动座3，所述移动座3连接有传动机构，所述传动机构包括旋转轮4和张紧轮5以及设置在所述旋转轮4和所述张紧轮5之间的传动带6，所述传动带6与所述移动座3固定连接，所述旋转轮4连接有输出轴7，所述输出轴7固定连接所述旋转法兰14。

在本发明的一个具体实施例中，所述数控电机1包括伺服电机。

在本发明的一个具体实施例中，所述滚珠丝杠包括丝杠2以及设置在所述丝杠2上的滚珠螺母8，所述丝杠2通过联轴器12连接所述数控电机1的电机轴。

在本发明的一个具体实施例中，所述移动座3固定连接在所述滚珠螺母8上。

在本发明的一个具体实施例中，所述移动座3通过传动带固定板9固定连接所述传动带6。

在本发明的一个具体实施例中，所述传动机构还包括传动带托辊10。

在本发明的一个具体实施例中，所述传动机构还包括与所述张紧轮5相对应的张紧架11。

在本发明的一个具体实施例中，所述旋转法兰14与所述固定法兰13位于同一平面上。或者，所述旋转法兰14所在平面与所述固定法兰13所在平面相垂直。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

本发明所述的固定连接方式可使用粘接、螺栓连接等常规技术手段。

丝杠伺服关节机械臂由多节单元体构成，每节单元体都具有一个丝杠伺服单元。

本发明所述的丝杠伺服单元包括数控电机1、丝杠2、滚珠螺母8、与滚珠螺母8连接的传动带6、与传动带6连接的旋转轮4和输出轴7，丝杠伺服单元完成减速增大扭矩的功能。其中，数控电机1包括但不限于伺服电机，滚珠丝杠也可以采用其他传动机构替换，比如行星丝杠等，传动带6为同步带，同步带可以替换为钢丝绳、钢带、碳纤维等柔性传动器件。

外壳内设置有支架，张紧架11包括与支架滑动连接的滑块，支架上螺纹连接有与滑块相对应的顶丝，张紧轮5可转动的设置在轮座上，轮座与滑块固定连接，当调节顶丝时，顶丝推动滑块移动，进而使张紧轮5移动，实现传动带6的张紧。

张紧轮5的节圆直径小于旋转轮4的节圆直径，传动带托辊10用于托住传动带6，使传动带6具有一个水平段，从而可在移动座3直线移动时，带动旋转轮4转动。

本发明所述的丝杠伺服单元的减速比取决于丝杠2的螺距与旋转轮4节圆周长的比。如选用螺距为5mm的丝杠2，此时旋转轮4节圆直径100mm，节圆周长为314mm，减速比为62.8。

丝杠伺服单元的往复旋转角度取决于丝杠2的长度与旋转轮4节圆周长的比。如传动带轮节圆直径100mm，节圆周长为314mm，往复旋转180度时，丝杠2的长度为157mm。

柔性传动件为同步带或钢带时，柔性传动部件在旋转轮4和张紧轮5之间呈回环布置。

柔性传动件为钢丝绳或碳纤维时，钢丝绳或碳纤维的一端固定在旋转轮4上，另一端绕过张紧轮5后再固定在旋转轮4上。钢丝绳或碳纤维可在旋转轮4上缠绕若干圈以增大摩擦力不会滑脱。

固定法兰13可以与旋转法兰14位于同一平面也可以与旋转法兰14所在平面相垂直，并且并不局限于这两种情况，固定法兰13可沿着外壳的周向方向固定在任意一处，用户可实际应用情况灵活调节固定法兰13的位置，同时增大了机械臂的灵活度。

具体使用时：电机轴与丝杠2刚性连接，电机轴旋转驱动丝杠2旋转，使滚珠螺母8带动移动座3往复直线运动。移动座3的顶端固定传动带6，传动带6的直线运动带动旋转轮4旋转，使输出轴7往复旋转。

丝杠伺服单元的优点：精度取决与丝杠2和旋转轮4节圆周长。如丝杠2根据国标丝杠标准GB/T17587.3-1998，选择C7(精度0.05mm，普通数控标准），此时旋转轮4的节圆直径为100mm，则可计算出丝杠伺服单元的误差为0.005弧秒。如丝杠2的精度选择C3（精度0.008mm，高精度数控标准），可计算出丝杠伺服单元的误差为0.0009弧秒。对比RV减速机弧分级的精度可得出，丝杠伺服单元理想传动状态下精度极高，近似于无间隙。(如为减小体积增大减速比，把数控电机1换成减速电机，其减速电机的回差也被同减速比减小)。

丝杠伺服单元的传动效率取决于滚珠丝杠。滚珠丝杠的效率为92%~96%。相对于行星减速机每级传动效率损失5%以上，同样60减速比，行星减速机需要3级传动，效率低于丝杠伺服单元。

丝杠伺服单元的抗冲击性取决于传动带6，如选用圆弧齿5m，宽度25mm的传动带6，抗冲击在2000N.m以上，远大于使用需求。

丝杠伺服单元成本极低且安装简单，替换性好。丝杠2与传动带6均是大批量产品，成本与同级数RV减速机和谐波减速机相比，不足1/10。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，丝杠伺服单元精度高，传动效率高，抗冲击性好，成本极低，非常适合关节式机器人使用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种丝杠伺服关节机械臂，其特征在于，包括若干节依次连接的单元体（15），所述单元体（15）的一端设置有固定法兰（13），所述单元体（15）的另一端设置有与所述固定法兰（13）相对应的旋转法兰（14），所述单元体（15）包括外壳，所述外壳固定连接所述固定法兰（13），所述外壳内设置有丝杠伺服单元，所述丝杠伺服单元包括数控电机（1），所述数控电机（1）通过滚珠丝杠连接有移动座（3），所述移动座（3）连接有传动机构，所述传动机构包括旋转轮（4）和张紧轮（5）以及设置在所述旋转轮（4）和所述张紧轮（5）之间的传动带（6），所述传动带（6）与所述移动座（3）固定连接，所述旋转轮（4）连接有输出轴（7），所述输出轴（7）固定连接所述旋转法兰（14）。

2.根据权利要求1所述的丝杠伺服关节机械臂，其特征在于，所述数控电机（1）包括伺服电机。

3.根据权利要求1所述的丝杠伺服关节机械臂，其特征在于，所述滚珠丝杠包括丝杠（2）以及设置在所述丝杠（2）上的滚珠螺母（8），所述丝杠（2）通过联轴器（12）连接所述数控电机（1）的电机轴。

4.根据权利要求3所述的丝杠伺服关节机械臂，其特征在于，所述移动座（3）固定连接在所述滚珠螺母（8）上。

5.根据权利要求1所述的丝杠伺服关节机械臂，其特征在于，所述移动座（3）通过传动带固定板（9）固定连接所述传动带（6）。

6.根据权利要求1所述的丝杠伺服关节机械臂，其特征在于，所述传动机构还包括传动带托辊（10）。

7.根据权利要求1所述的丝杠伺服关节机械臂，其特征在于，所述传动机构还包括与所述张紧轮（5）相对应的张紧架（11）。

8.根据权利要求1所述的丝杠伺服关节机械臂，其特征在于，所述旋转法兰（14）与所述固定法兰（13）位于同一平面上。

9.根据权利要求1所述的丝杠伺服关节机械臂，其特征在于，所述旋转法兰（14）所在平面与所述固定法兰（13）所在平面相垂直。