CN110480762A - 一种模组式三自由度加工机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模组式三自由度加工机器人，其包括安装板、固定安装座、第一直线驱动单元、第二直线驱动单元、末端执行构件调姿机构和末端执行构件。固定安装座与外部设备固连在一起，第一丝杠转动时，安装板上下移动，使末端执行构件具有Z轴移动自由度；第二直线驱动单元中的小滑板移动，通过连杆带动末端调姿机构旋转，使末端执行构件具有A轴转动自由度；末端执行构件调姿机构中的力矩电机旋转，使末端执行构件具有B轴转动自由度。本发明提供的模组式三自由度加工机器人整合度高，尺寸小，造价低，安装使用方便。本发明可安装在龙门机床或桁架机器人上，可进行铣削、钻孔、打磨、去毛刺、激光加工等多工序作业。

Description

一种模组式三自由度加工机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体地涉及一种模组式三自由度加工机器人。

背景技术

在实际加工生产中，对一些体积较大的工件进行加工时，工件局部加工可能需要机床具有多个自由度，为了满足加工要求，需要使用较大的龙门机床或者加工中心。一些小型或加工产品较为单一的工厂无力承担昂贵的机床成本，或用加工中心来完成该工序并不具有经济性，如对某些工件进行去毛刺，倒角工作虽切削进给量不大，但是需要末端执行构件具有多个自由度，普通的三轴机床难以胜任，且应用普通多轴串联机械手进行去毛刺或局部打磨、钻孔等工作因为机械手工作空间限制、重复定位精度差、使用成本高等原因，串联多轴机械手并不能很好的胜任此类工作。

在木工领域，传统加工方法为三轴龙门机床加上多个电主轴直接对尺寸较长的板材进行加工，但三维平动的龙门机床对于一些比较复杂图案的加工难以胜任，木材加工切削力相比钢材小很多，如果采用金属加工领域通用的AC摆头等二维转动加工设备成本过高，且性能过剩，不利于企业控制成本。在激光加工如激光焊接，激光切割；水射流加工等领域，仍需要载体带动末端执行构件来进行加工，用多轴串联机械臂作为载体，因为机械臂的底座一般需要与地面固连，因此机械臂的有效工作空间较小，且机械臂的承载力小，重复定位精度差，刚度不好。如果末端执行构件尺寸、重量较大，使用串联机械臂的成本很高。

因此，开发一种具有两个转动一个平动自由度，尺寸较小，生产使用成本低，可与现有龙门机床，桁架机器人连接的模组式三自由度加工机器人来进行铣削、钻孔、打磨、去毛刺、激光加工等，对成本控制严格、柔性加工、设备通用性强有需求的企业该发明很有意义。

中国专利CN201710197043.7提出了二分支三自由度工业机器人，该发明具有两个运动分支，其中一个分支有两个驱动，另一个分支具有一个驱动，该发明具有刚度好，结构简单，工艺性好等特点，但发明占用车间空间大，工作空间小，不容易移动等短板。

中国专利201711156938.2中提出了三自由度机器人整形机，该发明提出了三自由度机器人整形机，利用三轴机器人和双工位旋转工作台结合，通过将通用机器人设备与机床机构结合，具有自动化程度高，成本低的优点。该发明中三轴机器人的控制编程不易，刚度不好，重复定位精度差，难以满足高精加工要求。

中国专利CN201610874845.2中提出了一种可实现二平一转的三自由机器人机构，该发明公开了一种可实现二平一转的三自由度机器人机构，具有三条支链，每条支链包括近架杆、两个平行且等长的远架杆，动平台与三支链通过球铰连接，该机构运动灵活，容易实现高度抓放动作，但该机构三条支链中的远架杆长度过长，工作中容易发生变形，导致动平台的运动角度不准确。

中国专利CN201610985666.6该发明公开了一种可实现两平一转的三自由度机器人机构，在固定架上有两个共轴的U框和一个转动副，通过三个驱动分支与动平台相连，该发明具有结构紧凑，整体刚度好，精度高等特点，但该发明工作空间较小，调试具有一定难度。

中国专利CN201610879835.8中提出一种三自由度机器人，该发明提出了一种三自由机器人，动平台与定平台通过三个结构相同的支链连接，中间约束杆下端与定平台固定连接，上端与动平台通过球铰连接，三个支链中有两个转动副，上端通过球铰或万向铰与上平台相连。该发明结构紧凑，驱动性强，灵活度高，但该机构侧向刚度不好，在上平台受到水平分力作用时，变形量大。

中国专利201710339185.2中提出了一种用于微创手术的三自由度机器人，该发明提出了一种用于微创手术的三自由度机器人，该发明包括机架、手术操作模块、平行四边形分支，该机构具有结构紧凑、精度高。但该机构仅为平面机构，可实现一个平面内两个移动一个转动，该发明由多个连杆结构构成，在加工制造中容易存在一定的间隙，会影响末端执行构件的操作精度，且因为杆机构复杂，该机构的刚度较差。

中国专利201010110648中提出了平行连接机构及多功能五轴机器人，该发明提出了一种平行连接机构，具有五个转轴，主要用于加工汽车压铸零件，该发明改良了传统机器人手臂延展刚性和范围空间内的执行效率，利用手臂的平行并联的的方式减少加工负荷，改善各种动作角度变化的灵活度。该发明各个转动部分由减速器与伺服电机直连，导致整体尺寸偏大，且加工工作空间小，多末端执行构件的尺寸有较苛刻的要求。

中国专利CN201810570722.9中提出了一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，该发明提出了一种面向复杂曲面的大行程混联加工机器人装置，三自由度力控加工模块安装在平面两自由度混联机械臂上，该装置底部有全行程直线导轨，可用于加工大行程复杂曲面工件，该发明工作空间大，可实现多自由度运动，但该装置结构复杂，控制难度较高，生产应用成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种模组式三自由度加工机器人，其能实现两个转动自由度和一个移动自由度，本发明具有整合度高、生产使用成本低、控制简单、通用性强，可安装不同末端执行构件来完成多种加工要求。

具体地，本发明是这样实现的：

本发明提供一种模组式三自由度加工机器人，其包括安装板、固定安装座、第一直线驱动单元、第二直线驱动单元、末端执行构件以及末端执行构件调姿机构；

其中安装板包括腹板、两个肋板、第一驱动机构安装板以及第二驱动机构安装板，所述两个肋板分别位于腹板的两侧，所述腹板第一端面顶端和两个肋板之间设置有第一驱动机构安装板，腹板第二端面上部和两个肋板之间设置有第二驱动机构安装板；

所述第一直线驱动单元位于安装板的第一端面，所述第一直线驱动单元包括第一驱动机构、第一传动机构、第一导轨以及第一滑块；

所述第一驱动机构固定在第一驱动机构安装板上部，所述第一驱动机构的与第一传动机构相连，所述第一导轨安装在腹板第一端面的一侧，所述固定安装座内部安装有第一滑块，所述固定安装座与第一传动机构连接，所述固定安装座通过第一滑块与安装板中的第一导轨连接，所述安装板位于固定安装座内部；

所述第二直线驱动单元位于安装板的第二端面，所述第二直线驱动单元包括第二驱动机构、第二导轨、第二滑块、第二传动机构以及滑板；第二驱动机构安装在第二驱动机构安装板上，所述第二驱动机构与第二传动机构相连，所述第二导轨安装在腹板第二端面的一侧，所述滑板的第一端面有第二滑块，所述滑板的第二端面设置有连杆安装孔，所述滑板与第二传动机构连接，所述滑板通过第二滑块与第二导轨连接；

所述末端执行构件调姿机构包括调姿机架、连杆、力矩电机以及连接板；所述末端执行构件调姿机构中的调姿机架的内部为中空，所述调姿机架中部的两侧设置有耳轴，所述调姿机架的尾部设置有连杆安装孔，所述连杆的第一端与滑板的第二端面的连杆安装孔连接，所述连杆的第二端与调姿机架尾部的连杆安装孔连接，所述调姿机架通过其中部两侧的耳轴与安装板中的两个肋板底部的安装孔连接，所述力矩电机安装在调姿机架内部，所述末端执行构件通过连接板与末端执行构件调姿机构中的力矩电机连接；

当所述第一驱动机构驱动第一传动机构带动安装板移动时，安装板在Z轴上产生位移，使末端执行构件具有Z轴移动自由度；当第二驱动机构驱动第二传动机构带动滑板移动时，滑板会发生移动，调姿机架在连杆的带动绕着调姿机架与安装板的转动轴线A轴转动，使末端执行构件具有A轴转动自由度；当末端执行构件调姿机构中的力矩电机旋转时，通过连接板带动末端执行构件旋转，使末端执行构件具有B轴转动自由度，B轴为力矩电机转动轴线；

所述调姿机架与连杆的转动轴线、调姿机架与安装板的转动轴线以及力矩电机的转动轴线位于同一平面内，调姿机架与连杆的转动轴线和调姿机架与安装板的转动轴线平行，调姿机架与安装板的转动轴线与力矩电机的转动轴线垂直。

优选地，所述第一驱动机构为第一电机，所述第一传动机构为第一丝杠，第一电机的输出轴与第一丝杠连接，所述第一丝杠通过第一丝杠支撑座安装在腹板第一端面的与第一导轨相对的另一侧，所述固定安装座内部还安装有第一丝母，所述固定安装座通过第一丝母与第一丝杠连接，

所述第二驱动机构为第二电机，所述第二传动机构为第二丝杠，第二电机的输出轴与第二丝杠连接，所述第二丝杠通过第二丝杠支撑座安装在腹板第二端面的与第二导轨相对的另一侧，所述滑板的第一端面还设置有第二丝母，所述滑板通过第二丝母与第二传动机构连接。

优选地，所述第一驱动机构为第一驱动缸，所述第一传动机构为第一驱动缸伸出轴，所述第一驱动缸的缸筒与所述安装板腹板第一端面的上部连接，所述第一驱动缸伸出轴与所述固定安装座连接，

所述第二驱动机构为第二驱动缸，所述第二传动机构为第二驱动缸伸出轴，所述第二驱动缸的缸筒与所述安装板腹板第二端面的上部连接，所述第二驱动缸伸出轴与所述滑板连接。

优选地，所述安装板为H型，所述固定安装座为矩形。

优选地，所述腹板的底面的长度小于两个肋板的长度，两个腹板的底部设置有安装孔。

优选地，所述末端执行构件调姿机构中的力矩电机为直流减速电机或伺服电机与减速器相互配合。

优选地，所述末端执行构件为电主轴、激光器或水刀头。

优选地，所述电主轴能够安装钻头、铣刀或旋转锉。

优选地，所述固定安装座能够与龙门机床或者桁架机器人连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的模组式三自由度加工机器人具有两个直线驱动一个转动驱动，控制系统较为简单，且第一第二直线驱动单元布置在安装板的正反两面，结构紧凑，便于维护。

2、本发明的模组式三自由度加工机器人可使用多个末端执行构件应用于多种加工场合；若末端执行构件采用电主轴可安装有铣刀、钻头、旋转锉等。

3、本发明的模组式三自由度加工机器人可通过固定安装座与龙门机床或桁架机器人连接，具有较高的通用性。

附图说明

图1为本发明的模组式三自由度加工机器人的正面的三维示意图；

图2为本发明的模组式三自由度加工机器人的背面的三维示意图；

图3为本发明的模组式三自由度加工机器人的正面的示意图；

图4为本发明的模组式三自由度加工机器人安装板的正面的示意图；

图5为本发明的模组式三自由度加工机器人安装板的背面的示意图；

图6为本发明的模组式三自由度加工机器人从中间剖开示意图；

图7为本发明的模组式三自由度加工机器人实施例2中第二直线驱动单元的三维示意图；

图8为本发明的模组式三自由度加工机器人与龙门机床连接示意图；

图9为本发明的模组式三自由度加工机器人与桁架机器人连接示意图。

图中部分附图标记如下：

1-安装板；2-固定安装座；3-第一直线驱动单元；4-第二直线驱动单元；5-末端执行构件调姿机构；6-末端执行构件；7-龙门机床；8-桁架机器人；101-腹板；102-肋板；103-第一电机安装板；104-第二电机安装板；301-第一电机；302-第一导轨；303-第一滑块；304-第一丝杠；305-第一丝母；306-第一丝杠支撑座；401-第二电机；402-第二导轨；403-第二滑块；404-第二丝杠；405-第二丝母；406-第二丝杠支撑座；407-滑板；408-驱动缸；501-调姿机架；502-连杆；503-力矩电机；504-连接板。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

具体实施例1

如图1所示的一种模组式三自由度加工机器人，其包括安装板1、固定安装座2、第一直线驱动单元3、第二直线驱动单元4、末端执行构件调姿机构5、末端执行构件6。其中安装板为H型，固定安装座2为矩形。

其中安装板1包括腹板101、两个肋板102、第一电机安装板103、第二电机安装板104，第一驱动直线单元3包括第一电机301、第一导轨302、第一滑块303、第一丝杠304、第一丝母305和第一丝杠支撑座306。第二直线驱动单元4包括第二电机401、第二导轨402、第二滑块403、第二丝杠404、第二丝母405、第二丝杠支撑座406和滑板407；末端执行构件调姿机构5包括调姿机架501、连杆502、力矩电机503以及连接板504。

如图4所示，安装板1中的两个肋板102位于腹板101两侧，腹板101的第一端面即正面的顶端和两个肋板102之间有第一电机安装板103。

如图5腹板101第二端面即背面的上部和两个肋板102之间有第二电机安装板104。腹板101下部短于两个肋板102，两个腹板101底部有安装孔。

如图3所示，第一直线驱动单元3位于安装板1的第一端面，第一直线驱动单元3中的第一电机301与第一丝杠304相连，第一电机301固定在第一电机安装板103上部，第一丝杠304通过第一丝杠支撑座306安装在腹板101的第一端面，第一导轨302安装在腹板101的第一端面。

如图6所示，固定安装座2内部安装有第一滑块303和第一丝母305。固定安装座2通过第一丝母305与第一丝杠304连接，固定安装座2通过第一滑块303安装在安装板2的第一端面的第一导轨302连接，如图6所示，安装板1位于固定安装座2内部。如图2所示，第二直线驱动单元4位于安装板1的第二端面，第二电机401安装在第二电机安装板104上，第二电机401与第二丝杠404相连，第二丝杠404通过第二丝杠支撑座406与安装板1中的腹板101的第二端面固定，第二导轨402安装在腹板101的第二端面。滑板407的第一端面有第二滑块403和第二丝母405，滑板407的第二端面有连杆安装孔。滑板407通过第二丝母405与第二丝杠404连接，滑板407通过第二滑块403与固定在安装板1的第二端面的第二导轨402连接。如图2所示，末端执行构件调姿机构5中的调姿机架501内部中空，调姿机架501中部两侧有耳轴，调姿机架501尾部有连杆安装孔。末端执行构件调姿机构5中的连杆502一端与滑板407的第二端面的连杆安装孔连接，另一端与调姿机架501尾部的连杆安装孔连接，调姿机架501通过调姿机架中部两侧的耳轴与安装板1中的两个肋板102底部安装孔连接，力矩电机503安装在调姿机架501内部，末端执行构件6通过连接板504与末端执行构件调姿机构5中的力矩电机503连接。其中调姿机架501与连杆502为转动轴线O，调姿机架501与安装板1为转动轴线A，力矩电机503的转动轴线为转动轴线B。转动轴线O、转动轴线A和转动轴线B位于同一平面内，转动轴线O和转动轴线A平行，转动轴线O、转动轴线A与转动轴线B垂直。

固定安装座2与外部设备固连在一起，因为第一丝杠304通过第一丝杠支撑座306与安装板1中的腹板101固定在一起，所以第一电机301驱动第一丝杠304转动时，安装板1会发生Z轴移动，使末端执行构件6具有Z轴移动自由度。

第二直线驱动单元4中的第二电机401与第二丝杠404连接，第二丝杠404通过第二丝母405与滑板407连接，滑板407通过第二滑块403与固定在腹板101第二端面的第二导轨402连接，所以第二电机401驱动第二丝杠404转动时，滑板407会发生移动。

连杆502一端与滑板407第二端面连杆安装孔连接，另一端与调姿机架501尾部的连杆安装孔连接，调姿机架501通过中部耳轴与肋板102底部安装孔连接。滑板407发生移动时，调姿机架501会在连杆502的带动下产生绕着轴线A转动，使末端执行构件6具有A轴转动自由度；末端执行构件调姿机构5中的力矩电机503旋转时，通过连接板504带动末端执行构件6旋转，使末端执行构件6具有B轴转动自由度。

具体实施例2

本发明中模组式三自由度加工机器人中的第二直线驱动单元4，如图7所示，第二直线驱动单元4中的第二电机401、第二丝杠404可替换为驱动缸408，驱动缸408缸筒与安装板1中的腹板101第二端面上部连接，驱动缸408伸出杆与滑板407连接。滑板407与末端执行构件调姿机构5通过连杆502连接，驱动缸408伸出杆伸出，推动滑板407，使末端执行构件6发生A轴转动。

同样的，第一电机也可以为第一驱动缸，第一丝杠为第一驱动缸伸出轴，第一驱动缸的缸筒与安装板腹板第一端面的上部连接，第一驱动缸伸出轴与固定安装座连接。

其他部件连接方式与实施例1相同，在此不再赘述。另外，在其余的实施例中，第一直线驱动单元、第二直线驱动单元的驱动也可以为电动缸或液压缸或电机与齿轮齿条机构的组合。

具体实施例3

本发明中模组式三自由度加工机器人可通过固定安装座2与龙门机床7连接，可以让末端执行构件6实现三个移动自由度和两个转动自由度，满足对复杂工件的加工要求。

其他部件连接方式与实施例1相同。

具体实施例4

本发明中模组式三自由度加工机器人可通过固定安装座2与桁架机器人8连接，可以让末端执行构件6实现长距离移动，满足对大尺寸复杂工件的加工要求。

其他部件连接方式与实施例1相同。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种模组式三自由度加工机器人，其特征在于：其包括安装板、固定安装座、第一直线驱动单元、第二直线驱动单元、末端执行构件以及末端执行构件调姿机构；

其中安装板包括腹板、两个肋板、第一驱动机构安装板以及第二驱动机构安装板，所述两个肋板分别位于腹板的两侧，所述腹板第一端面顶端和两个肋板之间设置有第一驱动机构安装板，腹板第二端面上部和两个肋板之间设置有第二驱动机构安装板；

所述第一直线驱动单元位于安装板的第一端面，所述第一直线驱动单元包括第一驱动机构、第一传动机构、第一导轨以及第一滑块；

所述第一驱动机构固定在第一驱动机构安装板上部，所述第一驱动机构与第一传动机构相连，所述第一导轨安装在腹板第一端面的一侧，所述固定安装座内部安装有第一滑块，所述固定安装座与第一传动机构连接，所述固定安装座通过第一滑块与安装板中的第一导轨连接，所述安装板位于固定安装座内部；

所述第二直线驱动单元位于安装板的第二端面，所述第二直线驱动单元包括第二驱动机构、第二导轨、第二滑块、第二传动机构以及滑板；第二驱动机构安装在第二驱动机构安装板上，所述第二驱动机构与第二传动机构相连，所述第二导轨安装在腹板第二端面的一侧，所述滑板的第一端面有第二滑块，所述滑板的第二端面设置有连杆安装孔，所述滑板与第二传动机构连接，所述滑板通过第二滑块与第二导轨连接；

所述末端执行构件调姿机构包括调姿机架、连杆、力矩电机以及连接板；所述末端执行构件调姿机构中的调姿机架的内部为中空，所述调姿机架中部的两侧设置有耳轴，所述调姿机架的尾部设置有连杆安装孔，所述连杆的第一端与滑板的第二端面的连杆安装孔连接，所述连杆的第二端与调姿机架尾部的连杆安装孔连接，所述调姿机架通过其中部两侧的耳轴与安装板中的两个肋板底部的安装孔连接，所述力矩电机安装在调姿机架内部，所述末端执行构件通过连接板与末端执行构件调姿机构中的力矩电机连接；

当所述第一驱动机构驱动第一传动机构带动安装板移动时，安装板在Z轴上产生位移，使末端执行构件具有Z轴移动自由度；当第二驱动机构驱动第二传动机构带动滑板移动时，滑板会发生移动，调姿机架在连杆的带动绕着调姿机架与安装板的转动轴线A轴转动，使末端执行构件具有A轴转动自由度；当末端执行构件调姿机构中的力矩电机旋转时，通过连接板带动末端执行构件旋转，使末端执行构件具有B轴转动自由度，B轴为力矩电机转动轴线；

所述调姿机架与连杆的转动轴线、调姿机架与安装板的转动轴线以及力矩电机的转动轴线位于同一平面内，调姿机架与连杆的转动轴线和调姿机架与安装板的转动轴线平行，调姿机架与安装板的转动轴线与力矩电机的转动轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的模组式三自由度加工机器人，其特征在于：所述第一驱动机构为第一电机，所述第一传动机构为第一丝杠，第一电机的输出轴与第一丝杠连接，所述第一丝杠通过第一丝杠支撑座安装在腹板第一端面的与第一导轨相对的另一侧，所述固定安装座内部还安装有第一丝母，所述固定安装座通过第一丝母与第一丝杠连接，

所述第二驱动机构为第二电机，所述第二传动机构为第二丝杠，第二电机的输出轴与第二丝杠连接，所述第二丝杠通过第二丝杠支撑座安装在腹板第二端面的与第二导轨相对的另一侧，所述滑板的第一端面还设置有第二丝母，所述滑板通过第二丝母与第二传动机构连接。

3.根据权利要求1所述的模组式三自由度加工机器人，其特征在于：所述第一驱动机构为第一驱动缸，所述第一传动机构为第一驱动缸伸出轴，所述第一驱动缸的缸筒与所述安装板腹板第一端面的上部连接，所述第一驱动缸伸出轴与所述固定安装座连接，

所述第二驱动机构为第二驱动缸，所述第二传动机构为第二驱动缸伸出轴，所述第二驱动缸的缸筒与所述安装板腹板第二端面的上部连接，所述第二驱动缸伸出轴与所述滑板连接。

4.根据权利要求1所述的模组式三自由度加工机器人，其特征在于：所述安装板为H型，所述固定安装座为矩形。

5.根据权利要求1所述的模组式三自由度加工机器人，其特征在于：所述腹板的底面的长度小于两个肋板的长度，两个腹板的底部设置有安装孔。

6.根据权利要求1所述的模组式三自由度加工机器人，其特征在于：所述末端执行构件调姿机构中的力矩电机为直流减速电机或伺服电机与减速器相互配合。

7.根据权利要求1所述的模组式三自由度加工机器人，其特征在于：所述末端执行构件为电主轴、激光器或水刀头。

8.根据权利要求7所述的模组式三自由度加工机器人，其特征在于：所述电主轴能够安装钻头、铣刀或旋转锉。

9.根据权利要求4所述的模组式三自由度加工机器人，其特征在于：所述固定安装座能够与龙门机床或者桁架机器人连接。