CN209407756U - 一种可控球铰寄生机构式焊接机器人 - Google Patents

Abstract

一种可控球铰寄生机构式焊接机器人，该机器人的宿主机构由宿主机构主体和大臂转动动力机构组成，寄生机构分为小臂摆动控制机构和焊枪摆动控制机构，所述大臂球盘和底座通过球盘支撑杆固定连接，大臂球盘和大臂通过球铰副连接，大臂和小臂通过球铰副连接，小臂和焊枪支撑轴通过球铰副连接，焊枪支撑轴和焊枪固定连接，动力滚轮提供大臂转动的动力，下齿轮电机和上齿轮电机通过驱动齿轮组，带动双弹簧组控制小臂摆动，弯连杆与小臂弹簧铰接，小臂弹簧与连架杆铰接，焊枪摆动电机驱动四杆机构，四杆机构的焊枪摆动连杆与上球铰铰接，控制焊枪摆动。该机器人能够实现多自由度运行，满足不同的工业需求。

Description

一种可控球铰寄生机构式焊接机器人

技术领域

本实用新型涉及机械式工业机器人领域，具体为一种可控球铰寄生机构式焊接机器人。

背景技术

焊接是现代机械制造业中必不可少的一种加工工艺，在汽车制造、工程机械、船舶行业等行业中占有重要的地位。焊接工艺也向着高焊接精度和高焊接速度的方向发展。以前的人工焊接已经难以达到现在的焊接要求，并且焊接过程中产生的火花、烟雾和强光等对人体造成一定的伤害。焊接制造工艺的复杂性、劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对于自动化、机械化的要求极为迫切，实现机器人多自由度自动焊接代替人工操作焊接已成为现代敢接技术发展的趋势，而现代焊接机器人多为铰链连接，实现多自由度可控性所需铰链繁多，结构复杂。

焊接机器人种类繁多，但大多均以铰链连接控制，在各个关节处加伺服电机，达到控制关节转动的目的，远离支点处的电机会导致串联机构在靠近支点处承受较大的弯矩。因此，需要对动力进行重新分布。

发明内容

本实用新型的目的在于利用宿主与寄生的关系，提供一种可控球铰寄生机构式焊接机器人。以宿主机构作为机器人的主要支撑构件，以寄生机构作为动力驱动构件，以解决现有技术中存在的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是：提供一种可控球铰寄生机构式焊接机器人，其特征在于，包括宿主机构和寄生机构，所述宿主机构由宿主机构主体和大臂转动动力机构组成，寄生机构分为小臂摆动控制机构和焊枪摆动控制机构，具体结构和连接关系为：

所述宿主机构主体连接方式为：球盘支撑杆下部与底座固定连接，上部与大臂球盘固定连接；大臂球铰与大臂球盘构成球铰运动副，大臂下部与大臂球铰固定连接，大臂上部与小臂球盘固定连接；小臂球铰与小臂球盘构成球铰运动副，小臂穿过小臂球铰并与之固定连接，小臂的一端与焊枪球铰固定连接，另一端作为寄生机构的一个连接控制支点，焊枪球盘与焊枪球铰形成球铰运动副，焊枪支撑轴穿过焊枪球铰并与之固定连接；焊枪支撑轴一端与焊枪固定连接，另一端作为控制支点。

所述大臂转动动力机构连接方式为：大臂摆动的动力由动力滚轮提供，大臂转动轴上部与大臂球铰铰接，下部与滚轮支架固定连接；动力滚轮安装在滚轮支架上，且在底座的圆弧面滚动。

所述寄生机构的小臂摆动控制机构的第一控制链连接方式为：单电机支撑套筒套在大臂上，下部由大臂球铰固定连接，上部与单电机支撑架固定连接，升降电机固定在单电机支撑架上，电机轴与曲柄固定连接，连杆下端与曲柄铰接，上端与双电机支架铰接，双电机支架套在大臂上，上齿轮电机布置在双电机支架的右边，上齿轮电机轴与上小齿轮轴孔固定连接，上小齿轮与上大齿轮相啮合，上大齿轮定位在弹簧套筒上，大径弹簧套在弹簧套筒外面，大径弹簧下部与上大齿轮固定连接，上部与外推杆固定连接，下球盘与外推杆固定连接，下球盘与下球铰形成球铰运动副，外连杆与下球铰固定连接，外连杆与小臂一端支点铰接。

所述寄生机构的小臂摆动控制机构的第二控制链连接方式为：下齿轮电机布置在双电机支架的左边，电机轴与下小齿轮轴孔固定连接，下小齿轮与下大齿轮相啮合，下大齿轮定位在弹簧套筒上，下大齿轮和上大齿轮之间由齿轮限位套筒限定两者距离，小径弹簧布置在弹簧套筒和大臂之间，小径弹簧下部与下大齿轮固定连接，小径弹簧上部与内推杆铰接，内连杆的下部与内推杆铰接，内连杆的上部与小臂的一端铰接。

所述寄生机构的焊枪摆动机构的第一控制链连接方式为：弯连杆一端与外连杆和小臂铰接，弯连杆另一端与小臂弹簧一端铰接，小臂弹簧设置在小臂上，小臂弹簧另一端与连架杆一端铰接，弹簧滑块套在小臂弹簧上，弹簧滑块移动电机固定在弹簧滑块上，弹簧滑块移动电机的电机轴与丝杆固定连接，丝杆螺母固定在弯连杆上，并与丝杆形成螺旋副，连架杆支撑轴套筒套在焊枪支撑轴上，连架杆另一端与连架杆支撑轴套筒铰接。

所述寄生机构的焊枪摆动机构的第二控制链连接方式为：焊枪摆动电机固定在弹簧滑块上，焊枪摆动曲柄一端与焊枪摆动电机固定连接，焊枪摆动曲柄另一端与焊枪摆动连杆铰接，焊枪摆动连杆另一端铰接在连架杆滑块上，连架杆滑块作为滑块设置在连架杆上，上球铰支撑杆与连架杆滑块铰接，上球铰支撑杆另一端与球铰支撑杆铰接；上球铰与上球盘形成球铰运动副，上球铰固定在球铰支撑杆上，上球铰连杆支撑杆固定在上球盘上；上球铰连杆一端与上球铰连杆支撑杆铰接，上球铰连杆另一端与焊枪支撑轴铰接。

所述球盘支撑杆由四根相同的圆柱杆构成。

本实用新型突出的优点在于：

1、该机器人的整体结构分为两部分，将生物学宿主与寄生关系应用到机械设计之中，利用宿主机构作为机器人的主体，根据宿主机构主体的复杂程度设计多臂传动的复杂机器人的结构，在实际应用过程中变化的结构更多，以此满足不同的工业需求。

2、采用寄生机构来控制宿主机构的各种运动，本实用新型的寄生支链开始端设置在机座附近，减小远离机座处的结构承受的较大弯矩，提高能量利用率。

3、提出寄生机构来控制宿主机构的各种运动，寄生机构的起始端设置在不同的位置，以此达到根据需要布置驱动电机，使动力设置更为合理。

4、采用大刚度弹簧作为控制链的中间传动部分，借助大刚度弹簧的小变形量特性，能够平衡由于运行过程中较大的力矩，减小机器人运行过程中的负载。

4、宿主机构采用球铰副连接，配合不同结构的寄生机构，机器人能够实现多自由度运行。

附图说明

图1为本实用新型所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人的结构示意图。

图2为本实用新型所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人的左右二等角轴侧图。

图3为本实用新型所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人的宿主机构示意图。

图4为本实用新型所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人的寄生机构示意图。

图5为本实用新型所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人的大臂控制示意图。

图6为本实用新型所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人的小臂转动第一控制链示意图。

图7为本实用新型所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人的小臂传动第二控制链示意图。

图8为本实用新型所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人的焊枪控制链示意图。

图中标记为：1、大臂转动轴；2、球盘支撑杆；3、底座；4、大臂球盘；5、单电机支撑套筒；6、单电机支撑架；7、连杆；8、双电机支架；9、上齿轮电机；10、上齿轮电机轴；11、上小齿轮；12、大径弹簧；13、小臂弹簧；14、弹簧滑块；15、连架杆；16、小臂；17、焊枪；18、焊枪支撑轴；19、焊枪球盘；20、焊枪球铰；21、上球铰支撑杆；22、连架杆支撑轴套筒；23、球铰支撑杆；24、上球铰连杆；25、上球铰连杆支撑杆；26、上球铰；27、连架杆滑块；28、焊枪摆动连杆；29、焊枪摆动曲柄；30、焊枪摆动电机；31、弹簧滑块移动电机；32、丝杆；33、弯连杆；34、小臂球盘；35、小臂球铰；36、外连杆；37、内连杆；38、小径弹簧；39、下球铰；40、下球盘；41、弹簧套筒；42、上大齿轮；43、齿轮限位套筒；44、下小齿轮；45、下大齿轮；46、下齿轮电机；47、大臂；48、升降电机；49、曲柄；50、大臂球铰；51、内推杆；52外推杆；53、连接件；54、支撑销；55、丝杆螺母；56、滚轮支架；57、动力滚轮；58、上球盘。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。

如图1至图8所示，本实用新型所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人，包括宿主机构和寄生机构，所述宿主机构由宿主机构主体和大臂转动动力机构组成。寄生机构分为小臂摆动控制机构、焊枪摆动控制机构，具体结构和连接关系为：

如图1、图3所示，所述宿主机构主体连接方式为：球盘支撑杆2以四根相同的圆柱杆为主，下部与底座3固定连接，上部与大臂球盘4固定连接；大臂球铰50与大臂球盘4构成球铰运动副；大臂47下部与大臂球铰50固定连接，大臂47上部与小臂球盘34固定连接；小臂球铰35与小臂球盘34构成球铰运动副，小臂16穿过小臂球铰35并与小臂16固定连接，小臂16的一端与焊枪球铰19固定连接，小臂16的另一端作为寄生机构的一个连接控制支点，焊枪球盘19与焊枪球铰20形成球铰运动副，焊枪支撑轴18穿过焊枪球铰20并与之固定连接；焊枪支撑轴18一端与焊枪17固定连接，焊枪支撑轴18另一端作为控制支点。

如图3、图5所示，所述的大臂转动动力机构连接方式为：大臂摆动的动力由动力滚轮57提供，大臂转动轴1上部与大臂球铰50铰接，下部与滚轮支架56固定连接；动力滚轮57安装在滚轮支架56上，且在底座3的圆弧面滚动。

如图1、图4、图6所示，所述寄生机构的小臂摆动控制机构的第一控制链连接方式为：单电机支撑套筒5套在大臂47上，下部由大臂球铰50固定连接，上部与单电机支撑架6固定连接；升降电机48固定在单电机支撑架6上，电机轴与曲柄49固定连接；连杆7下端与曲柄49铰接，上端与双电机支架8铰接；双电机支架8套在大臂47上，上齿轮电机9布置在双电机支架8的右边，上齿轮电机轴10与上小齿轮11轴孔固定连接，上小齿轮11与上大齿轮42相啮合，上大齿轮42定位在弹簧套筒41上；大径弹簧12套在弹簧套筒41外面，其下部与上大齿轮42固定连接，上部与外推杆52固定连接；下球盘40与外推杆52固定连接，下球盘40与下球铰39形成球铰运动副；外连杆36与下球铰39固定连接，外连杆36与小臂16一端支点铰接。

如图1、图4、图7所示，所述寄生机构的小臂摆动控制机构的第二控制链连接方式为：下齿轮电机46布置在双电机支架8的左边，电机轴与下小齿轮44轴孔固定连接，下小齿轮44与下大齿轮45相啮合，下大齿轮45定位在弹簧套筒41上，下大齿轮45和上大齿轮42之间由齿轮限位套筒43限定两者距离；小径弹簧38布置在弹簧套筒41和大臂47之间，小径弹簧38下部与下大齿轮45固定连接，上部与内推杆51铰接；内连杆37与下部与内推杆51铰接，内连杆37上部与小臂16的一端铰接。

如图1、图4、图8所示，所述寄生机构的焊枪摆动机构的第一控制链连接方式为：弯连杆33一端与外连杆36和小臂16铰接，另一端与小臂弹簧一端13铰接；小臂弹簧13设置在小臂16上，其另一端与连架杆15一端铰接，弹簧滑块14套在小臂弹簧13上；弹簧滑块移动电机31固定在弹簧滑块14上，弹簧滑块移动电机31的电机轴与丝杆32固定连接，丝杆螺母55固定在弯连杆33上，并与丝杆32形成螺旋副；连架杆支撑轴套筒22套在焊枪支撑轴18上，连架杆15另一端与连架杆支撑轴套筒22铰接。

如图8所示，所述寄生机构的焊枪摆动机构的第二控制链连接方式为：焊枪摆动电机30固定在弹簧滑块14上，焊枪摆动曲柄29一端与焊枪摆动电机30固定连接，另一端与焊枪摆动连杆28铰接；焊枪摆动连杆28另一端铰接在连架杆滑块27上，连架杆滑块27作为滑块设置在连架杆15上；上球铰支撑杆21与连架杆滑块27铰接，另一端与球铰支撑杆23铰接；上球铰26与上球盘58形成球铰运动副，上球铰26固定在球铰支撑杆23上，上球铰连杆支撑杆25固定在上球盘58上；上球铰连杆24一端与上球铰连杆支撑杆25铰接，另一端与焊枪支撑轴18铰接。

工作原理及过程：

大臂转动轴1与大臂47铰接，可相对于大臂47转动，动力设置在大臂球铰50里面，大臂转动轴1下部通过动力滚轮57沿底座的半球面滚动提供大臂47摆动的动力，配合大臂球铰50提供的转动动力，以实现大臂47的整周转动与摆动。升降电机48设置在单电机支撑架6上，并且在大臂47上的定位由单电机支撑套筒5设置在大臂球铰50上方得以支撑，双电机支架8设置在大臂47轴上，并且可沿大臂47上下移动，通过升降电机48控制曲柄49转动，从而控制双电机支架8上下移动，小臂摆动控制机构的第二控制链和第二控制链均由双电机支架8支撑，双电机支架8上下移动，从而实现小臂16的上下摆动。

安装在双电机支架8的上齿轮电机9工作，驱动上小齿轮11，上小齿轮11再驱动上大齿轮42转动，由于上大齿轮42与大径弹簧12固定连接，上大齿轮42转动，刚度较大的大径弹簧12可以跟着转动，当运行过程中力矩过大，由于大径弹簧12的弹力，可以在一定程度上减小负载，从而带动与之固定相连的外推杆52转动，由于内推杆51与小径弹簧13铰接，内推杆51则向下转动，带动内连杆37向下移动，外连杆36与内连杆37由之前的平行变成异面。此时外推杆52与外连杆36所成角度不变，但两者前后所成的平面成一定角度。此时弯连杆33的一端就向下运动，使得小臂弹簧13向着小臂球铰35方向运动。又由于此时外连杆36向下运动，通过铰接的连杆，从而控制小臂16左右摆动。

安装在双电机支架8的下齿轮电机46工作，驱动下小齿轮44，下小齿轮44再驱动下大齿轮45转动，由于下大齿轮45与小径弹簧38固定连接，下大齿轮45转动，刚度较大的小径弹簧38可以跟着转动，当运行过程中力矩过大，由于小径弹簧38的弹力，可以在一定程度上减小大臂47的负载，小径弹簧38带动与之固定相连的内推杆51转动，当下齿轮电机46和上齿轮电机9工作转速一致时，第一控制链和第二控制链在弹簧组与小臂16相连处，动力分配一致，此时外连杆36和内连杆37的运动转角相同，此时，小臂16的运动就成为上下摆动。

由于之前上齿轮电机9转动，经过小臂16摆动控制机构的第一控制链，使弯连杆33的一端向下运动，带动小臂弹簧13沿着小臂16向小臂球铰35方向移动，当运行过程中力过大，由于小臂弹簧13的弹力，可以在一定程度上将小臂16的负载转为小臂弹簧13的内力，小臂弹簧13再带动连架杆15移动，由于连架杆15与焊枪支撑轴套筒22铰接，因此带动焊枪支撑轴22前后摆动，从而实现焊枪17的前后摆动。

焊枪摆动电机30转动，驱动焊枪摆动曲柄29，通过焊枪摆动连杆28驱动连架杆滑块27，连架杆滑块27在连架杆15上滑动，带动上球铰连杆支撑杆25摆动，再通过上球铰副，带动上球铰连杆24摆动，因为上球铰连杆24与焊枪支撑轴18铰接，所以焊枪支撑轴18转动，实现焊枪17的摆动。

Claims (3)

1.一种可控球铰寄生机构式焊接机器人，其特征在于，包括宿主机构和寄生机构，所述宿主机构由宿主机构主体和大臂转动动力机构组成，寄生机构分为小臂摆动控制机构和焊枪摆动控制机构，具体结构和连接关系为：

所述宿主机构主体连接方式为：球盘支撑杆下部与底座固定连接，上部与大臂球盘固定连接，大臂球铰与大臂球盘构成球铰运动副，大臂下部与大臂球铰固定连接，大臂上部与小臂球盘固定连接，小臂球铰与小臂球盘构成球铰运动副，小臂穿过小臂球铰并与小臂球铰固定连接，小臂的一端与焊枪球铰固定连接，另一端作为寄生机构的一个连接控制支点，焊枪球盘与焊枪球铰形成球铰运动副，焊枪支撑轴穿过焊枪球铰并与焊枪球铰固定连接，焊枪支撑轴一端与焊枪固定连接，另一端作为控制支点，

所述大臂转动动力机构连接方式为：大臂的动力由动力滚轮提供，大臂转动轴上部与大臂球铰铰接，下部与滚轮支架固定连接，动力滚轮安装在滚轮支架上，且在底座的圆弧面滚动，

所述寄生机构的小臂摆动控制机构的第一控制链连接方式为：单电机支撑套筒套在大臂上，下部由大臂球铰固定连接，上部与单电机支撑架固定连接，升降电机固定在单电机支撑架上，电机轴与曲柄固定连接，连杆下端与曲柄铰接，上端与双电机支架铰接，双电机支架套在大臂上，上齿轮电机布置在双电机支架的右边，上齿轮电机轴与上小齿轮轴孔固定连接，上小齿轮与上大齿轮相啮合，上大齿轮定位在弹簧套筒上，大径弹簧套在弹簧套筒外面，大径弹簧下部与上大齿轮固定连接，上部与外推杆固定连接，下球盘与外推杆固定连接，下球盘与下球铰形成球铰运动副，外连杆与下球铰固定连接，外连杆与小臂一端支点铰接，

所述寄生机构的小臂摆动控制机构的第二控制链连接方式为：下齿轮电机布置在双电机支架的左边，电机轴与下小齿轮轴孔固定连接，下小齿轮与下大齿轮相啮合，下大齿轮定位在弹簧套筒上，下大齿轮和上大齿轮之间由齿轮限位套筒限定两者距离，小径弹簧布置在弹簧套筒和大臂之间，小径弹簧下部与下大齿轮固定连接，小径弹簧上部与内推杆铰接，内连杆的下部与内推杆铰接，内连杆的上部与小臂的一端铰接，

所述寄生机构的焊枪摆动机构的第一控制链连接方式为：弯连杆一端与外连杆和小臂铰接，弯连杆另一端与小臂弹簧一端铰接，小臂弹簧设置在小臂上，小臂弹簧另一端与连架杆一端铰接，弹簧滑块套在小臂弹簧上，弹簧滑块移动电机固定在弹簧滑块上，弹簧滑块移动电机的电机轴与丝杆固定连接，丝杆螺母固定在弯连杆上，并与丝杆形成螺旋副，连架杆支撑轴套筒套在焊枪支撑轴上，连架杆另一端与连架杆支撑轴套筒铰接，

所述寄生机构的焊枪摆动机构的第二控制链连接方式为：焊枪摆动电机固定在弹簧滑块上，焊枪摆动曲柄一端与焊枪摆动电机固定连接，另一端与焊枪摆动连杆铰接，焊枪摆动连杆另一端铰接在连架杆滑块上，连架杆滑块作为滑块设置在连架杆上，上球铰支撑杆与连架杆滑块铰接，另一端与球铰支撑杆铰接，上球铰与上球盘形成球铰运动副，上球铰固定在球铰支撑杆上，上球铰连杆支撑杆固定在上球盘上，上球铰连杆一端与上球铰连杆支撑杆铰接，另一端与焊枪支撑轴铰接。

2.根据权利要求1所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人，其特征在于，所述球盘支撑杆由四根相同的圆柱杆构成。

3.根据权利要求1所述的可控球铰寄生机构式焊接机器人，其特征在于，所述寄生机构的小臂摆动控制机构的第一控制支链，小臂摆动控制机构的第二控制支链，焊枪摆动机构的第二控制链通过改变杆件的布置方式能够改变可控球铰寄生机构式焊接机器人的结构。