CN106181980B - 同步驱动型直角坐标机器人 - Google Patents

Abstract

一种同步驱动型直角坐标机器人，解决现有直角坐标机器人采用多轴叠加的方式导致***惯量大，动态响应慢，增加故障率等问题，包括相互联接的横向框架主体、横向滑动基体和纵向主体以及驱动机构，其技术要点是：横向框架主体的横向固定梁通过横向滑动基体的联动滑板联接纵向主体的纵向基梁，组成由同一驱动机构驱动的互相垂直分布的横向运动轴和纵向运动轴，并由同一驱动机构的两个电机同步驱动，以与传动组件的传动轮相啮合的传动同步带传动，驱动电机都组装在横向固定梁的两端，不随任一运动轴运动。其设计合理，结构简单，现场安装快捷、维护容易，适用范围广，惯量低，动态响应快，更易实现高速运行，增加辅助运动轴便于组合成多轴运动。

Description

同步驱动型直角坐标机器人

技术领域

本发明涉及一种用于物料传输的同步驱动型直角坐标机器人，特别是一种可以组合成多轴机械手用以完成更多样复杂运动的同步驱动型直角坐标机器人。它主要用于电子、医药、食品等行业中小型物料的拾取、传输、摆放等作业，也非常适用于具有作业范围广、速度快等同类特征要求的场所。

背景技术

在电子行业中，经常有制程需要将物料做小距离、高频率的传输、排放等操作，其过程要求速度快、定位精确。由于电子等行业的物料都较小，工位排放紧密，因此对传输机构也要求结构小巧紧凑，反应快速灵活。在现今倡导以机器人替代简单人工操作提升生产率的主题下，很多行业都需要大量的这类灵巧轻便，且价格低廉的小型机器人，来提升自身的生产自动化水平。

应用非常广泛的直角坐标机器人是这类需求的首选，尽管其结构简单，安装方便，易操作、易维护，但还是存在一定缺陷，如在需要互相垂直的两轴及两轴以上运动时，必须采取多轴叠加的方式才能实现，即第一轴（X轴）作为基础轴固定安装，第二轴（Z轴）叠加在第一轴（X轴）的滑台上，第二轴（Z轴）的驱动电机安装在第二轴（Z轴）上，随第二轴（Z轴）一起运动。这样产生的后果是：首先是基础轴的负载会很大，导致***惯量大，使***很难实现高速、高加速度且又精准的控制；其次是第二轴（Z轴）电机及其电缆随第二轴（Z轴）运动，即增加了运动轴质量，又增加了故障率。

据相关专利文献报道：授权公告号为CN203696282U的“基于直角坐标系的焊接机器人”，公开的主要结构包括：X轴机座机构，Y轴悬臂机构，Z轴悬臂机构等运动轴。其中两根导轨安装在X轴机座上，X轴滑台安装在导轨上，第一电机安装在X轴滑台上，第一行星齿轮减速器与第一电机配合安装在X轴滑台上，其输出转轴向下伸出X轴滑台外；第一齿轮设置在X轴滑台下方与第一行星齿轮减速器固接；第一齿条安装在机座上，与第一齿轮啮合由其带动动作；其中，第一电机带动第一行星齿轮减速器转动，第一齿轮转动，进而带动X轴滑台在第一导轨上运动；Y轴第二电机、第二行星齿轮减速器、Y轴滑台均安装在X轴滑台上，第二电机带动第二行星齿轮减速机转动，带动Y轴悬臂在Y轴滑台上运动。上述结构特征是：X轴、Y轴等各轴都有自己独立的驱动机构，Y轴全部机构包括Y轴电机都叠加在X轴滑台上，随X轴滑台运动。Z、U、W轴电机及结构件也以同样的结构叠加在Y轴悬臂上，X轴滑台承担了Y轴、Z轴、U轴、W轴全部结构件、驱动部件的重量。这样的结构造成X轴滑台的负载增加，惯性大，***动态响应慢。

授权公告号为CN102085656B的“直角坐标机器人”，公开的技术特征包括支架、第一传动机构、第二传动机构、第三传动机构、第四传动机构及缓冲机构。第一传动机构固定于支架上，第二传动机构与第一传动机构连接，第三传动机构与第二传动机构连接，第四传动机构与第三传动机构连接，缓冲机构与第四传动机构连接。其中第二传动机构的固定板与第一传动机构的第一滑动件固定连接，驱动第二传动机构的第二动力部件包括马达、丝杆及传动组件都固定在第二传动机构的固定板上。上述机构的特征是：每个机构都由各自马达驱动，且第二传动机构的全部机构包括动力部件都安装在第一传动机构的滑动件上。

授权公告号为CN204397136U的“移动式弧焊机器人” ，记载的结构本体是由直角坐标式行走机构、关节式旋转机构和焊枪组成的。关节式旋转机构置于直角坐标式行走机构上面，直角坐标式行走机构为龙门式两自由度直角坐标式行走机构，龙门式两自由度直角坐标式行走机构的工作范围是:长为12000mm、宽为4000mm。此专利只说明了直角坐标式行走机构为龙门式旋转两自由的直角坐标式行走机构，说明了工作范围的长度和宽度，并没有提出结构细节。

授权公告号为CN204414102U的“直角坐标机器人”，公开的技术方案包括X轴运动模组、Y轴运动模组和Z轴运动模组。X轴运动模组包括X轴直线电机、X轴直线导轨、连接板和立柱，X轴直线电机的动子与连接板连接，X轴直线电机的动子带动立柱沿X轴直线导轨同步做往复运动；Y轴运动模组设置在立柱上；Y轴运动模组包括Y轴直线电机、Y轴直线导轨和滑座，Y轴直线电机的动子与滑座相连接，Y轴直线电机的动子带动滑座沿Y轴直线导轨同步做往复运动。此直角坐标机器人应用了直线电机，但是仍然没有摆脱Y轴运动模组整体固定在X轴动子上的传统模式。X轴运动模组和Y轴运动模组分别由X轴直线电机和Y轴直线电机驱动。这样的结构让X轴动子负担了更多的负载。必然影响X轴的灵活性。另外，这种直角坐标机器人的X轴Y轴均采用了直线电机，虽然提升了运行速度，但是也大幅度的提高了制造成本，对于要求质优价廉的机器人行业来说并不是优选。

授权公告号为CN204604322U的“直角坐标六轴机器人”，公开的结构包括底座，底座上设有横轴、纵轴和竖轴。横轴、纵轴和竖轴呈空间直角坐标系，纵轴设置在横轴上并且由第一动力源传动沿横轴横向移动，竖轴设置在纵轴上并且竖轴由第二动力源传动沿纵轴轴向移动，竖轴还由第三动力源传动在纵轴上沿竖轴轴向升降移动，竖轴还由第四动力源传动绕竖轴轴线旋转，竖轴的底部连接有用于安装工具座的第一旋转轴，第一旋转轴由第五动力源传动。第一动力源，第二动力源、第三动力源、第四动力源、第五动力源均采用独立设置的电机。此直角坐标机器人中每个运动轴由单独的电机驱动，采用的仍然是传统的直角坐标机器人的结构，电机的利用率有限；第二动力源等多级动力源均叠加在横轴上由第一动力源驱动，增大了第一动力源的负载值。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步驱动型直角坐标机器人，解决现有直角坐标机器人采用多轴叠加的方式实现运动存在的导致***惯量大，动态响应慢，增加故障率等问题，其设计合理，结构简单，现场安装快捷、维护容易，适用范围广，惯量低，动态响应快，更易实现高速运行，增加辅助运动轴便于组合成多轴运动。

本发明所采用的技术方案是：该同步驱动型直角坐标机器人包括相互联接的横向框架主体、横向滑动基体和纵向主体以及驱动机构，其技术要点是：所述横向框架主体的横向固定梁通过横向滑动基体的联动滑板联接纵向主体的纵向基梁，组成由同一驱动机构驱动的互相垂直分布的横向运动轴和纵向运动轴；驱动机构的两个电机分别组装在横向固定梁两端的传动组件的传动基板上；与组装在纵向基梁上的纵向传动组件中的纵向传动轮相啮合的传动同步带的两端，分别通过联动滑板上的导向轮导向，与电机驱动的传动组件的传动轮相啮合，再经联动滑板上的导向轮导向，将传动同步带的两端分别组装在纵向基梁的同步带固定板和可调固定板上；启动电机同时同向转动，带动与传动组件的传动轮相啮合的传动同步带驱动横向滑动基体沿横向运动轴方向往复运动，启动电机同时逆向转动，带动与传动组件的传动轮相啮合的传动同步带驱动纵向基梁沿纵向运动轴方向往复运动。

所述横向框架主体由横向固定梁，组装在横向固定梁两端的结构相同的传动组件组成；每个传动组件都设置有连接在横向固定梁端部的传动基板，固定在传动基板上的电机轴端组装有与减速同步带相啮合的电机带轮，通过轴承组装在传动基板的同一传动轴上分别设置有传动轮和减速轮，减速轮与电机带轮通过减速同步带连接，传动轮与传动同步带相啮合，电机转动驱动减速轮带动与传动轮相啮合的传动同步带运动。

所述横向固定梁的上、下表面分别设置有上、下滑轨，与上、下滑轨滑动连接的上、下滑块通过滑块安装板组装在横向滑动基体的联动滑板上，联动滑板移动带动上、下滑块沿横向固定梁的上、下滑轨滑动，使横向滑动基体沿横向运动轴方向往复运动，同时通过联动滑板联接的纵向主体随着同步运动。

所述横向滑动基体包括固定有导向轮轴的联动滑板，组装在联动滑板上的滑块安装板，通过轴承组装在导向轮轴端的导向轮；各导向轮沿联动滑板的竖直和水平中心对称布置，对传动同步带进行相应的导向支撑。

所述纵向主体由设置有纵向滑轨的纵向基梁，通过滑块安装板组装在联动滑板上的与纵向滑轨滑动连接的纵向滑块，固定在纵向基梁上端的纵向传动组件，将传动同步带的两端分别组装在纵向基梁上的同步带固定板和可调固定板组成；驱动机构的传动同步带运动带动纵向滑块沿纵向基梁的纵向滑轨滑动，使纵向主体沿纵向运动轴方向往复运动。

所述纵向传动组件包括固定在纵向基梁上的设置有芯轴的纵向传动基板，通过轴承组装在芯轴上的纵向传动轮；与纵向传动轮相啮合的驱动机构的传动同步带运动，带动纵向主体沿纵向运动轴方向往复运动。

所述驱动机构包括分别组装在横向固定梁两端的传动组件，纵向基梁上的纵向传动组件和传动同步带，传动同步带通过组装在联动滑板上的沿联动滑板的竖直和水平中心对称布置的导向轮进行相应的导向支撑，并与横向固定梁两端的传动组件中电机驱动的传动组件中的传动轮及与纵向传动组件中的纵向传动轮分别相啮合。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明横向框架主体的横向固定梁通过横向滑动基体的联动滑板联接纵向主体的纵向基梁，组成由同一驱动机构驱动的互相垂直分布的横向运动轴和纵向运动轴，其突出的特点是横向和纵向两个运动轴由同一驱动机构的两个电机同步驱动，采用与传动组件的传动轮相啮合的传动同步带的简捷传动方式，驱动电机都组装在横向固定梁的两端，不随任一运动轴运动，不同于传统结构每个运动轴都由各自的电机单独驱动的方式，所以其设计合理，结构简单，有效的提升了电机的利用率，在同等负载和速度的要求下降低了对电机功率的要求。启动电机同时同向转动，带动与传动组件的传动轮相啮合的传动同步带驱动横向滑动基体沿横向运动轴方向往复运动，启动电机同时逆向转动，带动与传动组件的传动轮相啮合的传动同步带驱动纵向基梁沿纵向运动轴方向往复运动。这种结构的优点是减小了各运动机构的重量，使运动机构更轻便、灵活，传动方式简单、洁净，使机器人的现场安装快捷、维护容易。与电机驱动的传动组件的传动轮相啮合的传动同步带，分别通过联动滑板上的导向轮导向，带来的积极效果是机构惯量低，动态响应快，更易实现高速运动。最大程度的降低了***的故障率，更容易实现机器人长期稳定的运行。因同一驱动机构驱动的模块化的横向运动轴和纵向运动轴，可轻易的实现根据用户的需求定制工作范围，故使之适用范围更广。增加辅助运动轴便于组合成多轴运动。因此，本发明解决现有直角坐标机器人采用多轴叠加的方式实现运动存在的导致***惯量大，动态响应慢，增加故障率等问题，在已有的市场应用及公开的技术文献中，还未见类似上述结构机器人的报道。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1的后视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1沿A-A线的剖视放大图；

图5是图1沿B-B线的剖视放大图；

图6是图1沿C-C线的剖视放大图；

图7是图1沿D-D线的剖视放大图。

图中序号说明：1第一传动组件、2第一传动轮、3传动同步带、4横向固定梁、5滑块安装板、6导向轮、7纵向传动组件、8纵向基梁、9联动滑板、10第二传动组件、11第二传动轮、12同步带固定板、13可调固定板、14调整板、15纵向拖链、16纵向滑轨、17横向拖链、18第一电机、19第二电机、20上滑轨、21纵向滑块、22上滑块、23导向轮轴、24下滑轨、25下滑块、26电机带轮、27减速同步带、28减速轮、29传动轴、30传动基板、31纵向传动轮、32芯轴、33纵向传动基板。

具体实施方式

根据图1-7详细说明本发明的具体结构。该同步驱动型直角坐标机器人包括横向框架主体、横向滑动基体、纵向主体以及驱动机构。其中横向框架主体的横向固定梁4通过横向滑动基体的联动滑板9联接纵向主体的纵向基梁8，组成由同一驱动机构驱动的互相垂直分布的横向运动轴和纵向运动轴。

驱动机构包括分别组装在横向固定梁4两端的结构完全相同的第一传动组件1和第二传动组件10，纵向基梁8上的纵向传动组件7和传动同步带3等零部件。传动同步带3通过组装在联动滑板9上的沿联动滑板9的竖直和水平中心对称布置的导向轮6进行相应的导向支撑，并与横向固定梁4两端的第一传动组件1、第二传动组件10中第一电机18、第二电机19驱动的第一传动轮2、第二传动轮11及与纵向传动组件7中的纵向传动轮31分别相啮合。驱动机构的两个电机分别组装在第一传动组件1和第二传动组件10的传动基板30上。与组装在纵向基梁8上的纵向传动组件7中的纵向传动轮31相啮合的传动同步带3的两端，分别通过联动滑板9上的各导向轮6导向，与第一电机18、第二电机19驱动的第一传动轮2、第二传动轮11相啮合，再经联动滑板9上的各导向轮6导向，将传动同步带3的两端分别组装在纵向基梁8的同步带固定板12和可调固定板13上。

横向框架主体由横向固定梁4，分别组装在横向固定梁4两端的结构相同的第一传动组件1、第二传动组件10组成。下面以第一传动组件1为例，详细描述这二个传动组件的具体结构。第一传动组件1设置有连接在横向固定梁4端部的传动基板30，固定在传动基板30上的第一电机18轴端，通过键组装有与减速同步带27相啮合的电机带轮26。可以绕自身轴心转动的传动轴29通过轴承组装在传动基板30上，减速轮28和第一传动轮2分别通过键固定在同一传动轴29上，其中减速轮28与电机带轮26通过减速同步带27连接，将第一电机18的动力传递给减速轮28。第一电机18转动驱动减速轮28转动，带动与第一传动轮2相啮合的传动同步带3运动。

横向滑动基体包括固定有导向轮轴23的联动滑板9，组装在联动滑板9上的滑块安装板5，通过轴承组装在导向轮轴23端的导向轮6；结构相同的各导向轮6沿联动滑板9的竖直和水平中心对称布置（如图1所示），对传动同步带3进行相应的导向支撑。

横向固定梁4的上、下表面分别设置有上滑轨20、下滑轨24，与上、下滑轨20、24滑动连接的上滑块22、下滑块25通过滑块安装板5组装在横向滑动基体的联动滑板9上。滑块安装板5分别固定在联动滑板9的上下左右四个边角处。联动滑板9移动带动上、下滑块22、25沿横向固定梁4的上、下滑轨20、24滑动，使横向滑动基体沿横向运动轴方向往复运动，同时通过联动滑板9联接的纵向主体随着同步运动。

纵向主体由设置有纵向滑轨16的纵向基梁8，通过滑块安装板5组装在联动滑板9上的与纵向滑轨16滑动连接的纵向滑块21，固定在纵向基梁8上端的纵向传动组件7，将传动同步带3的两端分别组装在纵向基梁8上的同步带固定板12和可调固定板13组成。驱动机构的传动同步带3运动带动纵向滑块21沿纵向基梁8的纵向滑轨16滑动，使纵向主体沿纵向运动轴方向往复运动。

纵向传动组件7包括固定在纵向基梁8上的设置有芯轴32的纵向传动基板33，通过轴承组装在芯轴32上的纵向传动轮31等件。与纵向传动轮31相啮合的驱动机构的传动同步带3运动，带动纵向主体沿纵向运动轴方向往复运动。纵向拖链15的固定端固定在纵向基梁8的下端，纵向拖链15的运动端固定在联动滑板9上。横向拖链17的固定端固定在横向固定梁4上，横向拖链17的运动端固定在联动滑板9上。

传动同步带3的一端被同步带固定板12固定在纵向基梁8上，从固定端开始按照逆时针方向，传动同步带3的连接路径如下：将固定端的传动同步带3沿纵向基梁8上行绕过联动滑板9的导向轮6，沿横向固定梁4的横向运动轴方向右行，到达第二传动组件10与第二传动轮11啮合，啮合后沿横向固定梁4左行至联动滑板9的导向轮6处，转向沿纵向基梁8的纵向运动轴方向上行至纵向传动组件7，与纵向传动轮31啮合，啮合后转向纵向运动轴下行沿纵向基梁8下行到达联动滑板9的导向轮6处，转向横向运动轴方向沿横向固定梁4左行到达第一传动组件1与第一传动轮2啮合，啮合后转向横向运动轴方向沿横向固定梁4右行至联动滑板9的导向轮6处，转向纵向运动轴方向沿纵向基梁8下行到达可调固定板13，可调固定板13将传动同步带3的这一端固定在纵向基梁8上。可调固定板13的位置可通过调整板14上的调整螺钉调整，调整螺钉推动可调固定板13沿纵向基梁8移动，当传动同步带3涨紧后，固定可调固定板13。

具体工作过程如下：安装在属于第一传动组件1的传动基板30上的第一电机18是第一传动组件1的驱动部件，第一电机18转动将动力传递给电机带轮26，电机带轮26通过减速同步带27带动减速轮28，减速轮28驱动同轴的第一传动轮2，第一传动轮2作为第一传动组件1的对外输出部件，将与***中的其它传动部件配合运动；第二电机19是第二传动组件10的驱动部件，第二电机19安装在第二传动组件10的传动基板上，由于第一传动组件1和第二传动组件10结构相同，这里不再详细说明。同理，第二传动轮11是第二传动组件10的对外输出部件。传动同步带3联接了四个导向轮6、第一传动轮2、第二传动轮11和纵向运动轴传输组件7。运动方式为：启动第一电机18和第二电机19，若以相同的速度同时逆时针转动，则带动与第一传动轮2、第二传动轮11相啮合的传动同步带3驱动横向滑动基体，沿横向运动轴方向向左运动；若以相同的速度同时顺时针转动，则驱动横向滑动基体，沿横向运动轴方向向右运动；启动第一电机18和第二电机19，若以相同的速度使第一电机18逆时针转动，第二电机19顺时针转动，则驱动纵向基梁沿纵向运动轴向下运动；若以相同的速度使第一电机18顺时针转动，第二电机19逆时针转动，则驱动纵向基梁沿纵向运动轴向上运动。同理，控制第一电机18和第二电机19的转向和速度即可实现其在横向、纵向运动轴范围平面内的直线和曲线运动。

本发明是一种同步驱动型直角坐标传输的基础机构，它可以作为多轴传输机构的基础模块实现多轴运动。如，在纵向基梁下端安装一个夹爪机构，即可以实现物料的拾取和传输等作业。

Claims (7)

1.一种同步驱动型直角坐标机器人，包括相互联接的横向框架主体、横向滑动基体和纵向主体以及驱动机构，其特征在于：所述横向框架主体的横向固定梁通过横向滑动基体的联动滑板联接纵向主体的纵向基梁，组成由同一驱动机构驱动的互相垂直分布的横向运动轴和纵向运动轴；驱动机构的两个电机分别组装在横向固定梁两端的传动组件的传动基板上；与组装在纵向基梁上的纵向传动组件中的纵向传动轮相啮合的传动同步带的两端，分别通过联动滑板上的导向轮导向，与电机驱动的传动组件的传动轮相啮合，再经联动滑板上的导向轮导向，将传动同步带的两端分别组装在纵向基梁的同步带固定板和可调固定板上；启动电机同时同向转动，带动与传动组件的传动轮相啮合的传动同步带驱动横向滑动基体沿横向运动轴方向往复运动，启动电机同时逆向转动，带动与传动组件的传动轮相啮合的传动同步带驱动纵向基梁沿纵向运动轴方向往复运动。

2.根据权利要求1所述的同步驱动型直角坐标机器人，其特征在于：所述横向框架主体由横向固定梁，组装在横向固定梁两端的结构相同的传动组件组成；每个传动组件都设置有连接在横向固定梁端部的传动基板，固定在传动基板上的电机轴端组装有与减速同步带相啮合的电机带轮，通过轴承组装在传动基板的同一传动轴上分别设置有传动轮和减速轮，减速轮与电机带轮通过减速同步带连接，传动轮与传动同步带相啮合，电机转动驱动减速轮带动与传动轮相啮合的传动同步带运动。

3.根据权利要求1或2所述的同步驱动型直角坐标机器人，其特征在于：所述横向固定梁的上、下表面分别设置有上、下滑轨，与上、下滑轨滑动连接的上、下滑块通过滑块安装板组装在横向滑动基体的联动滑板上，联动滑板移动带动上、下滑块沿横向固定梁的上、下滑轨滑动，使横向滑动基体沿横向运动轴方向往复运动，同时通过联动滑板联接的纵向主体随着同步运动。

4.根据权利要求1所述的同步驱动型直角坐标机器人，其特征在于：所述横向滑动基体包括固定有导向轮轴的联动滑板，组装在联动滑板上的滑块安装板，通过轴承组装在导向轮轴端的导向轮；各导向轮沿联动滑板的竖直和水平中心对称布置，对传动同步带进行相应的导向支撑。

5.根据权利要求1所述的同步驱动型直角坐标机器人，其特征在于：所述纵向主体由设置有纵向滑轨的纵向基梁，通过滑块安装板组装在联动滑板上的与纵向滑轨滑动连接的纵向滑块，固定在纵向基梁上端的纵向传动组件，将传动同步带的两端分别组装在纵向基梁上的同步带固定板和可调固定板组成；驱动机构的传动同步带运动带动纵向滑块沿纵向基梁的纵向滑轨滑动，使纵向主体沿纵向运动轴方向往复运动。

6.根据权利要求1或5所述的同步驱动型直角坐标机器人，其特征在于：所述纵向传动组件包括固定在纵向基梁上的设置有芯轴的纵向传动基板，通过轴承组装在芯轴上的纵向传动轮；与纵向传动轮相啮合的驱动机构的传动同步带运动，带动纵向主体沿纵向运动轴方向往复运动。

7.根据权利要求1所述的同步驱动型直角坐标机器人，其特征在于：所述驱动机构包括分别组装在横向固定梁两端的传动组件，纵向基梁上的纵向传动组件和传动同步带，传动同步带通过组装在联动滑板上的沿联动滑板的竖直和水平中心对称布置的导向轮进行相应的导向支撑，并与横向固定梁两端的传动组件中电机驱动的传动组件中的传动轮及与纵向传动组件中的纵向传动轮分别相啮合。