CN106238649B - 具有冗余功能的重载锻造操作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冗余功能的重载锻造操作机器人。它包括冗余升降机构、夹钳伸缩机构、夹钳头部竖直面旋转机构、上端基体水平回转机构、下端基体移动机构和夹钳工作力矩平衡机构，下端基体移动机构顶部设置有上端基体水平回转机构，上端基体水平回转机构尾部设置有夹钳工作力矩平衡机构，夹钳工作力矩平衡机构前端设置有夹钳头部竖直面旋转机构和夹钳伸缩机构，上端基体水平回转机构上还设置有冗余升降机构。本发明能提供高的夹钳提升位置精度和高的夹钳伸缩位置精度,同时双伺服电机冗余驱动不仅能提供大的提升力,而且还可以克服目前锻造操作机器人使用的液压驱动提升***，由于液压油易泄漏造成的提升位置精度低、环境污染、传动效率低等问题。

Description

具有冗余功能的重载锻造操作机器人

技术领域

本发明涉及锻造操作技术领域，具体涉及具有冗余功能的重载锻造操作机器人。

背景技术

随着国民经济发展与基础设施建设的速度越来越快，国内对锻造液压机的需求也越来越大，而这些自由锻造液压机都亟需配备与之相应的锻造操作机机器人。目前随着产业的推进，锻造操作机器人逐渐完善，但是对锻造机器人需求变得多样化，例如要求锻造机器人具有高的提升定位精度、夹钳机构的伸缩功能、高的夹钳机构的伸缩定位精度和整体机构的旋转功能等。因此锻造机器人的多样化设计和制造变得非常重要，这关系到国家工业水平提升的。

经过对现有文献的检索发现专利申请号为201210420626.9，名称为一种多悬挂杆组合式锻造操作机。该发明通过它的整机移动和工件的夹取都是通过机架的行驶在固定轨道上来实现的，该装置只能沿着轨道进行工作，而对于在轨道左右的工件和需要到电炉取的工件，要对工件精确夹持获取时，这需要夹钳具有高的提升定位精度和高的伸缩定位精度，同时还需要水平左右回转功能和平衡夹钳伸长工作时的力矩的功能，该装置不能有效的工作。

综上所述，本发明设计了一种具有冗余功能的重载锻造操作机器人。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了具有冗余功能的重载锻造操作机器人，能提供高的夹钳提升位置精度和高的夹钳伸缩位置精度,同时双伺服电机冗余驱动不仅能提供大的提升力,而且还可以克服目前锻造操作机器人使用的液压驱动提升***，由于液压油易泄漏造成的提升位置精度低、环境污染、传动效率低等问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：具有冗余功能的重载锻造操作机器人，包括冗余升降机构、夹钳伸缩机构、夹钳头部竖直面旋转机构、上端基体水平回转机构、下端基体移动机构和夹钳工作力矩平衡机构，下端基体移动机构顶部设置有上端基体水平回转机构，上端基体水平回转机构尾部设置有夹钳工作力矩平衡机构，夹钳工作力矩平衡机构前端设置有夹钳头部竖直面旋转机构和夹钳伸缩机构，上端基体水平回转机构上还设置有冗余升降机构。

所述的冗余升降机构包括后提升梁、前提升梁、夹钳移动基座、前端提升臂、缓冲保护套、俯仰缸体活塞杆、俯仰缸体、缓冲液压缸和两对冗余提升臂；所述提升梁和后提升梁的前端通过轴承连接前端提升臂和俯仰缸体，前端提升臂和俯仰缸体通过轴承连接夹钳移动基座；所述俯仰缸体活塞杆和俯仰缸体配合构成俯仰液压缸，缓冲保护套安装在夹钳移动基座的底端；缓冲液压缸末端安装在夹钳移动基座上，缓冲液压缸首端铰接在前端提升臂上；所述的冗余提升臂包括冗余提升杆、冗余双螺母滑台、冗余电动机支撑壳、冗余电动机支撑壳固定轴、驱动电机、双丝杠和协调齿轮，所述冗余提升杆上端通过轴承和前提升梁连接，冗余提升杆下端与冗余双螺母滑台焊接固定；所述冗余双螺母滑台是一个空心壳体，冗余双螺母滑台和冗余电动机支撑壳形成移动副，所述冗余电动机支撑壳底部通过轴承和冗余电动机支撑壳固定轴连接，所述冗余电动机支撑壳固定轴固定在上端基体上，所述驱动电机设置有一对，驱动电机并列布置在冗余电动机支撑壳内部底端，驱动电机分别和一个丝杠相连，丝杠通过双螺母与冗余双螺母滑台连接，且双螺母与冗余双螺母滑台固定一起，所述协调齿轮设置于冗余双螺母滑台的外部底端，侧移液压缸和夹钳移动基座底部的俯仰缸体活塞杆连接轴上的液压装置相互配合实现夹钳基体的左右移动。

所述的夹钳伸缩机构包括夹钳连杆、夹钳连接颈、夹钳、缓冲保护套、夹钳基体、可移动滑枕、转向马达、前提升臂连接轴、转向大齿轮、主动小齿轮、俯仰缸体活塞杆连接轴、夹钳移动电机、夹钳移动双丝杠和夹钳协调齿轮，所述夹钳和夹钳基体通过夹钳连接颈连接，夹钳基体和移动滑枕通过螺栓连接；移动滑枕安装在夹钳移动基座的导轨上，使夹钳连接颈，夹钳，夹钳基体在夹钳移动基座上沿着导轨移动；所述转向马达固定在夹钳基体的末端两侧，转向马达输出端与主动小齿轮相连，主动小齿轮与转向大齿轮啮合；所述前提升臂连接轴安装在夹钳移动基座的底端，俯仰缸体活塞杆连接轴安装在夹钳移动底座的底端，且设置在缓冲保护套的后侧；所述夹钳移动电机设置有一对，夹钳移动电机安装在夹钳移动机体的尾部；所述夹钳移动双丝杠一端与夹钳移动电机分别相连，另一端和可移动滑枕构成螺旋副；所述夹钳协调齿轮设置于可移动滑枕的末端，同时与夹钳移动双丝杠同心安装形成螺旋副。

所述的夹钳头部竖直面旋转机构包括夹钳转向轴、夹钳伸缩轴和夹钳伸缩直线马达，所述夹钳伸缩直线马达与转向大齿轮同心安装，夹钳移动电机安装在夹钳移动基座内部环形底部上，所述夹钳转向轴、夹钳伸缩轴、夹钳伸缩直线马达同心安装。

所述的上端基体水平回转机构包括下端基体、包括链轮、下端基体齿轮盘、上端基体小齿轮和上端基体水平回转环形导轨；所述下端基体顶端焊接上端基体水平回转环形导轨，下端基体齿轮盘和上端基体水平回转环形导轨同心安装，上端基体小齿轮均布在下端基体齿轮盘圆周上，并固定安装在上端基体底部的电动机上；所述链轮安装在下端基体两侧。

所述的夹钳工作力矩平衡机构的平衡调节***，包括上端基体、平衡块、平衡块活塞杆和平衡块调节器；所述上端基体尾部内部安装有平衡块，平衡块安装在上端基体内部的导轨上，并与平衡块活塞杆连接，平衡块调节器和平衡块活塞杆相连。

所述的平衡块安装在上端基体内部中间位置，车轮共四个分别安装在下端基体的两侧；上端基体通过上端基体水平回转环形导轨与下端基体形成滑动连接；液压动力装置通过螺栓安装固定在上端基体的尾部，前提升梁和后提升梁的末端通过上端基体的顶部的凹槽固定到上端基体上，链轮保护装置通过螺栓固定到下端基体两侧。

本发明具有以下有益效果：重载锻造操作机器人是一种九自由度的移动重载作业机器人，它的整机移动是通过机架的行驶在固定轨道上来实现的，上端基体可以进行水平回转运动，采用伺服电机和液压马达双驱动工作，根据工作需要夹钳可以进行大尺度(4-5米)的伸缩运动，同时可以绕钳杆轴线360度旋转，钳杆有升降运动、俯仰运动、小尺度(0.2-0.5米)的前后移动以及左右移动。尾部的平衡夹钳伸长工作的力矩。该构型的两个提升梁由双伺服电机冗余升降装置驱动提升杆实现上升下降，夹钳伸缩机构也由双伺服电机冗余驱动提供伸缩动力,这样,它们能提供高的夹钳提升位置精度和高的夹钳伸缩位置精度,同时双伺服电机冗余驱动不仅能提供大的提升力,而且还可以克服目前锻造操作机器人使用的液压驱动提升***，由于液压油易泄漏造成的提升位置精度低、环境污染、传动效率低等问题。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明中提升***和夹钳，夹钳移动的结构示意图；

图3为本发明中夹钳移动的结构示意图；

图4为本发明中夹钳移动的结构的后视图；

图5为本发明中下端基体的示意图；

图6为本发明中夹钳***的剖视图；

图7为本发明中上端基体的局部剖视图；

图8为本发明中上端基体的左视图；

图9为本发明中冗余升降机构在上端基体的局部视图；

图10为本发明中冗余夹钳伸缩机构斜视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了具有冗余功能的重载锻造操作机器人，为九自由度装置，九自由度是指有九个独立的运动，其包括下端基体1、链轮保护罩2、上端基体3、液压动力装置4、后提升梁5、前提升梁6、夹钳移动基座9、夹钳连接颈10、夹钳11、前端提升臂12、提升缸活塞杆11、俯仰缸体15、上端基体水平回转环形导轨34,车轮38；所述的下端基体1通过车轮38在导轨上进行移动，上端基体3通过上端基体水平回转环形导轨34与下端基体1形成滑动连接。液压动力装置4通过螺栓安装固定在上端基体3的尾部。前提升梁6和后提升梁5的末端通过上端基体3的顶部的凹槽固定到上端基体3上，提升梁6和后提升梁5的前端通过轴承连接前端提升臂12和俯仰缸体15，前端提升臂12和俯仰缸体15通过轴承连接夹钳移动基座。夹钳连接颈10连接了夹钳11和夹钳基体20。链轮保护装置2用螺栓固定到下端基体1两侧。

如图2所示，所述升降机构包括后提升梁5、前提升梁6、侧移液压缸7、提升梁移动轴8、夹钳移动基座9、夹钳连接颈10、夹钳11、前端提升臂12、提升缸活塞杆11、俯仰缸体15、缓冲保护套16、俯仰缸体活塞杆14、俯仰缸体15、缓冲液压缸19；所述提升梁6和后提升梁5的前端通过轴承连接前端提升臂12和俯仰缸体15，前端提升臂12和俯仰缸体15通过轴承连接夹钳移动基座9。所述俯仰缸体活塞杆14和俯仰缸体15形成配合构成俯仰液压缸，缓冲保护套16安装在夹钳移动基座9的底端。缓冲液压缸19末端安装在夹钳移动基座9上，首端铰接在前端提升臂12上。在提升梁两侧安装侧移液压缸7，侧移液压缸7的活塞杆和提升梁移动轴8相连。提升梁移动轴8，安装在前提升梁6的前端。侧移液压缸7和夹钳移动基座8底部的俯仰缸体活塞杆14连接轴26上的液压装置相互配合实现夹钳基体20的左右移动。

如图3所示，所述的夹钳工作装置包括夹钳移动基座9、夹钳连接颈10、夹钳11、缓冲保护套16、夹钳基体20、可移动滑枕21、转向马达22、前提升臂连接轴23、转向大齿轮24、主动小齿轮25、俯仰缸体活塞杆连接轴26；

所述夹钳连接颈10连接了夹钳11和夹钳基体20，夹钳基体20和移动滑枕18通过螺栓连接。移动滑枕18安装在夹钳移动基座9的导轨上，使夹钳连接颈10，夹钳11，夹钳基体20在夹钳移动基座上沿着导轨移动。所述转向马达22固定在夹钳基体20的末端两侧，输出端与主动小齿轮25相连，主动小齿轮25与转向大齿轮24啮合。所述前提升臂连接轴23安装在夹钳移动基座9的底端，俯仰缸体活塞杆连接轴26安装在夹钳移动底座7的底端，在缓冲保护套16的后面。

如图4所示，包括转向大齿轮24、主动小齿轮25、夹钳伸缩直线马达29，夹钳移动电机30。

所述向大齿轮21和夹钳伸缩直线马达29同心安装，夹钳移动电机30安装在夹钳移动基座9内部环形底部上。

如图5所示，包括下端基体1、包括链轮31、下端基体齿轮盘32、上端基体小齿轮33、上端基体水平回转环形导轨34；

所述下端基体顶端焊接上端基体水平回转环形导轨34，下端基体齿轮盘32和上端基体水平回转环形导轨34同心安装，上端基体小齿轮33均布在下端基体齿轮盘32圆周上，并固定安装在上端基体底部的电动机上。所述链轮31安装在下端基体两侧。

如图6所示，夹钳转向轴27、夹钳伸缩轴28、夹钳伸缩直线马达29；夹钳转向轴27在夹钳伸缩轴28的外部。

所述夹钳转向轴27、夹钳伸缩轴28、夹钳伸缩直线马达29同心安装，

如图7所示平衡调节***，包括上端基体3、平衡块35、平衡块活塞杆36、平衡块调节器37；

所述上端基体3尾部内部安装有平衡块35，平衡块35安装在上端基体3内部的导轨上，并与平衡块活塞杆36连接。平衡块调节器37和平衡块活塞杆36相连。

如图8所示，包括下端基体1，上端基体3，平衡块调节器37，车轮38。

所述平衡块安装在上端基体3内部中间位置，车轮38共四个分别安装在下端基体1的两侧。

如图9所示，包括冗余提升杆13,冗余双螺母滑台17，冗余电动机支撑壳固定轴39，驱动电机40，双丝杠41，协调齿轮42，冗余双螺母滑台导轨43。

所述冗余提升杆13上端通过轴承和前提升梁6连接，冗余提升杆13下端通过焊接和冗余双螺母滑台17固定。所述冗余双螺母滑台17是一个空心壳体，和冗余双螺母滑台导轨43形成移动副。所述冗余电动机支撑壳18底部通过轴承和冗余电动机支撑壳固定轴39连接。所述冗余电动机支撑壳固定轴39固定在上端基体3上。所述驱动电机40为一对，并列布置在冗余电动机支撑壳18内部底端，驱动电机40分别和一个丝杠41相连，丝杠41通过双螺母与冗余双螺母滑台17构成螺旋副，其中双螺母与冗余双螺母滑台17固定一起。所述协调齿轮设置于冗余双螺母滑台17的外部底端。同时与双丝杠44同心安装形成螺旋副。

如图10所示，包括夹钳移动基体9，可移动滑枕21，夹钳移动电机30，夹钳移动双丝杠44，夹钳协调齿轮45。

所述夹钳移动电机30为一对，安装在夹钳移动机体9的尾部。所述夹钳移动双丝杠44一端与夹钳移动电机30分别相连，另一端和可移动滑枕21构成螺旋副。所述夹钳协调齿轮45设置于可移动滑台的末端，同时与夹钳移动双丝杠44同心安装形成螺旋副。

在本实施例中，本发明提供的重载锻造操作机器人工作过程如下：整个设备通过链条带动链轮31，使得设备上的车轮38在轨道上移动来靠近工件。移动一定距离之后，夹钳移动电机30带动夹钳移动双丝杠44，推动可移动滑枕21，推动夹钳基体20前进，使夹钳11到达工件的竖直的位置，通过冗余提升杆13上升或者下降调节前提升梁6和后提升梁5的位置带动前提升臂10和后提升臂12来控制夹钳的竖直方向的位置，当由于某种误差使双丝杠41转动不同步时，一对协调齿轮42可以自动进行协调，使两螺母输出速度相同即冗余双螺母滑台17两端不偏转，以消除不同步引起冗余电动机支撑壳18两侧受力不均，提高零部件寿命和工作效率；当由于某种原因冗余驱动中的某一驱动电机发生故障而不能工作时，未发生故障电机仍可以通过协调齿轮42的作用驱动冗余双螺母滑台17上升或者下降，只是驱动能力降低，但不至于因反向载荷存在而导致***发生故障。然后转向马达22工作，带动主动小齿轮25，带动转向大齿轮24，使夹钳转动到夹钳11最合适的夹钳位置，夹钳伸缩直线马达29带动夹钳夹钳伸缩轴24使夹钳7张开，进而使夹钳11夹取工件，然后夹钳移动电机30收缩，夹钳基体20带动夹钳11收回工件，在整个夹钳伸长和缩短的同时，平衡***根据液压动力装置2液压油的输出情况判断加持过程的力矩变化，进而平衡调节器33控制平衡块活塞杆32的伸长收缩来控制平衡块31位置，来实现整个装置的平衡。同时提升梁两侧的侧移液压缸7活塞杆作用前提升梁移动轴8，提升梁移动轴8连接前端提升臂12，前端提升臂12和和夹钳移动基座9相连，即通过侧移液压缸7的移动实现对对夹钳移动基座9位置的微调。然后链轮31继续工作，使整个机器到达下一个工位，上端基体小齿轮33旋转使上端基体小齿轮33围着下端基体齿轮盘32圆周运动，从而带动上端基体3在上端基体水平回转环形导轨34上进行旋转，当旋转到达工件的方向之后，上端基体小齿轮33停止旋转。然后夹钳移动电机30推动夹钳基体20前进，使夹钳11到达工件的竖直的位置，通过冗余提升杆13上升或者下降调节前提升梁6和后提升梁5的位置带动前提升臂10和后提升臂12来控制夹钳的竖直方向的位置，然后转向马达22工作，带动主动小齿轮25，带动转向大齿轮24，使夹钳转动到夹钳11最合适的夹钳位置，夹钳伸缩直线马达29带动夹钳夹钳伸缩轴24使夹钳7张开，进而使夹钳11放置工件，然后夹钳移动电机30收缩，夹钳基体20带动夹钳11收回夹钳11，在整个夹钳伸长和缩短的同时，平衡***根绝液压动力装置2液压油的输出情况判断加持过程的力矩变化，进而平衡调节器33控制平衡块活塞杆32的伸长收缩来控制平衡块31位置，来实现整个装置的平衡。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.具有冗余功能的重载锻造操作机器人，其特征在于，具有冗余功能的重载锻造操作机器人，包括冗余升降机构、夹钳伸缩机构、夹钳头部竖直面旋转机构、上端基体水平回转机构、下端基体移动机构和夹钳工作力矩平衡机构，下端基体移动机构顶部设置有上端基体水平回转机构，上端基体水平回转机构尾部设置有夹钳工作力矩平衡机构，夹钳工作力矩平衡机构前端设置有夹钳头部竖直面旋转机构和夹钳伸缩机构，上端基体水平回转机构上还设置有冗余升降机构。

2.根据权利要求1所述的具有冗余功能的重载锻造操作机器人，其特征在于，所述的冗余升降机构包括后提升梁、前提升梁、夹钳移动基座、前端提升臂、缓冲保护套、俯仰缸体活塞杆、俯仰缸体、缓冲液压缸和两对冗余提升臂；所述前提升梁和后提升梁的前端通过轴承连接前端提升臂和俯仰缸体，前端提升臂和俯仰缸体通过轴承连接夹钳移动基座；所述俯仰缸体活塞杆和俯仰缸体配合构成俯仰液压缸，缓冲保护套安装在夹钳移动基座的底端；缓冲液压缸末端安装在夹钳移动基座上，缓冲液压缸首端铰接在前端提升臂上；所述的冗余提升臂包括冗余提升杆、冗余双螺母滑台、冗余电动机支撑壳、冗余电动机支撑壳固定轴、驱动电机、双丝杠和协调齿轮，所述冗余提升杆上端通过轴承和前提升梁连接，冗余提升杆下端与冗余双螺母滑台焊接固定；所述冗余双螺母滑台是一个空心壳体，冗余双螺母滑台和冗余电动机支撑壳形成移动副，所述冗余电动机支撑壳底部通过轴承和冗余电动机支撑壳固定轴连接，所述冗余电动机支撑壳固定轴固定在上端基体上，所述驱动电机设置有一对，驱动电机并列布置在冗余电动机支撑壳内部底端，驱动电机分别和一个丝杠相连，丝杠通过双螺母与冗余双螺母滑台连接，且双螺母与冗余双螺母滑台固定一起，所述协调齿轮设置于冗余双螺母滑台的外部底端，侧移液压缸和夹钳移动基座底部的俯仰缸体活塞杆连接轴上的液压装置相互配合实现夹钳基体的左右移动。

3.根据权利要求1所述的具有冗余功能的重载锻造操作机器人，其特征在于，所述的夹钳伸缩机构包括夹钳连杆、夹钳连接颈、夹钳、缓冲保护套、夹钳基体、可移动滑枕、转向马达、前提升臂连接轴、转向大齿轮、主动小齿轮、俯仰缸体活塞杆连接轴、夹钳移动电机、夹钳移动双丝杠和夹钳协调齿轮，所述夹钳和夹钳基体通过夹钳连接颈连接，夹钳基体和移动滑枕通过螺栓连接；移动滑枕安装在夹钳移动基座的导轨上，使夹钳连接颈，夹钳，夹钳基体在夹钳移动基座上沿着导轨移动；所述转向马达固定在夹钳基体的末端两侧，转向马达输出端与主动小齿轮相连，主动小齿轮与转向大齿轮啮合；所述前提升臂连接轴安装在夹钳移动基座的底端，俯仰缸体活塞杆连接轴安装在夹钳移动底座的底端，且设置在缓冲保护套的后侧；所述夹钳移动电机设置有一对，夹钳移动电机安装在夹钳移动基座的尾部；所述夹钳移动双丝杠一端与夹钳移动电机分别相连，另一端和可移动滑枕构成螺旋副；所述夹钳协调齿轮设置于可移动滑枕的末端，同时与夹钳移动双丝杠同心安装形成螺旋副。

4.根据权利要求1所述的具有冗余功能的重载锻造操作机器人，其特征在于，所述的夹钳头部竖直面旋转机构包括夹钳转向轴、夹钳伸缩轴和夹钳伸缩直线马达，所述夹钳伸缩直线马达与转向大齿轮同心安装，夹钳移动电机安装在夹钳移动基座内部环形底部上，所述夹钳转向轴、夹钳伸缩轴、夹钳伸缩直线马达同心安装。

5.根据权利要求1所述的具有冗余功能的重载锻造操作机器人，其特征在于，所述的上端基体水平回转机构包括下端基体、包括链轮、下端基体齿轮盘、上端基体小齿轮和上端基体水平回转环形导轨；所述下端基体顶端焊接上端基体水平回转环形导轨，下端基体齿轮盘和上端基体水平回转环形导轨同心安装，上端基体小齿轮均布在下端基体齿轮盘圆周上，并固定安装在上端基体底部的电动机上；所述链轮安装在下端基体两侧。

6.根据权利要求1所述的具有冗余功能的重载锻造操作机器人，其特征在于，所述的夹钳工作力矩平衡机构的平衡调节***，包括上端基体、平衡块、平衡块活塞杆和平衡块调节器；所述上端基体尾部内部安装有平衡块，平衡块安装在上端基体内部的导轨上，并与平衡块活塞杆连接，平衡块调节器和平衡块活塞杆相连。

7.根据权利要求6所述的具有冗余功能的重载锻造操作机器人，其特征在于，所述的平衡块安装在上端基体内部中间位置，车轮共四个分别安装在下端基体的两侧；上端基体通过上端基体水平回转环形导轨与下端基体形成滑动连接；液压动力装置通过螺栓安装固定在上端基体的尾部，前提升梁和后提升梁的末端通过上端基体的顶部的凹槽固定到上端基体上，链轮保护装置通过螺栓固定到下端基体两侧。