CN108550546A - 一种高精度伸缩机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高精度伸缩机械臂，包括：下臂箱的第一端安装在安装底座,下臂箱内设置有第一传动步带轮；上臂箱内设有终端步带轮，终端步带轮的端面连接有夹爪固定底座；上臂箱的第二端通过第二传动步带轮与下臂箱的第二端转动连接，第二传动步带轮包括依次固定连接的上部步带轮、安装盘和下部步带轮，上部步带轮位于上臂箱内，上部步带轮通过终端同步带与终端步带轮传动连接，安装盘连接上臂箱的第二端，下部步带轮位于下臂箱内，下部步带轮通过传动步进带与第一传动步带轮传动连接；谐波减速器的输出端与第一传动步带轮固接而同步转动：伺服电机的驱动端固接谐波减速器的输入端。其结构简单，定位精确，响应速度快，稳定性好，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及高精密度工业自动化技术领域，尤其涉及一种高精度伸缩机械臂。
背景技术
现如今，随着科技的发展，机器人应用越来越广泛，智能伸缩运载机械臂是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化、智能化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。智能伸缩运载机械臂已发展成为柔性制造***FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分，可以使复杂而繁琐的事情变得简单，完成人工无法实现的高精密度搬运工作，降低了人工搬运的危险性，提高了生产效率和产品良率。
但现有的可伸缩式机械臂***，其稳定性欠佳，精度较差，尤其是在对精度要求极高的半导体行业。以半导体行业的晶圆生产为例，从硅晶圆最终生产成芯片，需要经过一系列的“光刻、腐蚀、沉积”等工序，晶圆在不同工序之间进行传递和放置的定位精度是确保芯片加工质量的关键。而晶圆搬运机器人的控制精度和长时间连续工作稳定性是制约半导体芯片生产质量的关键。因此，晶圆搬运机器人必须要达到高精密度、高稳定性等要求。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种高精度伸缩机械臂，其结构简单，定位精确，响应速度快，稳定性好，成本低，尤其适用于半导体行业的晶圆搬运等需要进行高精度快速旋转姿态控制的应用领域。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高精度伸缩机械臂，包括：
安装底座；
下臂箱，所述下臂箱的第一端安装在所述安装底座,所述下臂箱内设置有第一传动步带轮，所述第一传动步带轮位于所述下臂箱的第一端；
上臂箱，所述上臂箱内设置有终端步带轮，所述终端步带轮位于所述上臂箱的第一端，所述终端步带轮的端面连接有用于设置夹爪的夹爪固定底座；所述上臂箱的第二端通过第二传动步带轮与所述下臂箱的第二端转动连接，所述第二传动步带轮包括依次固定连接的上部步带轮、安装盘和下部步带轮，所述上部步带轮位于所述上臂箱内，所述上部步带轮通过终端同步带与所述终端步带轮传动连接，所述安装盘连接所述上臂箱的第二端，所述下部步带轮位于所述下臂箱内，所述下部步带轮通过传动步进带与所述第一传动步带轮传动连接；
谐波减速器，所述谐波减速器的输出端与所述第一传动步带轮固接而同步转动；
伺服电机，所述伺服电机的驱动端通过销键连接所述谐波减速器的输入端。
优选地，所述上部步带轮与所述下部步带轮的齿数不同，所述上部步带轮与所述终端步带轮的齿数也不相同。
优选地，在所述下臂箱内还设置有张力调整件支架，在所述张力调整件支架上设置有用于调节所述传动步进带松紧程度的第一张力调整件；在所述上臂箱内还设置有通过调整自身的位置来调节所述终端同步带松紧程度的第二张力调整件，所述第二张力调整件的数量为两个，分布在所述终端同步带的两侧。
优选地，所述安装底座为空心圆柱状。
进一步地，所述高精度伸缩机械臂还包括底座安装板，所述下臂箱的第一端通过所述底座安装板安装在所述安装底座，所述伺服电机安装在所述底座安装板，所述伺服电机置于所述安装底座内。
优选地，所述高精度伸缩机械臂还包括用于密封所述上臂箱的上臂密封板和用于密封所述下臂箱的下臂密封板。
优选地，所述高精度伸缩机械臂还包括伺服驱动器和主控机，所述伺服驱动器用于根据所述主控机的控制信号向所述伺服电机发出对应的驱动信号，从而实现对所述伺服电机的运动状态进行精密控制。
进一步地，所述高精度伸缩机械臂还包括位置***和位置传感器，所述位置***固定在所述第一传动步带轮上，所述位置传感器通过感知所述位置***的旋转角度来判断所述第一传动步带轮是否达到了转动动作的极限位置，若是则将判断结果反馈给所述主控机。
进一步地，所述位置***包括环状板和设置在所述环状板边沿的扇形延伸部，所述环状板与所述扇形延伸部位于同一平面，所述环状板与所述扇形延伸部一体成型，所述位置传感器为光电传感器。
本发明的有益效果是：
本发明的高精度伸缩机械臂，其结构简单，定位精度高，稳定性好，成本低，使用伺服电机带动谐波减速器，谐波减速器可以有效地调节减速比和运动的稳定性，提高机械臂运动的稳定性；通过多级同步带和步带轮可确定上臂和夹爪的相对位置，从而保证各段在运动时的定位精确性。该套机械臂定位精确，响应速度快，尤其适用于晶圆搬运等需要进行高精度快速旋转姿态控制的应用领域。在主控机和伺服驱动器的控制下，通过使用多级同步轮和步进带控制上下两段机械臂、以及夹爪完成机械臂的整体前伸和收缩的运动；主控机搭载有高精度高效控制软件，在专用伺服驱动器的驱动下可以精确控制伺服电机的转速、加速度、位置、刹车等运动信息。
附图说明
图1为本发明一实施例的高精度伸缩机械臂分解示意图；
附图标记说明：
1上臂密封板；2终端同步带；3上臂箱；4下臂密封板；5第二传动步带轮；
6传动步进带；7第一张力调整件；8张力调整件支架；9下臂箱；
10谐波减速器；11底座安装板；12伺服电机；13安装底座；
14第一传动步带轮；15位置***；16位置传感器；17第二张力调整件；
18终端步带轮；19夹爪固定底座；20伺服驱动器；21主控机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的高精度伸缩机械臂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用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明一实施例的高精度伸缩机械臂包括安装底座13、下臂箱9、上臂箱3、谐波减速器10、伺服电机12。
其中，下臂箱9的第一端(图1中左端)安装在安装底座13,下臂箱9内设置有第一传动步带轮14，第一传动步带轮14位于下臂箱9的第一端(图1中左端)。
上臂箱3内设置有终端步带轮18。终端步带轮18位于上臂箱3的第一端(图1中左端)，终端步带轮18的端面连接有用于设置夹爪的夹爪固定底座19。
上臂箱3的第二端(图1中右端)通过第二传动步带轮5与下臂箱9的第二端(图1中右端)转动连接；第二传动步带轮5包括依次固定连接的上部步带轮、安装盘和下部步带轮，所述上部步带轮、安装盘和下部步带轮优选为同心设置。
所述上部步带轮位于上臂箱3内，所述上部步带轮通过终端同步带2与终端步带轮18传动连接，终端步带轮18在终端步带轮2的带动下，控制夹爪固定底座19的转动。夹爪固定底座19用于固定外部夹爪从而实现外部功能，伴随终端步带轮的旋转而转动。
所述安装盘连接上臂箱3的第二端(图1中右端)，所述下部步带轮位于下臂箱9内，所述下部步带轮通过传动步进带6与第一传动步带轮14传动连接。
谐波减速器10的输出端(柔轮)与第一传动步带轮14固接而同步转动：伺服电机12的驱动端通过销键连接谐波减速器10的输入端(波发生器)，伺服电机12作为该机械臂的动力来源。谐波减速器10安装在下臂箱9，谐波减速器10的刚轮可以固定在下臂箱9内。
本实施例中，所述上部步带轮与所述下部步带轮的齿数不同，所述上部步带轮与终端步带轮18的齿数也不相同。当第二传动步带轮5转过一定角度时，所述上部步带轮、所述下部步带轮以及上臂箱3转动的角度相同，但是由于所述上部步带轮与所述下部步带轮的齿数不同，因此同步带的行程不同，形成了减速，减速比与上部步带轮、下部步带轮的齿数相关，同时因为上部步带轮与终端步带轮18的齿数也不相同，进一步进行减速。较佳地，固定在夹爪固定座19上的外部夹爪的角速度要低于传动步带轮(第一传动步带轮14、第二传动步带轮5)旋转的角速度。
作为一种可优选方式，在下臂箱9内还设置有张力调整件支架8，在张力调整件支架8上设置有用于调节传动步进带6松紧程度的第一张力调整件7；调整件支架8用来固定张力调整件，可以保证同步带张紧的程度。
在上臂箱3内还设置有通过调整自身的位置来调节终端同步带2松紧程度的第二张力调整件17，第二张力调整件17的数量为两个，分布在终端同步带2的两侧。
设置第一张力调整件7和第二张力调整件17，可以通过调整自身的位置来调节步进带的松紧程度。上臂箱3采用上臂密封板1密封，上臂密封板1起到密封防尘的作用；下臂箱9采用下臂密封板4密封，下臂密封板4起到密封防尘的作用。
本实施例中，安装底座13为空心圆柱状，安装底座13作为整个机械臂的安装底座，并与外部结构件进行连接和固定。较佳地，下臂箱9的第一端(图1中左端)通过底座安装板11安装在安装底座13，下臂箱9的转动是依靠安装底座13的转动来实现的。底座安装板11用来连接固定下臂箱9和安装底座13，伺服电机12安装在底座安装板11，伺服电机12置于安装底座13内，如此可以进一步节省安装空间。
作为一种可优选方式，高精度伸缩机械臂还包括伺服驱动器20和主控机21，伺服驱动器20用于根据所述主控机21的控制信号向伺服电机12发出对应的驱动信号，从而实现对伺服电机12的运动状态进行精密控制。
较佳地，高精度伸缩机械臂还包括位置***15和位置传感器16，位置***15固定在第一传动步带轮14上，位置***15能够用于标记所述第一传动步带轮14的旋转角度，位置***15起到标记主动步带轮旋转角度的作用。
位置传感器16通过感知位置***15的旋转角度来判断第一传动步带轮14是否达到了转动动作的极限位置，若是则将判断结果反馈给主控机21。本实施例中，位置***15包括环状板和设置在所述环状板边沿的扇形延伸部，所述环状板与所述扇形延伸部位于同一平面，所述环状板与所述扇形延伸部一体成型，所述位置传感器16为光电传感器。
以上实施例的伸缩机械臂，整体设计结构主要由以下几个部分组成：安装底座13、驱动控制部分、下臂和上臂。其中，驱动控制部分包括主控机21、伺服驱动器20和伺服电机12；下臂包括主动步带轮(第一传动步带轮14)、传动步带轮(第二传动步带轮5)、传动同步带6、第一张力调整件7、张力调整固定架(张力调整件支架8)、位置传感器16、位置***15、下臂箱9和下臂密封板4；上臂包括传动步带轮(第二传动步带轮5)、终端步带轮18、终端同步带2、第二张力调整件17、夹爪固定底座19，上臂箱3和上臂密封板1。
机械臂开始运动时，由主控机21向伺服驱动器20发出控制指令，再由伺服驱动器20发出驱动信号驱动伺服电机12转动，谐波减速器10将转速调制到合适的比例，带动谐波减速器相连接的主动步带轮(第一传动步带轮14)转动，通过传动同步带6带动传动步带轮(第二传动步带轮5)转动，固定在传动步带轮(第二传动步带轮5)上的上臂箱3将随着传动步带轮(第二传动步带轮5)的转动发生转动，同时传动步带轮(第二传动步带轮5)通过带动终端同步带2而带动终端步带轮18转动，从而带动固定在终端步带轮18之上的夹爪固定底座19发生转动。
其中，主动步带轮(第一传动步带轮14)与谐波减速器10、上臂与传动步带轮(第二传动步带轮5)、夹爪固定底座19与终端步带轮18之间的相对位置分别是固定的，因此伴随着伺服电机12的旋转，各个部分之间的相对位置是固定的，从而能够通过控制伺服电机12的旋转方向实现机械臂的伸出和收缩的动作。第一张力调整件7被张力调整固定架(调整件支架8)稳固的安装在箱体内部，通过调整第一张力调整件7的位置来控制传动同步带6的松紧程度，从而保证扭力可以均匀稳固的在多个步带轮之间传递。上臂箱3、下臂箱9、夹爪固定底座19的相对转动实现机械臂和外部夹爪的伸缩，上臂箱3和下臂箱9是通过伺服电机以及一系列的皮带轮和同步带的转量传递和控制实现的。
位置***15本身固定在主动步带轮(第一传动步带轮14)上并可记录主动步带轮所转过的角度，位置传感器16通过感知位置***15旋转的角度可以判断主动步带轮(第一传动步带轮14)是否达到了转动动作的极限位置，同时向主控机21提供反馈信号，由于整个机械臂的各个臂之间存在联动关系，因此对主动步带轮(第一传动步带轮14)位置进行监控也就实现了对整个机械臂运动的检测和控制。主控机21安装有高精度运动控制软件，控制伺服驱动器20发出不同的控制驱动信号，从而实现对伺服电机运动状态的精密控制。伺服驱动器20为与伺服电机12相匹配的驱动器，通过接受主控机21的控制信号向伺服电机发出对应的驱动信号。谐波减速器10用来控制转速比，提高对转动位置的控制精度。
以上各实施例的高精度伸缩机械臂，其结构简单，定位精度高，稳定性好，成本低，使用伺服电机带动谐波减速器，谐波减速器可以有效地调节减速比和运动的稳定性，提高机械臂运动的稳定性；通过多级同步带和步带轮可确定上臂和夹爪的相对位置，从而保证各段在运动时的定位精确性。该套机械臂定位精确，响应速度快，生产效率高，尤其适用于晶圆搬运等需要进行高精度快速旋转姿态控制的应用领域。
在主控机和伺服驱动器的控制下，通过使用多级同步轮(步带轮)和步进带控制上下两段机械臂、以及夹爪完成机械臂的整体前伸和收缩的运动；主控机搭载有高精度高效控制软件，在专用伺服驱动器的驱动下可以精确控制伺服电机的转速、加速度、位置、刹车等运动信息。
需要说明的是，在不冲突的情况下，以上各实施例及实施例中的特征可以相互组合。
虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
Claims (9)
1.一种高精度伸缩机械臂，其特征在于，包括：
安装底座(13)；
下臂箱(9)，所述下臂箱(9)的第一端安装在所述安装底座(13),所述下臂箱(9)内设置有第一传动步带轮(14)，所述第一传动步带轮(14)位于所述下臂箱(9)的第一端；
上臂箱(3)，所述上臂箱(3)内设置有终端步带轮(18)，所述终端步带轮(18)位于所述上臂箱(3)的第一端，所述终端步带轮(18)的端面连接有用于设置夹爪的夹爪固定底座(19)；所述上臂箱(3)的第二端通过第二传动步带轮(5)与所述下臂箱(9)的第二端转动连接，所述第二传动步带轮(5)包括依次固定连接的上部步带轮、安装盘和下部步带轮，所述上部步带轮位于所述上臂箱(3)内，所述上部步带轮通过终端同步带(2)与所述终端步带轮(18)传动连接，所述安装盘连接所述上臂箱(3)的第二端，所述下部步带轮位于所述下臂箱(9)内，所述下部步带轮通过传动步进带(6)与所述第一传动步带轮(14)传动连接；
谐波减速器(10)，所述谐波减速器(10)的输出端与所述第一传动步带轮(14)固接而同步转动；
伺服电机(12)，所述伺服电机(12)的驱动端通过销键连接所述谐波减速器(10)的输入端。
2.根据权利要求1所述的高精度伸缩机械臂，其特征在于，所述上部步带轮与所述下部步带轮的齿数不同，所述上部步带轮与所述终端步带轮(18)的齿数也不相同。
3.根据权利要求1所述的高精度伸缩机械臂，其特征在于，在所述下臂箱(9)内还设置有张力调整件支架(8)，在所述张力调整件支架(8)上设置有用于调节所述传动步进带(6)松紧程度的第一张力调整件(7)；在所述上臂箱(3)内还设置有通过调整自身的位置来调节所述终端同步带(2)松紧程度的第二张力调整件(17)，所述第二张力调整件(17)的数量为两个，分布在所述终端同步带(2)的两侧。
4.根据权利要求1所述的高精度伸缩机械臂，其特征在于，所述安装底座(13)为空心圆柱状。
5.根据权利要求4所述的高精度伸缩机械臂，其特征在于，还包括底座安装板(11)，所述下臂箱(9)的第一端通过所述底座安装板(11)安装在所述安装底座(13)，所述伺服电机(12)安装在所述底座安装板(11)，所述伺服电机(12)置于所述安装底座(13)内。
6.根据权利要求1所述的高精度伸缩机械臂，其特征在于，还包括用于密封所述上臂箱(3)的上臂密封板(1)和用于密封所述下臂箱(9)的下臂密封板(4)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高精度伸缩机械臂，其特征在于，还包括伺服驱动器(20)和主控机(21)，所述伺服驱动器(20)用于根据所述主控机(21)的控制信号向所述伺服电机(12)发出对应的驱动信号，从而实现对所述伺服电机(12)的运动状态进行精密控制。
8.根据权利要求7所述的高精度伸缩机械臂，其特征在于，还包括位置***(15)和位置传感器(16)，所述位置***(15)固定在所述第一传动步带轮(14)上，所述位置传感器(16)通过感知所述位置***(15)的旋转角度来判断所述第一传动步带轮(14)是否达到了转动动作的极限位置，若是则将判断结果反馈给所述主控机(21)。
9.根据权利要求8所述的高精度伸缩机械臂，其特征在于，所述位置***(15)包括环状板和设置在所述环状板边沿的扇形延伸部，所述环状板与所述扇形延伸部位于同一平面，所述环状板与所述扇形延伸部一体成型，所述位置传感器(16)为光电传感器。
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| CN (1) | CN108550546A (zh) |
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