CN203973280U - 一种新型自动上下料机械手*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型自动上下料机械手***，包括齿条、轴承、第二滑块、第二丝杆副、第二导轨副、第一连杆机构、第一轴承副、第一丝杆、第一导轨、第一滑块、第四轴承副、辅助连杆、第六轴承副、第五轴承副、机械手加持机构、曲柄前端、第三轴承副、曲柄后段、第二轴承副、第二支架、第一支架；本实用新型的流水线式作业方式，可设定多个抓取工位坐标，实现一套上下料机械手对多台CNC设备上下料，并且各个工位可屏蔽；与传统机械手一对一上下料方式相比，设备成本低，不改变原有CNC设备布局，施工简单，***不工作时，不影响人工作业，极大节省空间。

Description

一种新型自动上下料机械手***

技术领域

本发明涉及一种机械手***，尤其是涉及一种新型自动上下料机械手***

背景技术

在CNC机加工行业中，传统更换夹具的方法一般采用人工方式，即产品加工完毕后，靠人工更换新的夹具继续加工。此种方式不仅效率低，成本高，而且CNC加工产生的油雾等对CNC操作员的身心健康也有极大影响。在用工环境日益严峻的今天，人工方式必将淘汰。

一种简单的解决方案是，导入工业机械手，使机械手按照预先设定好的轨迹和控制逻辑与CNC设备配合工作，实现自动上下料工作。此方案的一种布局以一台六轴机械手和两台CNC为一组，所述的机械手安装在两台CNC设备之间。两台CNC中有任何一台加工完成，及控制该组内的机械手自动换料，然后开始新产品的加工。机械手换料完成后将换下来的夹具通过流水线送至下一工站。此种方案虽然实现了自动化作业，改善了CNC操作员的工作环境，但是每两台CNC设备就需要一台机械手与之配合作业，在此种机械手设备成本高昂的今天，无疑会大幅增加生产成本。另外，大多数应用场合加工时间比换料时间都要多出好几倍，结果将导致机械手在CNC正常加工的大多数时间里，都处于闲置等待换料的状态，对设备的使用率无疑是巨大的浪费。另外一种布局是考虑机械手的行程，将至多5至6台CNC围绕机械手呈环状均布。此种布局虽然一定程度提高了机械手的使用效率，但是设备之间距离过小，一旦有一台CNC出故障，维修时出于安全考虑，整套***都需要停止作业，这又造成了新的效率浪费。

另一种方案是采用流水线式作业，各台CNC依然按照传统方式布局一字排开，然后设计一条流线导轨平行并紧贴一字排开的CNC设备。将所述的上下料机械手***安装在所述的导轨上，由定位机构驱动机械手***在导轨上往复运动。本方案的另外一种布局是上下料***采用与导轨方向垂直的水平丝杆导轨和竖直丝杆导轨构成，但是此种布局将水平丝杆导轨尺寸过大，自动化的导入反而将降低有限空间的CNC密度。而且水平丝杆导轨随所述流线导轨运动期间由于尺寸偏大也影响CNC操作员的正常作业。另外一种布局则为悬挂式流线导轨。但相对于落地式流线导轨而言，又存在结构复杂，定位精度不足，施工繁琐等不利因素。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可设定多个抓取工位坐标，实现一套上下料机械手对多台CNC设备上下料，并且各个工位可屏蔽；与传统机械手一对一上下料方式相比，设备成本低，不改变原有CNC设备布局，施工简单，***不工作时，不影响人工作业，极大节省空间的新型自动上下料机械手***。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：一种一种新型自动上下料机械手***，包括齿条、轴承、第二滑块、第二丝杆副、第二导轨副、第一连杆机构、第一轴承副、第一丝杆、第一导轨、第一滑块、第四轴承副、辅助连杆、第六轴承副、第五轴承副、机械手加持机构、曲柄前端、第三轴承副、曲柄后段、第二轴承副、第二支架、第一支架，所述第二滑块、第二丝杆副、第二导轨副、第一连杆机构、第一轴承副、第三轴承副、曲柄后段、第二轴承副和第二支架组成一曲柄滑块机构，所述第四轴承副、辅助连杆、第六轴承副、第五轴承副、曲柄前端和第三轴承副组成一平行四边形机构，所述曲柄滑块机构通过第二支架与滑块固定连接，所述平行四边形机构通过第四轴承副、第三轴承副铰接于滑块上，带动机械手加持机构绕第一滑块运动，第一导轨沿竖直方向固定于第一支架上，第一丝杆8行于第一导轨，两端以轴承连接在第一支架上，第一滑块在第一丝杆的带动下沿第一导轨做上下运动，第二支架与第一滑块固定连接，并与所述第一滑块同步沿Z方向运动，第二导轨副固定安装于第二支架上，第二丝杆副通过轴承安装于第二支架上，第二导轨副和第二丝杆副平行安装，曲柄前端和曲柄后端组成曲柄机构，第二滑块与第一连杆机构通过第一轴承副连接，第一连杆机构和曲柄后段通过第二轴承副连接，曲柄前端与机械手加持机构通过第五轴承副连接，曲柄与第二支架通过第三轴承副连接。

作为优选的技术方案，所述曲柄滑块机构的第二滑块沿第二丝杆副、第二导轨副组成一平面，该平面沿第二丝杆副轴向运动，并通过第一轴承副带动第一连杆机构的运动。

作为优选的技术方案，所述曲柄后段与第一连杆机构之间通过第二轴承副连接，并在第一连杆机构的带动下绕第三轴承副作旋转。

作为优选的技术方案，所述第六轴承副、第五轴承副组成的边与第四轴承副、第三轴承副组成的边平行。

作为优选的技术方案，所述第一丝杆、第一导轨竖直方向平行安装，分别穿过第一滑块至第一滑块下端的第一支架上，并且第一丝杆、第一导轨构成的平面与齿条垂直，带动第一滑块在竖直方向运动。

作为优选的技术方案，所述第二滑块沿第二丝杆副轴向运动带动曲柄后段绕第三轴承副旋转，所述曲柄后段绕第三轴承副旋转进而带动机械手加持机构平移运动

本实用新型的有益效果是：1、流水线式作业方式，可设定多个抓取工位坐标，实现一套上下料机械手对多台CNC设备上下料，并且各个工位可屏蔽；与传统机械手一对一上下料方式相比，设备成本低；不改变原有CNC设备布局，施工简单，并且所本发明的新型自动上下料机械手保留原有CNC设备的人工操作模式，***不工作时，不影响人工作业；

2、机械手采用可折叠式设计，与传统的XY垂直滑台相比，设备体积更小，极大节省空间。所述上下料机械手执行换料动作时，按照预定轨迹展开所述折叠式手臂抓取或放置工件，动作执行完成后，将所述折叠式手臂合拢以节省空间；

3、采用偏置型曲柄滑块机构，通过限制第二丝杆机构的行程，约束第二滑块的运动范围，避免运动死点；

4、采用平行四边形机构机械手夹持机构不具有旋转自由度，即保持固定角度在所述X-Y-Z坐标系中做平移运动。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的下料机械手装置机构简图；

图2为上下料机械手装置在X-Y平面投影的简图；

图3为上下料机械手装置的一实施的主视结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，一种新型自动上下料机械手***，包括齿条1、轴承2、第二滑块3、第二丝杆副4、第二导轨副5、第一连杆机构6、第一轴承副7、第一丝杆8、第一导轨9、第一滑块10、第四轴承副11、辅助连杆12、第六轴承副13、第五轴承副14、机械手加持机构15、曲柄前端16、第三轴承副18、曲柄后段19、第二轴承副20、第二支架21、第一支架22，所述第二滑块3、第二丝杆副4、第二导轨副5、第一连杆机构6、第一轴承副7、第三轴承副18、曲柄后段19、第二轴承副20和第二支架21组成一曲柄滑块机构，所述第四轴承副11、辅助连杆12、第六轴承副13、第五轴承副14、曲柄前端16和第三轴承副18组成一平行四边形机构，所述曲柄滑块机构通过第二支架21与滑块10固定连接，所述平行四边形机构通过第四轴承副11、第三轴承副18铰接于滑块10上，带动机械手加持机构15绕第一滑块10运动，第一导轨9沿竖直方向固定于第一支架22上，第一丝杆8平行于第一导轨9，两端以轴承连接在第一支架22上，第一滑块10在第一丝杆8的带动下沿第一导轨9做上下运动，第二支架21与第一滑块10固定连接，并与所述第一滑块10同步沿Z方向运动，第二导轨副5固定安装于第二支架上，第二丝杆副4通过轴承安装于第二支架上，第二导轨副5和第二丝杆副4平行安装，曲柄前端16和曲柄后端组成曲柄机构，第二滑块3与第一连杆机构6通过第一轴承副7连接，第一连杆机构7和曲柄后段19通过第二轴承副20连接，曲柄前端16与机械手加持机构15通过第五轴承副14连接，曲柄与第二支架21通过第三轴承副18连接。

所述曲柄滑块机构的第二滑块3沿第二丝杆副4、第二导轨副5组成一平面，该平面沿第二丝杆副4轴向运动，并通过第一轴承副7带动第一连杆机构6的运动。

所述曲柄后段19与第一连杆机构6之间通过第二轴承副20连接，并在第一连杆机构6的带动下绕第三轴承副18作旋转。

所述第六轴承副13、第五轴承副14组成的边与第四轴承副11、第三轴承副18组成的边平行。

所述第一丝杆8、第一导轨9竖直方向平行安装，分别穿过第一滑块10至第一滑块下端的第一支架上，并且第一丝杆8、第一导轨9构成的平面与齿条1垂直，带动第一滑块10在竖直方向运动。

所述第二滑块3沿第二丝杆副4轴向运动带动曲柄后段19绕第三轴承副18旋转，所述曲柄后段19绕第三轴承副18旋转进而带动机械手加持机构15平移运动。

考虑第一丝杆副8和第一导轨副9构成的平面与Y-Z平面平行，第二丝杆副4和第二导轨副5构成的平面与X-Y平面平行，将图1向X-Y平面内投影。为简化分析，先只考虑图1中所述曲柄滑块机构的运动情况，并以第三轴承副18为原点O，建立坐标系，得到如图2所示的简化模型，其中，第一轴承副7对应于A,第二轴承副20对应于B，第五轴承副14对应于C。

如图2所示，第二滑块3由初始位置A运动到A’，对应第一轴承副7由B运动到B’,第一连杆6由图2中AB移动到A’B’位置处，所述曲柄由BOC变为B’OC’，如图2所示。并设一下参数：

AB＝A’B’＝dimS

BO＝B’O＝dimT

OC＝OC’＝L

设A’相对于A的增量为,∠BOC＝Alpha,且Ya＝DimD，于是

Xb^2+Yb^2＝dimT^2                          (1)

(Xb-Xa)^2+(Yb-Ya)^2＝dimS^2                 (2)

联立(1)、(2)可得：Xb、Yb关于Xa的函数，分别设为

Xb＝G(Xa)                                         (3)

Yb＝H(Xa)                                         (4)

于是可知OB与Y轴负方向的夹角

gama＝arctan(Xb/Yb)                        (5)

OC与X轴负方向的夹角

Beta＝Alpha-90-gama                       (6)

于是，C点在所述XY坐标系中伴随A点往复移动对应的坐标Xc、Yc为：

Xc＝L*cos(Beta)                             (7)

Yc＝L*sin(Beta)                             (8)

综合(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8)式，即可得到A(Xa,Ya)关于C点坐标C(Xc,Yc)的正解方程，即

Xc＝Φ(Xa)                                     (9)

Yc＝Ψ(Xa)                                     (10)

关于所述机械手终点C在Z方向的自由度则与所述第一滑块10同步上下运动。由已知XY平面的Z向坐标与A点的Z向坐标相同，于是，

Zc＝Za                                      (11)

这样，齿条1结合第一丝杆副8和第二丝杆副4的运动控制A点坐标值A(Xa，Ya，Za)，由公式(9)、(10)和(11)，便可精确控制C(Xc,Yc,Zc)在所述X-Y-C坐标系中的运动轨迹。

如图3所示，图3为本实用新型的一个实施例图，导轨120、导轨122与齿条121水平安装在机架123上，滑台119在主电机100的驱动下沿相互平行的导轨120和导轨122构成的平面内水平运动。

Z向电机101与丝杆机构102相连，在导轨110的约束下，驱动所述的曲柄滑块机构和平行四边形机构在竖直方向往复运动。

所述的曲柄滑块机构包括Y向电机103、丝杆机构104、滑块105、连杆106、轴承107、轴承108、连杆109、摆臂114和支架124。其中，Y向电机103与丝杆机构104固定连接，驱动滑块105沿丝杆机构104轴向运动。滑块105与连杆106以轴承107连接，连杆106与连杆109以轴承108连接；连杆109与摆臂114固定连接，摆臂114通过轴承112安装在支架124上。

所述平行四边形机构包括摆臂113、摆臂114、轴承111、轴承112、轴承115、轴承116。其中，摆臂113、摆臂114的两端分别以轴承111、轴承115、轴承112、轴承116连接，其中轴承111、轴承112固定于支架124上，轴承115和轴承116则与夹爪117相连。

由曲柄滑块机构的原理可知，当滑块105产生丝杆机构104轴向的移动量后，便带动连杆106和连杆109联动。考虑到摆臂114与连杆109固定连接，并且摆臂114与支架124以轴承112连接，于是滑块105的运动将导致摆臂114绕轴承112做旋转运动。

考虑摆臂113和摆臂114及轴承111、轴承112、轴承115、轴承116组成所述的平行四边形机构，根据平行四边形机构对边平行的特性，轴承115和轴承116组成的边将与轴承111和轴承112组成的边保持平行。已知轴承111和轴承112固定，于是可知，夹爪117在运动期间不具有旋转自由度，始终保持平移运动。

另外，由于滑块105运动而导致夹爪117在导轨120方向的运动分量可以靠滑台119的反向运动加以抵消，最终本发明的新型自动上下料机械手***实现了对夹爪的精确定位功能。

尽管本文较多地使用了齿条1、轴承2、第二滑块3、第二丝杆副4、第二导轨副5、第一连杆机构6、第一轴承副7、第一丝杆8、第一导轨9、第一滑块10、第四轴承副11、辅助连杆12、第六轴承副13、第五轴承副14、机械手加持机构15、曲柄前端16、第三轴承副18、曲柄后段19、第二轴承副20、第二支架21、第一支架22、主电机100、Z向电机101、丝杆机构102、Y向电机103、丝杆机构104、滑块105、连杆106、轴承107、轴承108、连杆109、导轨110、轴承111、轴承112、摆臂113、摆臂114、轴承115、轴承116、夹爪117、滑台119、导轨120、齿条121、导轨122、机架123和支架124等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种新型自动上下料机械手***，其特征在于：包括齿条(1)、轴承(2)、第二滑块(3)、第二丝杆副(4)、第二导轨副(5)、第一连杆机构(6)、第一轴承副(7)、第一丝杆(8)、第一导轨(9)、第一滑块(10)、第四轴承副(11)、辅助连杆(12)、第六轴承副(13)、第五轴承副(14)、机械手加持机构(15)、曲柄前端(16)、第三轴承副(18)、曲柄后段(19)、第二轴承副(20)、第二支架(21)、第一支架(22)，所述第二滑块(3)、第二丝杆副(4)、第二导轨副(5)、第一连杆机构(6)、第一轴承副(7)、第三轴承副(18)、曲柄后段(19)、第二轴承副(20)和第二支架(21)组成一曲柄滑块机构，所述第四轴承副(11)、辅助连杆(12)、第六轴承副(13)、第五轴承副(14)、曲柄前端(16)和第三轴承副(18)组成一平行四边形机构，所述曲柄滑块机构通过第二支架(21)与滑块(10)固定连接，所述平行四边形机构通过第四轴承副(11)、第三轴承副(18)铰接于滑块(10)上，带动机械手加持机构(15)绕第一滑块(10)运动，第一导轨(9)沿竖直方向固定于第一支架(22)上，第一丝杆(8)平行于第一导轨(9)，两端以轴承连接在第一支架(22)上，第一滑块(10)在第一丝杆(8)的带动下沿第一导轨(9)做上下运动，第二支架(21)与第一滑块(10)固定连接，并与所述第一滑块(10)同步沿Z方向运动，第二导轨副(5)固定安装于第二支架上，第二丝杆副(4)通过轴承安装于第二支架上，第二导轨副(5)和第二丝杆副(4)平行安装，曲柄前端(16)和曲柄后端组成曲柄机构，第二滑块(3)与第一连杆机构(6)通过第一轴承副(7)连接，第一连杆机构(7)和曲柄后段(19)通过第二轴承副(20)连接，曲柄前端(16)与机械手加持机构(15)通过第五轴承副(14)连接，曲柄与第二支架(21)通过第三轴承副(18)连接。 

2.根据权利要求1所述的新型自动上下料机械手***，其特征在于：所述曲柄滑块机构的第二滑块(3)沿第二丝杆副(4)、第二导轨副(5)组成一平面，该平面沿第二丝杆副(4)轴向运动，并通过第一轴承副(7)带动第一连杆机构(6)的运动。 

3.根据权利要求1所述的新型自动上下料机械手***，其特征在于：所述曲柄后段(19)与第一连杆机构(6)之间通过第二轴承副(20)连接，并在第一连杆 机构(6)的带动下绕第三轴承副(18)作旋转。 

4.根据权利要求1所述的新型自动上下料机械手***，其特征在于：所述第六轴承副(13)、第五轴承副(14)组成的边与第四轴承副(11)、第三轴承副(18)组成的边平行。 

5.根据权利要求1所述的新型自动上下料机械手***，其特征在于：所述第一丝杆(8)、第一导轨(9)竖直方向平行安装，分别穿过第一滑块(10)至第一滑块下端的第一支架上，并且第一丝杆(8)、第一导轨(9)构成的平面与齿条(1)垂直，带动第一滑块(10)在竖直方向运动。 

6.根据权利要求1所述的新型自动上下料机械手***，其特征在于：所述第二滑块(3)沿第二丝杆副(4)轴向运动带动曲柄后段(19)绕第三轴承副(18)旋转，所述曲柄后段(19)绕第三轴承副(18)旋转进而带动机械手加持机构(15)平移运动。