专利名称：一种喷印用升降式三轴联动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喷印机的传动机构，特别涉及一种喷印用升降式三轴联动机构。
背景技术：
喷印设备是由计算机控制的全自动标号系统，通过喷点阵直接在钢卷的侧部表面和顶部表面上形成标号。目前，国内外钢铁企业的热轧生产线用于热钢卷标号的方式一般多为涂料点阵喷印，该方式的成字原理是将多个喷枪并排设置，并等速行走，在设定位置上喷出点状涂料，以点组成文字。因为喷印机还包括有传感器，质量较大，因此喷印机对钢卷侧部表面的侧喷和对钢卷顶部表面的顶喷大多采用分别单独控制。
目前一种采用的是6轴联动的关节型机器人，其先后对钢卷进行顶喷和侧喷，虽然只需要一套喷印机，但是由于喷印周期超过钢卷的轧制周期，导致轧钢的节奏会受到一定的限制。还有一种采用的是双喷印机，其侧喷和顶喷设备分别设置于运输链的两侧，在喷印时两部分同时进行。
目前，随着喷印机不断的小型化，已出现一种侧喷手臂和顶喷手臂共用一个机器人的方案，但其顶喷手臂只能喷印在钢卷顶部靠近内圈的位置，这又与钢卷塔形始现于内圈这种情况发生冲突，于是就存在钢卷大量返修的缺陷，并且该方案需要2个机器人手臂分别进行侧喷和顶喷运动，使得喷印机结构复杂，控制也较为烦琐，大大增加了装置的返修率。
目前使用的各种喷印机存在以下的缺点1、喷印周期长由于现有的喷印机，大多采用单喷印设备结合关节型机器人的方案，使顶喷和侧喷先后进行，造成喷印周期无法缩短，影响到轧制节奏的优化和加快。
2、结构较复杂现有的喷印机虽然采用了顶喷和侧喷的同步方案，但其机械组合设计较为复杂，特别是臂长过长，如何降低手臂带来的扭矩就显得相当关键，设备操作控制也烦琐，且会给设备维护带来难度。
发明内容
本发明目的在于提供一种与六轴联动控制相比大为简单的喷印用升降式三轴联动机构，主要解决六轴联动控制存在的机构复杂、灵敏度低、起动转矩惯量较小、调速范围较窄的技术问题，本发明的技术方案为一种喷印用升降式三轴联动机构，包括三轴联动分布的平面机构和实现平面机构升降的升降机构，三轴联动平面机构安装升降机构上，平面机构具有三个绕各自Z轴转动的自由度，升降机构可沿Z轴上下移动，平面机构构成机械臂，机械臂末端与喷印装置联接实现喷印。该机械臂包含三个绕各自Z轴转动的自由度，该三个绕各自Z轴转动的自由度使机械臂在一个固定的平面内通过三个绕Z轴的转动进行相关联动，实现钢卷喷印所需要的圆弧轨迹；上述4个自由度，根据来自微型计算机的指令，一面相互协调，一面按要求的轨迹和速度运行。
所述机械臂包含三段联接臂、三个交流伺服电机和手腕，一个联接臂的一端与升降架联成一体，另一端与联接臂的关节相连，所述交流伺服电机及其轴即构成了联接臂的关节，关节同时与中间的一个联接臂相连，该联接臂和下一个联接臂都处于两个关节之间，其末端关节与手腕相连，所述手腕较联接臂短，以确保喷印装置始终与钢卷外表面呈垂直状，避免喷印字符变形或模糊，手腕另一端则与喷印装置相连以获得喷印的轨迹。
所述的升降机构包含伺服电机、丝杆(可采用滚珠丝杆)、大齿轮、小齿轮和升降架，丝杆安装在升降架上，大齿轮和丝杆联接成一体，大齿轮和小齿轮啮合，小齿轮与伺服电机输出轴连接，该伺服电机带动小齿轮实现主转动，大齿轮被动转动时丝杆也随之转动，从而实现升降架的上下移动。
在用于喷印机时，喷印机的平面运动控制由三轴联动控制实现，其升降移动控制通过伺服电机带动丝杆旋转实现，并通过平面运动控制与升降移动控制的组合来实现喷印机功能的控制要求，即使用一个最简化的手臂装置同时实现侧喷和顶喷，可与中国专利申请200510024100.9《组合喷印装置》配合使用，实现顶喷轨迹和侧喷轨迹的重合，其控制结构简单，可适应较重的喷印装置，其控制灵活性也能够满足较短轧制周期时间上的要求；本发明提供的喷印用升降式三轴联动机构，其工作过程实现如下当喷印机接收到位于钢卷喷印位置上的钢卷宽度数据后，所具有的一个沿Z轴上下移动的升降机构就能够实现平面机构构成的机械臂升降，该机械臂包含三个绕各自Z轴转动的自由度，该三个绕各自Z轴转动的自由度使机械臂在一个固定的平面内通过三个绕各自Z轴的转动进行相关联动，根据获得的钢卷外径数据来实现钢卷喷印所需要的圆弧轨迹。
本发明提供的喷印用升降式三轴联动机构，其具有如下优点1、本发明根据圆弧成形的规律，即三个联接臂就可形成圆弧轨迹，末端关节与手腕相连，令手腕上的喷印装置与钢卷外表面呈垂直状，以确保字符清晰，从而避免使用复杂的六轴联动设计，令喷印联接臂结构简单化，可提高附重能力，并使设备维护简捷可靠。
2、本发明的机械臂包含三个绕各自Z轴转动的自由度，并且三个绕各自Z轴转动的自由度使机械臂在一个固定的平面内转动，使得其圆弧轨迹运动简捷平稳，获得较好的稳定性。
3、为适应钢卷不同的宽度，本发明采用升降机构来实现平面机构上下移动，使平面运动和上下移动进行任意组合，即可以先上下移动到所需要的高度再实现平面运动，也可以转化为稳定的空间运动组合，简单易行，稳定可靠，4、相对于六轴联动设计，本发明具有灵敏性愈高、快速性、起动转矩惯量比大、调速范围宽等特点，简单的升降式三轴联动方法，增加了其控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化。
5、本发明采用的伺服电动机作为机构的关节，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。
6、与六轴联动设计相比，本发明的设计能够实现体积小、质量小、轴向尺寸短的要求。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1为本发明提供的喷印用升降式三轴联动机构传动示意图；图2为本发明喷印用升降式三轴联动机构的控制系统结构框图。
图1中1小齿轮，2轴，3伺服电机，4丝杆，5升降架，6联接臂a，7联接架a，8轴a，9联接臂b，10联接架b，11轴b，12联接臂c，13联接架c，14轴c，15手腕，16喷印装置，17伺服电机c，18伺服电机b，19伺服电机a，20大齿轮。
具体实施例方式以下根据图1和图2，说明本发明的一种最佳实施方式。
如图1所示，为本发明提供的喷印用升降式三轴联动机构，包含平面机构和和升降机构；所述的平面机构上设置有包含三个绕各自Z轴转动自由度的机械臂装置和联接喷印装置的手腕装置；所述的升降机构上设置有包含有伺服电机a19、丝杆4(可采用滚珠丝杆)、大齿轮20、小齿轮1和升降架5，丝杆4安装在升降架5上，大齿轮20和丝杆联接成一体，大齿轮和小齿轮1啮合，小齿轮1与伺服电机输出轴2连接，该交流伺服电机19带动小齿轮1实现主转动，大齿轮20和丝杆4联接成一体，大齿轮20被动转动时丝杆4也随之转动，从而实现升降架5的上下移动；所述的机械臂包含联接臂a6，联接架a4，轴a8，联接臂b9，联接架b10，轴b11，联接臂c12，联接架c13，轴c14，伺服电机c17，伺服电机b18，伺服电机a19；该机械臂的联接臂a6的一端与升降架5联成一体，另一端与联接臂的关节(即轴a8)相连，轴a8固定在联接架a7上，所述交流伺服电机及其轴即构成了联接臂的关节，轴a8和联接架b10同时与中间的联接臂b9相连，联接臂b9绕轴b11转动，轴b11和联接架c13同时与中间的联接臂c12相连，联接臂c12绕轴c14转动，其轴c14和伺服电机c17组成的末端关节与手腕15相连；所述的手腕部分包含手腕15、喷印装置16；该手腕15较联接臂短，以确保喷印装置始终与钢卷外表面呈垂直状，避免喷印字符变形或模糊造成辨别困难，手腕15一端与轴c14和伺服电机c17组成的末端关节相连，手腕15另一端则与喷印装置16相连，以获得喷印的轨迹；该喷印装置16可以根据喷印功能需要进行合适的选择；所述的平面机构和和升降机构的联接通过联接臂a6与升降架5的联接实现，联接臂a6与升降架5的联接方式较多，可采用螺栓等联接方式；所述的喷印用升降式三轴联动机构的机械臂三个绕各自Z轴转动动作以及升降架沿Z轴上下移动动作的控制通过控制器实现，参照图2，除计算机外部设备、伺服电机和传感器以外，控制系统组成框图中的各个部件均安放在控制器中。CPU板连接底板，底板上设有网卡，底板连接DMB板，DMB板与I/O模块连接，DMB板分别连接有4个电机驱动卡，I/O模块分别连接传感器和电池阀，4个电机驱动卡还连接DPB板，DPB板连接机器人接线板，机器人接线板分别连接4个伺服电机。
本发明提供的喷印用升降式三轴联动方法，其工作过程如下如图1、图2所示，当控制器根据钢卷的宽度，由控制程序可得出上升的伺服电机a19需转动的时间，并发出指令控制伺服电机a19进行转动，直到喷印装置到达所需的喷印高度。
如果上位管理计算机传输的数据有误时，会造成喷印装置上升高度不够，机械臂伸出时，传感器将发出信号。控制器接收到该信号后，控制程序作出停止机械臂伸出运作的指令，防止机械臂与钢卷相碰撞。同时将在工业PC机上显示错误信息，由人工输入需再上升的高度，再由控制程序驱动上升的伺服电机a19转动按人工输入的数据提升喷印装置高度。
机械臂配置了3台伺服电机，由控制程序对三段联接臂及手腕的运动进行控制。其中伺服电机a19起到控制联接臂a6旋转；伺服电机b18控制联接臂b9旋转；从而实现上述的组合运动沿钢卷外径的转动；还有伺服电机c17控制手腕15以钢卷中心为旋转中心，随着沿钢卷外径转动的组合运动，使手腕15上安装的喷印装置始终与钢卷外表面垂直。通过上述的组合动作，使得喷印装置沿着钢卷侧面移动，从而完成钢卷的字符喷印。
当喷印装置到达所需的喷印高度后，喷印装置的传感器将信号传送至控制器。控制器根据信号，转换成相应的距离，经过运算可以得到钢卷的外径。控制器再根据钢卷的外径及喷印字符个数，由控制程序可得出机械臂的3台转动电机需转动的时间及转向，并发出指令控制伺服电机进行转动，直到喷印装置喷出所有的字符再停止转动。
本发明不仅可以用于喷印机，还可以替代六轴联动用于其他机器人手臂的动作控制。
权利要求
1.一种喷印用升降式三轴联动机构，其特征是包括三轴联动分布的平面机构和实现平面机构升降的升降机构，三轴联动平面机构安装升降机构上，平面机构具有三个绕各自Z轴转动的自由度，升降机构可沿Z轴上下移动，平面机构构成机械臂，机械臂末端与喷印装置联接。
2.根据权利要求1所述的一种喷印用升降式三轴联动机构，其特征是所述机械臂包含三段联接臂、三个交流伺服电机和手腕，一个联接臂的一端与升降架联成一体，另一端与联接臂的关节相连，交流伺服电机及其轴即构成了联接臂的关节，关节同时与中间的一个联接臂相连，该联接臂和下一个联接臂都处于两个关节之间，其末端关节与手腕相连，手腕的另一端与喷印装置连接。
3.根据权利要求1所述的一种喷印用升降式三轴联动机构，其特征是所述的升降机构包含伺服电机、丝杆、大齿轮、小齿轮和升降架，丝杆安装在升降架上，大齿轮和丝杆联接成一体，大齿轮和小齿轮啮合，小齿轮与伺服电机输出轴连接。
4.根据权利要求2所述的一种喷印用升降式三轴联动机构，其特征是所述的手腕短于连接臂。
全文摘要
本发明涉及一种喷印机的传动机构，特别涉及一种喷印用升降式三轴联动机构。主要解决六轴联动控制存在的机构复杂、灵敏度低、起动转矩惯量较小、调速范围较窄的技术问题，本发明的技术方案为一种喷印用升降式三轴联动机构，包括三轴联动分布的平面机构和实现平面机构升降的升降机构，三轴联动平面机构安装升降机构上，平面机构具有三个绕各自Z轴转动的自由度，升降机构可沿Z轴上下移动，平面机构构成机械臂，机械臂末端与喷印装置联接实现喷印。该机械臂包含三个绕各自Z轴转动的自由度，该三个绕各自Z轴转动的自由度使机械臂在一个固定的平面内通过三个绕各自Z轴的转动进行相关联动，实现钢卷喷印所需要的圆弧轨迹；上述4个自由度，根据来自微型计算机的指令，一面相互协调，一面按要求的轨迹和速度运行。本发明主要用于喷印机。
文档编号B25J18/00GK101081508SQ20061002707
公开日2007年12月5日 申请日期2006年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者王军 申请人:宝山钢铁股份有限公司