一种轻量化五自由度高速焊接机器人的制作方法

本发明涉及机械领域，具体是一种轻量化五自由度高速焊接机器人。

背景技术：

自从20世纪80年代以来，人们一直希望减少机器人运动件的质量来改善其动态性能，并取得了可喜的成果。但这些工作都是围绕减轻机器人杆件质量展开。而安装在串联机器人关节处的电机、减速器实际上对机器人动态性能影响很大。而且，为了保证电机输出大功率，其输出转速很高，就需要大传动比的减速器将其减速到适合机器人工作的速度。而研制体积小、质量轻的大传动比减速器也是我国机器人行业遇到的比较棘手的问题。目前，国产机器人用电机和减速器与国际先进水平的机器人用电机、减速器的差距之一，就是质量(重量)和体积大，这会导致机器人的转动惯量大、机器人动态性能不佳、易产生较大振动等问题。如果电机、减速器能够安装在机架上，不是安装在关节处随机械臂运动，则没有转动惯量大所带来的各种问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种轻量化五自由度高速焊接机器人。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种轻量化五自由度高速焊接机器人，包括第一转轴、第二转轴、第一大臂、第二大臂、第三大臂、第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆、第一初级从动杆、第二初级从动杆、第三初级从动杆、第一初级滑套、第二初级滑套、第三初级滑套、第一末级从动杆、第二末级从动杆、第三末级从动杆、第一连接块、第二连接块、第三连接块、第一末级滑套、第二末级滑套、第三末级滑套、第四末级滑套、第五末级滑套、第六末级滑套、第七末级滑套、第八末级滑套、第九末级滑套、第一导杆、第二导杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第九连杆、第十连杆、第十一连杆、第十二连杆、第十三连杆、第十四连杆、第十五连杆、小臂、机架、执行器和支撑杆，

具体结构以及连接关系如下：

第一主动杆下端通过转动副一连接在机架上，

第一主动杆上端通过转动副二与第一初级从动杆一端连接，

第一初级从动杆另一端通过转动副三连接在第一初级滑套上，

第一初级滑套套装在第一大臂上；

第一大臂一端通过转动副四连接在第一转轴上，

第一大臂另一端通过转动副五连接在第二转轴上；

第二主动杆下端通过转动副六连接在机架上，

第二主动杆上端通过转动副七与第二初级从动杆一端连接，

第二初级从动杆另一端通过转动副八连接在第二初级滑套上，

第二初级滑套套装在第二大臂上；

第二大臂一端通过转动副九连接在第一转轴上，

第二大臂另一端、第一连接块、第二转轴以及支撑杆上端同时通过转动副十连接，支撑杆下端固定在机架上，

第三主动杆下端通过转动副十一连接在机架上，

第三主动杆上端通过转动副十二与第三初级从动杆一端连接，

第三初级从动杆另一端通过转动副十五连接在第三初级滑套上，

第三初级滑套套装在第三大臂上；

第三大臂一端通过转动副四十连接在第一转轴上，

第三大臂另一端通过转动副四十一连接在第二转轴上；

小臂一端通过转动副六十五连接在第一连接块上，

小臂另一端固定连接在第二连接块上；

第二末级滑套、第三末级滑套、第四末级滑套和第五末级滑套依次套装在小臂上；

第一导杆下端固定连接在第一连接块上，

第一末级滑套套装在第一导杆上；

第一连杆一端通过转动副十三连接在第一末级滑套上，

第一连杆另一端通过转动副十四与第二连杆一端连接，

第二连杆另一端固定连接在小臂上；

第二末级从动杆一端也通过转动副八连接在第二初级滑套上，

第二末级从动杆另一端通过转动副四十二连接在第一末级滑套上；

第一末级从动杆一端也通过转动副三连接在第一初级滑套上，

第一末级从动杆另一端通过转动副四十五连接在第四末级滑套上；

第四末级滑套与第五末级滑套之间通过转动副十六连接，

第三连杆一端通过转动副十七连接在第五末级滑套上，

第三连杆另一端通过转动副十八连接在第六末级滑套上，

第六末级滑套套装在第四连杆上，

第四连杆一端通过转动副十九连接在第二连接块上，

第四连杆另一端通过转动副二十在第五三角件的第一角上，

第五连杆一端通过转动副二十一连接在第六末级滑套上，

第五连杆另一端通过转动副二十二连接在第五三角件的第二角，

第六连杆一端通过转动副二十三连接在第五三角件的第三角，

第六连杆另一端通过转动副二十四连接在第七末级滑套上，

第七末级滑套套装在第七连杆上，

第三末级从动杆一端也通过转动副十五连接在第三初级滑套上，

第三末级从动杆另一端通过转动副二十五连接在第二末级滑套上；

第二末级滑套与第三末级滑套之间通转动副二十六连接，

第八连杆一端通过转动副二十七连接在第三末级滑套上，

第八连杆另一端通过转动副二十八连接在第八末级滑套上，

第八末级滑套套装在第九连杆上，

第九连杆一端通过转动副二十九连接在第二连接块上，

第九连杆另一端通过转动副三十连接在第十连杆上，

第十一连杆一端通过转动副三十一连接在第八末级滑套上，

第十一连杆另一端通过转动副三十二连接在第十连杆一端，

第十连杆另一端通过转动副三十三连接在第七连杆上，

第七连杆一端也通过转动副二十连接在第五三角件的第一角，

第七连杆另一端通过转动副三十四连接在第三连接块上，

第二导杆一端固定连接在第三连接块上，

第九末级滑套套装在第二导杆上；

第十二连杆一端通过转动副三十五连接在第七末级滑套上，

第十二连杆另一端通过转动副三十六连接在第九末级滑套上，

第十三连杆一端通过转动副三十七连接在第三连接块上，

第十三连杆另一端固定连接在执行器上，

第十四连杆一端通过转动副三十八连接在第九末级滑套上，

第十四连杆另一端通过转动副三十九连接在第十五连杆上，

第十五连杆另一端固定连接在第十三连杆上。

进一步的，

所述转动副十三、转动副十四、转动副六十五、转动副二十六和转动副十六的转动平面平行于小臂的径向截面。

进一步的，

所述转动副三十七、转动副三十八和转动副三十九的转动平面平行于第十三连杆的径向截面。

进一步的，

所述转动副一、转动副二、转动副三、转动副四、转动副五、转动副六、转动副七、转动副八、转动副九、转动副十、转动副十一、转动副十二、转动副十五、转动副十七、转动副十八、转动副十九、转动副二十、转动副二十一、转动副二十二、转动副二十三、转动副二十四、转动副二十五、转动副二十七、转动副二十八、转动副二十九、转动副三十、转动副三十一、转动副三十二、转动副三十三、转动副三十四、转动副三十五、转动副三十六、转动副四十、转动副四十一、转动副四十二和转动副四十五的转动平面平行于小臂的轴向截面。

进一步的，

还包括第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机，所述转动副一由第一伺服电机驱动，转动副六由第二伺服电机驱动，转动副十一由第三伺服电机驱动。

进一步的，

所述第二连杆和第一导杆都垂直于小臂。

进一步的，

所述第十五连杆和第二导杆都垂直于第十三连杆。

进一步的，

所述第二末级滑套、第三末级滑套、第四末级滑套和第五末级滑套均为正六面体，开设有轴向圆形通孔；小臂为圆柱杆；第二末级滑套、第三末级滑套、第四末级滑套和第五末级滑套通过轴向圆形通孔套装在小臂上。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

本发明实现将全部电机和减速器安装到基座附近的低重心轻量化结构设计，电机和减速器都不随运动杆件做大幅度运动。克服了现有焊接机器人将电机和减速器安装在关节上，所产生的运动惯量大、残余振动明显和高速工作定位精度低等缺点，具有结构可靠性高、稳定性好和成本低等特点。

本发明将两个相互垂直工作面上的两套曲柄滑块机构，通过正方形滑块的两个垂直表面构联到一起，实现了两个相互垂直工作面上的驱动传动。克服了现有大部分连杆机构只能平面驱动传动和空间刚度差等缺点，具有不需要在关节上安装电机和减速器，就实现了空间驱动传动的特点。

本发明将两套曲柄滑块机构，通过同一个滑杆对称串联在一起，实现曲柄滑块机构串联传动，克服了传统四杆传动机构整体刚度低和占用空间大的缺点，具有传动结构紧凑和可靠性高的特点。

本发明通过将两个穿过同一根轴的滑块进行串联，实现滑块自转和滑块滑动的共轴传动。

附图说明

图1为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的整体结构示意图一。

图2为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的整体结构示意图二。

图3为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的整体结构示意图三。

图4为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的整体结构示意图四。

图5为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的第二大臂、小臂以及第一导杆之间的装配示意图一。

图6为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的第二大臂、小臂以及第一导杆之间的装配示意图二。

图7为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的第二大臂、小臂以及第一导杆之间的装配示意图三。

图8为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的控制执行器运动的传动链结构示意图一。

图9为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的控制执行器运动的传动链结构示意图二。

图10为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的控制执行器运动的传动链结构示意图三。

图11为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的控制执行器运动的传动链结构示意图四。

图12为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的控制执行器运动的传动链结构示意图五。

图13为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的第十三连杆、第十四连杆以及第十五连杆之间的装配结构示意图。

图14为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的第十三连杆、第七连杆以及第二导杆之间的装配结构示意图。

图15为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的第十二连杆、第七末级滑套与第九末级滑套之间的装配结构示意图。

图16为本发明所述轻量化五自由度高速焊接机器人的控制第二末级从动杆运动的传动链的结构示意图。

图中：

第一伺服电机1a、第二伺服电机2a、第三伺服电机3a、

第一转轴1b、第二转轴2b、

第一大臂1c、第二大臂2c、第三大臂3c、

第一主动杆1d、第二主动杆2d、第三主动杆3d、

第一初级从动杆1e、第二初级从动杆2e、第三初级从动杆3e、

第一初级滑套1f、第二初级滑套2f、第三初级滑套3f、

第一末级从动杆1k、第二末级从动杆2k、第三末级从动杆3k、

第一连接块1n、第二连接块2n、第三连接块3n、

第一末级滑套1p、第二末级滑套2p、第三末级滑套3p、第四末级滑套4p、

第五末级滑套5p、第六末级滑套6p、第七末级滑套7p、第八末级滑套8p、

第九末级滑套9p、

第一导杆1q、第二导杆2q、

第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3、第四连杆4、第五连杆5、

第六连杆6、第七连杆7、第八连杆8、第九连杆9、第十连杆10、

第十一连杆11、第十二连杆12、第十三连杆13、第十四连杆14、第十五连杆15、

小臂100、机架99、执行器98、支撑杆97。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

一种轻量化五自由度高速焊接机器人，包括第一转轴1b、第二转轴2b、第一大臂1c、第二大臂2c、第三大臂3c、第一主动杆1d、第二主动杆2d、第三主动杆3d、第一初级从动杆1e、第二初级从动杆2e、第三初级从动杆3e、第一初级滑套1f、第二初级滑套2f、第三初级滑套3f、第一末级从动杆1k、第二末级从动杆2k、第三末级从动杆3k、第一连接块1n、第二连接块2n、第三连接块3n、第一末级滑套1p、第二末级滑套2p、第三末级滑套3p、第四末级滑套4p、第五末级滑套5p、第六末级滑套6p、第七末级滑套7p、第八末级滑套8p、第九末级滑套9p、第一导杆1q、第二导杆2q、第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3、第四连杆4、第五连杆5、第六连杆6、第七连杆7、第八连杆8、第九连杆9、第十连杆10、第十一连杆11、第十二连杆12、第十三连杆13、第十四连杆14、第十五连杆15、小臂100、机架99、执行器98和支撑杆97，

具体结构以及连接关系如下：

如图1所示：

第一主动杆1d下端通过转动副一101连接在机架99上，

第一主动杆1d上端通过转动副二102与第一初级从动杆1e一端连接，

第一初级从动杆1e另一端通过转动副三103连接在第一初级滑套1f上，

第一初级滑套1f套装在第一大臂1c上；

第一大臂1c一端通过转动副四104连接在第一转轴1b上，

第一大臂1c另一端通过转动副五连接在第二转轴2b上；

如图16所示：

第二主动杆2d下端通过转动副六106连接在机架99上，

第二主动杆2d上端通过转动副七107与第二初级从动杆2e一端连接，

第二初级从动杆2e另一端通过转动副八108连接在第二初级滑套2f上，

第二初级滑套2f套装在第二大臂2c上；

第二大臂2c一端通过转动副九109连接在第一转轴1b上，

第二大臂2c另一端、第一连接块1n、第二转轴2b以及支撑杆97上端同时通过转动副十110连接，支撑杆97下端固定在机架99上，

如图2所示：

第三主动杆3d下端通过转动副十一111连接在机架99上，

第三主动杆3d上端通过转动副十二112与第三初级从动杆3e一端连接，

第三初级从动杆3e另一端通过转动副十五115连接在第三初级滑套3f上，

第三初级滑套3f套装在第三大臂3c上；

第三大臂3c一端通过转动副四十140连接在第一转轴1b上，

第三大臂3c另一端通过转动副四十一141连接在第二转轴2b上；

如图5～7所示：

小臂100一端通过转动副六十五165连接在第一连接块1n上，

小臂100另一端固定连接在第二连接块2n上；

第二末级滑套2p、第三末级滑套3p、第四末级滑套4p和第五末级滑套5p依次套装在小臂100上；

第一导杆1q下端固定连接在第一连接块1n上，

第一末级滑套1p套装在第一导杆1q上；

第一连杆1一端通过转动副十三113连接在第一末级滑套1p上，

第一连杆1另一端通过转动副十四114与第二连杆2一端连接，

第二连杆2另一端固定连接在小臂100上；

如图16所示：

第二末级从动杆2k一端也通过转动副八108连接在第二初级滑套2f上，

第二末级从动杆2k另一端通过转动副四十二142连接在第一末级滑套1p上；

如图8～9所示：

第一末级从动杆1k一端也通过转动副三103连接在第一初级滑套1f上，

第一末级从动杆1k另一端通过转动副四十五145连接在第四末级滑套4p上；

第四末级滑套4p与第五末级滑套5p之间通过转动副十六连接，

第三连杆3一端通过转动副十七117连接在第五末级滑套5p上，

第三连杆3另一端通过转动副十八118连接在第六末级滑套6p上，

第六末级滑套6p套装在第四连杆4上，

第四连杆4一端通过转动副十九连接在第二连接块2n上，

第四连杆4另一端通过转动副二十120在第五三角件5h的第一角上，

第五连杆5一端通过转动副二十一121连接在第六末级滑套6p上，

第五连杆5另一端通过转动副二十二122连接在第五三角件5h的第二角，

第六连杆6一端通过转动副二十三123连接在第五三角件5h的第三角，

第六连杆6另一端通过转动副二十四124连接在第七末级滑套7p上，

第七末级滑套7p套装在第七连杆7上，

如图10～12所示：

第三末级从动杆3k一端也通过转动副十五115连接在第三初级滑套3f上，

第三末级从动杆3k另一端通过转动副二十五125连接在第二末级滑套2p上；

第二末级滑套2p与第三末级滑套3p之间通转动副二十六连接，

第八连杆8一端通过转动副二十七127连接在第三末级滑套3p上，

第八连杆8另一端通过转动副二十八128连接在第八末级滑套8p上，

第八末级滑套8p套装在第九连杆9上，

第九连杆9一端通过转动副二十九129连接在第二连接块2n上，

第九连杆9另一端通过转动副三十130连接在第十连杆10上，

第十一连杆11一端通过转动副三十一131连接在第八末级滑套8p上，

第十一连杆11另一端通过转动副三十二132连接在第十连杆10一端，

第十连杆10另一端通过转动副三十三133连接在第七连杆7上，

第七连杆7一端也通过转动副二十120连接在第五三角件5h的第一角，

第七连杆7另一端通过转动副三十四134连接在第三连接块3n上，

如图13～15所示：

第二导杆2q一端固定连接在第三连接块3n上，

第九末级滑套9p套装在第二导杆2q上；

第十二连杆12一端通过转动副三十五135连接在第七末级滑套7p上，

第十二连杆12另一端通过转动副三十六136连接在第九末级滑套9p上，

第十三连杆13一端通过转动副三十七137连接在第三连接块3n上，

第十三连杆13另一端固定连接在执行器98上，

第十四连杆14一端通过转动副三十八138连接在第九末级滑套9p上，

第十四连杆14另一端通过转动副三十九139连接在第十五连杆15上，

第十五连杆15另一端固定连接在第十三连杆13上。

进一步的，

所述转动副十三113、转动副十四114、转动副六十五165、转动副二十六和转动副十六的转动平面平行于小臂100的径向截面。

进一步的，

转动副三十七137、转动副三十八138和转动副三十九139的转动平面平行于第十三连杆13的径向截面。

进一步的，

转动副一101、转动副二102、转动副三103、转动副四104、转动副五105、转动副六106、转动副七107、转动副八108、转动副九109、转动副十110、转动副十一111、转动副十二112、转动副十五115、转动副十七117、转动副十八118、转动副十九119、转动副二十120、转动副二十一121、转动副二十二122、转动副二十三123、转动副二十四124、转动副二十五125、转动副二十七、转动副二十八、转动副二十九、转动副三十130、转动副三十一131、转动副三十二132、转动副三十三133、转动副三十四134、转动副三十五135、转动副三十六136、转动副四十140、转动副四十一141、转动副四十二142和转动副四十五145的转动平面平行于小臂100的轴向截面。

进一步的，

转动副一101由第一伺服电机1a驱动，

转动副六106由第二伺服电机2a驱动，

转动副十一111由第三伺服电机3a驱动。

进一步的，

所述第二连杆2和第一导杆1q都垂直于小臂100，

所述第十五连杆15和第二导杆2q都垂直于第十三连杆13。

进一步的，

所述第二末级滑套2p、第三末级滑套3p、第四末级滑套4p和第五末级滑套5p均为正六面体，开设有轴向圆形通孔；小臂100为圆柱杆；第二末级滑套2p、第三末级滑套3p、第四末级滑套4p和第五末级滑套5p通过轴向圆形通孔套装在小臂100上。

第一伺服电机通过包括第一主动杆的传动链驱动第二末级滑套在小臂上做前后滑动，第二伺服电机通过包括第二主动杆的传动链驱动小臂旋转，小臂通过传动链带动执行器在工作平面上做左右摆动，第三伺服电机通过包括第三主动杆的传动链驱动第四末级滑套在小臂上做前后滑动，第二末级滑套和第四末级滑套通过由第一连杆至第十五连杆构成的传动链传递后驱动执行器做仰角的调整。