一种四自由度直角坐标机器人

1.本实用新型设计工业机器人领域，尤其涉及一种高精度多功能的四自由度直角坐标机器人。


背景技术：

2.工业机器人是集电子、控制、机械、计算机、传感器、以及人工智能大数据等多种学科于一身的针对多关节或多自由度的自动化智能设备，对现代制造业起十分重要的作用。机器人因为有着操作灵活、智能化水平较高的特性所以能满足于现代工业产品多样化的需求，而现在的四自由度直角坐标机器人普遍受自由度个数和运行精度的影响，不能满足于更加复杂的工作环境的要求。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种四自由度直角坐标机器人，能够实现空间四个自由度的运动，且增多了四自由度直角坐标机器人的功能样式以及提高了运行定位精度。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种四自由度直角坐标机器人，所述机器人包括y轴运动模组、x轴运动模组和z轴运动模组，y轴运动模组、x轴运动模组和z轴运动模组相互垂直设置，z轴带有两个自由度的运动；
6.所述y轴运动模组包括y轴支撑底座、y轴步进电机、y轴导轨、y轴滑块、 y轴同步带夹板、y轴同步带、y轴同步带支撑座、y轴传动轴，所述y轴步进电机通过螺栓固定在所述的支撑底座上，所述y轴滑块契合在所述y轴导轨上，所述y轴导轨通过螺栓固定在所述y轴支撑底座上，所述y轴同步带夹板固定所述y轴同步带在所述y轴滑块上，所述y轴同步带两端设有与其配合的同步带传动齿轮，所述的同步带传动齿轮通过所述y轴传动轴与轴承配合支撑在所述y轴同步带支撑座上，所述y轴步进电机的转子通过联轴器和所述y轴传动轴相连带动所述同步带传动齿轮转动，所述同步带传动齿轮带动所述y轴同步带直线运动，所述y轴同步带通过所述y轴同步带夹板带动所述滑块沿着 y轴导轨同步做往复运动；
7.所述x轴运动模组包括x轴导轨支撑板、x轴连接架、x轴导轨、x轴滑块、x轴滑块同步带夹板和x轴步进电机，所述x轴步进电机通过螺栓固定在所述的x轴导轨支撑板上，所述x轴滑块契合在所述x轴导轨上，所述x轴导轨通过螺栓固定在所述x轴支撑板上，所述x轴同步带夹板固定所述x轴同步带在所述x轴滑块上，所述x轴同步带两端设有与其配合的同步带传动齿轮，所述同步带齿轮通过所述x轴传动轴与轴承配合支撑在所述x轴同步带支撑板上，所述x轴步进电机的转子通过联轴器和所述x轴传动轴相连带动所述同步带传动齿轮所述同步带齿轮带动所述x轴同步带直线运动，所述x轴同步带通过所述x轴同步带夹板带动所诉滑块沿着x轴导轨同步做往复运动；
8.所述z轴运动模组包括z轴外箱、z轴滚珠花键连接板、z轴滚珠丝杠花键模组、z轴
伺服电机、z轴同步带和z轴电机固定板，所述z轴外箱固定在所述x轴所述同步带夹板上，所述z轴滚珠丝杠花键模组的滚珠丝花键通过螺栓固定在所述z轴滚珠花键连接板上，所述z轴滚珠丝杠花键模组的滚珠丝杠螺母通过螺栓固定在所述z轴外箱的上盖上，所述z轴滚珠丝杠花键模组的丝杠螺母和丝杠花键通过螺栓和所述z轴同步带轮连接，所述z轴伺服电机带动所述z轴同步带转动，所述z轴同步带带动另一端所述同步带轮转动，所述同步带轮带动所述丝杠和花键转动，所述丝杠和花键带动所述z轴滚珠丝杠花键模组中的滚珠丝杠实现z轴上下以及旋转运动。
9.进一步，所述y轴运动模组的数量为两组，分别为第一y轴运动模组和第二y轴运动模组，所述第一y轴运动模组和所述第二y轴运动模组平行间隔设置。
10.再进一步，所述x轴运动模组也分为第一x轴运动模组和第二x轴运动模组，所述第一x轴运动模组和第二x轴运动模组平行设置，所述第一x轴运动模组和所述第二x轴运动模组的一端架设在所述第一y轴运动模组的所述y轴滑块同步带压板模块上，所述第一x轴运动模组和所述第二x轴运动模组的另一端架设在所述第二y轴运动模组的所述的y轴滑块同步带压板模块上，所述 y轴运动模组和所述x轴运动模组形成龙门框架结构。
11.更进一步，所述y轴运动模组还包括第一同步带、第二同步带、第一同步带轮、第二同步带轮第三同步带轮和第四同步带轮，通过所述第一同步带和第二同步带实现y轴向的直线往复运动；
12.所述y轴第一同步轮和所述第二同步带轮尺寸相等，所述第一同步带轮和所述第二同步带轮设置在所述第一同步带两端，实现1:1的传动比，所述第三同步带轮和所述第四同步带轮的尺寸相等，所述第三同步带轮和所述第四同步带轮设置在所述第二同步带的两端，实现1:1的传动比。
13.所述x轴运动模组还包括第一同步带、第二同步带、第一同步带轮、第二同步带轮第三同步带轮和第四同步带轮，通过所述第一同步带和第二同步带实现x轴向的直线往复运动；
14.所述x轴第一同步轮和所述第二同步带轮尺寸相等，所述第一同步带轮和所述第二同步带轮设置在所述第一同步带两端，实现1:1的传动比，所述第三同步带轮和所述第四同步带轮的尺寸相等，所述第三同步带轮和所述第四同步带轮设置在所述第二同步带的两端，实现1:1的传动比。
15.所述y轴第一运动模组和第二运动模组只通过所述y轴步进电机传动，为实现所述y轴第一运动模块和y轴第二运动模块的同步运动，在所述y轴第一运动模块和y轴所述第二运动模块之间用一根连接轴连接同步带动。
16.所述x轴第一运动模组和第二运动模组只通过所述x轴步进电机传动，为实现所述x轴第一运动模块和x轴第二运动模块的同步运动，在所述x轴第一运动模块和x轴所述第二运动模块之间用一根连接轴连接同步带动。
17.所述z轴运动模块可以实现绕z轴旋转和z轴直线方向的运动，所述z轴运动模块设有一个外箱，所述外箱具有固定配件以及防尘的作用，所述z轴运动模块设置有滚珠丝杠花键传动模块，z轴第一伺服电机和z轴第二伺服电机分别通过所述z轴第一同步带模块和所述第二同步带传动模块带动所述滚珠丝杠花键和所述滚珠丝杠螺母转动，再实现所述滚珠丝杠的上下运动和旋转。
18.优选的，所述机器人还包括限位开关；所述x轴直线导轨的两端均设置有所述限位开关，所述y轴直线导轨的两端均设置有所述限位开关。
19.本实用新型的有益效果是：本实用新型的四自由度直角坐标机器人，该四自由度直角坐标机器人能够实现四个自由度的运动，在z轴方向通过滚珠丝杠花键模组实现直线运动以及转动，且在y轴方向和x轴方向上采用步进电机驱动，并通过定位传感器作为检测反馈，提高定位以及运行精度。
附图说明
20.图1为本实用新型的四自由度直角坐标机器人一实施例立体图；
21.图2为图1所示四自由度直角坐标机器人的主视图；
22.图3为图1所示四自由度直角坐标机器人的俯视图；
23.图4为图1所示四自由度直角坐标机器人的侧视图。
24.图中：
25.y轴运动模组1：101
‑
y轴步进电机、102
‑
y轴联轴器、103
‑
y轴第一连接轴、 104
‑
y轴第一轴承、105
‑
y轴第二轴承、106
‑
y轴第三轴承、107
‑
y轴第四轴承、108
‑
y轴第五轴承、109
‑
y轴第六轴承、110
‑
y轴的七轴承、111
‑
y轴第八轴承、 (112
‑
119)
‑
y轴第一至第八轴承座、120
‑
y轴第二连接轴、121
‑
y轴第三连接轴、122
‑
y轴第一同步带、123
‑
y轴第二同步带、124
‑
y轴第一导轨、125
‑
y轴第二导轨、(126
‑
129)
‑
y轴第一至第四滑块同步带压板模组、130
‑
y轴连接板、 131
‑
y轴支撑底座、(132
‑
135)
‑
y轴同步带轮。
26.x轴运动模组2：201
‑
x轴步进电机、202
‑
x轴联轴器、203
‑
x轴第一连接轴、 204
‑
x轴第一轴承、205
‑
x轴第二轴承、206
‑
x轴第三轴承、207
‑
x轴第四轴承、 208
‑
x轴第五轴承、209
‑
x轴第六轴承、210
‑
x轴的七轴承、211
‑
x轴第八轴承、 (212
‑
219)
‑
x轴第一至第八轴承座、220
‑
x轴第二连接轴、221
‑
x轴第三连接轴、222
‑
x轴第一同步带、223
‑
x轴第二同步带、224
‑
x轴第一导轨、225
‑
x轴第二导轨、(226
‑
229)
‑
x轴第一至第四滑块同步带压板模组、230
‑
x轴连接板、 231
‑
x轴支撑底座、(232
‑
235)
‑
y轴同步带轮。
27.z轴运动模组3：310
‑
z轴第一伺服电机、302
‑
z轴第二伺服电机、303
‑
z轴第一伺服电机固定板、304
‑
z轴第二伺服电机固定板、305
‑
z轴第一同步带轮、 306
‑
z轴第二同步带轮、307
‑
z轴第三同步带轮、308
‑
z轴第四同步带轮、309
‑
z 轴滚珠丝杠花键固定板、310
‑
z轴外箱、311
‑
z轴滚珠丝杠花键、312
‑
z轴滚珠丝杠螺母、313
‑
z轴滚珠丝杠、314
‑
z轴机械抓手模块。
具体实施方式
28.为了使本实用新型的技术方案更加清楚，结合一下附图，对本实用新型的四自由度直角坐标机器人作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型并不限于本实用新型。
29.参见图1至图4，如图1所示，本实用新型一实施例的直角坐标机器人，包括y轴运动模组1，x轴运动模组2，z轴运动模组3，且y轴运动模组1，x轴运动模组和z轴运动模组相互垂直设置，z轴带有两个自由度的运动，这样设置使得该直角坐标机器人能实现四个自由度的运动。
30.其中y轴运动模组1分为y轴第一运动模组和y轴第二运动模组，包括y轴步进电机101，y轴联轴器102、y轴第一连接轴103、y轴第二连接轴120、y 轴第三连接轴121、y轴第一轴承104、y轴第二轴承105、y轴第三轴承106、y 轴第四轴承107
‑
111、y轴第一轴承座112、y轴第二轴承座113、y轴第三轴承座114、y轴第四轴承座115、y轴第五轴承座116、y轴第六轴承座117、y轴第七轴承座118、y轴第八轴承座119、y轴支撑底座131、y轴第一同步带轮132、 y轴第二同步带轮133、y轴第三同步带轮、y轴第四同步带轮135、y轴连接板 130、y轴第一导轨124、y轴第二导轨125、y轴第一至第四滑块同步带夹板模块(126
‑
129)、y轴第一同步带122、y轴第二同步带123，y轴步进电机101的定子固定在y轴的支撑座131上，电机的转子通过y轴联轴器102和y轴第一连接轴103相连。y轴步进电机101带动y轴第一连接轴103旋转，y轴第一连接轴通过键传动带动y轴第一同步带轮132转动，y轴第一同步带轮132通过齿轮传动带动y轴第一同步带122运动。y轴第一连接轴103通过y轴第一轴承 104和y轴第二轴承105支撑在y轴第一轴承座112和y轴第二轴承座113上。 y轴第一同步带122的另一端和y轴第二同步带轮133，y轴第二连接轴120穿过第二同步带轮通过y轴第三轴承106和y轴第四轴承107固定在y轴第三轴承座114和y轴第四轴承座115上。在本实施例中，y轴滑块同步带夹板木块的结构分为滑块、上夹板1和下夹板2，下夹板通过螺钉固定在y轴同步带滑块 111上，下夹板2朝上的面是齿形面，且该面和同步带内面相互啮合，再将y轴同步带上夹板1、y轴同步带和y轴同步带夹板下夹板2固定在一起。
31.y轴第一运动模组中的y轴第一滑块同步带压板模块126和y轴第二滑块同步带压板模块契合在y轴第一导轨124上，y轴第一导轨固定在y轴连接板130 上。在实施例中，为实现安装的稳定性及平衡性，y轴第一导轨和y轴第二导轨上分别设有两个滑块，共四个滑块，并保持已设定的距离。
32.y轴第二运动模组的布置结构和y轴第一运动模组对称，在此不过多叙述。
33.y轴运动模组的y轴步进电机旋转带动y轴第一连接轴转动，同时带动y轴第一同步带轮123和y轴第三同步带轮134转动，再带动y轴第一同步带122 和y轴第二同步带123同时运动，因为y轴同步带和y轴滑块同步带压板模块固定在一起，从而实现将同步带的饿运动转化为滑块的直线运动。
34.其中x轴运动模组1分为x轴第一运动模组和x轴第二运动模组，包括x轴步进电机201，x轴联轴器202、x轴第一至第三连接轴(203、220、221)、x轴第一至第八轴承(204
‑
211)、x轴第一至第八轴承座(212
‑
219)、x轴支撑板231、 x轴第一至第三同步带轮(232
‑
235)、x轴第一至第二同步带(222、223)、x轴连接板230、x轴第一至第二导轨(224、225)、x轴第一至第四滑块同步带压板 (226
‑
229)，x轴步进电机201的定子固定在x轴的支撑座231上，电机的转子通过x轴联轴器202和x轴第一连接轴203相连。x轴步进电机201带动x轴第一连接轴203旋转，x轴第一连接轴通过键传动带动x轴第一同步带轮232转动， x轴第一同步带轮通过齿轮传动带动x轴第一同步带222运动。x轴第一连接轴203通过x第一轴承204和x轴第二轴承205支撑在x轴第一轴承座212和x轴第二轴承座213上。x轴第一同步带222的另一端和x轴第二同步带轮233，x 轴第二连接轴220穿过轴第二同步带轮通过x轴第三轴承206和第四轴承207 固定在x轴第三轴承座214和x轴第四轴承座215上。在本实施例中，x轴滑块同步带夹板木块的结构分为滑块、上夹板1和下夹板2，下夹板通过螺钉固定在 x轴同步带滑块211上，下夹板2朝上的面是齿形面，且该面和同步带内面相互啮合，再将x轴同步带上夹板1、x轴同
步带和x轴同步带夹板下夹板2固定在一起。
35.x轴运动模块的第一x轴支撑板和x轴第二支撑板架设在y轴的四个y轴滑块同步带压板上，保持同一水平位置，同步运动。
36.x轴第二运动模组的布置结构和x轴第一运动模组对称，在此不过多叙述。
37.x轴运动模组的x轴步进电机旋转带动x轴第一连接轴转动，同时带动x轴第一同步带轮223和x轴第三同步带轮234转动，再带动x轴第一同步带222 和x轴第二同步带223同时运动，因为x轴同步带和x轴滑块同步带压板模块固定在一起，从而实现将同步带的饿运动转化为滑块的直线运动。
38.x轴第一运动模组中的x轴第一滑块同步带压板模块226和x轴第二滑块同步带压板模块契合在x轴第一导轨224上，x轴第一导轨固定在x轴连接板230 上。在实施例中，为实现安装的稳定性及平衡性，x轴第一导轨和x轴第二导轨上分别设有两个滑块，共四个滑块，并保持已设定的距离。
39.z轴运动模组包括z轴外箱310、z轴第一、第二伺服电机(301、302)、z 轴滚珠丝杠313、z轴滚珠丝杠花键311、z轴滚珠丝杠螺母312、z轴第一至第四同步带轮(305
‑
308)、z轴第一、第二同步带(305、306)、z轴滚珠丝杠花键固定板304、z轴第一、第二电机固定板(303、304)和z轴机械抓手模块314，z轴运动模组3的整体安装在x轴运动模组2的四块x轴同步带滑块压板模块上， z轴第一电机固定板303固定在z轴外箱310左侧，z轴第一伺服电机301固定在z轴电机固定板303上，z轴第一伺服电机驱动z轴第一同步带轮305转动， z轴第一同步带轮带轮传动模块带动z轴滚珠丝杠花键311的内结构转动，z轴滚珠丝杠花键311的外部固定在z轴滚珠丝杠花键固定板304上，z轴第二伺服电机302固定在z轴第二伺服电机固定板304上，z轴第二伺服电机固定板304 固定在z轴外箱310的右侧，z轴第二伺服电机302带动z轴第二同步带轮306 转动，z轴第二同步带模块带动z轴滚珠丝杠螺母312的内部转动，z轴滚珠丝杠螺母312的外部固定在z轴外箱的箱盖上。
40.在本实施例中通过对z轴第一伺服电机301和z轴第二伺服电机302的控制，实现将电机的转动转化为z轴滚珠丝杠313的旋转也直线运动。
41.其中z轴机械抓手模块314是一种夹持机构，该装置优选为电动抓手，该电动抓取机械手带有防下落功能、夹持确认功能、自锁功能、识别以及装卸检测功能等。在实际应用中该抓取机械装置可通过更换电动抓手的型号实现不同形状的抓取。该电动抓手内置夹持电机，可根据所夹持的工件不同自动调整夹持预紧力，提高抓取可行性，保证被抓取件不被破坏。夹持过程依靠对抓手内置电机的控制实现对工件的抓取和卸载。
42.本实施例中的电动执行器可以是电缸等驱动装置，包括伺服电机、同步齿形带和滚珠丝杠花键副；伺服电机驱动同步齿形带转动，同步齿形带带动滚珠丝杠花键副的滚珠螺母和滚珠花键转动，结合对两个伺服电机的并行控制，将电机的旋转转化为滚珠丝杠的旋转和直线运动，与传统的滚珠丝杠副传动比，该电动执行器可以实现多一自由度的功能需求，并且可以通过反馈系统对速度、定位精度等参数进行精确的控制，提高控制精度。
43.为了满足各种工况的要求，y轴运动模组1，x轴运动模组2、z轴运动模组 3可以分别单独进行工作，也可通过程序控制进行协同工作。
44.以下是本实用新型的四自由度直角坐标机器人的饿主要技术参数：
45.(1)各轴向行程及定位精度800mm,定位精度
±
0.05mm；
46.y轴的行程800mm,定位精度
±
0.05mm；
47.x轴的行程800mm,定位精度
±
0.05mm；
48.z轴的行程400mm,定位精度
±
0.1mm；
49.z轴的旋转行程360
°
,定位精度
±
0.1
°
；
50.(2)各轴向的最大运动速度
51.y轴的最大运行速度0.5m/s；
52.x轴的最大运行速度0.8m/s；
53.z轴的最大运行速度0.1m/s；
54.z轴的最大旋转速度375r/min；
55.夹持装置能够抓取工件最大重量为5kg
±
0.5kg。
56.本实用新型的四自由度直角坐标机器人，该自由度能够实现空间四个自由度的运动。
57.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离对本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。