关节轴为全闭环控制的平面机器人的制作方法

1.本实用新型涉及平面机器人技术领域，具体涉及一种关节轴为全闭环控制的平面机器人。


背景技术：

2.近年来，随着劳动力成本不断上涨，传统制造业正逐渐向智能化转型，工业机器人因其低成本、高效率等优点，被应用至各个领域，呈现出强劲的发展态势。
3.3c产品是计算机类、通信类和消费类电子产品三者的统称。目前3c行业高度发展，各类电子产品层出不穷。3c电子产品要求便于携带，同时又追求强大的功能，因此内部的结构越来越精细，装配难度越来越高。另一方面，随着我国制造业转型，靠以往人工为主的装配方式越来越难以为继，因此亟需高精度高智能的工业机器人完成精密复杂零件的装配工作。
4.在笔电和手机装配线中，scara是常用的平面机器人。传统的scara通过机械优化、伺服优化、控制系统优化，scara机器人的重复定位精度可以做到误差
±
0.01mm以内，然而由于scara采用半闭环控制，scara的绝对定位精度难以提高，误差一般在
±
0.1mm以上。在搭配视觉进行高精密装配时，这样的绝对定位精度显然难以满足使用要求。
5.绝对定位精度：是空间实体位置信息(通常为坐标)与其真实位置之间的接近程度。
6.重复定位精度：重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同程序、相同代码加工一批零件，所得到连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位精度是成正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题是：提高平面机器人的绝对定位精度，以满足在搭配视觉进行高精密装配的使用要求。
8.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
9.本实用新型提供了一种关节轴为全闭环控制的平面机器人，包括底座，所述底座内部竖直的设有导轨，导轨滑动连接有升降安装座，升降安装座上设有升降筒，升降筒上端伸出底座并沿自身横向设有大臂，大臂的自由端设有小臂，小臂的自由端设有输出部件；所述底座安装有能驱动升降安装座升降的第一驱动机构；所述升降筒安装有能驱动大臂绕升降筒轴线旋转的第二驱动机构，第二驱动机构的输出端设有第一传动杆，第一传动杆连接有第一编码器；所述大臂安装有能驱动小臂绕小臂的约束端旋转的第三驱动机构，第三驱动机构的输出端设有第二传动杆，第二传动杆连接有第二编码器；所述小臂安装有能驱动输出部件旋转的第四驱动机构。
10.本实用新型的有益效果是：大臂、小臂是机器人连杆最长的部分，通过双编码器实
现了大臂、小臂的全闭环控制，显著消除机器人的绝对定位误差，从而极大提升了机器人的绝对定位精度，能用于配合视觉进行高精密装配。此外，通过升降筒升降和大臂、小臂、输出部件的旋转运动，形成了四轴运动，从而可带动外部操作工具进行复杂运动。
11.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
12.进一步地，所述第一驱动机构包括丝杠传动机构或升降气缸。
13.采用该进一步方案的有益效果在于：相比于一般的皮带传动，传动精度提升，传动刚度增强，传动精度高。
14.进一步地，所述底座的侧面或/和底部还设有可开合的维护窗口。
15.采用该进一步方案的有益效果在于：方便进行内部零件维护。
16.进一步地，所述第一同步带位于底座的底部，底座的底部还设有同步带维护窗口。
17.采用该进一步方案的有益效果在于：方便进行内部零件维护，且节省底座内部空间。
18.进一步地，所述第二驱动机构包括相互传动连接的中空电机、第一中空减速机，中空电机安装在所述升降筒上，第一中空减速机的输出端与所述大臂联接，所述第一传动杆贯穿中空电机并与第一中空减速机的输出端连接。
19.采用该进一步方案的有益效果在于：通过第一传动杆将第一中空减速机输出端的运动传递至后部的第一编码器，实现全闭环控制，提高运动精度。
20.进一步地，第一传动杆为中空结构。
21.采用该进一步方案的有益效果在于：第一传动杆的中空结构可用于布设机器人线缆，大臂的转动不与机器人线缆产生干涉，提高系统安全性。
22.进一步地，所述大臂的约束端设有可用于布设机器人线缆的线缆通槽，线缆通槽连通升降筒的上端。
23.采用该进一步方案的有益效果在于：便于隐藏机器人线缆，大臂旋转时不会对机器人线缆造成挤压。
24.进一步地，所述第三驱动机构包括第二电机、第二中空减速机，第二电机与第二中空减速机之间通过第二同步带传动连接，第二电机安装于所述大臂上，第二中空减速机的输出端分别与所述小臂、第二传动杆联接。
25.采用该进一步方案的有益效果在于：通过第二传动杆将第二中空减速机输出端的运动传递至后部的第二编码器，实现全闭环控制，提高运动精度。
26.进一步地，所述第二传动杆远离小臂的一端伸入大臂内部并连接有第二编码器，第二传动杆为中空结构。
27.采用该进一步方案的有益效果在于：第二传动杆的中空结构可用于布设机器人线缆，小臂的转动不与机器人线缆产生干涉，提高系统安全性。
28.进一步地，所述第四驱动机构包括第三电机、从动锥齿轮，第三电机安装于小臂上，第三电机的输出端通过主动锥齿轮与从动锥齿轮联接，从动锥齿轮与所述输出部件同轴安装。
29.采用该进一步方案的有益效果在于：相比于一般的皮带传动，传动精度提升，传动刚度增强，传动精度高。
30.进一步地，所述从动锥齿轮与输出部件之间还设有交叉滚子轴承，交叉滚子轴承
外圈与小臂连接，交叉滚子轴承内圈分别与从动锥齿轮、输出部件连接。
31.采用该进一步方案的有益效果在于：提高传动刚度，消除输出部件相对于小臂之间的位置误差。
32.进一步地，还包括贯穿输出部件、从动锥齿轮且为中空的过线筒，过线筒与从动锥齿轮通过轴承连接，过线筒一端伸入小臂内部。
33.采用该进一步方案的有益效果在于：方便布设线缆，且紧凑性好，避免线缆与传动部件发生干涉。
34.进一步地，所述输出部件为法兰。
35.采用该进一步方案的有益效果在于：连接方便。
36.进一步地，主动锥齿轮周向与小臂之间设有油封，小臂正对过线筒的部分安装有油封安装座，过线筒周向与油封安装座之间设有油封，过线筒周向与输出部件之间设有油封，输出部件周向与小臂之间设有油封。
37.采用该进一步方案的有益效果在于：防止润滑油泄漏。
附图说明
38.图1为本实用新型的结构示意图。
39.图2为图1的a部详图。
40.图3为图1的b部详图。
41.图4为图1的c部详图。
42.图5为图1的d部详图。
43.图6为本实用新型的外部视图。
44.附图中，各附图标记所代表的技术特征如下：
45.1-底座；2-导轨；3-升降安装座；4-升降筒；5-大臂；6-小臂；7-第一驱动机构；8-第二驱动机构；9-第一传动杆；10-第一编码器；11-第三驱动机构；12-第二传动杆；13-第二编码器；14-第四驱动机构；15-输出部件；16-第一电机；17-丝杆；18-第一同步带；19-丝杆维护窗口；20-同步带维护窗口；21-中空电机；22-第一中空减速机；23-线缆通槽；24-机器人线缆；25-第二电机；26-第二中空减速机；27-第二同步带；28-第三电机；29-从动锥齿轮；30-主动锥齿轮；31-交叉滚子轴承；32-过线筒；33-油封；34-油封安装座。
具体实施方式
46.以下对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
47.本实用新型参见图1-6。
48.实施例一，如图1、6所示：
49.本实用新型提供了一种关节轴为全闭环控制的平面机器人，包括底座1，所述底座1内部竖直的设有导轨2，导轨2滑动连接有升降安装座3，升降安装座3上设有升降筒4，升降筒4上端伸出底座1并沿自身横向设有大臂5，大臂5的自由端设有小臂6，小臂6的自由端设有输出部件15；所述底座1安装有能驱动升降安装座3升降的第一驱动机构7；所述升降筒4安装有能驱动大臂5绕升降筒4轴线旋转的第二驱动机构8，第二驱动机构8的输出端设有第
一传动杆9，第一传动杆9连接有第一编码器10；所述大臂5安装有能驱动小臂6绕小臂6的约束端旋转的第三驱动机构11，第三驱动机构11的输出端设有第二传动杆12，第二传动杆12连接有第二编码器13；所述小臂6安装有能驱动输出部件15旋转的第四驱动机构14。
50.注：“所述大臂5安装有能驱动小臂6绕小臂6的约束端旋转的第三驱动机构11”，由于小臂6与大臂5连接的一端更靠近底座1，自由度更小，所以为小臂6的约束端。第一编码器10的固定端可与第二驱动机构8的固定端或底座1连接，第二编码器13的固定端可与第二中空减速机26的固定端或大臂5连接。
51.原理：使用时，输出部件15用于连接外部操作工具。通过升降筒4升降和大臂5、小臂6、输出部件15的旋转运动，形成了四轴运动，从而可带动外部操作工具进行复杂运动。二三轴由于连接了机器人连杆最长的大臂5和小臂6，是机器人绝对定位误差贡献最大的两个关节。二三轴采用全闭环控制可以显著消除机器人的绝对定位误差，从而极大提升机器人的绝对定位精度。本实用新型采用双编码器，即，第一编码器10设于第二驱动机构8的输出端用于反馈大臂5的位移量，第二编码器13设于第三驱动机构11的输出端用于反馈小臂6的位移量，实现了全闭环控制，消除了大臂5、小臂6的传动中间环节带来的误差，将运动精度提升一个数量级，甚至更高。从而使得该机器人的绝对定位精度极大提升，可以配合视觉进行高精密装配。例如，假如机器人大臂5长度320mm，若采用半闭环控制，由于零部件精度、弹性变形等误差，一般传动皮带、减速机等中间传动环节造成
±
0.04
°
的角度运动误差，则大臂5造成的最大绝对定位误差就达到了
±
0.22mm。大臂5造成的最大绝对定位误差计算公式：l＝2π
·
320mm
·
(0.04
°
/360
°
)≈0.22mm。
52.注：传统的平面机器人一般在电机上都装有编码器，例如伺服电机的输出端就有编码器，例如本实用新型的第一驱动机构7、第二驱动机构8、第三驱动机构11、第四驱动机构14；更详细的，例如本实用新型的第一电机16、中空电机21、第二电机25、第三电机28的输出端都有编码器或为伺服电机，但这种优化只有相应的减速机输入端有编码器，只能单向控制减速机输入端，因此只能称之为半闭环控制。本实用新型在此基础上增加了第一编码器10、第二编码器13，对大臂5、小臂6的角位移采用全闭环控制，因此消除了大臂5、小臂6的传动中间环节带来的误差，将运动精度提升一个数量级，甚至更高，带来了意想不到的技术效果。
53.采用本实用新型的有益效果是：大臂5、小臂6是机器人连杆最长的部分，通过双编码器实现了大臂5、小臂6的全闭环控制，显著消除机器人的绝对定位误差，从而极大提升了机器人的绝对定位精度，能用于配合视觉进行高精密装配。此外，通过升降筒4升降和大臂5、小臂6、输出部件15的旋转运动，形成了四轴运动，从而可带动外部操作工具进行复杂运动。
54.实施例二，如图1、2所示：
55.进一步地，所述第一驱动机构7包括安装在底座1上的第一电机16、丝杆17，所述丝杠竖直布置且两端分别与底座转动连接；第一电机16与丝杆17传动连接，丝杆17与升降安装座3形成丝杆副。
56.采用该进一步方案的有益效果在于：相比于一般的皮带传动，传动精度提升，传动刚度增强，传动精度高。
57.进一步地，所述第一电机16的动力输出端朝下布置，所述第一电机16的动力输出
端与丝杆17之间通过第一同步带18传动连接；所述底座1的侧面还设有可开合的丝杠维护窗口19，所述第一同步带18位于底座1的底部，底座1的底部还设有同步带维护窗口20。
58.采用该进一步方案的有益效果在于：方便进行内部零件维护，且节省底座1内部空间。
59.实施例三，如图1、3、6所示：
60.进一步地，所述第二驱动机构8包括相互传动连接的中空电机21、第一中空减速机22，中空电机21安装在所述升降筒4上，第一中空减速机22的输出端与所述大臂5联接，所述第一传动杆9贯穿中空电机21并与第一中空减速机22的输出端连接。
61.注：中空减速机的输出端为中空结构，可以同时和大臂5、第一传动杆9连接。
62.采用该进一步方案的有益效果在于：通过第一传动杆9将第一中空减速机22输出端的运动传递至后部的第一编码器10，实现全闭环控制，提高运动精度。
63.进一步地，第一传动杆9为中空结构。(大臂线缆布设实施例一)
64.采用该进一步方案的有益效果在于：第一传动杆9的中空结构可用于布设机器人线缆，大臂5的转动不与机器人线缆产生干涉，提高系统安全性。
65.进一步地，所述大臂5的约束端设有可用于布设机器人线缆24的线缆通槽23，线缆通槽23连通升降筒4的上端。(大臂线缆布设实施例二)
66.注：“所述大臂5的约束端设有
……”
，由于大臂5与升降筒4连接的一端自由度比另一端更小，所以为大臂5的约束端。
67.采用该进一步方案的有益效果在于：便于隐藏机器人线缆24，大臂5旋转时不会对机器人线缆24造成挤压。
68.实施例四，如图1、4所示：
69.进一步地，所述第三驱动机构11包括第二电机25、第二中空减速机26，第二电机25与第二中空减速机26之间通过第二同步带27传动连接，第二电机25安装于所述大臂5上，第二中空减速机26的输出端分别与所述小臂6、第二传动杆12联接。
70.注：中空减速机的输出端为中空结构，可以同时和小臂6、第二传动杆12连接。
71.采用该进一步方案的有益效果在于：通过第二同步带27，保证传动刚度的同时，将第二中空减速机26的中空空间节约出来，用于安装第二传动杆12和第二编码器13；通过第二传动杆12将第二中空减速机26输出端的运动传递至后部的第二编码器13，实现全闭环控制，提高运动精度。
72.进一步地，所述第二传动杆12远离小臂6的一端伸入大臂5内部并连接有第二编码器13，第二传动杆12为中空结构；第二电机25、第二中空减速机26沿竖向布置。
73.采用该进一步方案的有益效果在于：第二传动杆12的中空结构可用于布设机器人线缆24，小臂6的转动不与机器人线缆24产生干涉，提高系统安全性；第二电机25、第二中空减速机26沿竖向布置，小臂6可沿水平面旋转，配合大臂5，可控制外部工具沿平面作出复杂轨迹，且精确度高。
74.实施例五，如图1、5所示：
75.进一步地，所述第四驱动机构14包括第三电机28、从动锥齿轮29，第三电机28安装于小臂6上，第三电机28的输出端通过主动锥齿轮30与从动锥齿轮29联接，从动锥齿轮29与所述输出部件15同轴安装。
76.采用该进一步方案的有益效果在于：相比于一般的皮带传动，传动精度提升，传动刚度增强，传动精度高。
77.进一步地，所述从动锥齿轮29与输出部件15之间还设有交叉滚子轴承31，交叉滚子轴承31外圈与小臂6连接，交叉滚子轴承31内圈分别与从动锥齿轮29、输出部件15连接；所述从动锥齿轮29沿竖向布置，第三电机28的输出端沿横向布置。
78.采用该进一步方案的有益效果在于：提高传动刚度，消除输出部件15相对于小臂6之间的位置误差；从动锥齿轮29沿竖向布置，配合大臂5、小臂6，可控制外部工具沿平面作出复杂轨迹，且精确度高。
79.进一步地，还包括贯穿输出部件15、从动锥齿轮29且为中空的过线筒32，过线筒32与从动锥齿轮29通过轴承连接，过线筒32一端伸入小臂6内部。
80.注：实际使用中，输出部件15是用于安装外部操作工具的，例如焊枪等，并能够驱动外部操作工具偏转或旋转。而通过过线筒32，可用于布设外部操作工具的线缆，实际应用中，操作人员根据实际是否需要，可在小臂6上正对过线筒32开设孔，用于穿过线缆，或者将线缆沿着小臂6，与机器人线缆24一同布设。
81.采用该进一步方案的有益效果在于：方便布设线缆，且紧凑性好，避免线缆与传动部件发生干涉。
82.进一步地，所述输出部件15为法兰。
83.采用该进一步方案的有益效果在于：连接方便。
84.进一步地，主动锥齿轮30周向与小臂6之间设有油封33，小臂6正对过线筒32的部分安装有油封安装座34，过线筒32周向与油封安装座34之间设有油封33，过线筒32周向与输出部件15之间设有油封33，输出部件15周向与小臂6之间设有油封33。
85.采用该进一步方案的有益效果在于：防止润滑油泄漏。
86.在本实用新型的描述中，需要理解的是，如果出现了指示方位、方向或位置关系的描述用语，例如：“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，在本说明书中指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便理解本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的部分、元件或整体必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
87.此外，如果出现了次序描述用语，例如：“第一”、“第二”等，在本说明书中的用途是为了便于理解或简化描述，例如，为了区分多个具有相同类型或功能的技术特征，而又不得不单独提及时，本说明书可能采用前缀或后缀次序描述用语的方式将其区分。因此，不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
88.在本实用新型中，如果采用了结构相对作用关系描述用语，例如：“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，除非另有明确的规定和限定，否则应做广义的理解。例如，“安装”、“相连”、“连接”等，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系；“固定”可以是形成一体的固定，也可以是通过紧固件可拆卸的
固定；可以是直接固定，也可以是通过中间媒介固定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况、所处的语境、前后文的文意连贯性等理解上述描述用语在本实用新型中的具体含义。
89.在本实用新型中，如果出现了含有附属或连接含义的描述用语，例如，第一特征在第二特征“上”或“下，除非另有明确的规定和限定，否则不应做限定性的理解，例如，“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，也可以是第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况、所处的语境、前后文的文意连贯性等理解上述描述用语在本实用新型中的具体含义。
90.进而，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
91.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述，并不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例、示例以及不同实施例、示例的特征进行结合和组合，这些结合或组合都应归入本实用新型所概括的范围之内。
92.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在其公开渠道可以获得的信息范围内，结合本技术文件所给出的技术启示，可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。