一种电控元件集成式SCARA机器人的制作方法

本发明涉及工业机器人领域，具体是一种电控元件集成式scara机器人。

背景技术：

scara机器人是工业机器人领域应用范围最广的四轴工业机器人。该机器人在平面方向运动平稳，在垂直方向有较大的刚性，可广泛应用于需要高效率的装配、焊接、搬运、密封等众多场合。它的使用大大提高了机器人对复杂任务的适应性，同时也降低了成本，提高了工作空间利用率，对现代化工业生产线的多种工作场合实现机器人换人有重要意义。近年来，国内外的scara机器人产品种类越发多样化，已成为机器人领域的研究热点之一。

程汀在《scara机器人的设计及运动、动力学研究》一文中设计了滚珠丝杠和滚珠花键两根轴实现机器人末端轴回转与升降功能的腕部传动机构，并且控制丝杠旋转的第三关节电机布置在离小臂机构板一定距离的高处。但是这样的结构空间利用率不足，腕部传动机构的重心较高，影响了腕部的刚性。此外，目前工业机器人的电控柜一般都采用独立设计、独立布置的模式，这样存在电控柜独立布置集成化程度不高，接线走线布置工作繁重的难题。现有scara机器人末端轴转速不高，精度较差。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种电控元件集成式scara机器人。该机器人结构紧凑、末端轴转速高、动作灵活、精度高并将电控元件集成到机器人本体上。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种电控元件集成式scara机器人，包括大臂机构、第二关节传动机构和小臂机构；其特征在于该机器人还包括电控柜集成化底座和腕部传动机构；所述大臂机构的一端安装在电控柜集成化底座上，另一端与小臂机构连接；所述小臂机构上安装有第二关节传动机构和腕部传动机构；所述电控柜集成化底座与腕部传动机构连接；

所述电控柜集成化底座包括第一关节电机、第一关节减速器安装法兰板、底座上面板、底座前面板、底座底板、底座侧面板、底座后面板、驱动器安装板、三段式线性滑轨、驱动器、电控元件安装板和电控元件；所述电控柜集成化底座的整体结构由底座上面板、底座前面板、底座底板、两块底座侧面板和底座后面板连接围成；所述第一关节电机安装在第一关节减速器安装法兰板上，其输出轴与大臂机构连接；所述第一关节减速器安装法兰板与底座上面板连接；所述三段式线性滑轨由两侧的外轨道和中间滑轨组成；两侧的外轨道通过中间滑轨连接；一侧的外轨道与底座上面板或底座底板连接，另一侧的外轨道与驱动器安装板或电控元件安装板连接，所述驱动器安装板上安装有驱动器；所述电控元件安装板上安装有电控元件；

所述腕部传动机构包括第三关节传动机构、第四关节传动机构和精密滚珠丝杠滚珠花键轴；所述精密滚珠丝杠滚珠花键轴穿过滚珠丝杠母、滚珠丝杠母法兰板、第二同步带轮、第六同步带轮、小臂机构和滚珠花键母，其上具有竖状沟槽和螺旋沟槽，分别与滚珠丝杠母或滚珠花键母配合；

所述第三关节组件包括第三关节电机、第三关节电机安装法兰、第三关节支撑板、第三关节同步带轮组、微型电磁制动器、制动器安装板、制动器安装立柱、滚珠丝杠母、滚珠丝杠母法兰板和滚珠丝杠母法兰支柱；所述第三关节同步带轮组包括第一同步带轮、第一同步带、第二同步带轮；所述第三关节电机连接在第三关节电机安装法兰上；第三关节电机的输出轴穿过第三关节电机安装法兰，其上安装有第一同步带轮，其末端与微型电磁制动器连接；所述第三关节支撑板安装在小臂机构上，第三关节电机安装法兰安装在第三关节支撑板上；所述微型电磁制动器安装在制动器安装板上，制动器安装板通过制动器安装立柱固定在第三关节电机安装法兰上；所述滚珠丝杠母是内外圈结构，外圈固定在滚珠丝杠母法兰板上，内圈与精密滚珠丝杠滚珠花键轴上的竖状沟槽贴合，内圈穿过滚珠丝杠母法兰板与第二同步带轮连接；所述滚珠丝杠母法兰板通过滚珠丝杠母法兰支柱固定在小臂机构上；第一同步带轮与第二同步带轮通过第一同步带连接，传递动力；

所述第四关节传动机构包括第四关节电机、第四关节电机安装法兰板、第四关节支撑板、第四关节第一级同步带轮组、中间单元部分、第四关节第二级同步带轮组和滚珠花键母；所述中间单元部分包括中间单元轴承安装板、角接触球轴承组、中间单元轴、中间单元支撑柱、中间单元轴承下底板；所述第四关节第一级同步带轮组包括第三同步带轮、第二同步带和第四同步带轮；所述第四关节第二级同步带轮组包括第五同步带轮、第三同步带和第六同步带轮；所述第四关节电机连接在第四关节电机安装法兰板上；第四关节电机的输出轴穿过第四关节电机安装法兰板，其上安装有第三同步带轮；所述第四关节支撑板安装在小臂机构上，第四关节电机安装法兰板安装在第四关节支撑板上；所述中间单元轴承下底板安装在小臂机构的沉槽内；所述中间单元轴承下底板中间位置布置有角接触球轴承组；所述中间单元轴承安装板中间位置布置有角接触球轴承组；所述中间单元轴承安装板通过中间单元支撑柱与中间单元轴承下底板连接；两个角接触球轴承组的内圈与中间单元轴的两端连接；所述中间单元轴上安装有第四同步带轮和第五同步带轮；所述第三同步带轮与第四同步带轮通过第二同步带连接；所述滚珠花键母是内外圈结构，外圈固定在小臂机构上，内圈与精密滚珠丝杠滚珠花键轴上的螺旋沟槽贴合，内圈穿过小臂机构与第六同步带轮连接。

所述驱动器为四合一伺服驱动器；所述电控元件为开关电源、nuc适配器、nuc微型主机、继电器、空气开关和din导轨。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)该机器人采用二级同步带传动实现末端轴(即精密滚珠丝杠滚珠花键轴)的回转功能，并在中转部分设置中间单元部分实现传动，在末端不使用谐波减速器的情况下，依靠二级同步带实现末端轴的减速，并且速比大于谐波减速器，极大提高了末端轴的回转转速，加强了机器人工作能力；这种形式结构紧凑，空间利用率更高，也使整个腕部传动机构重心更低，有利于提高机器人腕部的刚性。

(2)机器人的底座设计为电控柜集成化底座，采用集成化设计将机器人的控制元件都集成于机器人本体底座内部，解决了电控柜在实际生产线中的布置位置困难，省去了机器人控制配线走线布置这一过程，极大地提高了空间利用率；同时，内部设计为左右两块抽拉结构，便于机器人的调试与维修和零部件更换工作。

(3)采用三段式线性滑轨与安装板组合内置到机器人本体底座的结构，驱动器与必要的电控元件安装在安装板上，组成了类似抽屉抽拉的结构，方便底座内电控元件的调试维修和更换，实现了电控柜元件与本体的集成化。

(4)电机安装法兰、中间单元轴承下底板的连接孔位均设计为u型槽口，方便同步带安装时的张紧过程，也便于根据应用要求调节同步带的张紧力。

(5)二级同步带传动的传动比可以在一定范围内，通过更换同步带轮组进行调节，从而控制末端轴转速的极值。

附图说明

图1是本发明电控元件集成式scara机器人一种实施例的立体等轴测图；

图2是本发明电控元件集成式scara机器人一种实施例的电控柜集成化底座的主视结构示意图；

图3是本发明电控元件集成式scara机器人一种实施例的电控柜集成化底座的立体等轴测图；

图4是本发明电控元件集成式scara机器人一种实施例的电控柜集成化底座的驱动器安装板抽出时的立体等轴测图；

图5是本发明电控元件集成式scara机器人一种实施例的电控柜集成化底座的电控元件安装板抽出时的立体等轴测图；

图6是本发明电控元件集成式scara机器人一种实施例的腕部传动机构第三关节传动机构的立体等轴测图；

图7是本发明电控元件集成式scara机器人一种实施例的腕部传动机构第四关节传动机构的立体等轴测图；

图8是本发明电控元件集成式scara机器人一种实施例的中间单元部分的装配爆炸图；(图中：a、电控柜集成化底座；b、大臂机构；c、第二关节传动机构；d、腕部传动机构；e、小臂机构；a01、第一关节电机；a02、通风板；a03、第一关节减速器安装法兰板；a04、底座上面板；a05、底座前面板；a06、底座底板；a07、底座侧面板；a08、din导轨；a09、驱动器安装板；a10、三段式线性滑轨；a11、四合一伺服驱动器；a12、电控元件安装板；a13、开关电源；a14、nuc适配器；a15、nuc微型主机；a16、继电器；a17、空气开关；d01、第三关节电机；d02、第三关节电机安装法兰；d03、第三关节支撑板；d04、第三关节同步带轮组；d0401、第一同步带轮；d0402、第一同步带；d0403、第二同步带轮；d05、微型电磁制动器；d06、制动器安装板；d07、制动器安装立柱；d08、滚珠丝杠母；d09、第四关节电机；d10、第四关节电机安装法兰板；d11、第四关节支撑板；d12、第四关节第一级同步带轮组；d1201、第四同步带轮；d1202、第二同步带；d13、中间单元轴承安装板；d14、角接触球轴承组；d15、中间单元轴；d16、中间单元支撑柱；d17、中间单元轴承下底板；d18、第四关节第二级同步带轮组；d1801、第五同步带轮；d1802、第三同步带；d1803、第六同步带轮；d19、滚珠花键母；d20、滚珠丝杠母法兰板；d21、滚珠丝杠母法兰支柱；d22、精密滚珠丝杠滚珠花键轴)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种电控元件集成式scara机器人(参见图1-8，简称机器人)，包括电控柜集成化底座a、大臂机构b、第二关节传动机构c、腕部传动机构d和小臂机构e；所述大臂机构b的一端安装在电控柜集成化底座a上，另一端与小臂机构e连接；所述小臂机构e上安装有第二关节传动机构c和腕部传动机构d；所述电控柜集成化底座a通过束线管与腕部传动机构d连接，束线管内具有电源线、编码器线和气管等管线；

所述电控柜集成化底座a包括第一关节电机a01、通风板a02、第一关节减速器安装法兰板a03、底座上面板a04、底座前面板a05、底座底板a06、底座侧面板a07、底座后面板(图中未画出)、驱动器安装板a09、三段式线性滑轨a10、四合一伺服驱动器a11、电控元件安装板a12、开关电源a13、nuc适配器a14、nuc微型主机a15、继电器a16、空气开关a17和din导轨a08；所述电控柜集成化底座a呈立方体结构，外部整体结构由底座上面板a04、底座前面板a05、底座底板a06、两块底座侧面板a07和底座后面板连接围成；两块底座侧板a07的上下端分别通过螺栓与底座底板a06和底座上面板a04连接；所述底座前面板a05通过螺钉固定于底座侧板a07的前侧面上；所述底座后面板通过螺钉固定于底座侧板a07的后侧面上；所述第一关节电机a01安装在第一关节减速器安装法兰板a03上，其输出轴与大臂机构b连接；所述第一关节减速器安装法兰板a03通过螺栓与底座上面板a04连接；第一关节电机a01的输出轴布置在底座上面板a04的中轴线上；所述三段式线性滑轨a10由两侧的外轨道和中间滑轨组成；两侧的外轨道通过中间滑轨连接；一侧的外轨道与底座上面板a04或底座底板a06连接，另一侧的外轨道与驱动器安装板a09或电控元件安装板a12连接，使得驱动器安装板a09和电控元件安装板a12能够沿三段式线性滑轨a10滑出电控柜集成化底座a；所述驱动器安装板a09上安装有四合一伺服驱动器a11；所述电控元件安装板a12上安装有开关电源a13、nuc适配器a14、nuc微型主机a15、继电器a16、空气开关a17和din导轨a08，实现了电控元件集成于电控柜集成化底座a内；电控按钮布置在底座后面板上；所述通风板a02安装在底座前面板a05的通风网孔上，用于引导空气流通并散热；

所述腕部传动机构d包括第三关节传动机构、第四关节传动机构和精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22；第三关节传动机构能够实现精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22的垂直升降功能；所述第四关节传动机构实现精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22的回转功能；所述精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22穿过滚珠丝杠母d08、滚珠丝杠母法兰板d20、第二同步带轮d0403、第六同步带轮d1803、小臂机构e和滚珠花键母d19，其上具有竖状沟槽和螺旋沟槽，分别与滚珠丝杠母d08或滚珠花键母d19配合；

所述第三关节组件包括第三关节电机d01、第三关节电机安装法兰d02、第三关节支撑板d03、第三关节同步带轮组d04、微型电磁制动器d05、制动器安装板d06、制动器安装立柱d07、滚珠丝杠母d08、滚珠丝杠母法兰板d20和滚珠丝杠母法兰支柱d21；所述第三关节同步带轮组d04包括第一同步带轮d0401、第一同步带d0402、第二同步带轮d0403；所述第三关节电机d01位于小臂机构e的中间偏后位置，通过紧固螺栓连接在第三关节电机安装法兰d02上；第三关节电机d01的输出轴穿过第三关节电机安装法兰d02，其上安装有第一同步带轮d0401，其末端与微型电磁制动器d05连接；所述第三关节支撑板d03通过螺栓安装在小臂机构e上，第三关节电机安装法兰d02通过螺栓安装在第三关节支撑板d03上；所述微型电磁制动器d05通过螺钉安装在制动器安装板d06上，制动器安装板d06通过制动器安装立柱d07固定在第三关节电机安装法兰d02上；所述第三关节电机安装法兰d02与第三关节支撑板d03的螺栓连接处的螺栓通过孔为u型通孔，用于第三关节同步带轮组d04的张紧布置；所述滚珠丝杠母d08是内外圈结构，外圈固定在滚珠丝杠母法兰板d20上，内圈通过内部特殊的滚珠结构与精密滚珠丝杠滚珠花键轴22上的竖状沟槽贴合，内圈穿过滚珠丝杠母法兰板d20与第二同步带轮d0403连接；当旋转动力通过第二同步带轮d0403传递至滚珠丝杠母d08的内圈时，贴合在内圈上的滚珠通过精密滚珠丝杠滚珠花键轴22的竖状沟槽将动力传动至精密滚珠丝杠滚珠花键轴22上，从而实现精密滚珠丝杠滚珠花键的滚珠丝杠部分的功能；所述滚珠丝杠母法兰板d20通过滚珠丝杠母法兰支柱d21固定在小臂机构e上；第一同步带轮d0401与第二同步带轮d0403通过第一同步带d0402连接，传递动力；第一同步带轮d0401齿数为50，第二同步带轮d0403齿数也为50，因此第三关节同步带轮组d04传动比为1:1；通过制动器d05的制动功能实现断电时防止精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22因自重下落的情况；

所述第四关节传动机构包括第四关节电机d09、第四关节电机安装法兰板d10、第四关节支撑板d11、第四关节第一级同步带轮组d12、中间单元部分、第四关节第二级同步带轮组d18和滚珠花键母d19；所述中间单元部分包括中间单元轴承安装板d13、角接触球轴承组d14、中间单元轴d15、中间单元支撑柱d16、中间单元轴承下底板d17；所述第四关节第一级同步带轮组d12包括第三同步带轮(图中被d11阻挡)、第二同步带d1202和第四同步带轮d1201；所述第四关节第二级同步带轮组d18包括第五同步带轮d1801、第三同步带d1802和第六同步带轮d1803；所述第四关节传动机构位于小臂机构e的右侧位置；所述第四关节电机d09通过紧固螺栓连接在第四关节电机安装法兰板d10上；第四关节电机d09的输出轴穿过第四关节电机安装法兰板d10，其上安装有第三同步带轮；所述第四关节支撑板d11通过螺栓安装在小臂机构e上，第四关节电机安装法兰板d10通过螺栓安装在第四关节支撑板d11上；第四关节支撑板d11的高度低于第三关节支撑板d03，从而使得第三关节传动机构与第四关节传动机构形成上下交错的形式传动；第三同步带轮的齿数为20，第四同步带轮d1201的齿数为60，传动比为1:3；所述中间单元轴承下底板d17安装在小臂机构e的沉槽内，沉槽底面用于固定中间单元轴承下底板d17的螺栓通过孔设计为u型通过孔并且沉槽的长度要大于中间单元轴承下底板d17，这样的设计可以方便实现中间单元部分的张紧功能；所述中间单元轴承下底板d17中间位置布置有角接触球轴承组d14；所述中间单元轴承安装板d13中间位置布置有角接触球轴承组d14；所述中间单元轴承安装板d13通过中间单元支撑柱d16与中间单元轴承下底板d17连接；两个角接触球轴承组d14的内圈与中间单元轴d15的两端连接，实现了中间单元轴d15的回转和承受轴向、径向载荷的能力；所述中间单元轴d15上安装有第四同步带轮d1201和第五同步带轮d1801，实现传动；所述第三同步带轮与第四同步带轮d1201通过第二同步带d1202连接，实现传动；所述滚珠花键母d19是内外圈结构，外圈固定在小臂机构e上，内圈通过内部特殊的滚珠结构与精密滚珠丝杠滚珠花键轴22上的螺旋沟槽贴合，内圈穿过小臂机构e与第六同步带轮d1803连接；当旋转动力通过第六同步带轮d1803传递至滚珠花键母d19的内圈时，贴合在内圈上的滚珠通过精密滚珠丝杠滚珠花键轴22的螺旋沟槽将动力传动至精密滚珠丝杠滚珠花键轴22上，从而实现精密滚珠丝杠滚珠花键的滚珠花键部分的功能；第五同步带轮d1801的齿数为24，第六同步带轮d1803的齿数为72，传动比为1:3，这样第四关节传动机构总传动比为1:9。

由精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22、滚珠丝杠母d08和滚珠花键母d19组成的精密滚珠丝杠滚珠花键为现有市售产品。

本发明电控元件集成式scara机器人的工作原理和工作流程是：开始时，第三关节电机d01正转，带动第一同步带d0402旋转，通过第一同步带d0402将动力传递至第二同步带轮d0403，第二同步带轮d0403带动滚珠丝杠母d08旋转，实现精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22的上升运动；同理反之，第三关节电机d01反转，实现精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22的下降运动。第四关节电机d09正转，带动第四关节第一级同步带轮组d12旋转，经过中间单元部分的传动过程将动力传动至第四关节第二级同步带轮组，第四关节第二级同步带轮组的第六同步带轮d1803将动力传至滚珠花键母d19上，从而带动精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22顺时针旋转；同理反之，第四关节电机d09反转带动精密滚珠丝杠滚珠花键轴d22逆时针旋转。

本发明未述及之处适用于现有技术。