极坐标平面搬运机器人的制作方法

本发明涉及一种用于洁净作业环境下的平面搬运机器人，特别是一种洁净度等级要求高的作业环境下的具有高刚性，高承载能力，小回转半径特点的极坐标平面搬运机器人。

背景技术：

在半导体和太阳能薄膜的制造过程中经常需要在洁净的作业环境下搬运载具（石英或石墨等材质），而随着对制程效率和精度的要求越来越严格，载具要搭载更多的晶圆片或电池片，所以载具的承载重量也越来越重。于是就要求搬运载具的机器人有更大的载重和更高的重复定位精度。另外，由于搬运机器人要放置在手套箱中作业，用来制造洁净环境的手套箱价格昂贵，因此对搬运机器人要求尽量小的占地面积和作业空间。

据专利公报记载，公告号为CN102963724B的“机器人的臂结构和机器人”，公开的技术方案中减小了机器人的最小回转半径。实施方法涉及的机器人具备第一臂部、第二臂部、中间连杆部、第一连杆部和第二连杆部。第一连杆部和第一臂部、中间连杆部和固定底座部之间形成第一平行连杆机构，第二连杆部和第二臂部、中间连杆部和可动底座部之间形成第二平行连杆机构。并且，从第二连杆部与中间连杆部的连接轴到第一臂部与第二臂部的连接轴为止的距离，比从第一连杆部与中间连杆部的连接轴到第一臂部与第二臂部的连接轴为止的距离短。

尽管这种机器人能极大的减小回转半径，但因其手臂传动副为挠性件，随着载具尺寸和重量不断增大，故传动的精确性和稳定性会大幅度降低。

目前市场上此类机器人的承载重量普遍较轻，重载的机器人由于受结构限制，其刚性很差，形变量又很大（例如托举50kg左右的工件时，形变量在5mm以上），所以无法实现搬运作业的高精度，同时在各个工位之间的定位占用面积也需要给出较大的余量，所以作业空间占用的也较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种极坐标平面搬运机器人，解决了现有同类机器人承载重量较轻，重载的机器人刚性差，形变量大，无法实现搬运的高精度，作业空间大等问题，其设计合理，结构紧凑，减小形变量，回转半径小、重复定位精度高，运行稳定可靠，作业空间缩小，显著提高结构刚度和搬运作业时的承载能力，微尘在气流和正压的作用下也不会对手套箱大气环境产生不利影响。

本发明所采用的技术方案是：该极坐标平面搬运机器人包括相互组装在一起的底座、R轴转台、Z轴立柱、X轴滑座和托架，其技术要点是：所述底座由带有地脚调整螺栓的铸造底座基体构成，R轴转台由内置转台电机驱动传动装置的转台传动本体和转台台面及防护板组成，Z轴立柱的铸造立柱基体采用两侧壁为双层壁的整体铸造成型结构，铸造立柱基体通过定位套与R轴转台的转台台面连接固定，Z轴立柱利用Z轴电机驱动同步带及带轮组合带动Z轴丝母旋转，通过Z轴丝母的旋转，使与Z轴丝母相啮合的Z轴丝杠直线移动，从而实现Z轴的上下运动；X轴滑座箱式结构的铸造基座基体设置有四周均为双层壁的方形空间结构，Z轴立柱放置在方形空间内，Z轴丝杠通过锁紧螺母与铸造基座基体固定在一起，沿Z轴导轨滑动的Z轴滑座固定在铸造基座基体底部，通过Z轴丝杠的上下运动推动整个X轴滑座沿Z向运动；X轴滑座上设置有左右对称的两套相同结构的传动装置，每套传动装置均有两级独立控制的沿X轴方向运动的一级滑台及二级滑台与托架组合，各级滑台均由电机驱动，通过同步带及带轮组合带动各级滑台丝杠，实现各级滑台沿导轨的前后移动。

所述托架采用悬臂支承的结构组装在X轴滑座的二级滑台上，直接承载载具托盘，托架上设置定位块以及检测载具托盘是否到位的位置传感器。

所述Z轴传动采用一级同步带及带轮组合减速，同步带为两组，同时在同步带位置设置断裂检测传感器。

所述X轴滑座的X轴各级滑台电机全部采用反向组装，一级滑座电机置于铸造基座基体内。

所述X轴滑座的各级滑台均设置有钣金防尘罩覆盖。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明的底座由带有地脚调整螺栓的铸造底座基体构成，作为整个搬运机器人的安装底座，有可调节水平的地脚调整螺栓，所以可以调节搬运机器人在水平面的作业姿态。R轴转台由内置转台电机驱动传动装置的转台传动本体和转台台面及防护板组成，R轴转台的转台台面通过定位套与Z轴立柱的铸造立柱基体相连接固定，R轴转台由电机驱动转台台面旋转。由于传动装置采用了特殊齿形的消隙结构，在没有外接位置反馈元件的条件下可达到回转的极高重复定位精度。因Z轴立柱的铸造立柱基体采用两侧壁为双层壁的整体铸造成型结构，故具有良好的抗震和耐压性能，侧壁采用的双层壁结构，在结构重量不变的前提下大幅增加刚度。相比较于单轴机器人和SCARA机器人的结构，Z轴立柱在刚度上有了很大提升，因此可以承受更大的负载，且变形量较小。Z轴立柱利用Z轴电机驱动同步带及带轮组合带动Z轴丝母旋转，通过Z轴丝母的旋转，使与Z轴丝母相啮合的Z轴丝杠直线移动，从而实现Z轴的上下运动。由此可见，本发明的结构设计合理，运行稳定、可靠，减小形变量，回转半径小、作业空间缩小，重复定位精度高，显著提高结构刚度和搬运作业时的承载能力。

X轴滑座的铸造基座基体为整体铸造成型，具有良好的抗震和耐压性能，X轴滑座中间空出一个方形空间正好将Z轴立柱藏在其中，节省Z向占地面积，方形空间四周均为双层壁结构，进一步增加中空部分的结构刚度。X轴滑座上设置有左右对称的两套相同结构的传动装置，每套传动装置均有两级独立控制的沿X轴方向运动的一级滑台及二级滑台与托架组合，各级滑台均由电机驱动，通过同步带及带轮组合带动各级滑台丝杠，实现各级滑台沿导轨的前后移动。X轴双侧滑台和滑座中空的结构使得搬运机器人的作业空间大大缩小，尤其是X轴和Z轴退回时R轴回转时所占用的回转半径大为缩小。这样就使X轴滑座各级滑台行程可达固定长度的2倍，能大大减小搬运机器人缩回时占用的作业空间。

为了保证X轴滑座产生的大部分微尘不能进入手套箱大气中造成洁净环境的污染，在X轴滑座的每一级滑台均可设置有钣金防尘罩覆盖。搬运机器人虽然在作业台面以下作业，但也兼顾了防尘的考量，防尘罩保证大部分微尘不溢出，其余微尘在气流和正压的作用下也不能进入手套箱大气中造成洁净环境的污染。

因此，本发明解决了现有同类机器人承载重量较轻，重载的机器人刚性差，形变量大，无法实现搬运的高精度，作业空间大等问题。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明的一种立体结构分解示意图；

图2是图1中R轴转台的一种立体结构分解示意图；

图3是图1中Z轴立柱的一种立体结构分解示意图；

图4是图1中X轴滑座的一种立体结构分解示意图；

图5是图1中X轴一级滑台的一种立体结构分解示意图；

图6是图1中X轴二级滑台与托架组合的一种立体结构分解示意图；

图7是本发明的一种传动结构原理图；

图8是本发明整体结构的一种X轴伸出状态示意图；

图9是本发明整体结构的一种R轴旋状态转示意图；

图10是本发明整体结构的一种Z轴升起状态示意图。

图中序号说明：1底座，2 R轴转台，3 Z轴立柱，4 X轴左侧二级滑台与托架组合，5 X轴左侧一级滑台，6 X轴滑座，7 X轴右侧一级滑台，8 X轴右侧二级滑台与托架组合，9 转台上防护板，10 转台电机，11 转台侧防护板，12 转台传动本体，13 转台台面，14定位套，15 Z轴导轨，16 Z轴拖链，17铸造立柱基体，18联轴器，19轴承座，20锁紧螺母，21轴承，22同步带及带轮组合，23传动轴，24轴系支座，25轴承，26压盖，27 Z轴丝母，28电机座，29 Z轴电机，30限位开关，31轴承座，32缓冲块，33 Z轴滑座，34 Z轴丝杠，35 X轴一级滑台拖链，36 X轴一级滑台丝杠，37限位块，38轴承座，39胀紧套，40压套，41压套，42同步带及带轮组合，43胀紧套，44电机固定板，45电机盖板，46 X轴一级滑台电机，47锁紧螺母，48铸造基座基体，49 X轴一级滑台导轨，50轴承座，51限位块，52 X轴二级滑台拖链，53 X轴二级滑台丝杠，54限位块，55轴承座，56 X轴二级滑台电机，57电机盖板，58胀紧套，59压套，60压套，61同步带及带轮组合，62胀紧套，63电机固定板，64 X轴一级滑台滑座，65 X轴二级滑台导轨，66左侧托架，67 X轴左侧二级滑台，68 X轴右侧二级滑台，69右侧托架。

具体实施方式

根据图1～10详细说明本发明的具体结构。尽管图中给出了本发明较佳的实施例，但是，本发明还可以采用许多不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的内容。因此，提供本实施例的目的是加深对本发明公开的内容，更加透彻全面的理解。

除非另有定义，本文中所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本文中所使用的术语只是为了描述具体实施的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所在项目的任意的和所有的组合。

本发明的坐标轴定义为：水平方向的前、后运动设定为X轴，竖直方向的上、下运动设定为Z轴，绕Z轴的转动设定为R轴。沿X轴运动方向可同时托起两个各自独立的载具，两个载具有共同的Z轴和R轴。该极坐标平面搬运机器人包括相互组装在一起的底座、R轴转台、Z轴立柱、X轴滑座和托架五部分，组成的整体结构都安装在底座1上。底座1由带有地脚调整螺栓的铸造底座基体构成，铸造底座基体稳定承压，地脚调整螺栓用来调节整体结构在水平面的状态。由于X轴行程较长，而负载又在行程的末端，在载具沿X轴方向完全伸出的时候，将对底座1产生较大的倾覆力矩，使整个结构失稳，因此，铸造底座基体设计的跨距，也在空间允许的范围内尽可能的加大，以保证整个结构的稳定性。

底座1上面为加工表面，通过螺栓和限位槽与R轴转台2相连。同时，如果不需要绕Z轴转动，也可将Z轴立柱3直接组装在底座1上，所以底座1上面也设计了相应兼容的组装螺栓孔。

R轴转台2由内置转台电机10驱动传动装置的转台传动本体12和转台台面13及防护板上、侧9、11等件组成。通过齿轮齿条传动或蜗轮蜗杆传动实现降速，从而驱动转台台面13连续往复旋转。由于采用了特殊齿形的消隙结构，在没有外接位置反馈元件的条件下可达到回转的极高重复定位精度。转台电机10负责提供驱动转台的动力，转台上防护板9和转台侧防护板11用以保护转台电机10。

Z轴立柱3由铸造立柱基体17、定位套14、Z轴导轨15、Z轴拖链16、联轴器18、轴承座19、锁紧螺母20、轴承21、同步带及带轮组合22、传动轴23、轴系支座24、轴承25、压盖26、Z轴丝母27、电机座28、Z轴电机29、限位开关30和Z轴丝杠34等件组成。

Z轴立柱3的铸造立柱基体17采用两侧壁为双层壁的整体铸造成型结构，并进行了多项优化减载，两侧壁的双层壁结构在不增加整体重量的同时，大大增加了结构刚度，使其具有良好的抗震和耐压性能。铸造立柱基体17通过定位套14与R轴转台2的转台台面13连接，实现定位，再由四个T型槽螺母锁紧固定。Z轴导轨15组装在立柱基体17上对Z轴导向。限位开关30作为Z轴运动的位置反馈。

Z轴立柱3利用Z轴电机29驱动同步带及带轮组合22带动Z轴丝母27旋转，通过Z轴丝母27的旋转，使与Z轴丝母27相啮合的Z轴丝杠34直线移动，从而实现Z轴的上下运动。其中Z轴电机29通过电机座28组装到轴系支座24上，轴系支座24固定于铸造立柱基体17。Z轴电机29与传动轴23通过联轴器18联结，Z轴电机29驱动传动轴23带动同步带及带轮组合22转动实现减速，传动轴23所在轴系为两端固定式，轴承座19组装在轴系支座24上，传动轴23通过轴承座19支撑与同步带及带轮组合22的小带轮相连，小带轮通过同步带和大带轮相连。在轴承座19上下两端分别组装有轴承21和25，通过压盖26和锁紧螺母20实现轴承的轴向固定和预紧。同步带及带轮组合22上的大带轮与Z轴丝母27固定在一起，通过Z轴丝母27的旋转，使与Z轴丝母27相啮合的Z轴丝杠34直线移动，从而实现Z轴的上下运动。

Z轴电机29为抱闸电机，在没有电机使能的时候依然可以保证Z轴不滑落。但Z轴传动采用一级同步带及带轮组合22减速，以防止同步带意外断裂产生的Z轴意外滑落，这里Z轴传动的同步带为两组，多一套冗余设计防止意外，同时在同步带位置设置断裂检测传感器。

X轴滑座6由轴承座31，缓冲块32，Z轴滑座33，Z轴丝杠34，X轴一级滑台拖链35，X轴一级滑台丝杠36，限位块37，轴承座38，胀紧套39，压套40，压套41，同步带及带轮组合42，胀紧套43，电机固定板44，电机盖板45， X轴一级滑台电机46，47锁紧螺母，48铸造基座基体和X轴一级滑台导轨49等件组成。

X轴滑座6箱式结构的铸造基座基体48设置有四周均为双层壁的方形空间结构，铸造基座基体48采用优质灰铸铁材质整体铸造成型，内部进行了加强筋和优化减载的设计，具有良好的抗震和耐压性能，这种箱式结构在制造过程中不易变形，降低了加工的难度。铸造基座基体48中间空出的方形空间内正好将Z轴立柱3放置其中，节省Z轴方向的占地面积，四周均为双层壁的方形空间结构，增加了中空部分的结构刚度。Z轴丝杠34通过锁紧螺母47与铸造基座基体48固定在一起，沿Z轴导轨滑动的Z轴滑座33固定在铸造基座基体48底部，通过Z轴丝杠34的上下运动推动整个X轴滑座6沿Z向运动。

X轴滑座6上设置有左右对称的两套相同结构的传动装置，每套传动装置均有两级独立控制的沿X轴方向运动的一级滑台及二级滑台与托架组合，即X轴左侧一级滑台5、X轴左侧二级滑台与托架组合4、X轴右侧一级滑台7和X轴右侧二级滑台与托架组合8。各级滑台均由电机驱动，通过同步带及带轮组合带动各级滑台丝杠，实现各级滑台沿导轨的前后移动。X轴滑座6的X轴各级滑台电机全部采用反向组装，一级滑座电机置于铸造基座基体48内。X轴滑座6的各级滑台均有钣金防尘罩覆盖，保证各级滑台产生的大部分微尘保证大部分微尘不溢出，其余微尘在气流和正压的作用下也不能进入手套箱大气中造成洁净环境的污染。这样的设计使X轴各级滑台行程可达固定长度的2倍，能大大减小搬运机器人缩回时占用的工作空间。因此，这里仅对其中一套传动装置进行详细说明。

传动装置中的X轴一级滑台电机46和电机盖板45固定在电机固定板44上，而电机固定板44组装在铸造基座基体48上。X轴一级滑台电机46和同步带及带轮组合42中的带轮通过胀紧套43连接，用压套41压紧。同样，X轴一级滑台丝杠36也是由胀紧套39与带轮连接，用压套40压紧。同步带及带轮组合42的张紧通过调节电机盖板45上的张紧螺钉即可实现。X轴一级滑台丝母组装在X轴右侧一级滑台7上，X轴一级滑台电机46通过同步带及带轮组合42驱动X轴一级滑台丝杠36转动，从而带动X轴一级滑台丝母移动，实现X轴右侧一级滑台7沿X轴方向直线运动。

X轴一级滑台丝杠36轴系为一端固定一端支承结构，由于行程前端倾覆力矩大，所以固定侧轴承座31在远离电机一侧，支承侧轴承座38在靠近电机一侧。在X轴一级滑台两端行程的终点各有一个限位座32和37用以对X轴一级滑台进行保护性限位。X轴一级滑台导轨49组装在铸造基座基体48上。为了保证R轴回转时回转半径尽量小，X轴滑座6设计十分紧凑，X轴一级滑台电机46采用内藏式结构，Z轴立柱3也可缩回藏入X轴滑座6中，在保证结构刚性的前提下尽量利用了空间。

由于X轴一级滑台左右对称，所以这里仅以X轴左侧一级滑台5说明即可。

与一级滑台传动方式相似，X轴二级滑台电机56和电机盖板57固定在电机固定板63上，而电机固定板63组装在X轴左侧一级滑台5上。电机和带轮通过胀紧套58连接，用压套59压紧。同样，X轴二级滑台丝杠53也是由胀紧套62与带轮连接，用压套60压紧。同步带和带轮组合61的张紧通过调节电机盖板57上的张紧螺钉即可实现。X轴二级滑台丝母组装在X轴左侧二级滑台与托架组合4上，X轴二级滑台电机56通过同步带及带轮组合61驱动X轴二级滑台丝杠53转动，从而带动X轴二级滑台丝母移动，实现X轴左侧二级滑台与托架组合4沿X轴方向直线运动。

X轴二级滑台丝杠53轴系为一端固定一端支承结构，由于行程前端倾覆力矩大，所以固定侧轴承座50在远离电机一侧，支承侧轴承座55在靠近X轴二级滑台电机5一侧。在X轴左侧一级滑台5两端行程的终点各有一个限位座51和54用以对X轴左侧二级滑台与托架组合4进行保护性限位。X轴二级滑台导轨65组装在X轴左侧一级滑台5上。

为保证X轴左侧一级滑台5行程足够长，X轴一级滑台滑座64采用滑块并排排列的紧凑设计结构。X轴二级滑台电机56反向联结以节省空间。同时，为了X轴左侧一级滑台5运动时不干涉防尘罩，X轴左侧一级滑台5中间设计一个C型嵌套结构，将防尘罩嵌套于其中。

托架采用悬臂支承的结构组装在X轴滑座6的X轴二级滑台上，直接承载载具托盘，根据载具托盘的种类、形状不同，托架上可以设置不同的定位块以及检测载具托盘是否到位的位置传感器。

X轴左侧二级滑台67在二级导轨上移动实现第二级运动，左侧托架66横向组装在X轴左侧二级滑台67上，直接承载有载具托盘，组装面需要装配调整使托架保持水平；同样X轴右侧二级滑台68在二级导轨上移动实现第二级运动，右侧托架69横向组装在X轴右侧二级滑台68上，组装面需要装配调整使托架保持水平。载具托盘负载就放在托架上实现搬运。

托架采用悬臂支承的结构，可保证两侧的载具托盘沿X轴方面均可互不干涉的自由移动。一次装载更多，效率更高。

如图7所示，可以理解本发明的一种传动结构原理。转台电机10与转台传动本体12相连，使R轴转台2输出扭矩从而实现R轴转动。Z轴电机29通过同步带及带轮组合22带动Z轴丝杠34实现Z轴上下运动。X轴一级滑台电机46通过同步带及带轮组合42带动X轴一级滑台丝杠36实现X轴一级滑台前后运动。X轴二级滑台电机56通过同步带及带轮组合61带动X轴二级滑台丝杠53实现X轴二级滑台前后运动。

该发明实施例电缆走线方式为：除供R轴转台2的电缆之外，其余电缆由铸造底座基体1的方形孔进入中心圆孔，中心圆孔与R轴转台2的中心走线孔、铸造立柱基体17的中心走线孔相通，电缆可直接进入铸造立柱基体17内腔，Z轴电机29连接电缆，其他电缆由Z轴拖链16分两边送入两侧的X轴传动副。铸造基座基体48内部留有走线孔，可连接X轴一级滑台电机46，X轴二级滑台电机56的电缆由拖链35接入。拖链52内为限位开关电缆。

作业过程是：

本实例中，如图8~图10所示，R轴的转台电机10驱动R轴转台2转动，带动Z轴立柱3旋转到指定位置。Z轴电机29带动整个Z轴传动副驱动丝杠34将X轴滑座6顶升至指定位置。两级X轴电机46、56按照时序和节拍要求，同时或依次动作，通过两级滑台结构将二级滑台与托架组合送至指定位置。