一种SCARA机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种可以在平面内拾放物体的结构紧凑、体积轻巧、动态性能好、拓展性强的SCARA机器人。

背景技术：

在当今工业领域，工业机器人自动化生产线已经被许多行业采用，如电子3C制造行业、汽车行业、食品药品行业等，并且许多工业行业也正大力推进“机器换人”战略。工业机器人相比于人工作业方式，具有自动化程度高、生产效率高、精度高、节约人工成本等优点。

SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文译名：选择顺应性装配机器臂)机器人是一种圆柱坐标型的特殊种类的工业机器人，通常也称为水平关节型机器人。该机器人具有工作节拍快，控制简单、结构轻便等优点，但同时也具有动态特性差、刚度不足、布局不紧凑等缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种布局合理、结构更为紧凑、拓展性更好、具有良好实用性的四自由度SCARA机器人。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种SCARA机器人，主要包括第一旋转关节、第二旋转关节和复合运动关节三大部分。所述第一旋转关节的末端安装第二旋转关节，并驱动第二旋转关节绕第一旋转关节转动。所述第二旋转关节的末端安装复合运动关节，并驱动复合运动关节绕第二旋转关节转动。

具体的，所述复合运动关节(转动和上下直线运动)包括第三伺服电机、第四伺服电机、滚珠丝杆、滚珠花键轴和花键套。所述滚珠花键轴的一端安装在滚珠丝杆上，其中，滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成，滚珠花键轴安装在连接板上，同时，螺母也安装在连接板上，螺母在螺杆上运动，滚珠花键轴也随着螺母在滚珠丝杆上上下运动；滚珠花键轴的另一端设有真空吸盘，第四伺服电机与滚珠丝杆之间传动连接，驱动滚珠花键轴上下运动。所述滚珠花键轴穿入花键套内，与花键套配合形成键连接，第三伺服电机与花键套传动连接，通过花键套驱动滚珠花键轴转动。

具体的，所述第一旋转关节主要包括机座、以及安装在机座上的第一伺服电机、第一减速器和第一关节臂。所述第一减速器的输入端与第一伺服电机的输出端连接，第一减速器的输出端与第一关节臂的前端固定，驱动第一关节臂的末端绕前端旋转，即驱动第二旋转关节绕第一关节臂的前端旋转。

具体的，所述第二旋转关节包括第二伺服电机、第二减速器和第二关节臂。所述第二减速器的输入端与第二伺服电机的输出端连接，第二减速器的输出端与第二关节臂的前端固定，驱动第二关节臂的末端绕前端旋转，即驱动复合运动关节绕第二关节臂的前端旋转。

作为本实用新型的优选方案，所述复合运动关节还包括连接第三伺服电机与花键套的第三同步带轮装置。所述第三同步带轮装置包括安装在第三伺服电机上的第三主同步轮、安装在花键套上的第三从同步轮和第三同步带。所述第三同步带分别连接第三主同步轮和第四从同步轮，第三伺服电机转动时，通过输出轴带动第三主同步轮，第三主同步轮通过第三同步带带动第三从同步轮转动，进而使花键套和滚珠花键轴一起转动。由于同步带轮具有传动效率高、传动平稳、精度高、噪音小等优点，所以能够满足机器人高速高精度的设计要求。

作为本实用新型的优选方案，所述复合运动关节还包括连接第四伺服电机与滚珠丝杆的第四同步带轮装置。所述第四同步带轮装置包括安装在第四伺服电机上的第四主同步轮、安装在滚珠丝杆上的第四从同步轮和第四同步带。所述第四同步带分别连接第四主同步轮和第四从同步轮，第四伺服电机转动时，通过输出轴带动第四主同步轮，第四主同步轮通过第四同步带带动第四从同步轮转动，进而使滚珠丝杆转动，并驱动滚珠花键轴上下运动。由于同步带轮具有传动效率高、传动平稳、精度高、噪音小等优点，所以能够满足机器人高速高精度的设计要求。

进一步的，为了方便布置线路或通入气体或液体，所述滚珠花键轴采用空心结构。滚珠花键轴的一端上设有用于高速旋转的快换气管接头(滚珠花键轴高速旋转时还能保持供气稳定、畅通)，另一端设有用于安装部件(真空吸盘或其他执行部件)的内螺纹。

进一步的，由于SCARA机器人的体积小、空间有限，因此需要安装一种传动比大、零件少、拆装都方便的减速机构，所以，本实用新型所述第一减速器和第二减速器采用谐波传动式减速器。谐波传动式减速器具有传动比大、承载力高、传动精度高、传动效率高、结构简单、安装方便、体积小、重量轻的优点。该谐波减速器主要包括波发生器、柔轮、钢轮和交叉滚子轴承。所述钢轮设有内齿，并固定安装。所述柔轮设有外齿并套在波发生器的一端上，所述交叉滚子轴承安装在波发生器的另一端，所述波发生器安装在钢轮内，使柔轮的外齿与钢轮的内齿部分啮合，实现传动。

进一步的，所述第一旋转关节还包括第一缓冲块，所述第一缓冲块安装在机座上，用于限制第一关节臂的转动角度，作为第一关节臂正转和反转两个行程的限位和缓冲，从而避免超行程而损坏部件。所述第二旋转关节还包括第二缓冲块，所述第二缓冲块安装在第一关节臂上，用于限制第二关节臂的转动角度，作为第二关节臂正转和反转两个行程的限位和缓冲，从而避免超行程而损坏部件。

进一步的，所述第一旋转关节还包括用于连接电源线的第一电源接头和用于连接供气装置的第一气动接头。所述第一电源接头和第一气动接头均设置在机座上。

进一步的，所述第二旋转关节上设有外壳，所述第二旋转关节和复合运动关节安装在外壳内。所述外壳上还设有用于拓展接口的第二电源接头和第二气动接头，提高了SCARA机器人的拓展性，适应更多应用场合。

进一步的，用在SCARA机器人上的常用法兰有十二孔和八孔通孔布局，为了简化部件种类，提高部件的通用性，所述SCARA机器人还包括用于连接波发生器、减速器的连接法兰。该连接法兰将十二孔法兰和八孔法兰的通孔布局融合在一起，设计成二十个通孔的布局，通孔位置分别与十二孔法兰和八孔法兰对应。该连接法兰安装在波发生器上，用于将波发生器固定在基座上；该连接法兰还安装在电机输出轴上，用于连接减速器。

本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型主要由第一旋转关节、第二旋转关节和具有旋转和上下直线运动的复合运动关节组成；其中第一旋转关节带着第二旋转关节和复合运动关节在水平平面内绕着第一旋转关节的转动中心旋转，实现第一个旋转自由度，第二旋转关节带着复合运动关节在水平平面内绕第二旋转关节的转动中心旋转，实现第二个旋转自由度，复合运动关节内的第三伺服电机和第四伺服电机带着滚珠花键轴实现水平平面内的转动和垂直平面内的上下直线运动，实现第三个旋转自由度和直线运动的自由度。本实用新型的整体布局合理、结构简单紧凑、体积小方便安装、拓展功能多方便实用。

与现有技术相比，本实用新型还具有以下优点：

(1)本实用新型的整体体积小、机座结构紧凑，适用于安装位置狭窄的场合.

(2)本实用新型的机座法兰具有两种分布类型的通孔，提高了通用型，方便用户安装。

(3)本实用新型的第二关节臂一体成型，结构紧凑，质量轻巧，减小了运动惯量，有助于提高其动态响应，第二、三、四伺服电机直接安装在第二关节臂上，没有其他连接件，提高了可靠性。

(4)本实用新型第二关节臂的外壳上设有电源插座以及气动接头，可供多种外部夹具使用，另外，滚珠花键末端有内螺纹，可根据现场情况安装不同夹具，前述两种扩展口，提高了SCARA机器人拓展性，可满足更多的生产需求。

(5)本实用新型的滚珠花键轴的一端上设有用于高速旋转的快换气管接头，使滚珠花键轴高速旋转时还能保持供气稳定、畅通，提高了机器人整体结构的紧凑性。

附图说明

图1是本实用新型所提供的SCARA机器人的立体图。

图2是本实用新型所提供的SCARA机器人的剖视图。

图3是本实用新型所提供的第一旋转关节的结构示意图。

图4是本实用新型所提供的第二旋转关节的结构示意图。

图5是本实用新型所提供的复合运动关节的结构示意图。

图6是常用十二孔法兰的结构示意图。

图7是常用八孔法兰的结构示意图。

图8是本实用新型所提供的连接法兰的结构示意图。

上述附图中的标号说明：

A 第一旋转关节 B 第二旋转关节

C 旋转移动复合关节 1 机座

2 一关节伺服电机 3 一关节减速器支撑座

4 一关节谐波减速器 5 一关节臂

6 一关节波发生器连接法兰 7 一关节缓冲块

8 一关节谐波减速器连接法兰 9 电线插座

10 机座气动接头 11 二关节波发生器连接法兰

12 二关节谐波减速器 13 二关节伺服电机

14 二关节臂 15 二关节缓冲块

16 四关节伺服电机 17 三关节伺服电机

18 三关节电机同步带轮 19 四关节电机同步带轮

20 滚珠丝杠同步带轮 21 真空吸盘

22 滚珠花键轴 23 二关节臂下外壳

24 花键套 25 花键同步带轮

26 连接板 27 高速旋转气管接头

28 滚珠丝杠螺母 29 二关节臂上外壳

30 滚珠丝杠 31 拓展电源插座

32 拓展气管接头。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4和图5所示的四自由度平面SCARA机器人，采用绝对编码器式全伺服驱动，主体结构包括第一旋转关节A、第二旋转关节B、旋转与移动复合运动关节C、二关节臂上外壳气动电源拓展接口及末端拓展接口。

如图3所示，第一旋转关节A由一关节伺服电机2驱动，一关节伺服电机2通过螺钉固定其电机法兰于一关节减速器支撑座3下，一关节谐波减速器连接法兰8利用螺钉连接一关节减速器支撑座3与一关节谐波减速器4的钢轮，一关节伺服电机2通过一关节波发生器连接法兰6连接一关节谐波减速器4的波发生器，采用钢轮固定，柔轮输出式安装结构，一关节减速器支撑座3通过螺钉固定在机座1上，一关节臂5通过螺钉与一关节谐波减速器4的柔轮固定输出。

如图4所示，第二旋转关节B由二关节伺服电机13驱动，二关节伺服电机13通过螺钉固定其电机法兰倒置安装于二关节臂14上，二关节谐波减速器12通过螺钉固定在二关节臂14上，二关节伺服电机13通过二关节波发生器11连接二关节谐波减速器12的波发生器，二关节谐波减速器12的钢轮通过螺钉固定于一关节臂5上，采用钢轮固定，柔轮输出式安装结构，使得二关节臂14可以相对一关节臂5旋转运动。

如图5所示，旋转与移动复合运动关节C分别由第三旋转关节及第四移动关节组成，第三旋转关节通过三关节伺服电机17通过三关节电机同步带轮18和花键同步带轮25传动至花键套24内圈，滚珠花键轴22随着花键套24转动而旋转。第四移动关节通过四关节伺服电机16通过四关节电机同步带轮19和滚珠丝杠同步带轮20传动至滚珠丝杠30，滚珠丝杠螺母28随着滚珠丝杠30的转动而上下移动。第三旋转关节中的花键套24的法兰通过螺钉固定于二关节臂14上，滚珠花键轴22同轴心安装花键套24上，滚珠花键轴22一端采用角接触器轴承辅助支撑固定在连接板26上。第四移动关节中的滚珠丝杠螺母28通过螺钉安装于连接板26上，滚珠丝杠30的转动带动滚珠丝杠螺母28的上下移动，从而带动连接板26及连接于其上的滚珠花键轴22轴上下移动。以使得整体布局紧凑轻巧，并实现其旋转及移动两个自由度的功能。

滚珠花键轴22采用空心结构，以方便布线及通气液体，本实施例中上端安装有高速旋转快换气管接头27，末端开有内螺母，以方便安装真空吸盘21及其其余夹具。

外壳包括二关节臂下外壳23和二关节臂上外壳29，其中二关节臂上外壳29上具有两个拓展电源插头31以及两个气动接头32，以方便末端工作装置的安装与功能实现。

如图6、图7和图8所示，进一步的，用在SCARA机器人上的常用法兰有十二孔和八孔通孔布局，为了简化部件种类，提高部件的通用性，方便工作人员进行安装，所述SCARA机器人还包括用于连接波发生器、减速器的连接法兰。该连接法兰将十二孔法兰和八孔法兰的通孔布局融合在一起，设计成二十个通孔的布局，通孔位置分别与十二孔法兰和八孔法兰对应。该连接法兰安装在波发生器上，用于将波发生器固定在基座上；该连接法兰还安装在电机输出轴上，用于连接减速器。

本实用新型的工作原理是：在机座1与一关节臂5之间、一关节臂5与二关节臂14之间的旋转关节轴线相互平行且垂直于水平面，利用一关节伺服电机2、二关节伺服电机13驱动一关节臂5、二关节臂14绕各自的旋转关节轴线旋转，从而实现滚珠花键轴22的末端在某一水平面上的定位。利用旋转与移动复合运动关节C可进行滚珠花键轴22的末端的旋转以及在垂直方向的定向。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。