技术领域
背景技术
[0002] 现有的数控机床、自动
车床、仪表自动车床等
金属加工设备，虽然实现了
工件的自动化加工，但是工件的抓取、放置等均须工人手工操作，因此工件加工的全过程实际上属于半自动化操作。为此人们研究了各种各样的机械手来代替人工操作部分。
[0003] 如公开号为CN102019616A即公开了<一种电动抓取机械手>，其包括第一轴方向移动机构、第二轴方向移动机构、第三轴方向移动机构和一个机械手部件，该机械手部件包括
手指电机、上手指、下手指、
丝杠和
螺母，手指电机和丝杠固定连接在下手指上，上手指与螺母连接，第一轴方向移动机构包括第一轴电机、第一轴
导轨、第一轴
同步带和第一轴同步带压
块，第一轴电机通过第一轴同步带和第一轴同步带压块驱动机械手部件沿第一轴导轨往复运动，第二轴方向移动机构包括第二轴电机、第二轴导轨、第二轴同步带和第二轴同步压块，第二轴电机通过第二轴同步带和第二轴同步压块驱动机械手部件沿第二轴导轨往复运动，第三轴方向移动机构包括第三轴电机、第三轴导轨、第三轴同步带和第三轴同步带压块驱动机械手部件沿第三轴导轨往复运动。
[0004] 该
专利申请中的机械手能够在平面直接坐标上的任意点
定位。但是不能够在三维立体空间内定位。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对
现有技术的现状提供一种能够在三维立体空间内定位且控制
精度高的机械手。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该机械手，包括连接臂、手指组件和驱动手指组件在
水平面内做直线往复运动的第一驱动机构和驱动手指组件在水平面内做圆周运动的第二驱动机构，其中，所述连接臂的第一端连接所述的手指组件，所述连接臂的第二端连接所述的第一驱动机构和第二驱动机构，其特征在于该机械手还包括驱动所述连接臂在铅垂面转动的第三驱动机构，该第三驱动机构包括第三电机、与第三电机的
输出轴相连接的第三
蜗杆、第三蜗轮和旋转底座，该第三蜗轮通过
联轴器连接旋转底座，并且，所述的第三电机、第三蜗杆和第三蜗轮设置在第三壳体内，所述的旋转底座设置在壳体的
侧壁上并与所述连接臂的第二端相连接。
[0007] 所述的第一驱动机构和第二驱动机构可以使用现有技术中的各种结构，例如背景技术中的驱动机构。较好的，考虑到配套使用的车床的结构，所述的第一驱动机构可以包括设置在车床表面上的底座、滑块、第一电机和第一
丝杆，其中，所述滑块滑动地设置在底座上，所述第一丝杆的一端连接所述第一电机的输出轴，第一丝杆的另一端与所述的底座固定连接，第一螺母套设在第一丝杆上，并且，该第一螺母与所述的滑块连动。该结构可以根据车床的结构，将底座安装在车床的上表面上作为承载该机械手其它部件的平台。
[0008] 在上述方案的
基础上，所述的第一驱动机构可以包括底座、滑块、第一电机和第一丝杆，其中，所述滑块能滑动地设置在所述底座上，所述第一丝杆的一端连接所述第一电机的输出轴，第一丝杆的另一端与所述的底座固定连接。
[0009] 所述的第二驱动机构可以设置在所述的滑块上，该第二驱动机构包括第二电机、与第二电机的输出轴相连接的第二蜗杆、第二蜗轮和第二转盘，所述的第二转盘通过联轴器与所述的第二蜗轮相连接。
[0010] 为了兼顾各机构之间的连接并且适应车床上可支配的面积，作为改进，所述的第二转盘上设有
支架，所述连接臂的一端连接该支架的另一端；支架的另一端上还设有能在垂直于连接臂的方向上改变连接臂
位置的第一微调机构，该第一微调机构包括第一微调电机、与该第一微调电机的输出轴相连接的第一微调丝杆，该第一微调丝杆与所述的第三壳体连动。该设计能够在铅垂面上微调手指组件的前后位置，以使其对准车床上的工件夹头。
[0011] 所述的机械手还包括能在所述连接臂的方向上改变连接臂相对位置的第二微调机构，所述的第二微调机构包括第二微调电机、与第二微调电机的输出轴相连接的第二微调丝杆，该第二微调丝杆驱动连接所述连接臂的第二端。该设计能够微调连接臂与底座之间的相对距离，以适用不同工件的加工要求。
[0012] 上述各方案中，所述的手指组件可以使用现有技术中的各种抓取结构，考虑到需要配合车床的具体结构，较好的，所述的手指组件包括至少两个手指、第一
连接杆、第二连接杆、定位头、
驱动轮、电机和能将电机的输出
力矩传递到驱动轮的传动机构；其中，所述的传动机构设置在所述电机和所述驱动轮之间，所述驱动轮上设有腰形孔；第一连接杆、第二连接杆以及腰形孔的数量与所述手指的数量相对应；其中，各第一连接杆的第一端对应连接各手指，各第一连接杆的第二端对应连接各所述的第二连接杆一端，并且第一连接杆与第二连接杆相互垂直；各第二连接杆的另一端通过销轴设置在各对应的腰形孔内，连接杆的另一端与对应手指的一端相
枢接；所述定位头内设有容置各第二连接杆并限制第二连接杆运动方向的第二槽，定位头的周壁上对应于各第一连接杆设有容置各第一连接杆的第一槽，并且各第一连接杆的中部与所述第一槽的侧壁轴连接；所述定位头上对向所述手指的端面上设有凹槽，
弹簧设置在该凹槽内并抵触在顶针上，该顶针穿出顶针壳外露，所述的顶针壳与所述的定位头相连接。
[0013] 所述手指组件还包括驱动所述手指伸缩的伸缩机构，该伸缩机构包括套设在所述套芯外的套筒、伸缩丝杆和驱动伸缩丝杆转动的伸缩电机；其中所述的伸缩丝杆与所述的套芯固定连接。
[0014] 考虑到
螺纹工件的取放，所述的手指组件还可以包括驱动所述套筒转动的转动机构，该转动机构包括转动电机、由该转动电机驱动转动的蜗杆和蜗轮，所述蜗轮与所述的套筒相连接。
[0015] 该机械手还包括用于放置工件供所述手指组件取、放的送料盘，所述送料盘内设有环状凹槽，该凹槽内设有
齿轮带，所述的齿轮与传动齿轮组相
啮合，所述的传动齿轮组连接送料电机的输出轴；并且所述齿轮带的上表面上设有可拆卸的用于放置工件的工件座。
[0016] 上述机械手可以设置一套，通过程序控制各电机的转动方向、
角度，从而完成工件的自动取放。为了提高效率，可以采用两套机械手装置，一套用于抓取工件放置到车床的工件夹头内，另一套用于取下对加工完毕的工件并放置到预定的位置上。这两套机械手对称设置，但是其可共用一个底座。具体方案如下：
[0017] 所述的底座上设有滑轨，滑轨上设有两块滑块，所述的连接臂、手指组件和驱动手指组件在水平面内做直线往复运动的第一驱动机构和驱动手指组件在水平面内做圆周运动的第二驱动机构以及驱动所述连接臂在铅垂面转动的第三驱动机构均对应设有两套。
[0018] 与现有技术相比，本发明由于设置了驱动所述连接臂在铅垂面转动的第三驱动机构，使得本发明所提供的机械手能够在三维立体空间内操作，增强了该机械手的适用性；同时手指组件中伸缩机构的设计进一步扩大了该机械手的适用范围，可抓取任何尺寸的工件，而手指组件中转动机构的设计则增加了本机械手对螺纹对接工件的自动化操作；总之，本发明所提供的机械手适用性广，自动化程度高。
附图说明
[0019] 图1为本发明
实施例装配结构的立体示意图；
[0020] 图2为本发明实施例中第一驱动机构的立体分解图；
[0021] 图3为本发明实施例中第一驱动机构装配结构的立体示意图；
[0022] 图4为第一驱动机构的剖视图；
[0023] 图5为本发明实施例中第二驱动机构的立体分解图；
[0024] 图6为本发明实施例中第二驱动机构中电机、蜗轮、蜗杆和转盘装配结构的立体示意图；
[0025] 图7为本发明实施例中第一微调机构中部分部件装配结构的立体示意图；
[0026] 图8为本发明实施例中第三驱动机构的立体分解图；
[0027] 图9为本发明实施例第三驱动机构中去除
基座后装配结构的立体示意图；
[0028] 图10为本发明实施例中第二微调机构中部分部件装配结构的立体示意图；
[0029] 图11为本发明实施例中手指机构装配结构的立体示意图(不包括壳体)；
[0030] 图12和图13为本发明另外两种驱动轮的平面结构示意图；
[0031] 图14为本发明实施例中伸缩机构装配结构的立体示意图(不包括套筒)；
[0032] 图15为本发明实施例中第一转动机构装配结构的立体示意图(不包括壳体)；
[0033] 图16为本发明实施例中第二转动机构装配结构的立体示意图(不包括壳体)；
[0034] 图17为本发明实施例中送料盘的立体分解图；
[0035] 图18为本发明实施例中去除底座后送料盘其余部件装配结构的立体示意图；
[0036] 图19和图20为本发明实施例中的机械手两个工作状态的立体示意图；
[0037] 图21为本发明实施例中手指机构的分解结构的立体示意图；
[0038] 图22为本发明实施例中手指机构装配结构的剖视图。
具体实施方式
[0039] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0040] 如图1至图22所示，该机械手包括：
[0041] 第一驱动机构1，如图2、图3和图4所示，第一驱动机构有两个，这两个第一驱动机构共用一个底座11，底座11上设有滑轨12，底座11的中部设有安装槽13；两个滑块14对向设置在滑轨12上。两个第一电机15、第一丝杆16设置在安装槽13内，第一丝杆16的一段穿过连接座17与第一电机的输出轴相连接，第一丝杆的另一端轴设在安装槽13的侧壁上；第一螺母18
螺纹连接在第一丝杆16上，并且第一螺母18与滑块14固定连接。工作时，第一电机转动，带动第一丝杆原地转动，使螺接在丝杆上的第一螺母在第一丝杆上往复移动，从而带动使滑块14往复移动。
[0042] 第二驱动机构2，如图5和图6所示，其包括第二电机21、与第二电机的输出轴相连接的第二蜗杆22、第二蜗轮23和第二转盘24。其中，第二电机21、第二蜗杆22和第二蜗轮23设置在第二壳体25内，第二转盘24设置在第二壳体25外。第二壳体25通过螺钉固定在滑块14上，第二转盘24通过联轴器26与第二蜗轮23相连接。第二驱动机构的工作原理为：第二电机转动依次带动第二蜗杆、第二蜗轮、第二转盘转动。
[0043] 第二转盘上固定有支架3，如图5所示，支架3的一端固定在第二转盘24上，因此支架3与第二转盘24连动。支架3的另一端设有第一微调机构4。
[0044] 第一微调机构4，用于前后调整工件与车床夹头的相对位置。如图7所示，其包括第一微调电机41、与该第一微调电机41的输出轴相连接的第一微调丝杆42，该第一微调丝杆42上螺接有螺母43与所述的第三壳体连动。
[0045] 第三驱动机构5，如图8和图9所示，包括电机51、与电机的输出轴驱动连接的蜗杆52、蜗轮53，该蜗轮53通过联轴器54连接旋转底座55；其中，电机51、蜗杆52和蜗轮53设置在第三壳体56内，第三壳体56的一个侧板上设有供联轴器与旋转底座55相连接的孔，旋转底座55贴近该侧板。第一微调机构中的螺母43固定连接与该侧板相对的侧板从而将螺母43的运动传递给第三壳体56。第三驱动机构5的工作原理是：电机51将运动依次传递给蜗杆、蜗轮、联轴器、旋转底座55，从而带动固定在旋转底座上的连接臂6转动。
[0046] 本实施例中，为了稳固连接臂6的定位，设置了套环61，套环61环套在连接臂6的第二端，旋转底座55与套环61通过螺钉相连接。连接臂6为具有贯通空腔的管状结构。
[0047] 上述第一驱动机构1、第二驱动机构2的运动是通过支架3来传递到连接臂6的。
[0048] 第二微调机构7，如图10所示，用于调节连接臂伸出套环61的长度，从而适用不同尺寸的工件；其包括第二微调电机71和与第二微调电机的输出轴相连接的第二微调丝杆72，该第二微调丝杆72的第二端通过螺接在第二微调丝杆上的螺母设置在连接臂6的空腔内，并与连接臂6相固定。第二微调机构7的工作原理是第二微调电机带动第二微调丝杆转动，从而带动螺接在第二微调丝杆上的螺母沿第二微调丝杆方向往复移动，从而在第二微调丝杆的方向上微调连接臂相对套环61的位置。
[0049] 手指组件8，包括抓取、放置工件的手指机构81，驱动所述手指伸缩的伸缩机构82，驱动所述手指机构就地转动的第一转动机构83和驱动手指机构转头的第二转动机构
84。
[0050] 如图11、图21和图22所示，本实施例中的手指机构81包括三个手指811、分别与各手指相连接的三组连接杆812、驱动轮813、定位头818、电机814和传动机构815。所述的传动机构设置在所述电机和所述驱动轮之间，用于传递力矩；传动机构的设置可以根据需要采用传动齿轮组，也可以采用多组齿轮组或蜗轮、蜗杆来放大力矩或改变传动方向；本实施例中的传动机构包括与电机814相连接的一个齿轮组8151和与该齿轮组传动连接的蜗杆8152、蜗轮8153，蜗轮8153的一个端部上通过
轴承连接驱动轮813；驱动轮813上开设有三个腰形孔817；各组连接杆812分别包括第一连接杆8121和第二连接杆8122，其中第一连接杆8121的一端分别连接对应的手指811，第一连接杆8121的另一端固定连接第二连接杆8122的一端，并且第一连接杆8121和第二连接杆8122相互垂直，各第二连接杆8122的另一端分别设有销轴816，各销轴816分别限位在对应的腰形孔817内。定位头818内设有三个容置各第二连接杆并限制第二连接杆运动方向的第二槽8181，定位头的周壁上对应于各第一连接杆设有三个容置各第一连接杆的第一槽8182，并且各第二连接杆的中部通过销轴8183轴设在第一槽的侧壁上；818定位头上对向手指的端面中部设有凹槽8184，弹簧8185设置在该凹槽8184内并抵触在顶针8186上，顶针8186穿出顶针壳8187外露，顶针壳与定位头固定连接。手指机构81的工作原理是电机通过传动机构转动驱动轮，随着驱动轮的转动，销轴改变在腰形孔内的位置从而使第二连接杆在第二槽的限位下上升或下降，继而将运动直线传递到第一连接杆，使第一连接杆以销轴8183为轴转动，带动各手指张开或并拢，从而放下或抓取工件；而顶针在弹簧的作用下会始终抵触住手指机构所抓取的工件，以使抓取更稳固，避免抓取不稳工件从各手指间漏掉。
[0051] 上述手指也可以设置两个、四个，或根据需要设置多个，所述连接杆的组数和驱动轮上腰形孔的数量与手指的数量相对应。图12和图13所示的为两个和四个手指的驱动轮的形状。
[0052] 上述手指机构设置在套芯818内，套芯818外还套设有套筒。
[0053] 伸缩机构82，包括套设在套芯817外的套筒821、设置在套筒821内的伸缩丝杆822和通过电机823、齿轮825、蜗杆826、蜗轮827、的传动来驱动伸缩丝杆822转动的伸缩电机823；伸缩丝杆822上环套有螺母824，螺母824与套芯817固定连接。该伸缩机构的工作原理为：伸缩电机通过齿轮、蜗杆、蜗轮、将运动传递给伸缩丝杆，伸缩丝杆通过螺接在其上的螺母将运动传递给套芯817，从而使设置在套芯817内的手指机构伸、缩。
[0054] 第一转动机构83，如图15所示，该机构主要是用来转动手指机构，以方便螺纹工件的取放，其包括转动电机831、由该转动电机驱动转动的蜗杆832和蜗轮833，蜗轮833通过联轴器与套筒821的端面固定连接；本实施例中的转动机构83也设置在壳体内834，以起到保护机构部件和美观的作用。连接臂的第一端固定连接壳体834。该转动机构的工作原理是：转动电机通过蜗杆、蜗轮带动与蜗轮固定连接的套筒转动，带动套筒内的伸缩机构以及套芯内的手指机构一起转动，从而将手指机构所抓取的工件从车床上拧转下来或者拧转到车床上去。
[0055] 第二转动机构84，用于驱动套筒及套筒内的部件一起转动的第二转动机构，如图16所示，该第二转动机构包括第二转动电机841、与第二转动电机的输出轴相连接的蜗杆
842、蜗轮843和旋转座844，该蜗轮843通过联轴器连接旋转座844，旋转座844与套筒821固定连接。第二转动机构84也设置在壳体内，其工作原理为第二转动电机通过蜗杆、蜗轮驱动套筒转动，从而使套筒内的所有部件一起转动。
[0056] 为了提高工作效率，本实施例中的机械手有两个，如前所述，这两个机械手的第一驱动机构共用一个底座，其它零部件均为两套，并且这两个机械手以车床上加放工件的位置为中心对称设置，这样，在一个机械手抓取工件的同时，另一个机械手将加工好的工件从车床上取下，大大提高了工作效率。
[0057] 本实施例还特别设计了送料盘9用于放置和输送工件到手指组件方便抓取的位置。如图17和图18所示，该送料盘9内设有环状凹槽91，凹槽91内设有齿轮带92，齿轮带92与传动齿轮组96相啮合传动，传动齿轮组96连接送料电机93的输出轴；齿轮带的上表面上设有可拆卸的用于放置工件的工件座94；送料盘9上在手指组件的抓取位置还设置了光电
开关95。该送料盘的工作原理是：当手指组件抓取走送料盘9上的工件后，光电开关95启动送料电机93，送料电机93通过传动齿轮组带动齿轮带转动，当下一个工件
接触到光电开关时，光电开关关闭送料电机，齿轮带停止转动，该碰触到光电开关的工件原地待命等等手指组件的抓取。工件座可更换，以方便放置不同结构的工件。
[0058] 上述机械手的工作原理是：需要抓取工件时，首先是手指机构工作将抓取送料盘上的工件，然后第二驱动机构工作，在水平面内转动连接臂将工件到车床上对应的位置，然后第一驱动机构工作，将工件再次输送到更接近车床上对应的位置；上述第一驱动机构和第二驱动机构的工作顺序可以互换。然后是第三驱动机构工作，在铅垂面内转动工件，将工件送至车床的工件夹头内。
[0059] 当第三驱动机构工作完毕，手指组件达到车床上工件夹头的位置，但却间隔一小段距离的时候工件，可以启动第二微调机构来调节工件与工件夹头之间的距离已达到恰当的位置；而当工件前后偏离工件夹头的位置时，可以启动第一微调机构来前后调节工件的位置至合适。
[0060] 另外，根据工件的结构和尺寸，还可以分别或同时启动伸缩组件和转动组件工作来适用不同的工作需求。
