CN106903717B - 一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置，包括立柱基座、立柱丝杠组件、X轴组件、Y轴组件等，X轴组件与Y轴组件分别固定在立柱丝杠组件与立柱基座上，X轴上Z轴直线滑台模组与Y轴上Z轴直线滑台模组上的红色与绿色激光发射器发射激光，从而实现对机械手指定位置的坐标标定。与传统方法相比，本发明在定位的过程中不用在机械手末端增加额外的装置，形象直观，操作简单，成本低，安装方便。

Description

一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置

技术领域

本发明涉及一种可以实现在一定空间内，对机械手运动前与运动后的三维直角坐标进行检测的测量装置，尤其涉及一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置。

背景技术

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。因此，机械手已收到许多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。

而机械手标定是离线编程技术实用化的关键技术之一.通过标定可以将机械手的位姿误差大幅度降低,进而将机械手的绝对精度提高到重复精度的水平.所谓标定就是应用先进的测量手段和基于模型的参数识别方法辨识出机械手模型的准确参数,从而提高机械手绝对精度的过程.标定的结果是一组被识别的机械手参数,这些参数可以供机械手生产厂家作为产品质量检验指标,也可以为机械手用户提高机械手的绝对精度.

在标定的过程中,测量手段是一个极其重要的因素.国外从80年代就开始了在这方面的研究工作，形成了多种测量方法，用于机器人静态精度标定的测量系统包括双经纬仪位姿测量系统、三坐标机及关节型多杆随动测量系统.用于机器人动态精度标定的系统主要有激光跟踪系统、CCD交互测量系统、超声波测量系统、位置测量系统和带有接近传感器的测量系统成本高、测试方法繁琐是这些测量系统存在的主要问题.

为提高工作效率，节约成本，本文设计了一种用于机械手位置标定的三维定位装置，通过控制X轴、Y轴、Z轴电机带动激光发射器的移动，由激光束对机械手的末端指定位置进行定位，从而直接读出机械手末端在三维直角坐标系中的参数。这种方法形象直观，操作简单，成本低，安装方便。同时，由于X轴、Y轴采用的是高精密滚珠丝杠，Z轴采用高精度直线滑台模组，并且在定位的过程中不用在机械手末端增加额外的装置，机械手运动模型不会有改变，所以测量精度较高。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置。

本发明的目的是这样实现的：包括立柱基座、X轴组件、Y轴组件、立柱丝杠组件，立柱丝杠组件包括安装在立柱基座上端面的立柱底座、安装在立柱基座内的立柱驱动电机、与立柱驱动电机输出端连接的且伸出至立柱基座外的梯形丝杠、安装在梯形丝杠上的立柱丝杠螺母、与立柱丝杠螺母固连的升降横梁；

所述Y轴组件包括设置在立柱基座侧面的Y轴调整板、安装在Y轴调整板上的一对Y轴轴承座、安装在Y轴轴承座中的Y轴丝杠、安装在Y轴丝杠上的Y轴丝杠螺母、与Y轴丝杠螺母固连的Y轴移动滑板、安装在Y轴移动滑板上的水平旋转电机座、安装在水平旋转电机座上的水平旋转电机和水平旋转减速器、与水平旋转减速器输出轴连接的Y轴滑环、与Y轴滑环连接的Y轴连接法兰盘、与Y轴连接法兰盘下端面的Z轴Y基座、安装在Z轴Y基座上的两个Z轴Y直线滑台模组、分别设置在两个Z轴Y直线模台组上的Y轴组件的绿色激光座和红色激光座、分别安装在Y轴组件的绿色激光座和红色激光座上的Y轴组件的绿色激光器和红色激光器，Y轴电机的输出轴与Y轴丝杠的上端连接，Y轴滑环的外圈通过螺钉与水平旋转电机座连接，两个Z轴Y直线滑台模组分别由驱动电机驱动；

所述X轴组件包括与升降横梁连接的铝型材横臂、安装在铝型材横臂下端的一对X轴轴承座、安装在X轴轴承座中的X轴丝杠、安装在X轴丝杠上的X轴丝杠螺母、与X轴丝杠螺母固连的X轴移动滑板、安装在X轴移动滑板上的垂直旋转电机座、安装在垂直旋转电机座上的垂直旋转电机和垂直旋转电机减速器、与垂直旋转减速器输出轴连接的X轴滑环、与X轴滑环连接的X轴连接法兰盘、与X轴连接法兰盘下端面的Z轴X基座、安装在Z轴X基座上的两个Z轴X直线滑台模组、分别设置在两个Z轴X直线模台组上的X轴组件的绿色激光座和红色激光座、分别安装在X轴组件的绿色激光座和红色激光座上的X轴组件的绿色激光器和红色激光器，X轴电机的输出轴与X轴丝杠的端部连接，X轴滑环的外圈通过螺钉与水平旋转电机座连接，两个Z轴X直线滑台模组分别由驱动电机驱动。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述立柱丝杠组件还包括设置在梯形丝杠上端部的立柱下限位底座和设置在梯形丝杠中下段的立柱下限位底座，在立柱上限位底座和立柱底座之间还设置有两根起导向作用的立柱辅助导杆，立柱辅助导杆由下至上依次穿过立柱下限位底座和升降横梁，升降横梁与立柱辅助导杆之间还设置有立柱导杆滑套。

2.铝型材横臂与立柱辅助导杆之间还设置有斜拉加强桁架。

3.与水平旋转减速器输出轴连接的Y轴滑环是指水平旋转减速器输出轴与Y轴滑环的内圈连接；与垂直旋转减速器输出轴连接的X轴滑环是指垂直旋转减速器输出轴与X轴滑环的内圈连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的三维定位主要是依靠激光对机械手指定位置照射进行定位，无需在机械手上安装附加装置，从而保证了机械手独立动作，不受测量装置干扰，形象直观，安装方便。本发明操作简单，X轴、Y轴、Z轴独立驱动，不会形成干涉，且所有运动都采用高精度滚珠丝杠与直线滑台模组，运动精度高。相比于CCD交互测量系统、超声波测量系统等传动测量方法成本更低。

本发明的一种用于机械手位置标定的三维定位装置可测量机械手运动的直角坐标测量范围为：

(1)X轴为0～1000mm；

(2)Y轴为0～1000mm；

(3)Z轴为0～400mm；

(4)升降横梁可调高度为1500～3000mm

本发明的一种用于机械手位置标定的三维定位装置主要技术参数为：

(1)总高度为3100mm；

(2)总长度为2000mm；

(3)总宽度为600mm；

(4)总重量为～300kg

通过更改X轴组件与Y轴组件以及Z轴直线滑台模组的长度可以更改直角坐标测量范围，从而适应不同型号机械手三维位置的测量。

附图说明

图1是本发明的一种用于机械手位置标定的三维定位装置主视图；

图2是本发明的一种用于机械手位置标定的三维定位装置X轴主视图；

图3是本发明的一种用于机械手位置标定的三维定位装置X轴轴测图；

图4是本发明的一种用于机械手位置标定的三维定位装置Y轴主视图；

图5是本发明的一种用于机械手位置标定的三维定位装置Y轴轴测图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图5，本发明的一种机械手位置标定的三维定位装置是由立柱基座1，立柱驱动电机2，立柱驱动电机座3，立柱电机驱动联轴器4，立柱底座5，立柱导杆6，立柱底角接触滚子轴承7，梯形丝杠8，立柱辅助导杆9，限位卡箍10，立柱下限位底座11，立柱丝杠螺母12，立柱导杆滑套13，加强桁架14，立柱顶角接触滚子轴承15，梯形丝杠锁紧螺母16，立柱底座封盖17，立柱上限位底座18，斜拉加强桁架19，升降横梁20，铝型材横臂21，X轴电机22，X轴减速器23，X轴轴承座a24，X轴联轴器25，X轴角接触球轴承a26，X轴丝杠27，X轴移动滑板28，X轴丝杠螺母29，X轴轴承座b30，X轴角接触球轴承b31，垂直旋转电机座32，垂直旋转电机33，滑环限位螺钉34，垂直旋转减速器35，Z轴x直线滑台模组36，红色激光座37，滑台模组限位38，Z轴x基座39，X轴旋转定位螺钉40，绿色激光座41，绿色激光发射器42，X轴滑环43，X轴连接法兰盘44，红色激光发射器45，X轴移动导杆46，红色激光滑台驱动电机47，绿色激光滑台驱动电机48，Y轴电机49，Y轴减速器50，Y轴轴承座b51，Y轴联轴器52，Y轴角接触球轴承b53，Y轴丝杠54，滑台模组限位55，Z轴y直线滑台模组56，红色激光座57，红色激光发射器58，水平旋转电机59，y轴滑环60，y轴连接法兰盘61，绿色激光座62，绿色激光发射器63，滑环限位螺钉64，Z轴y基座65，水平旋转减速器66，y轴丝杠螺母67，Y轴移动滑板68，y轴调整板69，y轴轴承座b70，y轴角接触球轴承b71，,y轴移动导杆72，红色激光滑台驱动电机73，绿色激光滑台驱动电机74，机械手75等零部件组成。

简单的说，本发明主要包括：立柱基座，立柱丝杠组件，X轴组件，Y轴组件，X轴上Z轴直线滑台模组，Y轴上Z轴直线滑台模组，红色与绿色激光发射器等。其特征是由立柱丝杠组件带动X轴组件上下移动到合适位置，X轴组件与Y轴组件移动到机械手指定位置平面附近，Z轴直线滑台模组驱动红色激光发射器，使红色激光准确照射在机械手指定位置。

立柱基座1固定在地面上，立柱基座1是一个空心的壳体，其侧面安装有Y轴组件，其内部通过螺纹安装有立柱驱动电机座3，安装在立柱驱动电机座上的立柱驱动电机2通过联轴器与梯形丝杠8相连接，从而驱动梯形丝杠旋转。而立柱丝杠螺母12通过螺钉固定在升降横梁20上，从而带动其上下移动。起辅助导向作用的立柱辅助导杆9通过螺栓安装在立柱底座5上。同时安装在辅助导杆上部的立柱上限位底座18与立柱下限位底座11和限位卡箍10，一方面固定梯形丝杠与辅助导杆，保持了装置的整体稳定性，另一方面也起到了对升降横梁运动的极限位置的限位作用。为防止升降横梁运动时卡死，在辅助导杆与升降横梁之间还设计了立柱导杆滑套13,。安装在梯形丝杠两端的立柱角接触滚子轴承7与15即保证了梯形丝杠的承载能力，又使梯形丝杠运动稳定。铝型材横臂21通过斜拉加强桁架19与升降横梁20固定在梯形丝杠上，由丝杠螺母驱动其上下移动。并且，X轴组件通过螺栓固定在铝型材横臂上。

所述X轴组件包括电机驱动精密滚珠丝杠组件与X轴上Z轴组件。具体为X轴丝杠通过角接触球轴承31与26固定在X轴轴承座24与30上，轴承座通过螺栓固定在铝型材横臂上。X轴电机22通过减速器23与联轴器25驱动X轴丝杠转动，带动安装在丝杠螺母29上的移动滑板28与垂直旋转电机座32进行直线移动，并由X轴移动导杆46进行导向与支撑。起驱动X轴上Z轴组件旋转的垂直旋转电机33与减速器35通过螺钉安装在电机座上，减速器输出轴与连接法兰盘44固定在滑环内圈上，X轴滑环外圈通过滑环限位螺钉34固定在电机座下面，这样就保证了电机输出轴可以持续旋转而不会绕线。固定在X轴连接法兰盘下的Z轴x基座39下面安装有直线滑台模组36，红色激光发射器45与绿色激光发射器42通过螺钉固定在滑台上的红色激光座37与绿色激光座41上。并分别由直线滑台模组上的红色激光滑台驱动电机47与绿色激光滑台驱动电机48分别驱动，从而进行在Z轴上的直线移动。

所述Y轴组件与X轴组件结构相同，不同点是X轴组件固定在铝型材横臂上，水平旋转，测垂直方向的X轴坐标，Y轴组件固定在立柱基座1上，垂直旋转，测水平方向上的Y轴坐标。

立柱基座1摆放在地面，固定不动。其侧面用螺钉连接着Y轴调整板69，上面用螺栓连接着立柱底座5。立柱底座的作用是对立柱滚子轴承与立柱导杆6进行定位，同样的立柱下限位底座11与立柱上限位多种18也是起到对梯形丝杠8与立柱导杆6的固定于限位作用。位于立柱基座内的立柱驱动电机2通过联轴器带动梯形丝杠旋转，从而驱动升降横梁的上下移动，从而实现了调整X轴组件上下移动的功能。而固定在立柱基座的Y轴调整板垂直与地面，Y轴组件上的Y轴电机49通过联轴器驱动Y轴丝杠54旋转，进而带动Y轴移动滑板68的上下移动，从而实现Y轴坐标的上下变换。Y轴组件上的水平旋转电机经过水平旋转减速器66减速后，减速器输出轴通过Y轴滑环60内连接的Y轴连接法兰盘61带动Z轴Y基座65旋转，当Z轴Y基座垂直于Y轴丝杠54时，Z轴坐标系建立完成。通过红色激光滑台驱动电机73与绿色激光滑台驱动电机74可以分别在Z轴直线滑台模组上调整红色激光发射器58与绿色激光发射器63的位置，进而对机械手位置进行Z轴标定。根据机械手所在位置选择红色激光或是绿色激光进行标记。X轴组件通过螺栓固定在铝型材横臂21上，平行于地面，垂直于Y轴调整板，与升降横梁20一起经过立柱梯形丝杠螺母上下移动。X轴组件上X轴电机22经过减速器减速后，通过丝杠螺母带动X轴移动滑板28移动，从而实现X轴坐标的左右变换。垂直旋转电机33经过减速器减速后，通过X轴滑环43内的法兰盘带动X轴上的Z轴直线滑台模组旋转，使之垂直于X轴丝杠，X轴上Z轴坐标建立完成。通过红色激光滑台驱动电机47与绿色激光滑台驱动电机48可以分别在Z轴直线滑台模组上调整红色激光发射器42与绿色激光发射器45的位置，进而对机械手位置进行Z轴标定。根据机械手所在位置选择红色激光或是绿色激光进行标记。

本发明的一种用于机械手位置标定的三维定位装置的工作过程主要分为准备工作，机械手运动前零点标定，机械手运动后坐标标定。

准备工作：首先将立柱基座1摆放在合适位置，接通电源，调节立柱驱动电机2，力矩经减速器作用在梯形丝杠上，使螺母驱动升降横梁20上升，抬升X轴组件到一定高度，使其不与机械手运动路线干涉。在机械手上选取以指定位置，此位置便于X轴组件与Y轴组件上的激光束照射，进行定位。

机械手运动前零点标定：首先调节Y轴电机49，力矩经减速器与联轴器传递到Y轴丝杠54上，带动Y轴移动滑板68进行直线移动，当其移动到机械手标记位置同一水平面时，停止移动。调节水平旋转电机，是Z轴Y直线滑台模组56水平，调节红色或绿色激光中较合适的滑台驱动电机，使相应颜色激光照射在机械手指定位置上。之后，对X轴组件上的相关电机进行上述操作，使X轴组件上相同颜色激光束照射在机械手指定位置，并以此时的X轴、Y轴、Z轴参数作为坐标原点。此时，机械手运动前零点标定完成。

机械手运动后坐标标定：机械手运动后，重复步骤(2)中的相同步骤，使Y轴与X轴组件上的Z组件上与步骤(2)中相同颜色的激光束对机械手指定位置进行定位。此时，X轴、Y轴与Z轴坐标的位置即为机械手移动后在直角坐标系中的坐标，机械手位置标定完成。

综上，本发明的一种用于机械手位置标定的三维定位装置主要是依靠激光对机械手指定位置照射进行定位，无需在机械手上安装附加装置，从而保证了机械手独立动作，不受测量装置干扰。本发明操作简单，X轴、Y轴、Z轴独立驱动，不会形成干涉，且所有运动都采用高精度滚珠丝杠与直线滑台模组，运动精度高。相比于CCD交互测量系统、超声波测量系统等传动测量方法成本更低。

本发明的X轴、Y轴与Z轴均采用伺服电机进行闭环控制，将直角坐标系X轴、Y轴与Z轴整合为一个整体，通过调整Z轴上红色或绿色激光发射器的位置对机械手指定位置进行定位，此时红色或绿色激光发射器的坐标即是机械手指定位置的相对坐标，该发明具有形象直观，操作灵活，安装方便等特点。

Claims (5)

1.一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置，其特征在于：包括立柱基座、X轴组件、Y轴组件、立柱丝杠组件，立柱丝杠组件包括安装在立柱基座上端面的立柱底座、安装在立柱基座内的立柱驱动电机、与立柱驱动电机输出端连接的且伸出至立柱基座外的梯形丝杠、安装在梯形丝杠上的立柱丝杠螺母、与立柱丝杠螺母固连的升降横梁；

所述Y轴组件包括设置在立柱基座侧面的Y轴调整板、安装在Y轴调整板上的一对Y轴轴承座、安装在Y轴轴承座中的Y轴丝杠、安装在Y轴丝杠上的Y轴丝杠螺母、与Y轴丝杠螺母固连的Y轴移动滑板、安装在Y轴移动滑板上的水平旋转电机座、安装在水平旋转电机座上的水平旋转电机和水平旋转减速器、与水平旋转减速器输出轴连接的Y轴滑环、与Y轴滑环连接的Y轴连接法兰盘、与Y轴连接法兰盘下端面的Z轴Y基座、安装在Z轴Y基座上的两个Z轴Y直线滑台模组、分别设置在两个Z轴Y直线模台组上的Y轴组件的绿色激光座和红色激光座、分别安装在Y轴组件的绿色激光座和红色激光座上的Y轴组件的绿色激光器和红色激光器，Y轴电机的输出轴与Y轴丝杠的上端连接，Y轴滑环的外圈通过螺钉与水平旋转电机座连接，两个Z轴Y直线滑台模组分别由驱动电机驱动；

所述X轴组件包括与升降横梁连接的铝型材横臂、安装在铝型材横臂下端的一对X轴轴承座、安装在X轴轴承座中的X轴丝杠、安装在X轴丝杠上的X轴丝杠螺母、与X轴丝杠螺母固连的X轴移动滑板、安装在X轴移动滑板上的垂直旋转电机座、安装在垂直旋转电机座上的垂直旋转电机和垂直旋转电机减速器、与垂直旋转减速器输出轴连接的X轴滑环、与X轴滑环连接的X轴连接法兰盘、与X轴连接法兰盘下端面的Z轴X基座、安装在Z轴X基座上的两个Z轴X直线滑台模组、分别设置在两个Z轴X直线模台组上的X轴组件的绿色激光座和红色激光座、分别安装在X轴组件的绿色激光座和红色激光座上的X轴组件的绿色激光器和红色激光器，X轴电机的输出轴与X轴丝杠的端部连接，X轴滑环的外圈通过螺钉与水平旋转电机座连接，两个Z轴X直线滑台模组分别由驱动电机驱动。

2.根据权利要求1所述的一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置，其特征在于：所述立柱丝杠组件还包括设置在梯形丝杠上端部的立柱上限位底座和设置在梯形丝杠中下段的立柱下限位底座，在立柱上限位底座和立柱底座之间还设置有两根起导向作用的立柱辅助导杆，立柱辅助导杆由下至上依次穿过立柱下限位底座和升降横梁，升降横梁与立柱辅助导杆之间还设置有立柱导杆滑套。

3.根据权利要求2所述的一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置，其特征在于：铝型材横臂与立柱辅助导杆之间还设置有斜拉加强桁架。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置，其特征在于：与水平旋转减速器输出轴连接的Y轴滑环是指水平旋转减速器输出轴与Y轴滑环的内圈连接；与垂直旋转减速器输出轴连接的X轴滑环是指垂直旋转减速器输出轴与X轴滑环的内圈连接。

5.根据权利要求3所述的一种用于工业机械手位置标定的三维定位装置，其特征在于：与水平旋转减速器输出轴连接的Y轴滑环是指水平旋转减速器输出轴与Y轴滑环的内圈连接；与垂直旋转减速器输出轴连接的X轴滑环是指垂直旋转减速器输出轴与X轴滑环的内圈连接。