工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計方法和步驟

　　設(shè)計新型機(jī)器人時，要充分考慮諸多因素，并應(yīng)多參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，參考其設(shè)計參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)研究和比較，確定出所要機(jī)械部分的特點，定出設(shè)計方案。

　　1. 操作機(jī)整機(jī)設(shè)計原則

　?。?）最小運(yùn)動慣量原則 由于操作機(jī)運(yùn)動部件多，運(yùn)動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動，采用最小運(yùn)動慣量原則，可增加操作機(jī)運(yùn)動平穩(wěn)性，提高操作機(jī)動力學(xué)特性。為此，在設(shè)計時應(yīng)注意在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減小運(yùn)動部件的質(zhì)量，并注意運(yùn)動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置。

　?。?）尺度規(guī)劃優(yōu)化原則當(dāng)設(shè)計要求滿足一定工作空間要求時，通過尺度優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利于操作機(jī)剛度的提高，使運(yùn)動慣量進(jìn)一步降低。

　　（3）高強(qiáng)度材料選用原則 由于操作機(jī)從手腕、小臂、大臂到機(jī)座是依次作為負(fù)載起作用的，選用高強(qiáng)度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的。

　?。?）剛度設(shè)計的原則 操作機(jī)設(shè)計中，剛度是比強(qiáng)度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。

　?。?）可靠性原則 機(jī)器人操作機(jī)因機(jī)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，元器件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性，而部件的可靠性應(yīng)高于整機(jī)的可靠性?？梢酝ㄟ^概率設(shè)計方法設(shè)計出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu)，也可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評定操作機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

　　（6）工藝性原則 機(jī)器人操作機(jī)是一種高精度、高集成度的自動機(jī)械系統(tǒng)，良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計時要體現(xiàn)的重要原則之一。僅有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計而無良好的工藝性，必然導(dǎo)致操作機(jī)性能的降低和成本的提高。

　　2．操作機(jī)的設(shè)計方法和步驟

　?。?）確定工作對象和工作任務(wù) 開始設(shè)計操作機(jī)之前，首先要確定工作對象、工作任務(wù)。

　　1）焊接任務(wù)：如果工作對象是一輛汽車或是一個復(fù)雜曲面的物體，工作任務(wù)是對其進(jìn)行弧焊或點焊，則要求機(jī)器人的制造精度很高，弧焊任務(wù)對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性有很高的要求，點焊任務(wù)對機(jī)器人的位姿精度有很高的要求，兩種任務(wù)都要求機(jī)器人具備擺弧的功能，同時要能在狹小的空間內(nèi)自由地運(yùn)動，具備防碰撞功能，故機(jī)器人的自由度至少為六個。

　　2）噴漆任務(wù)：如果工作對象是一輛汽車或是一個復(fù)雜曲面的物體，工作任務(wù)是噴涂汽車的內(nèi)部和車門或是復(fù)雜曲面物體的表面，則要求機(jī)器人手腕要靈活，能夠在狹小的空間內(nèi)自由地運(yùn)動，具備防碰撞功能；要求機(jī)器人能夠在長時間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定可靠地工作；同時要求機(jī)器人具備光滑的流線型外表面，漆、氣管線最好能從其橫臂和手腕內(nèi)部通過，使機(jī)器人外表不易積漆積灰，不會污染已噴好的工作對象，且漆、氣管線也不易損壞；因噴漆機(jī)器人是在易燃易爆的工作環(huán)境中工作，故要具備防爆的功能。同時對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性也有較高的要求。機(jī)器人的自由度至少應(yīng)為六個。

　　3）搬運(yùn)任務(wù)：如果工作對象比較笨重，工作任務(wù)是定點搬運(yùn)，定位精度要求高，則對機(jī)器人的承載能力和定位精度有高的要求。如果工作對象比較輕巧，工作任務(wù)也是定點搬運(yùn)，但要求輕拿輕放，且定位精度要求高，則對機(jī)器人的速度穩(wěn)定和定位精度有高的要求。

　　4）裝配任務(wù)：對機(jī)器人的速度穩(wěn)定密和位姿精度有很高的要求。

　　有些機(jī)器人能完成多種工作任務(wù)，如MOTOMAN－SKI20系列機(jī)器人，既可以用于搬運(yùn)也可以用于點焊，具有快速、精巧、強(qiáng)有力和安全性高的特點；另一種MOTOMAN－SK6／SK16系列機(jī)器人，可以完成弧焊、搬運(yùn)、涂膠、噴釉和裝配多種任務(wù)，具有高速、精巧和可靠性高的特點。

　　設(shè)計新型機(jī)器人時，要充分考慮以上諸多因素，并應(yīng)多參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，參考其設(shè)計參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)研究和比較，確定出所要機(jī)械部分的特點，定出設(shè)計方案。

　　下面以一臺六自由度交流伺服通用機(jī)器人為例講一下設(shè)計過程。

　　（2）確定設(shè)計要求

　　1）負(fù)載：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的負(fù)載。一般噴漆和弧焊機(jī)器人的負(fù)載為5～6kg。

　　2）精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人未端的最大復(fù)合速度和機(jī)器人各單軸的最大角速度。

　　3）精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的重復(fù)定位精度、如弧焊機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.4mm，ABB公司開發(fā)的Model 5003型噴漆機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±1mm。同時要確定構(gòu)成機(jī)器人的零件的精度、臂體的尺寸精度、形位精度和傳動鏈的間隙，如齒輪的精度和傳動間隙；還要確定機(jī)器人上所用的元器件的精度，如減速器的傳動精度、軸承的精度等等。

　　4）示教方式：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，確定機(jī)器人的示教方式。一般機(jī)器人的示教方式有下列幾種：

　?、匐x線示教（離線編程）；

　?、谑窘毯惺窘?；

　?、廴斯な职咽质窘?。

　　如果是噴漆機(jī)器人，就應(yīng)該具備人工手把手示教的功能，而對于其他機(jī)器人，有前兩種功能就可以了。

　　5）工作空間：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的工作空間的大小和形狀。

　　6）尺寸規(guī)劃：根據(jù)對工作空間的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的臂桿長度和臂桿轉(zhuǎn)角，并進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

　?。?）機(jī)器人運(yùn)動的耦合分析 對大多數(shù)非直接驅(qū)動的機(jī)器人而言，前面關(guān)節(jié)的運(yùn)動會引起后面關(guān)節(jié)的附加運(yùn)動，產(chǎn)生運(yùn)動耦合效應(yīng)。比如將六個軸的電動機(jī)均裝在機(jī)器人的轉(zhuǎn)塔內(nèi)，通過鏈條、連桿或齒輪傳動其他關(guān)節(jié)的設(shè)計，再比如同心的齒輪套傳動腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計，都會產(chǎn)生運(yùn)動耦合效應(yīng)。為了解耦，在編機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制軟件時，后面的關(guān)節(jié)要多轉(zhuǎn)一個相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)來補(bǔ)償。對一臺六自由度的機(jī)器人來講，如果從2、3軸之間開始就有運(yùn)動耦合，且3、4、5、6軸之間都有運(yùn)動耦合，那么3、4、5、6軸電動機(jī)就必須多轉(zhuǎn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)（有時是正轉(zhuǎn)，有時是反轉(zhuǎn)，依結(jié)構(gòu)而定），來消除運(yùn)動耦合的影響，3軸要消除2軸的，4軸要消除2軸和3軸的，依此類推，如果都要正轉(zhuǎn)，到了6軸，電動機(jī)就必須有相當(dāng)高的速度來消除那么多軸的影響，有時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會不夠，且有運(yùn)動耦合關(guān)系的軸太多，機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析和控制就會很麻煩。故設(shè)計六自由度的交流伺服機(jī)器人，一般情況下，前4個軸的運(yùn)動都設(shè)計成是相對獨立的，而運(yùn)動耦合只發(fā)生在4、5、6軸之間，即5軸的運(yùn)動受到4軸運(yùn)動的影響，6軸的運(yùn)動受到4軸和5軸運(yùn)動的影響。這樣做，既能保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊，又不會使有耦合關(guān)系的軸大多。

　?。?）機(jī)器人手臂的平衡 平衡機(jī)器人操作手臂的重力矩優(yōu)點如下：

　　·如果是噴漆機(jī)器人，則便于人工手把手示教。

　　·使驅(qū)動器基本上只需克服機(jī)器人運(yùn)動時的慣性力，而忽略重力矩的影響。故可選用體積較小、功耗較小的驅(qū)動器。

　　·免除了機(jī)器人手臂在自重下落下傷人的危險。

　　·在伺服控制中因減少了負(fù)載變化的影響，因而可實現(xiàn)更精確的伺服控制。

　　一般機(jī)器人操作機(jī)因1軸轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)，故不要平衡，4、5、6軸的手臂往往因重力很小，也不要平衡，故要平衡的是2、3軸手臂的重力矩。

　　1）配重平衡機(jī)構(gòu)：此種機(jī)構(gòu)原理如圖2a所示。設(shè)手臂質(zhì)量為m1，配重質(zhì)量為m2，因關(guān)節(jié)中心在同一直線上，則不平衡力矩為

　　M1＝m1glcosγ

　　配重產(chǎn)生的力矩為

　　M2＝m2gl′cosγ

　　靜力平衡條件為

　　M1＝M2

　　即 m1l＝m2l′

　　這種平衡機(jī)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了手臂的慣量和關(guān)節(jié)的負(fù)載，適用于不平衡力矩較小的情況。

　　2）彈簧平衡機(jī)構(gòu)：其原理如圖2b所示，臂的不平衡力矩為

　　M1＝M11-M12＝mglcosγ-Ia

　　式中 M11——靜不平衡力矩；

　　M12——慣性力矩；

　　I——手臂對關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量；

　　a——臂運(yùn)動平均加速度。

　　彈簧產(chǎn)生的平衡力矩為

　　式中 k——彈簧剛度；

　　l′——彈簧在手臂上安裝點到關(guān)節(jié)軸的距離；

　　e——彈簧另一端安裝點到關(guān)節(jié)軸的距離；

　　R——彈簧自由長度。

　　靜力平衡條件為

　　M2＝M11

　　動力平衡條件為

　　M2＝M11+M12

　　這種平衡機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果也較好，工作可靠，適用于中小負(fù)載，但平衡范圍較小。

　　3）氣缸平衡機(jī)構(gòu)：這種平衡機(jī)構(gòu)原理如圖2c所示。手臂不平衡力矩為

　　M1＝M11+M12＝mglcosγ+Ia

　　汽缸產(chǎn)生的平衡力矩為

　　式中 F——汽缸活塞推力；

　　其余參數(shù)同上。

　　靜力平衡條件為

　　M2＝M11

　　動力平衡條件為

　　M2＝M11+M12

　　汽缸平衡機(jī)構(gòu)多用在重載搬運(yùn)和點焊機(jī)器人操作機(jī)上，液壓的體積小，平衡力大；氣動的具有很好的阻尼作用，但體積較大。

　　（5）機(jī)器人動力學(xué)分析 機(jī)器人因各軸的重力矩均已基本平衡，故在這些軸運(yùn)轉(zhuǎn)時，電動機(jī)主要需克服的是由各軸轉(zhuǎn)動慣量所帶來的動力矩。

　　1軸：經(jīng)分析，當(dāng)機(jī)器人末端伸到最遠(yuǎn)處時，1軸運(yùn)轉(zhuǎn)起來的轉(zhuǎn)動慣量為最大。計算可得到此處1軸的轉(zhuǎn)動慣量J1如起動時間取為T1，則動力矩為

　　M1＝J1ω1/T1

　　2軸：經(jīng)分析，當(dāng)小臂相對于大臂的夾角為最大時，2軸運(yùn)轉(zhuǎn)起來的轉(zhuǎn)動慣量為最大，經(jīng)計算可得到此處2軸的轉(zhuǎn)動慣量為J2。如起動時間取為T2，則動力矩為

　　M2＝J2ω2/T2

　　3軸：機(jī)器人小臂相對于大臂上部中心運(yùn)轉(zhuǎn)起來的轉(zhuǎn)動慣量即是3軸的轉(zhuǎn)動慣量。同理有

　　M3＝J3ω3/T3

　　4軸：4軸無重力矩平衡裝置，故4軸電動機(jī)既要克服起動時的動力矩，也要克服運(yùn)轉(zhuǎn)時由手腕和負(fù)載引起的重力矩。經(jīng)計算，得出4軸的轉(zhuǎn)動慣量，繼而計算出4軸所需的傳動扭矩。

　　5軸：5軸也無重力矩平衡裝置，故5軸電動機(jī)也是既要克服起動時的動力矩，也要克服運(yùn)轉(zhuǎn)時由手腕和負(fù)載引起的重力矩。經(jīng)計算，得出5軸的轉(zhuǎn)動慣量，繼而計算出的5軸所需的傳動扭矩。

　　6軸：6軸也無重力矩平衡裝置，故6軸電動機(jī)也是既要克服起動時的動力矩，也要克服運(yùn)轉(zhuǎn)時由手腕和負(fù)載引起的重力矩。經(jīng)計算，得出6軸的轉(zhuǎn)動慣量，繼而計算出的6軸所需的傳動扭矩。

　?。?）電動機(jī)的選用 選用好交流伺服電動機(jī)，是操作機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵。由于機(jī)器人要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、運(yùn)動特性好，故希望在同樣功率的情況下，電動機(jī)重量要輕、外形尺寸要小。特別是裝在機(jī)器人橫臂或立臂內(nèi)部的電動機(jī)，重量要盡可能輕，外形尺寸要盡可能小。

　　根據(jù)動力學(xué)計算得到的各軸所需的傳動扭矩，除以減速器的減速比，再將傳動鏈的效率，如減速機(jī)的效率、軸承的效率和齒輪的效率等考慮進(jìn)去，并考慮各軸所需的轉(zhuǎn)速（運(yùn)動耦合因素也要考慮在內(nèi)），就可以選用電動機(jī)了。

　　在選用時要注意，交流伺服電動機(jī)的速度是可調(diào)節(jié)的，且在相當(dāng)大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩是恒定的，故選用電動機(jī)時只要電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速大于各軸所需的最高轉(zhuǎn)速就行。

　　同時還要注意與交流伺服電動機(jī)配置在一起的位置編碼器的選用，并注明電動機(jī)是否需要帶制動器等。

　?。?）減速器的選用 機(jī)器人上所用的減速器，常見的有RV減速器和諧波減速器。

　　RV減速器具有長期使用不需再加潤滑劑、壽命長、剛度好、減速比大、低振動、高精度、保養(yǎng)便利等優(yōu)點，適用于在機(jī)器人上使用。它的傳動效率為0.8，相對于同樣減速比的齒輪組，這樣的效率是很高的。

　　它的缺點是重量重，外形尺寸較大。

　　諧波減速器的優(yōu)點是重量較輕，外形尺寸較小，減速比范圍大，精度高。

　　機(jī)器人設(shè)計中，一般1、2、3軸均采用RV減速器，4、5、6軸常用諧波減速器。

　?。?）機(jī)器人臂體校核 機(jī)器人的手臂要進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度校核，在滿足強(qiáng)度和剛度的情況下，手臂要盡可能采用輕型材料，以減少運(yùn)動慣量，并給平衡機(jī)構(gòu)減少壓力。

　?。?）機(jī)構(gòu)零件校核

　　1）軸承校核：設(shè)計中所用的所有重要軸承都要經(jīng)過強(qiáng)度校核。在滿足尺寸和強(qiáng)度要求的情況下，盡可能地選用國產(chǎn)軸承，以降低機(jī)器人的成本。

　　2）軸的校核：設(shè)計中所用的所有較重要的軸都要經(jīng)過強(qiáng)度校核和剛度校核。

　　3）齒輪選用：設(shè)計中所用的所有齒輪都要經(jīng)過強(qiáng)度校核。

　　4）鍵及花鍵：設(shè)計中所用的所有較重要的鍵及花鍵都要經(jīng)過強(qiáng)度校核。

　　5）銷與螺釘：設(shè)計中所用的所有較重要的銷與螺釘都要經(jīng)過強(qiáng)度校核。

　　（10）機(jī)械加工工藝性考慮校核 機(jī)器人的設(shè)計要充分考慮加工裝配的方便，且要便于維修和調(diào)整。