工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、?開發(fā)與創(chuàng)新? 文章編號：1002-6673 (2012) 06-013-03 工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 朱同波，爲(wèi)凡，劉偉 (閩南理工學(xué)院，福建泉州362700) 摘 要：在了解工業(yè)機器人在國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上.根據(jù)工業(yè)機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理.對機器人腕部 進行結(jié)構(gòu)設(shè)計.為工業(yè)上機器人的設(shè)計提供理論煤考、設(shè)計煉考和數(shù)據(jù)冬考.為工業(yè)設(shè)計者提供設(shè) 計理論和設(shè)計實踐的參考。 關(guān)鍵詞：機器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計；專用軸承；動力布置 中圖分類號：TB47, TP242 文獻標識碼：A doi: 10.3969/j.issn. 1W2-6673.2012.06.()05 Industrial Rob

2、ot Structure Design ZHU Tong-Bo、CAI ban. LIU Wei (Minnan University of Science and Technology. Quanzhou Fujian 362700,China) Abstract: In the industrial robot in understanding situation at home and abroad. and on the basis of industrial robot according to internal structure and working principle

3、of the robot wrist structure design. On the design of the robot for industry co provide theoretical reference, design reference data for reference, and industrial designers with design theory and design practice reference. Key words： robot； structure design; special bearing； power arrangement #

4、 ?開發(fā)與創(chuàng)新? # ?開發(fā)與創(chuàng)新? 0引言 機器人是杲典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附 加值咼，應(yīng)用范rar,作為先逬制造業(yè)的支撐技術(shù)和信 息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來 越重要的作用。從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè) 一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。根據(jù)發(fā)達國家產(chǎn)業(yè) 發(fā)展與升級的歷程和工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢，到 2015年中國機器人市場的容圮約達十幾萬臺套。 1工業(yè)機器人的基本工作原理 工業(yè)機器人是一種生產(chǎn)裝備，其基本功能是提供 作業(yè)所須的運動和動力，其基本工作原理是通過操作機 上各運動構(gòu)件的運動，自動地實現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能

5、及技術(shù)要求。因此在基本功能及基本工作原理上，工業(yè) 機器人與機床有相同之處：二者的末端執(zhí)行器都有位置 變化要求，而且都是通過坐標運動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的 位置變化要求。當(dāng)然機器人也有其獨待的要求，是按關(guān) 節(jié)形式運動為主，同時機器人的靈活性要求很高，其剛 度、稍度要求相對較低。 收稿日期：2012-10-09 作者簡介：朱同波（1986-）,男.教師。研究方向：機械設(shè)計 制造；蔡凡（1986-）,女，放師。研究方向：電子通信工程。  2工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 2.1工業(yè)機器人構(gòu)造 從功能角度分析可將機器人分解成四個部分：操作 機、末端執(zhí)行器、傳感系統(tǒng)、控制器。 操作機：是由機座、手臂和手腕

6、、傳動機構(gòu)、驅(qū)動 系統(tǒng)等組成，其功能是使手腕具有某種工作空間.并調(diào) 整手腕使末端執(zhí)行器實現(xiàn)作業(yè)任務(wù)要求的動作。 末端執(zhí)行器：也叫工業(yè)機器人的手部，它足安裝在 工業(yè)機器人手腕上蟲接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。 感器系統(tǒng)：是指要機器人與人一樣有效的完成工 作，必須對外界狀況進行判斷的感覺功能。與機器人控 制最緊密相關(guān)的是觸覺。視覺適合于檢測對欽是否存 在，檢測其犬概的位置、姿勢等狀態(tài)。相比之下，継覺 協(xié)助視覺，能夠檢測岀對欽更細微的狀態(tài)。 控制器：機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定 機器人功能和性能的主要因素。主要是控制工業(yè)機器人 住工作空間中的運動位宜、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動 作的時間等

7、。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人 機交互界面、在線操作提ZK和便用方便等待點。在機器 人中采用的控制系統(tǒng)有：點位的和輪廓的；同步的和異 步的；數(shù)字的和模擬的?？筛鶕?jù)機器人的技術(shù)與經(jīng)濟要 求及工藝任務(wù)的特點來選擇控制系統(tǒng)的具體方案。 2.2主要結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)AH?V6L教工業(yè)機器人的主要參數(shù)進行設(shè)計, 主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。機器人的工作范圍見圖2。 選擇型號為SGMAH41A,額定功率為100W.額定轉(zhuǎn) 矩為0.318N?m,額定轉(zhuǎn)速為3000r/mint賈最為0.7kg的 交流伺服電動機。 （2）B軸和T軸電機的選擇。根據(jù)設(shè)計要求取相同型 號的電機，選擇型號為SGMAH-01A

8、交流伺服電動機。 3.4傳動比的確定 （1）R軸總傳動比的確定。角速度3=400。/8。即g 6.98r/mino再求實際轉(zhuǎn)速M： M為轉(zhuǎn)^（r/min）o最后求得總傳動比: n，=<^w_=60x6:98_=66_69r/min 15 ?開發(fā)與創(chuàng)新? 3腕部設(shè)計 （2）用同樣的方法，可求得：B軸總傳動比ift2=15； # ?開發(fā)與創(chuàng)新? 在設(shè)計中為減輕機器人本體的重址選用鑄鋁材料。 3.1手腕結(jié)構(gòu)的確定 手腕是聯(lián)接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能是在 手臂和機座實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐 標（自由度）的基礎(chǔ)上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)

9、行器在 作業(yè)空間的三個姿態(tài)（方位）坐標，即實現(xiàn)三個旋轉(zhuǎn)自 由度。通過機械接口，聯(lián)接并支承末端執(zhí)行器。根據(jù)機 器人的作業(yè)要求來決定其應(yīng)具有的自由度數(shù)目。 3.2基本參數(shù)的確定 確定了空間結(jié)構(gòu)和手腕結(jié)構(gòu)后，可確定手腕回轉(zhuǎn)、 手腕擺動及手腕旅轉(zhuǎn)三個姿態(tài)的自由度。其參數(shù)見表1 （參數(shù)來于SSA2000工業(yè)機器人）。 表1機器人的主要規(guī)格參數(shù) 手腕回轉(zhuǎn) （R軸） 手腕擺動 （B»） 手腕能轉(zhuǎn) （TH） 額定載 荷滋 量大速度 /（皿） ±150°400°/$ ?180,/-45°4000/3 ±360°60

10、0°/s 3 1.4 手原回轉(zhuǎn)（R軸） ±150° 400°/s 動作范圍 手腕慮動（B軸） ?180°/-45° 400°/s 手炭轉(zhuǎn)（T軸） ±360^ 600% 額定載荷 3燈 銀大速度 1.4m/s 3.3手腕電機的選擇 （1）R紬電機的選擇。手腕的最大負荷質(zhì)ft m=3kgt 初估腕部的質(zhì)ft ml=3kgo最大運動速度V =1.4 m/s,取 軸承的效率為0.9。 功率 p=-E5L=mgy_=i>s^L£=46.7w 0 %

11、0.9 取各齒輪和聯(lián)軸器效率總和為0.9,則： P 士器-51.8W 考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率p.=100Wo T軸總傳動比i “TO。 （3）傳動比的分配。傳動比分配時要充分考慮到各級 傳動的合理性以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。 ①R軸傳動比分配：R軸總的傳動比i €1=15,該傳動經(jīng) :諧波滅速器直接驅(qū)動小臂回轉(zhuǎn)；②B軸傳動比分配：B 軸總的傳動比ig2=15,該傳動先經(jīng)諧波減速器減速， 再經(jīng)兩級傳動，第一極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比 i«=l,第二極傳動為同步齒形帶傳動，傳動比i2t=l；③ :T軸傳動比分配：T軸總的傳動比i a 3=10,該傳動經(jīng)

12、諧 波減速器減速再經(jīng)三級傳動。第一極傳動為圓錐齒輪傳 動，傳動比i3.=l,第二極傳動為同步帶傳動，傳動比 ixFl,第三極傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比in=l.35o 3.5諧波減速器的選擇 諧波齒輪減速器是一種新型的機械傳動變速機構(gòu)。 與普通齒輪傳動相比，具有體積小，重■輕，結(jié)構(gòu)簡單， :它與傳動比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比較，其零件減少50%, 體積和敕最均減少1/3左右或更多。傳動比范圍大（單級 傳動比為40-350,多級傳動比可達1600-100000）,傳 動效率高（單級傳動效率耳385%）,傳動精度高，承載能 :力強等特點。 根據(jù)所選擇的電機，選擇型號為SGMAH-01A.額 定功率

13、為100 W,額定轉(zhuǎn)矩為Q318N-m.額定轉(zhuǎn)速為 3000 "min的交流伺眼電動機。同時選擇XB1諧波減速 機，機型為25,減速比為40,輸岀力矩為l.ON-m,輸 入轉(zhuǎn)速為3000 r/mino為了訂貨和維修方便，三軸均采 用同一種減速器。 :3.6売體的設(shè)計 機座部分采用鑄鋁材料，方形結(jié)構(gòu)，臂厚5~12mmo 機身部分采用鑄鋁材料，圓簡形結(jié)構(gòu)，臂厚7~8mm。大 臂外殼采用鑄鋁材料，厚度均為28mm。小臂箱體和小 :片外殼采用鑄鋁材料，結(jié)構(gòu)為方形，側(cè)面為鑄件其它三 |面為鑄鋁板材。手腕外殼和手腕箱體采用鑄鋁材料，結(jié) 16 ?開發(fā)與創(chuàng)新? 構(gòu)為方形，兩側(cè)面、

14、背面、底面為鑄件，瑞面和正面為 鑄鋁板材，臂厚5~8mmo其它部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)決 定.見圖3。 4機器人軸承設(shè)計  為冠形插入式結(jié)構(gòu)。適合 安裝在工業(yè)機器人的腕 部、肘部等關(guān)節(jié)部位。薄 :壁交叉滾子軸承通常有滿 滾子結(jié)構(gòu)和帶沖壓保持架 或隔離件的結(jié)構(gòu)形式。為 便于裝配.交叉滾子軸承 5 ?漾動體 外因或內(nèi)圈采用雙半結(jié)圖4薄廉四點接竝球軸承 構(gòu)，用螺釘連接，內(nèi)、外因滾道與軸承軸線呈45。角， 滾道之間交譬放置互成90°的圓柱滾子.滾子直徑一般 :應(yīng)大于滾子長度，可承受徑向載荷及兩個方向的軸向載 荷以及傾覆力矩，相當(dāng)于兩套接觸角«=45°的角接觸釉

15、承背靠背安裝的組配。特別適合安裝在工業(yè)機器人的腰 部、肩部等關(guān)節(jié)部位。 17 ?開發(fā)與創(chuàng)新? 球軸承是機器人和機械手機構(gòu)中最常用的軸承。它 能承受徑向和軸向載荷.摩擦較小。其機器人專用軸承 四點接觸式設(shè)計以及高精度加工。這種軸承比同等軸輕 的常規(guī)中系列四點接M軸承輕25倍。它的內(nèi)圈（或外 圈）由兩個半圈精確拼配而成，而其整體外圈（或內(nèi)圈） 的溝曲率半徑較小，使鋼球與內(nèi)、外圈在四個“點”上 接觸，既加大了徑向負荷能力，又能以緊湊的尺寸承受 很的兩個方向的軸向負荷，并且有很好的兩個方向的軸 向限位能力，因為它的軸向游隙相對較小，而其接觸角 （一般取為35。）又較大。 工業(yè)機器人專用

16、薄壁四點接融球軸承通常有帶密封 圈和不帶密封圈的結(jié)構(gòu)形式（見圖4）。其主要由內(nèi)圈、外 團、保持架、鋼球或非接舷式密封圈組成。內(nèi)、外圈均 為整體結(jié)構(gòu).鋼球與內(nèi).外因溝道呈四點接觸■保持架  5結(jié)束語 各種工業(yè)機器人可以以單機形式使用.也可以作為 生產(chǎn)系統(tǒng)中的一種構(gòu)成部分使用。隨著社會需求發(fā)展的 變化.工業(yè)生產(chǎn)多品種小批就方向發(fā)展■對制造系統(tǒng)的 柔性要求越來越高。工業(yè)機器人靈活性好。因此在柔性 制造系統(tǒng)內(nèi)各種應(yīng)用越來越多。 參考文獻： ［1］ 馮辛安?機械制適裝備技術(shù)［MJJ匕京:機械工業(yè)出版社.2008. （2］ 郭巧?現(xiàn)代機痔人學(xué)［M］?北京:北京理工大學(xué)出版社.1999. :

17、⑶黃繼昌■徐巧色■尊?實用機構(gòu)圖冊［叫北京:機械工業(yè)出版社?2008. ［4］［日］日本機器人學(xué)會馬版機器人技術(shù)手州叫北京：科學(xué)岀版社. 2007. # ?開發(fā)與創(chuàng)新? # ?開發(fā)與創(chuàng)新? 圖3 PLC與HMI通訊連接關(guān) 廉示童圖 Fig3 Exhibition of the communication relationship between PLC and HMI （上接第24頁）濾器、高壓板式過濾器，從3號口出， 回到裝備主油路，實現(xiàn)利用裝備動力的濾油功能；③內(nèi) 部動力過濾：電確閥D2得電，傳動油從吸油過濾器進 入油泵，經(jīng)強磁過濾器、高壓板式過

18、濾器冋到清洗機內(nèi) 部油箱，實現(xiàn)對濾清機油箱的濾油功能；④外油進清洗 機：電磁閥D1得電，外部傳動油經(jīng)1號口、吸油過濾 器進入油泵，經(jīng)強磁過濾器、高壓板式過濾器，進入清 洗機內(nèi)部油箱，實現(xiàn)濾清機油箱的補油功能；⑤向裝備 內(nèi)加油：電磁閥D2、D5得電，傳動油從吸油過濾器進 入油泵，從3號口出去，到達裝備加油口，實現(xiàn)裝備加 油、補油功能。 （3）控制原理：選用可編程序控制器（PLC）作為清洗 設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的主控單元；選用液晶顯示的人機界 面控制系統(tǒng)（HMI）作為顯示、操作單元。把PLC和HMI 二者有機結(jié)合，實現(xiàn)控制過程中流員和時間的設(shè)定、液位和濾清器堵塞報警指 示。兩者的通訊連接關(guān) 系如圖

19、3所示。 6結(jié)束語 工程裝備傳動油濾 清機集多種功能于一 體，按系統(tǒng)提示操作， 通過連接不同的管路， 可實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的壓力 清洗、動力加油、廢油 收集.利用被保養(yǎng)裝備動力進行傳動油過濾，傳動油液 過濾精度可達到10pm。所有濾清過程可以實現(xiàn)定時作 業(yè)，所有補油、加油可以實現(xiàn)定量操作。極大地簡化了 :使用人員的摸作難度.提高了傳動系統(tǒng)保養(yǎng)的效率。 # ?開發(fā)與創(chuàng)新? # 工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 作者： 朱同波，蔡凡，劉偉，ZHU Tong-Bo, CAI Fan， LIU Wei 作者單位： 閩南理工學(xué)院福建泉州362700 刊名： 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新

20、 英文刊名： Development & Innovation of Machinery & Electrical Products 年，卷（期）: 被引用次數(shù)： 2012,25(6) 2次 參考文獻（4條） 1. 馮辛安機械制造裝備技術(shù)2008 2. 郭巧現(xiàn)代機器人學(xué)1999 3. 黃繼昌;徐巧魚實用機構(gòu)圖冊2008 4. 日本機器人學(xué)會新版機器人技術(shù)手冊2007 引證文獻（2條） 1. 方啟程，周俊，戴文靜,李金波 基于Petri網(wǎng)的柔性制造系統(tǒng)中工業(yè)機器人故障診斷 ［期刊論文］-上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報2015（3） 2. 黃世亮基于RR&PI機構(gòu)的五自由度混聯(lián)機械臂的研究［學(xué)位論文］碩士 2013 引用本文格式：朱同波.蔡凡.劉偉.ZHU Tong-Bo CAI Fan. LIU Wei工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計［期刊論文］-機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新2012（6）